土壤水分利用效率（精选10篇）
土壤水分利用效率 篇1
引言
水分利用效率和干物质生产是影响小麦生产的重要因素, 随着我国水资源短缺问题的加剧以及传统农业的连年翻耕, 土壤储水能力越来越弱, 这对于小麦的种植而言是十分不利的。为了解决小麦生产面临的严峻问题, 人们将注意力逐渐转移到土壤的耕作方式, 意在通过改良耕种方式改变小麦的生产情况, 进而达到高产的目标, 例如以秸秆覆盖处理和免耕播种技术为核心的保护性耕作方式就可以达到较好的节水抗旱作用, 其次深松覆盖处理可以在小麦开花到成熟期提高干物质生产量, 这些现象均说明土壤耕作方式可以改变小麦干物质生产和水分利用率。因此, 本文对土壤耕作方式对小麦干物质生产和水分利用率影响的分析具有重要的价值。
1 试验材料与方法
1.1 试验设计
本试验中的试验小麦品种为济麦22, 其属于高产小麦, 在生长试验过程中主要采用了5种耕种方式, 依次为旋耕、翻耕、深松+旋耕、深松+条旋耕和旋耕。由于小麦生长受到时间的限制, 因此本文主要结合相关文献对小麦3个生长季的生长情况进行分析, 分别为2011~2012, 2012~2013, 2013~2014, 每个生长季的小麦生长环境如表1所示[1]。
1.2 土壤耕作程序
5种耕作方式均是在前茬玉米秸秆全部粉碎还田以后开始实施的, 不同的耕种方式要采取不同的程序, 对于条旋耕而言, 选用耕种设备为2BLMFS-8-4-3型多功能贴茬播种机, 在一次性完成15cm深度的旋耕以后, 进行底肥和播种程序, 之后在利用播种机对18cm款的根茬进行旋耕粉碎, 同时保持32cm播种行间的土壤免耕, 这种耕作方式之所以称为条旋耕, 主要是因为旋耕面积等于总面积的36%[2]。
采用深松与条旋耕结合的耕种方式就是在实施条旋耕之前首先要利用振动深松机进行38cm深度的深松处理, 然后在进行条旋耕。旋耕就是指在播种之前, 利用旋耕机对所有土地进行15cm深度的2次旋耕处理, 之后还要进行筑埂打畦操作。深松与旋耕的组合与上述程序相似, 不同的是翻耕耕作方式首先施加底肥, 之后用翻耕设备进行25cm深度的翻耕操作, 然后再结合旋耕机进行15cm深度的旋耕。
1.3 农田耗水量及水分利用效率和灌溉效益计算
农田耗水量与土层、土层厚度、灌水量、降水量以及地下水补给量等因素密切相关, 其依据的计算公式为, 当地下水的埋深不小于3m时, K记为0。水分利用效率的计算公式为WUE=Y/ETa, 式中的Y是指小麦籽粒产量, 单位为kg·hm-2, ETa是指生育期间小麦的实际耗水量, 单位为mm。灌溉效益记为IB, 计算公式为IB=Y/I, 其中I为实际灌水量, Y是指在灌溉完成之后增加的产量, 单位为kg·hm-2。
1.4 干物质测定和产量计算
本实验中选择的测定对象为籽粒、茎秆和叶片, 分别对应返青、拨节和开花时期, 不同的试验样品放置在烘干箱内, 在80℃条件下烘干, 然后称量干重。在收获小麦以后, 将小麦晒干称量其重量并记录产量, 得到的籽粒含水量为12.7%[3]。
2 结果与分析
2.1 耕作方式对小麦干物质生产的影响
耕作方式对小麦干物质生产的影响与小麦所处的生育时期密切相关, 即不同的生育时期, 各种耕作方式对小麦物质生产的影响是不同的。对于小麦生产而言, 重要的生育时期包括返青期、拨节期、开花期和成熟期, 不同时期耕种方式对其物质生产的影响如下:
在返青期, 翻耕, 旋耕和深松与旋耕组合的耕种方式相比条旋耕和条旋耕+深松可以产生较大的干物质积累量;在拨节期翻耕与深松+旋耕的应用优势仍然较大, 在这一时期, 条旋耕能够产生的干物质积累量最小;开花期小麦干物质积累量最大的仍然是深松和旋耕的组合耕种方式, 最小的依然是条旋耕, 最后成熟期时, 深松+旋耕以及深松+条旋耕两种耕种方式产生的物质积累量要远大于旋耕和条旋耕。通过上述结论可以发现, 不论小麦处于哪一生育时期, 深松+旋耕的组合方式均可以产生较大的干物质积累, 这也说明了深松对于小麦干物质生产的影响[4]。
为了进一步比较出各种耕种方式对小麦干物质生产的影响, 还要进一步分析各个生育时期对小麦生产的影响。首先, 返青期是小麦铸件走向生长发育的开端, 属于小麦生产的一般时期。其次, 拨节期到成熟期是小麦生产的关键和核心时期, 这一时期直接关系到籽粒产量的高低, 因此在选择耕种方式时, 要注重在拨节期到成熟期这一段时间内, 耕种方式对小麦物质生产的影响, 通过实验可以发现, 不同耕种方式在这一时期对小麦物质生产的影响规律如下:深松+旋耕>深松+条旋耕>翻耕>旋耕>条旋耕[5]。
2.2 耕作方式对小麦水分利用率的影响
对于三个小麦生长季而言, 深松+旋耕以及深松+条旋耕的耕种组合方式可以使小麦的籽粒产量和灌溉效益达到一个较为理想的高产水平, 同时要高于其它耕种方式下的相同指标。其中, 深松+条旋耕和深松+旋耕两种耕种方式在2011~2012生长季的小麦生产中并无明显差异, 籽粒产量几乎相同, 水分利用效率差别不大。2012~2013生长季, 采用深松+条旋耕组合的耕种方式显著提高了小麦的水分利用效率和灌溉效益, 而籽粒产量与深松+旋耕的组合耕种方式差异不明显。2013~2014的情况与上述情况相似, 均是处于深松+旋耕和深松+条旋耕两种组合方式的比较。但是, 总的来说这两种耕种方式在影响小麦高产的过程中并无太过明显的差异, 只是在节水方面, 深松+条旋耕要略大于深松+旋耕[6]。
3 结论
综上所述, 通过实验探究和分析, 得出了不同耕种方式对小麦物质生产和水分利用效率的影响规律:深松+条旋耕可以最大程度的满足小麦高产需求, 水分利用效率和灌溉效益与其它耕种方式相比占据明显的优势, 籽粒产量也可以达到高产的要求;深松+旋耕与深松+条旋耕的作用差异较小, 在降水量丰富的地区适宜采用;翻耕处理可以有效提高水分利用效率, 但是对物质生产的影响较小。出了上述三种耕种方式具有明显的应用优势以外, 旋耕和条旋耕在改善土壤环境, 促进小麦产量等方面能力弱。
摘要：小麦耕种方式一般包括条旋耕、翻耕、深松+旋耕、深松+条旋耕和旋耕5种, 影响小麦高产的因素主要包括耗水特性、籽粒产量、水分利用率和干物质积累和分配等。鉴于此, 本文主要通过实验研究的方式, 分析上述5种土壤耕种方式对小麦高产的影响, 并着重分析对小麦干物质生产和水分利用效率的影响, 在综合比较5种耕作方式以后, 意在选择出最优的小麦耕作方式。
关键词：土壤耕作方式,小麦,干物质生产,水分利用效率,影响
参考文献
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[6]桑晓光.深松镇压对冬小麦耗水特性和籽粒产量的影响[D].山东农业大学, 2013.
土壤水分利用效率 篇2
张鑫，隋世江，于涛，刘慧颖
（辽宁省农业科学院植物营养与环境资源研究所，辽宁 沈阳 110161）
摘要：研究同一施肥水平下，不同秸秆还田量对0-100cm土壤贮水量、水分利用效率、玉米生长发育及产量的影响。结果表明，随着秸秆还田量的增加，玉米生育期0-100cm土层土壤贮水量较CK提高4.25%、7.25%和4.49%；株高较CK增加6.88、14.12和8.21cm；百粒重较CK增加4.74%、11.05%和5.72%；玉米产量较CK显著提高4.21%、7.50%和4.73%(p<0.05)；水分利用效率较CK提高4.46%、9.27%和5.84%。秸秆还田量为9000kg/hm2，能够显著提高该地区的玉米产量和水分利用率。
关键词：玉米；秸秆还田；水分利用效率；产量
1Effect of different amounts of straw returning on corn yield and water use efficiency
ZHANG Xin ,SUI Shi-jiang,YU Tao,LIU Hui-ying
（Institute of plant nutrition and environmental resources ,Liaoning Academy of Agricultural Sciences, Liaoning,Shenyang,110161）
Abstract：Research on effects of different amounts of straw returning of 0-100cm soil, water use efficiency, growth and yield of maize in the same level of fertilization.The results showed that follow the amount of straw returning from low to high , compared with CK, water storage of 0-100cm soil in the growing period of corn increased 4.25%, 7.25% and 4.49%;plant height of straw returning treatments was 6.88、14.12 and 8.21cm higher than that of CK;100-seed weight and yield increased by 4.74%, 11.05%, 5.72% and 4.21%, 7.50%, 4.73%;the water use efficiency increased by 4.46%, 9.27% and 5.84%.In the region, the use of straw returning amount of 9000 kg/ha, could increase the yield and water use efficiency significantly.Keyword：maize;straw returning;water use efficiency;yield
我国年产生秸秆约7亿t，其中玉米秸秆约占50％以上[1]。玉米作为东北地区的主要粮食作物, 尽管年产大量秸秆, 但秸秆还田没有得到有效地推广应用。近年来随农村生活水平不断提高，大量的农作物秸秆被就地焚烧，既浪费了资源，又污染了环境[2]。秸秆还田作为秸秆资源的一种利用方式，可以提高土壤养分水平，改善土壤物理性质，优化农田生态环境[3-5]。
秸秆还田是秸秆资源利用的主要方式，是促进农业可持续发展的有效措施，特别是秸秆与化肥配施，既有培肥改土的作用，又有增强土壤蓄水保墒的能力[6]。刘世平等[7]研究证明，秸秆还田后在腐解过程中，能够促进土壤微粒的团聚，有效改善土壤结构增强通气与保水能力。研究表明，秸秆还田与氮肥配施能够提高作物产量[8-11]。本研究通过探讨同一施肥水平下不同秸秆还田量对玉米产量和水分利用效率的影响，既保证玉米产量，又合理利用资源、改善土壤环境，为促进该地区农业的可持续发展提供依据。
1材料和方法
1.1试验地概况
试验于2010年在辽宁省清原县北三家乡押虎沟进行，该地区地下水埋藏浅，浅水层约2-5m，属中温带大陆性季风气候。供试土壤类型为草甸土，试验土壤基础地力ph值5.2，有机质26.4g/kg，全氮1.23g/kg，速效磷(P2O5)20.3mg/kg，速效钾(K2O)51mg/kg, 碱解氮71mg/kg。供试玉米品种辽单28，试验区田间管理同大田。
1.2试验设计
1基金项目：公益性行业科研专项（201103039）；“十二五”农村领域国家科技计划课题（2012BAD14B04）
作者简介：张鑫（1981－），男，山东桓台人，助理研究员，硕士，从事施肥与农业生态环境研究。Email：billyxin@163.com
试验设4个处理，秸秆还田量分别为：0kg/hm2(CK)、4500kg/ hm2(LS)、9000kg/ hm2(MS)和13500 kg/ hm2(HS)，秸秆粉碎还田，还田深度20cm，3次重复，小区面积66.55m2，小区随机排列。各处理施肥量相同，磷、钾P2O560 kg/hm2，K2O60kg/hm2肥全部做底肥施入，氮肥施入量240 kg/hm2，其中1/3氮肥基施，拔节期追施2/3。
1.3测定项目与方法
玉米生育期采集0-20cm、20-40cm、40-60cm、60-80cm、80-100cm的土壤样品，每个小区随机取5个点，混合制样，样品混合均匀后烘干法测定土壤水分含量。收获期田间小区取样，每个小区取样株10株，测定株高以及与产量相关的性状。
土壤贮水量的计算：W=h×a×b×10/100
式中：W为土壤贮水量(mm)；h为土层深度(cm)；a土壤为容重(g/cm3)；b为土壤含水量(质量%)。土壤耗水量的计算：ETa=W1-W2+P
式中：ETa为土壤耗水量(mm)；W1为播前土壤贮水量(mm)；W2为收获后土壤贮水量(mm)；P为生育期有效降水量(mm)，式中土壤贮水量及耗水量均以1 m土层含水量计算.水分利用效率：WUE=Y /ETa
式中：WUE为水分利用效率(kg/mm·hm2)；Y为作物籽粒产量(kg/hm2)2结果与分析
2.1不同量秸秆还田对土壤贮水量的影响
玉米生育期不同量秸秆还田处理对100cm土壤贮水量变化的影响见图1。从图中可以看出，玉米生育期100cm土壤贮水量呈现降低—升高—降低的变化趋势。播前到苗期，受少量降雨入渗补充的影响，各处理土壤贮水量略有升高，秸秆还田处理0-100cm土壤贮水量较CK分别增加21.75（p<0.05）、20.51（p<0.05）和8.54（p<0.05）mm。拔节期到大喇叭口期是作物需水的临界期，该时期降雨较少，植物生长又消耗大量的土壤水分，土壤贮水量呈下降趋势，各处理0-100cm土壤贮水量无明显差异。吐丝期到收获期，受雨季降雨的影响，各处理土壤贮水量显著增加，秸秆还田处理与CK相比土壤贮水量差异明显。玉米生育期内，随着秸秆还田量的由低到高，0-100cm土壤贮水量秸秆还田处理较CK分别提高4.25%、7.25%和4.49%，MS处理显著高于其他秸秆还田处理。
图1 不同量秸秆还田处理0-100cm土层土壤贮水量的变化
Fig 1 Water storage of 0-100cm soil under different amounts of straw returning
2.3不同量秸秆还田对玉米产量及产量性状的影响
不同量秸秆还田对玉米产量及产量性状的影响见表1。从表中可以看出，秸秆还田处理的产量均显著
高于CK，分别增加4.21%、7.50%和4.73%，其中MS处理产量最高，达到8704.66kg/hm2。从产量构成因素看，秸秆还田处理的株高高于CK，分别增高6.88、14.12和8.21cm；秸秆还田处理穗长值相近，均略高于CK；穗行数、行粒数各处理间无明显差异，主要是由玉米品种遗传特性所决定；秸秆还田处理的百粒重均高于CK，分别增加4.74%、11.05%和5.72%。可见秸秆还田处理主要是通过提高籽粒饱满度，增加粒重，达到增产的效果。
表1 不同量秸秆还田对玉米产量及产量性状的影响
Table 1 Effects of different amounts of straw returning on yield traits of maize
处理 Treatment CK LS MS HS
株高/cm plant height 221.35c 228.23b 235.47a 229.56b
穗长/cm Ear length 18.19b 19.07a 19.27a 19.10a
穗行数（行）Rows per ear 15.50a 15.67a 15.83a 15.80a
行粒数（粒）Grains per row
34.04a 34.13a 34.17a 34.12a
百粒重/g 100-grain weight
32.67c 34.22b 36.28a 34.54b
产量/kg·hm-
2Yield 8097.21c 8438.59b 8704.66a 8479.93b
注：小写字母表示5%水平差异显著。Note：The small letters indicate significantly of 5% levels.2.3不同量秸秆还田对水分利用效率的影响
不同量秸秆还田处理对水分利用效率的影响见表2。从表中可以看出，秸秆还田处理水分利用效率与CK相比差异显著（p<0.05），随着秸秆还田量的增加，秸秆还田处理水分利用效率分别比CK提高4.46%、9.27%和5.84%，MS处理水分利用效率最高，LS和HS秸秆还田处理水分利用效率差异不显著。
表2 不同量秸秆还田下水分利用效率
处理 Treatment CK LS MS HS
产量/kg·hm-
2Yield 8097.21c 8438.59b 8704.66a 8479.93b
153.15b 166.43a 168.08a 163.89a
156.57b170.94a179.11a172.25a
469.28 a 468.18 a 461.67 a 464.33 a
472.70472.70472.70472.70
17.25c18.02b18.85a18.26b
ETa/mmWater consumption
生育期降水量/mm
Rainfall
WUE kg·mm-1·hm
注：小写字母表示5%水平差异显著。Note：The small letters indicate significantly of 5% levels.3结论与讨论
秸秆还田可以形成有良好团聚体结构的土壤，具有高度的孔隙性、持水性和通透性，可以更新和增加
［］
土壤有机质，改良土壤结构12-14。本研究结果表明，玉米生育期秸秆还田处理能够提高0-100cm土层土壤贮水量。随着秸秆还田量的增加，较CK分别提高了4.25%、7.25%和4.49%，差异显著(p<0.05)，当秸秆还田量达到9000kg/hm2时，玉米生育期0-100cm土层土壤贮水量提高显著。这可能是由于秸秆还田提高土
[15][16.17]
壤孔隙度，降低土壤容重，改善土壤水分状况和保水能力，生育后期雨季降水较多，通过秸秆还田的保墒、增墒和扩蓄增容作用[18.19]，提高了0-100cm土层土壤贮水量。
前人研究结果表明，秸秆还田配施氮肥可以提高作物产量[20-24]。本研究进一步证实了前人的研究成果，秸秆还田配施氮肥增加了作物产量。试验表明，与CK相比，秸秆还田处理能够显著提高水分利用效率和增加玉米产量。随着秸秆还田量的增加，玉米产量较CK分别增加4.21%、7.50%和4.73%，水分利用效率较CK分别提高4.46%、9.27%和5.84%，可能是由于秸秆还田处理提高土壤贮水量的同时改善了土壤微生物环境，使得土壤微生物数量增加，土壤酶活性增强，土壤矿质养分和土壤有机质养分的分解利用加快，这样就保证了玉米生长发育所需养分的供应，使得作物产量增加。
本试验区秸秆还田处理有效的提高了土壤贮水量，改善了土壤水分状况，显著提高水分利用效率和玉米产量。最适秸秆还田量为9000kg/hm2左右，可见，秸秆还田配施氮肥不仅改良了土壤结构，提高了土壤
贮水量，而且增加作物产量的同时，实现资源的优化利用，改善生态环境，促进农业的可持续发展。
参考文献
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土壤水分利用效率 篇3
关键词：水稻；干旱胁迫；光合速率；蒸腾速率；冠层一空气温差；水分利用效率
中图分类号：S511.01 文献标志码：A 文章编号：1002—1302（2016）01—0086—04
水分是植物生长的必要条件。水分亏缺直接影响植物的生理生化过程、光合作用和形态结构，从而影响植物生长。同时，干旱不仅影响作物的生长和产量，也影响作物籽粒的品质，使作物从内到外发生一系列生理生态、生化及形态上的影响。水分是影响水稻光合特性的重要因素之一，水分胁迫可引起水稻叶片光合作用降低。
从土壤水分和作物生理指标研究作物干旱程度，主要集中在土壤含水率与作物的叶水势、叶片含水率的关系研究。有研究表明，冠层温度是指示作物受干旱胁迫的敏感因子。孙存华等在不同程度的土壤水分条件下对杨树的耗水特性和水分利用特征进行了研究，随着土壤含水量的下降，杨树叶水势、相对含水量、生长速率、光合速率及单叶水分利用效率显著下降。尹赜鹏等对不同干旱胁迫下欧李光合及叶绿素荧光参数的响应进行研究，干旱胁迫下欧李叶片净光合速率、蒸腾速率、水分利用效率（water use effi-eiency，WUE）、气孔导度显著下降，但胞间CO2浓度升高。严重的干旱限制了植物的生长，导致光合速率降低，水分利用效率（WUE）升高。
近年来我国南方地区呈现出季节性干旱和高温干旱并发的态势，对南方主要作物产生了重大影响。而国内在干旱控制试验对我国南方水稻光合生理、冠层一空气温度和水分利用效率（WUE）研究较缺乏，本研究通过2个水稻品种控制生育期间水分条件形成不同程度的干旱胁迫，探讨干旱胁迫条件下水稻不同生育期冠层及叶片的光合特性的变化规律，以及可表征受干旱胁迫下冠层温度微气象特征参数及水分利用效率（WUE），为大面积快速分析诊断水稻干旱程度对水稻的光合和产量影响提供理论依据与方法。
1材料与方法
1.1试验设计
本试验2011年在江苏省兴化市昌荣镇水稻田进行，水稻品种为淮稻5号和镇稻9424，6月9—12日播种，6月14—19日出苗，7月22日至8月25日为拔节孕穗期，8月27日至9月2日为抽穗开花期。水稻在拔节期和抽穗始期排水，将其分为对照（CK，正常灌溉）和拔节期处理（JST1：连续10 d干旱；JST2：连续20 d干旱）、抽穗期处理（HST1：连续10 d干旱；HST2：连续20 d干旱）5类，每个处理设1个重复和对照区。每小区面积3 m×10 m，按顺序排列，周圍有保护区。试验区用田埂（宽40 cm，高30 cm）分隔，并埋下60 cm深不透水的塑料薄膜作隔离层，防止水分水平方向渗透。所谓连续干旱是指处理试验小区在排水落干后连续无雨、不灌溉而造成土壤水分亏缺的状况。遇雨时，处理小区加盖防雨棚遮雨，雨后及时撤下。
1.2光合生理参数的测定
使用Li-6400便携式光合测定系统（美国，TJT-COR公司生产）2011年9月16日对各处理的水稻进行观测。试验时选取健康植株，选取充分伸展、无病虫害的健康叶，且保持叶片自然生长角度不变。测定参数主要包括叶片净光合速率[Pn，μmol/（m2·s）]、蒸騰速率[Tr，mmol/（m2·s）]、胞间CO2浓度（Ci；μmol/mol）、气孔导度[Gs，mmol/（m2·s）]及环境因子光合有效辐射[PAR，μmol/（m2·s）]、大气相对湿度（RH，%）、大气温度（Ta，℃）、叶温（Tlf，℃）等。测定时间从10：30至12：00，每个处理区选3植株，每植株选2张叶，每个指标测3个重复，每个重复记录18个数据，最后取平均值。
2结果与分析
2.1干旱胁迫下水稻光合生理特性参数变化
获取2个水稻品种拔节期和抽穗期不同时间尺度的干旱胁迫下冠层净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）和胞间CO2浓度（Ci）、光合有效辐射（PAR）、冠层-空气温差（Tc-Ta）和水分利用率（WUE=Pn/Tr）等光合生理指标，并与对照（正常处理）进行对比分析，得到光合特性变化差异（表1）。
2.2干旱胁迫下水稻净光合速率与蒸腾速率变化
由表1可知，2个水稻品种在拔节期和抽穗期的2个时间尺度干旱胁迫条件下，叶片净光合速率和蒸腾速率均随着土壤水分含量和叶片水势的下降而明显下降。其中，淮稻5号在拔节期10、20 d的干旱处理下叶片净光合速率和蒸腾速率与对照相比分别下降了5.2%、18.6%和42.4%、60.3%；抽穗期同样的处理下分别下降了8.1%、8.2%和83.7%、98.4%。镇稻9424在拔节期10、20 d的处理下叶片净光合速率和蒸腾速率下降了12.2%、26.3%和44.6%、71.9%；抽穗期2个处理时间下分别下降了36%、19%和92.7%、107.4%。2个品种对比来看，镇稻8424下降幅度比淮稻5号明显。蒸腾速率是反映水稻水分状况最重要的生理指标，不同生长期2个时间尺度的干旱胁迫下，水稻叶片净光合速率和蒸腾速率明显下降，蒸腾速率的下降比光合作用明显。
由图1可知，随着干旱程度的增加，光合速率下降的程度越大。干旱胁迫达到较高水平（干旱处理20 d）时，水稻光合速率下降的程度明显大于干旱较低水平（干旱处理10 d），这和干旱胁迫对其他植物品种的影响结果基本一致。水分亏缺时光合速率的降低是由水分亏缺造成的气孔或非气孔限制。Farquhar等认为，如果胁迫使Gs减小而叶肉细胞仍在活跃地进行光合作用，胞问CO2浓度明显下降，这种情况是典型的气孔限制所致；反之则为典型的非气孔限制所致。
2.3干旱胁迫下水稻气孔导度与胞间CO2浓度变化
由表1和图2可知，2个水稻品种不同生长期不同时间的干旱胁迫下叶片气孔导度和胞问CO2浓度与对照之间差异均明显。其中，拔节期淮稻5号连续干旱处理10、20 d叶片气孔导度与对照相比分别显著下降了42.3%、70.0%，叶片胞问CO2浓度与对照相比均明显上升，上升幅度分别为31.6%、51.2%；镇稻9424叶片气孔导度与对照相比分别下降了44.3%、73.1%，胞间CO2浓度分别上升了72.3%、88.3%。抽穗期不同时间干旱胁迫处理后2个水稻品种的叶片气孔导度与对照相比均差异明显，干旱处理10、20 d分别下降了83.8%、98.3%和93.2%、107.1%；细胞CO2浓度分别上升了35.8%、66.3%和67.4%、56.4%。干旱胁迫显著降低叶片的气孔导度，但胞问CO2浓度明显上升。镇稻9424的气孔导度下降幅度和胞问CO2浓度上升幅度比淮稻5号明显。
2.4干旱胁迫下水稻光合有效辐射和冠层温度变化
光合有效輻射是植物生长发育的能量基础，是绿色植物进行光合作用过程中，吸收的太阳辐射中使叶绿素分子呈激发状态的那部分光谱能量。植物的光合产物和累积生物量与冠层截获光合有效辐射量有密切关系。由图3-A可知，2个水稻品种拔节期和抽穗期不同时间尺度干旱胁迫下与对照相比明显减少，其中，淮稻5号拔节期干旱处理10、20 d分别下降15.8%、28.8%，抽穗期下降34.8%、53.4%；镇稻9424拔节期干旱胁迫10、20 d分别下降37.5%、38.5%，抽穗期持续干旱10、20 d下降22.3%、37.9%。表明不同时间尺度干旱胁迫明显降低了水稻植株的生长，叶绿素含量明显降低，光合作用受到明显抑制，从而明显降低光合有效辐射。
冠层-空气温差（Tc-Ta）是利用冠层温度评价作物水分状况的重要方法。作物冠层温度是由土壤-植物-大气系统中水的循环和热的输送2个基本过程来决定的，它反映了作物和大气之间的能量交换，作物冠层温度与其能量的吸收和释放过程有关。由表1和图3-B可以看出，干旱胁迫处理的水稻叶气温差值高于对照，使2个品种拔节期10、20 d干旱处理分别偏高出4.3%～10.6%和2.4%～11.3%；抽穗期10、20 d的干旱处理Tc-Ta值与对照相比，相对误差均偏高，分别为6.0%～12.5%和5.9%～15.8%。镇稻9424的光合有效辐射下降幅度和冠层-空气温差上升幅度比淮稻5号明显。说明土壤含水量越低，土壤水分亏缺使植物气孔阻力增大，冠层温度升高。在其他条件不变的情况下，Tc-Ta将随土壤含水率的减少而增大。因此，水稻冠层-空气温差（Tc-Ta）与干旱胁迫密切相关，是监测水稻土壤水分亏缺程度的重要指标。
2.5干旱胁迫下水稻水分利用效率变化
水分利用效率（WUE）是植物水分生理的一个重要指标，水分利用率指植物或叶片每蒸腾一定量的水分所同化的CO2的量，有效水分利用效率在生理意义上定义为净光合速率与蒸腾速率的比值。水分利用效率反映植物生长过程中的能量转化效率，也是评价水分亏缺条件下植物生长适宜程度的一个综合生理生态指标，它反映了植物对水分的利用情况。
图4表明，2个水稻品种水分利用效率（WUE）与对照相比，随着不同时间尺度的干旱胁迫程度加重而整体明显上升，其中拔节期干旱10、20 d 2个水稻品种分别上升64%～105%和58%～162%；抽穗期分别明显上升463%～757%和776%～901%。镇稻9424的水分利用效率明显高于淮稻5号。水稻在拔节期、抽穗期干旱胁迫时间尺度越长，水分利用效率越高，这主要是由于气孔导度比光合作用对土壤水分变化更敏感，同时蒸腾耗水对气孔的依赖程度大于光合，蒸腾速率比净光合速率下降的幅度大（表1），说明其在干旱胁迫下通过降低蒸腾速率以减少水分消耗，从而提高水分利用效率。
3结论与讨论
本研究通过2个水稻品种控制生育期间水分条件形成不同程度的干旱胁迫，探讨了干旱胁迫条件下水稻光合特性的变化规律。
干旱胁迫显著影响水稻植株的生长，叶绿素含量显著降低，光合作用受到明显抑制。2个水稻品种在拔节期和抽穗期不同时间尺度的干旱胁迫下：（1）叶片净光合速率和蒸腾速率均随着土壤水分含量和叶片水势的下降而明显下降，镇稻9424下降幅度比淮稻5号明显。（2）干旱胁迫明显降低叶片的气孔导度，胞间CO2浓度明显上升。镇稻9424的气孔导度下降幅度和胞问CO2浓度上升幅度比淮稻5号明显。说明非气孔限制是水稻叶片净光合速率下降的主要原因，在严重水分胁迫条件下，水稻叶片光合活性降低，胞问CO2大部分没有被光合固定，从而导致Ci增大。（3）干旱胁迫明显抑制了水稻植株的生长，叶绿素含量明显降低，光合作用受到明显抑制，从而明显降低光合有效辐射；在其他条件不变的情况下，Tc-Ta将随土壤含水率的减少而增大。因此，水稻冠层-空气温差（Tc-Ta）与干旱胁迫密切相關，是监测水稻土壤水分亏缺程度的重要指标。镇稻9424的光合有效辐射下降幅度和冠层一空气温差上升幅度比淮稻5号明显。（4）与对照相比，水分利用效率随不同时间尺度干旱胁迫程度的加重而整体明显上升。镇稻9424的水分利用效率明显高于淮稻5号。
土壤水分利用效率 篇4
1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验在辽宁省风沙地改良利用研究所章古台试验站进行。试验区位于风沙半干旱区科尔沁沙地南缘,地处北纬42°42′、东经122°32′,海拔高度213.1 m,为典型的风沙土,其理化性质见表1。该地区的自然特点是风多、风大,全年平均风速3.33 m/s,5 m/s起沙风达240次。年降水量400~450mm,多集中在7、8月。年蒸发量约1 600~1 800 mm,干燥度在4.0左右,属于半干旱区。常发生春旱、伏旱,秋吊,或春旱、伏旱、秋吊交替发生。无霜期145~150 d,该地区≥10℃活动积温3 468℃,年平均气温6.82℃,是易旱易风蚀典型风沙地区。
1.2 试验材料
果树为仁用杏品种“超仁”,树龄为5年。供试花生品种为阜花10号。
1.3 试验设计
构建果粮(大扁杏—花生—大扁杏)立体复合模式区,即果树12 m行间距间作16行花生。模式区在2008年为传统耕作花生,从2008年秋季花生收获后,将玉米秸秆按不同量进行覆盖,2009年春季进行旋耕还田处理。试验设4个处理,秸秆覆盖还田量分别为:2 250 kg/hm2(处理I);4 500kg/hm2(处理Ⅱ);6 750 kg/hm2(处理Ⅲ);以无覆盖、花生田裸露作为对照(CK)。果树为南北行种植,行长120 m,行距12m。花生东西两侧距仁用杏2 m,大区处理,面积为960 m2,不另设重复。花生于5月中旬播种,行株距50 cm×12 cm,种植密度为33.33万株/hm2。
1.4 样品采集与测定方法
1.4.1 土样采集。
采样深度为0~20 cm。每个处理采用S型多点取样法进行。
1.4.2 测定指标及方法。
收获后进行考种及测产;播种前和收获后采用烘干法测定0~40 cm土壤水分含量。
1.4.3 计算方法。各量计算公式如下:
土壤贮水量=土层厚度×土壤容重×土壤水百分含量
土壤耗水量=播前土壤储水量+总降水量+灌溉量-成熟期土壤储水量
土壤水分利用效率=花生产量/土壤储水量
1.4.4 分析方法。
试验数据采用软件SAS V8.0及Microsoft Excel 2003处理。方差分析采用SPSS数据处理系统中的Duncan新复极差分析方法,均值比较采用LSD多重比较方法。
2 结果与分析
2.1 不同秸秆还田量对花生农艺性状的影响
有关研究表明,花生产量与主要农艺性状存在密切相关,其中花生(荚果)产量与饱果数、百果重、百仁重、出仁率都呈极显著正相关,而与其主茎高、侧枝长呈极显著负相关[6]。从表2可看出,各处理间主茎高、侧枝长差异不显著。而对其他农艺性状影响较大。与CK相比,其他处理均不同程度提高了花生的总分枝数、饱果数、单株生产力、百果重、百仁重、出仁率,其中处理2与处理3优势显著。
2.2 不同秸秆还田量对花生产量与土壤水分利用率的影响
由表3可看出,不同秸秆还田量对花生产量、土壤水分利用效率的影响显著。产量与土壤水分利用效率的高低顺序均为处理Ⅱ>处理Ⅲ>处理I>CK,其产量分别比CK高13.2%、8.4%、3.2%。处理Ⅱ、Ⅲ与对照产量差异达显著水平(P<0.05)。处理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的水分利用效率分别比CK高2.5%、13.1%和10.9%,差异均达到显著水平(p<0.05)。
3 结论与讨论
试验结果表明,秸秆覆盖还田对花生产量、土壤水分利用效率的影响达到显著水平。覆盖量较适中,秸秆覆盖还田不但增加了土壤有机质,而且能挡风遮荫,不易被大风吹走,防止土壤风蚀和水土流失,减少对土壤结构的破坏,腐烂的秸秆增加的有机质使土壤结构变得疏松,降水入渗率高,下渗深,接纳雨水多,从而提高了水分利用效率和产量。而当秸秆覆盖量为2 500 kg/hm2,花生产量和土壤水分利用率较低,在当地春季风多、风大,部分秸秆易被吹散。有关研究表明,将秸秆粉碎小于10 cm,还田后对作物出苗率影响不大。而秸秆覆盖量过多,尽管在一定程度上提高了土壤有机质含量及土壤微生物量碳含量,但粉碎程度不足,同时也延缓了秸秆腐烂时间,在一定程度上影响播种和出苗[7,8],这也是秸杆还田覆盖量大时产量较低的原因。加之覆盖还田量大时工作量相对大,投入偏高,因而秸秆还田覆盖量为4 500 kg/hm2较适宜当地。
摘要：在辽西地区套作(大扁杏—花生—大扁杏)条件下,以花生品种阜花10号为试验材料,研究了不同秸秆还田量对花生产量与土壤水分利用效率的影响。结果表明:秸秆覆盖还田对花生产量、土壤水分利用率的影响达到显著水平,二者均以秸秆覆盖还田4 500 kg/hm2时最好,该还田水平较适宜在当地推广。
关键词：秸秆还田,花生产量,土壤水分利用效率,辽西地区
参考文献
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[6]李清华,黄金堂,陈海玲,等.花生主要农艺性状协调关系的研究[J].花生学报,2008,37(4):40-44.
[7]李清华.不同生境下花生农艺产量性状的因子分析[J].花生学报,2009,38(3):36-40.
土壤水分利用效率 篇5
微孔渗灌土壤水分运动的数值模拟及其应用
建立了含有第3类动边界条件的二维渗灌土壤水分运动数学模型,模型得到了试验的验证,具有较高的精度.模型计算结果表明:供水压力、管壁透水系数和初始土壤水势对土壤水分运动的影响具有显著差异.随着供水压力和管壁导水系数的.增大,湿润区范围、湿润区内土壤平均含水率和累积渗水量均相应增加.初始土壤水势越高,湿润区范围、湿润区内土壤平均含水率越大,但累积渗水量却越小.最后结合保护地试验,确定了保护地番茄渗灌栽培的最佳渗灌管设计埋深.
作 者：高西宁 周云成 张玉龙 作者单位：沈阳农业大学,辽宁,沈阳,110161刊 名：安徽农业科学 ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF ANHUI AGRICULTURAL SCIENCES年，卷(期)：34(17)分类号：S11+1关键词：微孔渗灌 土壤水分运动 数值模拟
灌溉、排涝与水分利用效率研究 篇6
1.1 国外
按照气候特点推测, 人类灌溉历史应起源于干旱区。四大文明古国都出现在大河流域, 以灌溉农业提升了食物供给能力, 奠定了古代文明的基础。早期的灌溉都是引洪淤灌的, 以后发展为引水灌溉或建造水库, 并通过调洪实现计划灌溉。
非洲尼罗河流域早在公元前4000年, 就有利用尼罗河水位变化规律发展洪水漫灌的做法。公元前2300年前后, 在法尤姆盆地建造了美利斯水库, 通过优素福水渠引来了尼罗河洪水, 经调蓄后用于灌溉。这种灌溉方式持续了数千年。19世纪初, 埃及引种棉花和甘蔗等经济作物。1826年开始改建旧的引洪漫灌系统, 进行常年灌溉。
古埃及的水利灌溉工程的建设和管理, 从前王朝后期开始, 经过古王国、中王国和新王国的发展, 到托勒密时期取得了较大的成就。水利灌溉对古代埃及社会的经济、政治产生了重要的影响, 在很大程度上促进了古埃及文明的产生与发展。
在西亚, 两河流域美索不达米亚的幼发拉底河和底格里斯河流域的灌溉, 也可追溯到公元前4000年左右。在巴比伦时期, 由于幼发拉底河的高程普遍超过底格里斯河, 因而对开挖灌渠十分有利。最早是引洪淤灌, 以后发展为坡度平缓的渠道网。
约公元前2000年, 汉穆拉比时代已有了完整的灌溉渠系。干渠用砖衬砌, 用沥青勾缝。当时的灌溉面积达260万hm2以上, 养育着1 500~2 000万人口。当时颁布的《汉穆拉比法典》还专门对堤防失修、冲毁土地的责任者作出了赔偿损失的具体规定。约公元前1000年兴建的钮姆卢水库可向两岸的渠系供水, 有些渠道深达10~16 m, 宽达120 m。公元前600—560年间, 新巴比伦的空中花园采用了细密的雨滴灌溉, 类似现代的喷灌。
公元前539年, 巴比伦被波斯征服, 灌溉系统失修, 农业生产受到很大影响。公元初期, 波斯的萨珊王朝修四大干渠引幼发拉底河水, 灌溉今伊拉克中部地区。629年, 两河流域出现大洪水, 冲毁纽姆卢水库, 不久阿拉伯人征服两河流域地区, 着手改进旧渠系, 逐步恢复灌溉。
两河流域上游的叙利亚、土耳其等国境内都有许多古灌区, 有些至今仍在使用。亚美尼亚、伊朗等地则从公元前8世纪就以引用地下水发展灌溉的坎儿井众多闻名。伊朗境内现在还有大约22 000条坎儿井仍在使用。在埃及、伊朗、突尼斯、叙利亚等地中海气候的干旱区。2004年, 笔者曾现场见过几千年前的水利设施, 并下到地下十几米深的坎儿井, 亲自体验了古代人类在干旱区生存的智慧。
南亚印度河流域在公元前2500年左右已有引洪淤灌。公元前3世纪左右, 印度河流域凭借灌溉已做到一年两熟。当时北方建有亚穆纳水渠, 南方则有高韦里河三角洲灌区。在中世纪的1 000多年中, 南亚次大陆建造了数万座水坝用于灌溉, 其中位于博帕尔东南的一座水库库区面积约650 km2。
公元前1050年, 柬埔寨就在吴哥窟附近修建了暹粒河灌区, 并且一直使用到现在。日本在公元前6世纪已有水利记载, 以后大量修建山塘、水库, 20世纪开始修大型灌区, 至1947年全国水浇地已占耕地面积一半以上。印度尼西亚的爪哇等岛, 自古引水种稻, 19世纪始建新式工程, 20世纪60年代灌溉面积约380万hm2, 大量的古代工程仍在使用。苏联中亚阿姆河、锡尔河流域的灌溉始于公元前6世纪。8世纪中叶以后, 这一带是阿巴斯王朝的四大粮仓之一。
秘鲁的灌溉历史至少在公元前1000年。皮斯科河谷公元前已有灌溉工程。公元1—600年间是水利工程大发展的时期, 此后印加帝国统治的1 000年, 灌溉又得到进一步发展。阿根廷于1577年兴建了杜尔塞河引水工程。中美洲墨西哥等地的灌溉工程则至16~17世纪才出现较多的记载。
近200年来, 全球灌溉事业发展加快。1800年左右, 全世界有灌溉面积800万hm2。20世纪初提高到4 800万hm2。1949年达到9 200万hm2, 60年代末超过2亿hm2。
1.2 中国
我国是一个农业大国。人口多、耕地少, 水资源紧缺, 水旱灾害频繁, 特殊的气候、地理等自然条件以及社会条件, 决定了中国必须走灌溉农业的发展道路。
1.2.1 春秋战国时期
我国是世界上从事农业、兴修水利最早的国家, 早在5 000年前的大禹时代就有“尽力乎沟洫”、“陂障九泽、丰殖九薮”等农田水利内容;夏商时期有在井田中布置沟渠、进行灌溉排水的设施;西周时在黄河中游的关中地区已经有较多的小型灌溉工程。《诗经·小雅·白华》有“泥池北流, 浸彼稻田”记载, 指的是引渭河支流泥水灌溉稻田。春秋战国时期, 由于生产力的提高, 大量土地得到开垦, 灌溉排水相应地有了较大发展。
1.2.2 秦汉时期
该时期是全国统一国力强盛时期, 也是灌溉排水工程第一次大发展时期, 西汉前期的水利建设大大促进了当时社会经济的发展。郑国渠 (建于公元前246年) 是秦始皇统一六国前兴建的灌溉工程, 可“灌田4万顷”, 使关中地区成为我国最早的基本经济区。“秦以富强, 卒并诸侯”, 就得益于该水利工程。汉武帝时, 引渭水开了漕运和灌溉两用的漕渠, 以后又建了引北洛河的龙首渠, 引泾水的白渠及引渭灌溉的成国渠。汉代除在统治的腹心地区渭河和汾河谷地修建灌溉工程外, 还在西北边疆河西走廊和黄河河套地区也修建了一些大型渠道引水工程, 从而达到“屯兵垦殖、巩固边防”的战略目的。
1.2.3 隋唐北宋时期
我国第二个灌溉排水工程发展时期是隋唐至北宋时期。唐朝定都长安后, 曾大力发展关中灌溉排水工程;安史之乱后, 人口大量南迁, 江浙一带农田水利工程得到迅速发展, 沿江滨湖修建了大量圩垸, 排水垦荒种植水稻。同时提水工具也得到改进和推广, 扩大了农田灌溉面积;晚唐时期, 太湖地区的赋税收入已超过黄河流域, 成为新的基本经济区。北宋时期, 长江流域人口占全国人口的比重已从西汉时的不足20%上升到40%多。宋神宗支持王安石变法, 颁布了《农田利害条约》 (又名《农田水利约束》) , 这是第一个由中央政府正式颁布的农田水利法令, 同时还设立全国各路主管农田水利的宫史, 使农田水利建设得到进一步发展。
1.2.4 明清两代
明清两代是我国历史上第三个灌溉排水工程发展时期。这一时期全国人口有了较大增长, 从元代的5 000多万人, 发展到明代的9 000万人, 到清代康熙年间超过了l亿多, 清代末年已达到4亿人, 全国人口在500多年间增长了7倍多。人口的迅速增长得益于可灌溉耕地面积的扩大。明、清时期长江中下游的水利已得到广泛开发, 仅在洞庭湖区的筑堤围垦, 明代就有200处, 清代达四五百处。“湖广熟、天下足”, 当时的两湖地区已成为全国又一个基本经济区。与此同时, 南方珠江流域、北方京津地区、西北和西南边疆地区灌溉事业都有了很大的发展;东北松辽平原在清中叶开禁移民以后, 灌溉排水工程也有所发展。
1.2.5 19世纪后期
19世纪中期以后, 中国沦为半封建半殖民地社会, 这一时期水利在局部地区虽有所发展, 但是总的来说则是日趋衰落。19世纪后期, 由于西方近代科学技术传入中国, 一批水利学者从国外学习归来, 开办水利学校, 传播先进科学技术。1914年, 我国第一所水利专科学校——河海工科专门学校在南京成立;1917年以后, 长江、黄河等流域相继设立水利机构, 进行流域内水利发展的规划和工程设计工作;1930年由李仪祉先生主持, 开始用现代技术修建陕西省泾惠渠, 以后又相继兴建了渭惠渠、洛惠渠等灌区。经过历史上的几次大起大落, 到1949年全国有灌溉面积1 600万hm2。
1.2.6 新中国成立以来
中华人民共和国成立以来, 进行了广泛持久的灌溉排水工程基本建设, 取得了举世瞩目的巨大成就, 为我国农业和国民经济的持续发展提供了不可替代的基础设施和物质保证。到2003年底, 全国灌溉面积达到4 800万hm2, 使40%的耕地拥有了灌溉设施。1949年, 中国灌溉用水量不到1 000亿m3, 到2003年, 已达到3 300亿m3。
按有效灌溉面积计算, 1980年全国平均每公顷农田灌溉用水8 745 m3, 1997年降到7 800 m3。全国共建设667 hm2以上灌区5 686处, 灌溉面积2 200多万hm2, 占全国农田灌溉面积的43%。目前, 全国共有水库约84 905座, 总库容4 571亿m3, 除少数大型水库主要用于防洪和发电外, 绝大部分水库都具有灌溉供水的功能。截止到2002年底, 全国已发展节水灌溉0.19亿hm2, 非工程节水面积达到1 670万hm2, 其中800万hm2是采用控制灌水方法的水田。
说到新中国成立以来的水利工程, 不得不提河南林县人民群众修建的红旗渠。这条总长1 500 km的输水渠, 要穿越太行山, 是林县人民公社社员用原始的工具建立起来的。为修建这条生命渠, 70多名社员牺牲在悬崖峭壁上;为节省资金, 社员们用土法制作炸药;在困难的时期, 用以充饥的竟然是野菜。这样下来, 红旗渠的建设者们为国家节省资金1 293万元。
2 灌溉及其设备
在自然条件下, 往往因降水量不足或分布的不均匀, 不能满足作物对水分要求。因此, 必须人为地灌溉, 以补天然降雨之不足。灌溉, 农民最通俗的叫法就是浇地。依据灌溉方式不同, 自古到今有以下几种方式:
2.1 井灌
这是比较原始的灌溉方式, 依靠人力或畜力将水提出来, 在小型的沟渠内灌溉到农田中去。笔者小时候干过的农活, 用的是人力推动的自吸井。目前, 非洲还可以看到这样的原始工具。2014年, 笔者在布基纳法索还见过脚踏的井灌装置, 是借鉴自行车的原料链式传动动力汲水。井灌一般范围较小, 多用于菜园。
2.2 大水漫灌
修建畦田或陇沟, 在来水上游建小型堰或坝, 利用重力使水自流到农田。今天人们改用抽水机就地取水, 或将水库放的水通过渠道输入农田。由于这种利用水的方式类似于河水的泛滥, 人们形象地称之为大水漫灌。其好处是节省成本, 但缺点是造成水的浪费。由于省力省时, 不需专门的设施, 该措施在全国多地使用。但大水漫灌浪费水资源, 容易造成地下水位抬高, 因此使土壤盐碱化, 在发达国家已经逐渐被淘汰。采取该做法, 在北方一般小麦需要灌溉2~3次, 其中一次是冬前水;而种植玉米, 因为自然降水, 一般不需要灌溉。只有特别干旱, 在播种时用少量水点播, 但已不属于漫灌范畴。
2.3 喷灌
喷灌是由管道将水输送到位于田间喷头, 通过内部压力将水喷出。设备有固定式和移动式两类。固定式喷头安装在固定的地方, 有的喷头安装在地表面高度, 对于葡萄园或果园可采用这种做法, 即对于多年生作物, 因作物和地点固定, 可采取这种办法。
移动式喷灌机有以下几类:
2.3.1 时针式或圆形喷灌机
这是一种移动式的设备, 喷灌头安装在有轮子支撑的电镀钢管或铝管上, 围绕一个中心旋转, 从中心枢轴输送水, 整个喷灌机喷灌面积形成一个圆。这种喷灌机械在美国使用的很普遍。喷灌机的旋转可以由水力推动, 也可以由电机推动, 大多数都使用电机。这种机械灌溉面积是一个圆形, 因此在每个圆形之间的空档不能被灌溉利用, 只适合在耕地面积充分的地区使用。
2.3.2 直线移动式喷灌机
这是一个长管道, 每隔一定间隔有一个支架, 支架上有轮子, 喷头在管子上, 整个管道平行移动喷洒, 水由管道一头输入, 所以喷灌面积可以大到几千公顷。
2.3.3 绞盘式喷灌机
也叫卷盘式喷灌机, 采用水涡轮式动力驱动系统。采用大断面小压力的设计, 在很小的流量下, 可以达到较高的回收速度, 水涡轮转速从水涡轮轴引出一个两速段的皮带驱动装置传入到减速器中, 降速后链条传动产生较大的扭矩力驱动绞盘转动, 从而实现水管的自动回收。
2.4 微喷灌
这是利用折射、旋转或辐射式微型喷头将水均匀地喷洒到作物枝叶等区域的灌水形式, 隶属于微灌范畴。如果喷灌属于人工大雨, 那么微灌就是和风细雨。微喷灌的工作压力低, 流量小, 既可以定时定量的增加土壤水分, 又能提高空气湿度, 调节局部小气候, 广泛应用于蔬菜、花卉、果园、中药材种植。
2.5 滴灌
将水一滴一滴地、均匀而又缓慢地滴入植物根系附近土壤中的灌溉形式叫作滴灌。滴水流量小, 水滴缓慢入土, 可以最大限度地减少蒸发损失。滴灌水压低, 节水, 可以用于生长不同植物的地区, 对每棵植物分别灌溉, 但对坡地需要有压力补偿, 用计算机可以依靠调节不同地段的阀门来控制, 关键是控制调节压力和从水中去除颗粒物, 以防堵塞滴灌孔。水的输送一般用塑料管, 一般为黑色。滴灌也可以用埋在地下的多孔陶瓷管完成, 但费用较高。在美国西部亚利桑那州, 种植乔木和花卉大都采取这种做法。
2.6 渗灌
这是一种人工将地下水位抬高, 直接从底下为植物根系供水的方法。渗灌常用于商业温室产品, 如对盆花进行灌溉, 还可以施肥, 用含有肥料的水溶液从底部浸泡花盆10~20 min, 水可以回收。这种运作需要高技术自动操作, 设备费用贵, 但节省人力、水和肥料。
3 排涝
“旱能浇、涝能排”。如果说干旱、半干旱地区作物面临缺水问题, 那么在湿润地区, 作物面临的是淹水状态, 即水太多了也会影响庄稼的生长, 这就需要做排水的工作, 排涝就是排除危害生产中的积水。
大部分作为是中生植物, 即需要的水分既不能太湿, 也不能太干, 作物需水与供水的矛盾不是一成不变的, 多了旱, 少了涝。因降雨形成的地面积水影响作物正常生长的灾害性现象, 也称“潦”。雨水过多或过于集中, 而河沟排水能力不足, 或外水顶托, 排水困难, 都能造成低洼地区积水。产生涝灾的多余水量称为涝水, 也称沥水。
地面淹水影响植物光合作用, 植株生长纤弱, 甚至因根部缺氧窒息死亡。作物受涝而减产的程度与作物种类、品种、生长阶段, 以及淹水程度、淹水时间等因素有关。一般地, 旱生作物、矮秆作物和作物生长前期比水生作物、高秆作物和作物生长后期的抗涝能力弱, 淹水越深、淹水时间越长对作物为害越大。土壤长期受涝, 地下水位上升, 会招致土壤沼泽化;在地下水矿化度较高的地区, 还将造成土壤盐渍化。中国受季风影响, 夏秋雨量集中, 是洪涝多发季节, 有的年份洪水泛滥, 有的年份洪水虽未泛滥而农田内部已积涝成灾, 称内涝。
3.1 排涝措施
健全的田间排水系统是排涝的基础设施。田间排水系统由田间集水沟和各级输水沟及其配套建筑物组成。合理安排排水出路和排水方式是排涝规划的重要环节。有自流排涝条件的地区宜尽量自排;无自流排涝条件的地区则施以抽排。其中有大量高地径流汇入的, 常挖截水沟 (也称撇洪沟) , 实行高水自排、低水抽排, 以减轻抽排负担;对于受外水顶托不经常具备自排条件的地区, 则须建闸, 能自排时开闸自排, 不能自排时闭闸抽排。此外, 调整水系、整治河道、改善排洪排涝条件, 也是常用的全局性的防洪排涝措施。
3.2 排涝标准
指流域内能够安全排出由于某一重现期连续若干天降雨而产生的洪峰流量, 并在作物耐涝的允许天数内排除田间涝水的能力。达到规定排涝标准的排水系统, 能保证在发生规定标准以内的降雨量时, 不致引起涝灾或不使农作物减产。降雨重现期越长、连续降雨的天数越多, 表示排涝的标准越高。我国设计的排涝标准一般为5年一遇, 少数为3年一遇, 高的为10年一遇。
3.3 排涝模数
单位面积的排涝流量, 即排涝河沟或排涝站的设计流量, 同集水面积的比值, 常用单位为m3/ (s·km2) 、L/ (s·hm2) 或mm/d。排涝模数是排涝工程的一项重要设计指标, 其数值大小与设计暴雨、作物耐淹能力有关。在设计暴雨小、作物耐淹能力强、集水面积大、滞蓄能力强的排水区, 其设计模数可相对减小。对于集水面积小的排水沟, 其排涝模数常用几天暴雨几天排出的简单算法推求。
4 国内外排涝做法
早期农业是在河流沿岸发展起来的, 需要排干沼泽, 进行土地垦殖。公元前5世纪中叶, 希腊历史学家希罗多德曾记载了尼罗河谷的排水工程, 以后罗马的瓦罗在《论农业》一书中提到了修建排水工程的规范。
荷兰农业排水系统在世界上享有盛名, 它是与围海造田联系在一起的。公元4世纪, 这一带就开始出现人工海堤。从10世纪开始, 盛行筑堤造田工程, 最初在圩田内实行自然排水。1612年开始利用风车抽水围垦沿海低地。几百年间, 依靠人工堤防共围垦出7 000 km2的土地, 相当于全国陆地面积的1/5。
荷兰的排水工程技术以后又扩展到欧洲的其他地区。英国从13世纪开始排水, 把大量低洼地改变成农田。1531年制定法律, 英国直接干预排水事业, 并于1918和1930年两次颁布国土排水法案。法国在1620年首先使用瓦管排水。英国于1724年首先使用鼠道式暗渠, 1764年出现了有压地下水的沼泽地的排水方法, 1843年发明圆形瓦管制造机, 19世纪后半叶又发明了挖沟机。在东欧、波兰从13世纪起就开始排水, 罗马尼亚的排水历史甚至比灌溉历史还要早。希腊的排水工程则主要是为了防洪。
近100多年来, 在世界其他地区, 由于农业灌溉的急剧发展, 土壤次生盐碱化问题日益突出, 进一步推动了排水工作的发展。埃及于1909年以后大力发展深沟排水, 解决了棉田的盐碱化问题。美国于1849—1850年建立了沼泽地法案, 排水自东向西发展, 除沼泽排水外, 还发展灌区排水, 大量使用瓦管暗沟, 到1960年排水面积约4 100万hm2。加拿大排水有200多年历史。巴基斯坦结合井灌发展垂直排水, 20世纪60年代末有深井5500多眼, 并有大面积地面排水网。
中国的排涝工程在人类历史上更是值得大书特书, 多年的水患在新中国成立以后大多得以控制, 其中海河和黄淮海整治成效最为突出。
海河自天津市区的三岔河口贯穿市区, 至大沽口处入海, 自古以来就养育了天津人民。海河对天津城市的形成和发展起了举足轻重的作用, 但是, 在旧时代也给海河流域的人民带来过不少灾难。海河水系支流众多, 一到汛期同时涨水, 而入海口处却“肚大嘴小”, 宣泄不畅, 水流速度越来越慢, 泥沙沉积日益严重, 排洪能力越来越差, 常常形成海河流域的洪涝灾害, 给广大人民群众的生活和海河地区社会经济发展造成很大危害。据记载, 从1368—1948年的580年间, 海河流域发生过387次严重水灾, 天津市被淹泡过70多次。
中华人民共和国成立后, 毛泽东主席发出了“一定要根治海河”的号召。自1958年开始, 海河流域人民按照统一规划、综合治理的方针, 从上游到下游, 从支流到干流, 对海河水系进行了全面根治。上百万治河大军包括中小学生、家庭妇女也挥锨上阵, 完成了大大小小一系列整修工程, 从根本上对海河进行了治理, 使海河旧貌换新颜。
黄淮海地区北起长城, 南至桐柏山、大别山北麓, 西倚太行山和豫西伏牛山地, 东濒渤海和黄海, 其主体为由黄河、淮河与海河及其支流冲积而成的黄淮海平原 (即华北平原) , 以及与其相毗连的鲁中南丘陵和山东半岛。行政区划范围大致包括北京、天津和山东三省市的全部, 河北及河南两省的大部, 以及江苏、安徽两省的淮北地区, 共辖53个地市、376个县 (市、区) 。全区土地总面积46.95万km2。
由于该区域有两个水系, 即黄河和淮河, 当年持续的河流泛滥给人民群众带来不小的灾害。“黄泛区”就是一个苦难的代名词, 一个曾滋生了杂草, 又滋生了故园重生梦想的地方。黄河与河南纠缠不清, 花园口与黄泛区连绵一起, 三者的交集, 正是河南这个人口大省新历史的浓缩。黄泛区内黄河连年泛滥, 造成百姓纷纷逃亡。
泛滥的黄河水不但夺命, 还把大约100亿t泥沙带到了淮河流域, 黄泛区面积多达5.4万km2, 相当于江苏全省总面积的一半以上。大水冲过之后, 留下了最厚有数米深的沙石和黄泥, 给黄泛区田地复垦带来了极大困难。根据档案记载, 到1946年6月, 河南黄泛区“有约43.33万hm2农田被淹, 目前可耕地虽有17.73万hm2, 但因没有耕牛和种子, 加之8年来田地覆盖了沙砾, 仅凭人力挖掘非常不易, 仍属荒废”。
针对黄淮海面临的旱、涝、风沙等一系列问题, 新中国成立以后, 人民政府就带领群众进行了不懈的努力。兰考焦裕禄的故事家喻户晓, 介绍的就是这位来自山东的领导干部在兰考整理黄淮海涝害与沙害、并牺牲在工作岗位上的感人故事。通过在下游平原区开挖、疏浚数千条大、小河道, 使数万平方千米低洼易涝耕地基本解除洪、涝威胁, 盐碱化的土地也显著减少。漳卫新河、子牙新河、独流减河、永定新河的治理或开挖, 使海河五大水系分流入海的泄洪能力加强;苏北灌溉总渠、新沂河、新沭河及淮河入江水道的开通, 使水系纷乱的淮河下游平原具有较畅通的排水出路。
5 水分利用效率
从上面的介绍来看, 农业要获得丰收, 水分的有效供应是非常关键的, 水既不能多, 也不能少, 水分与粮食产量是密切相关的。这里就出现了一个专业的词汇, 即水分利用效率。那么, 我们在一日三餐吃到的粮食, 仅从水分的角度来看, 需要用多少水来换呢?
笔者在中国科学院大学讲授《高级生态学》课程中的水分生理生态时, 经常问研究生们这样一个问题, “我们生产一斤粮食需要消费多少斤水?”全班150人竟然无人能够回答, 包括很多农学院毕业的学生也不知道。可见, 我们的农学院课程讲授, 是多么严重脱离实际了。他们只背教科书上的一些概念, 但对于这么直接设计应用的知识却基本不关心。
那么, 目前“我们生产一斤粮食到底消耗多少水呢?”水利部部长陈雷在2015年的一次讲话中指出:我国农田单位用水的粮食产量不足4.8 kg/m3, 而世界先进水平为2 kg/m3左右。水的比重为1 kg/m3, 经过简单换算可知, 生产1 kg粮食耗水量高达800 kg, 即0.8 t, 接近1 t水。如果在干旱区, 生产粮食用水成本几乎是“吨水斤粮”了。
如果说1 kg粮食要用2 t水来“换”, 可能有些人不相信。近期笔者在东北、西北、华北部分粮食产区调查发现, 作为我国目前最大“耗水户”的农业生产, 许多地方仍在沿用相对粗放的灌溉方式, 无论是地表水还是地下水灌溉, 水、粮比都很惊人, 节水灌溉的面积相对较少, 水资源消耗浪费巨大, 有的农田产出基本是“一斤粮食一吨水”的程度。
我国水资源总量居世界第6位, 但人均水资源量只有世界平均水平的28%。与此同时, 农业灌溉用水却消耗巨大, 约占全社会用水总量的45%。
巴彦淖尔市是内蒙古自治区的“粮仓”, 同时也是典型的干旱区, 年蒸发量约为降水量的14倍, 农业生产全靠灌溉。过去都是自己拿上工具去抢水, 想浇多少浇多少, 有时冬天地里都结着冰。后来有管理了, 农民也有节水意识了。但现在供水时还须先灌满80 cm深的土渠, 然后才能溢出到农民田里, 土渠中这80 cm深的水就浪费了。一些基层干部和农民介绍, 有的灌区在供水时, 由于没有精细管理, 供水量过多, 致使用于泄水的排水渠也“满载”工作, 许多水白白流走。有的农民在为水田补水时同时开口子排水, 水田里成了“常流水”, 水资源浪费严重。内蒙古西部河套灌区年产粮食20多亿kg, 消耗40多亿m3地表水, 相当于1 m3水换0.5 kg粮。东部通辽灌区玉米产量高, 以地下水井灌为主, 1 m3水能换3.5 kg粮。地下水是子孙后代的“保命水”, 长期用地下水灌溉已使部分地区地下水位大幅下降, 将引发一系列生态问题。
无独有偶, 在宁夏回族自治区水利厅了解到, 宁夏农业灌溉年引水约63亿m3, 除了排走的水实际消耗约38亿m3, 全区粮食年产量375万t左右, 相当于1 m3 (t) 水换来1 kg粮。相对于内蒙古, 这个效益还是不错的。
近年来, 我们不断加大农田水利建设投入, 部分工程已经见到节水成效。但据有关部门测算, 目前我国农业灌溉水有效利用系数0.516, 远低于发达国家0.7以上的水平。更值得注意的是, 我国原本在水热条件丰富的地方产粮, 几乎不需要用地下水。以前是“湖广熟, 天下足”, 现在则是“北粮南运”、“外粮内运”。由于种地不挣钱, 江南农民纷纷撂荒, 种地就开垦到了原本不适合农业的干旱、半干旱区。那里原本蒸发量就大, 在那里生产粮食, 相当于将宝贵的地下水资源又通过粮食运回了水分充足的南方。
以笔者熟悉的山东为例, 那里的年自然降水量平均676 mm左右, 其中80%降水在7—8月植物生长季节, 其中的雪水也可为小麦利用。只要农民种地, 小麦和玉米或小麦大豆轮作, 天然降水就会得到很好的运用, 其水量相当于500.3 m3 (t) 。山东小麦、玉米周年产量如果管理好的话, 可打粮食1.5 t/667 m2, 玉米季不需要浇水, 仅小麦季浇水2~3遍, 需水量400~525 mm, 取平均值463 mm。天然降水与人工灌溉总水量约1 139 mm/667 m2, 折合759.7 t/667 m2, 水分利用效率是1.97 kg粮/t水, 相对于在干旱区种粮, 其水分利用效率是其近4倍, 而利用的灌溉水只有35%左右, 这些水需要客水补充。如果换成江南水乡, 由于自然降水就在1 000 mm以上, 灌溉用水就更少, 水分利用效率更高。从这样简单的计算来看, 在干旱、半干旱区种粮或种棉花, 仅水账就不合算。
植物吸收的水分还要通过蒸腾作用耗散到空气中, 灌溉到土壤中的水也会蒸发到空中。在干旱、半干旱区种地, 相当于将储藏在地下中宝贵的水资源, 通过大气环流带走了, 地下水位下降就不可避免。更糟糕的是, 盐分也带到了地表, 种植几年后就出现退化。对地表水源的争夺;造成地下水位下降;地面沉降;在蒸发量大的地区造成土壤盐碱化;过度灌溉的地区造成农业废水引起的农药和化肥污染。
土壤水分利用效率 篇7
在中国水资源紧缺的背景下, 为了应对水资源过度开发、使用低效等问题, 国家实行了最严格的水资源管理制度, 提出水资源管理控制三条红线, 对用水总量、用水效率和排污实行严格的控制管理, 并把水资源管理的约束性指标纳入“十二五”规划中。河北省是一农业大省, 农业用水量占各行业用水总量的70%以上, 而农田灌溉用水占农业用水量的80%左右, 因此, 提高单位水量所获得的粮食产量即水分利用效率 (水分生产率) 具有重要的意义。
本文分析了农田灌溉水分利用效率的影响因素, 提出提高水分利用效率的方法以及主要措施。
1 水分利用效率的概念
农田灌溉水分利用效率是单位水量所获得的农产品产量, 即单位耗水量所获得的作物产量, 其公式可表示为:
式中:Y——作物产量;
WU——作物耗水量。
Penman-Monteith 11.44kg/m31作物耗水量可以用灌溉水量、蒸腾蒸发量或降雨量来表示。对蒸腾蒸发量的计算可用水量平衡法或Penman-Monteith公式, 也可以用遥感蒸腾蒸发量[1]。1987~1992年河北省灌溉中心试验站 (河北省水利技术试验推广中心) 和望都县灌溉试验站研究的玉米灌溉制度对产量和水分利用效率影响时, 采用灌溉水量计算水分利用率, 得出灌溉量为4500m3/hm2时水分利用效率达到最高, 为1.44kg/m3 (见图1) 。
由图1可以看出:年灌溉水量低于4500mm/hm2时, 水分利用效率随着灌溉水量的增加而增高, 而当灌溉水量大于此值时则相反;当其值大于5000mm/hm2时, 增加灌溉水量对水分利用效率的影响较小。
2 水分利用效率的影响因素
水分利用效率的影响因素较多, 主要包括:
2.1 作物类型
不同的作物具有不同的水分利用效率, C4作物 (生长在温度较高地区如高梁、玉米、甘蔗等) 比C3作物 (生长在温度较低环境如大豆、小麦和水稻等) 具有较高的水分利用效率, 因此, 选取合理的品种进行适度的抗旱, 可得到较高的WUE。
2.2 土壤因子
本文提出的土壤因子主要指土壤水分和土壤养分。在影响产量和水分利用效率中, 营养物质尤其是氮素含量则影响叶片生长速率, 加速土壤水分蒸发。王晓凤[2]等分析不同灌溉方式和氮肥施用量处理下冬小麦的产量和水分利用效率, 结果反映出氮肥施用量在一定范围内升高对产量和水分利用效率具有积极的作用。
2.3 工程类型及田间管理方式
常规灌溉相比微灌、喷灌具有节水增产的效果。在生产实际中, 通过秸秆或地膜覆盖措施降低蒸腾蒸发量, 提高水分利用效率。农田实施的管理措施主要目的是增加土壤保水性能, 提高作物生长各环节对水分和养分的利用程度, 进而提高产量和水分利用效率。
2.4 其它因子
气候条件的差异会导致降水和产量的差异, 因此, 气象因素随区域地理位置的不同会影响到WUE的大小。除此之外, 还包括投入、工程设施配套情况、水的管理制度等。
3 提高水分利用效率的主要措施
用水效率是水资源管理控制三条红线中的其中一条。提高用水效率的途径有两条:一是减少水分无效消耗, 主要为无效蒸腾蒸发量和深层渗漏水量;二是提高作物产量。
3.1 采用先进的灌溉方式
4目50前0m我3/省hm采2用较多的先进灌溉技术主要有畦田灌溉、喷、滴灌以及非充分灌溉等。非充分灌溉是灌水量不能完全满足作物整个生长发育期需水的灌溉, 把水非足额地灌溉在作物敏感期, 即对产量影响比较大的时期。喷灌具有增加地面湿度, 调节田间小气候, 节水、增产等特点, 适合在坡度较大的地块实施。滴灌使土壤结构保持较好, 具有节水、省工、增产且能提高农产品质量等特点, 尤其适用于蔬菜种植区。
3.2 基于ET (蒸腾蒸发量) 的水管理技术
ET (蒸腾蒸发量) 管理工作总体上可分为两步, 一是确定流域水资源管理目标 (即确定可消耗的目标ET) , 二是根据目标最优分配水资源。根据水平衡原理, 即:
P+T=O+ET
式中:T—外来水量;
P—本地降水量;
O—系统流出量[5]。
对于规划水平年目标ET的确定, 选取较长历史系列的相应数据, 根据水平衡方程以年内均衡为条件 (即假设年内系统内部蓄水量变化为零) , 逐年计算区域可消耗ET总量, 对所得各年可消耗ET量进行频率分析, 可以获得不同频率下的区域可消耗ET总量。
对大的研究区域的可消耗ET值进行估算较好的办法是利用遥感和GIS技术, 目前应用较为广泛的是陆面能量平衡算法 (SEBAL) 。当获得研究区域内可消耗ET总量和各地块用水现状后, 将不同的水量合理调配到最适宜的地块, 实现大范围的水资源优化配置, 从而在确保作物产量不降低的前提下, 提高农业水资源利用效率。
3.3 其他措施
其他措施主要包括种子浸泡、田间管理措施和轮作、选择合理的播种日期、作物种植密度、杂草与病虫害控制等, 这些措施的实施都有助于产量和WUE的提高。同时, 土壤改良、新品种的推广, 尤其是N、P化肥用量的增加, 对水分利用效率的增加起着决定性的作用。
4 小结与结论
提高WUE的总体思路是增加产出, 同时减少水分无效损耗。其主要措施包括:采用先进的灌溉方式、基于ET的合理化水管理技术及其他措施等。鉴于严峻的水资源紧缺形势, 今后在抗旱高产作物的培育工作中应把高WUE作为一个重要指标。
参考文献
[1]刘志武, 雷志栋, 党安荣, 等.遥感技术和SEBAL模型在干旱区腾发量估算中的应用[J].清华大学学报 (自然科学版) , 2004, (03) :421-424.
[2]王晓凤等, 吴文良等.不同水氮处理对冬小麦生长及土壤水分利用效率的影响[J].农业环境学报, 2007, (B10) :741-745.
[3]于春华.节水灌溉措施真实节水量的分析计算[J].科技信息, 2008 (26) :1-3.
[4]许志芳.如何正确理解节水灌溉的涵义[J].中国农村水利水电, 2001 (12) :34-35.
土壤水分利用效率 篇8
水分是控制干旱和半干旱生态系统中植物存活发展的关键限定因子[4], 如何利用有限的, 而且通常是不可预测的水分是干旱和半干旱地区植物生存、生长和繁殖的关键[5]。大量研究表明, 植物长期水分利用效率 (WUE) 和叶片形态能够揭示植物在水分胁迫条件下的生理响应策略, 已成为植物适应环境机制等研究领域中新的突破点[6,7,8]。植物叶片的稳定碳同位素比值 (δ13C值) 作为植物长期生理生态过程的指标, 能够揭示物种如何通过调节气体交换过程、资源获取与利用策略以及生活史策略来使其在特定的生境中得以生存并确保其竞争优势[9,10], 因此, 它可以作为衡量植物长期水分利用效率 (WUE) 的指标, 指示植物在水分限制条件下的生存策略[6,9];叶片形态对环境的响应和适应特征直接影响着植物与周围环境的物质和能量交换以及植物的生存能力和发展、变化方向[7,8,11,12]。叶性状指标 (如叶片氮含量和比叶面积等) 与植株生物量和植物对资源的获得、利用及利用效率的关系最为密切, 能够反映植物适应环境变化所形成的生存对策[13,14]。
生态系统演化趋向于获得最大碳收益方向, 自然界中植物对资源的组织利用必将尽可能地提高限制资源的利用效率[15,16]。在干旱少雨的辽宁省西部地区, 能否对有限的水分进行有效利用是植物生存的关键。因此, 本试验通过对辽西地区3种主要造林灌木树种进行水分利用效率和叶性状特征的研究, 旨在探讨其在水分胁迫条件下采取的生存策略, 为干旱和半干旱地区耐旱植物的筛选, 预测群落中的竞争关系、群落动态和植物的形态建成提供理论依据。
1 试验地点
研究地点是辽宁省干旱地区造林研究所的西山试验区, 位于辽宁省建平县富山镇, 地理坐标为东经119°15′~120°03′, 北纬41°19′~42°24′, 海拔400~550m。该区属温带半干旱大陆性季风气候, 年均气温5.6℃, 极端最高温36.7℃, 极端最低温-30.5℃, 年平均降水量为450mm左右, 且季节分配不均, 主要集中在7~8月。年平均潜在蒸发量为1700mm左右, 年平均相对湿度51%左右, 年平均无霜期141.8d。土壤主要为褐土, 土壤p H值8.0~8.5。气候的总特点是全年降水量少, 且分布不均, 蒸发量大, 干旱多风。当地主要造林树种包括乔木油松 (Pinus tabulaeformis Carr.) 、樟子松 (Pinus sylvesris L.var.mongolica Litvin) 和蒙古栎 (Quercus mongolica Fischer ex Ledebour) 等, 灌木大扁杏、中国沙棘、黑果腺肋花楸和胡枝子 (Lespedeza bicolor Turcz) 等。
2 材料与方法
2.1 研究对象
研究对象选自辽宁省干旱地区造林研究所西山试验区内2008年栽植的大扁杏、中国沙棘和黑果腺肋花楸人工林。在3种灌木人工林内分别设置1个50m×50m的样地, 各样地内分别设置3个样方, 样方面积20m×20m, 样方间隔10m。3种人工林样地的具体特征见表1。
2.2 采样和测量方法
(1) 叶片样品采集。2013年8月, 在3种灌木人工林样地的各样方内分别选取4~5棵生长旺盛的植株, 每个植株阳面的中部采集完全展开的健康成熟叶片50~100g, 装入大信封中混合作为一份样品。每个样地采集3份样品作为重复, 带回室内分析。
(2) 叶片稳定碳同位素比值 (δ13C值) 的测定。叶片样品带回实验室后, 在105℃下杀青1h, 在80℃下烘24h, 然后粉碎叶片, 过80目筛, 送交中科院沈阳应用生态研究所的稳定同位素比率质谱实验室, 用质谱仪 (Finnigan MAT Delta V advantage) 测定稳定碳同位素比值。稳定同位素比值用下式表示:
其中Rsam.是样品中碳元素的重轻同位素丰度之比 (13Cp/12Cp) ;Rstd.是国际通用标准物质 (PDB, 美国南卡罗来纳州的碳酸盐陨石) 的重轻同位素丰度之比 (13Cs/12Cs) [17]。
(3) 比叶面积 (SLA) 的测定。采用随机抽样法从每份叶片样品中选取50枚, 平铺在一张白纸上, 使用扫描仪扫描, 然后使用Photoshop计算叶面积。把所测量叶片置入烘箱, 在105℃下杀青30min后温度调至75℃烘干24h, 然后测定其干重。以每种植物的50枚叶片的面积除以对应叶片干重得到该种的SLA。
(4) 单位重量叶氮浓度 (Nmass) 和单位面积叶氮浓度 (Narea) 的测定。采用凯氏定氮法测定每种植物叶片单位重量叶氮含量 (Nmass) 。而Narea=Nmass/SLA。
2.3 数据统计和分析
叶片δ13C值、Nmass、Narea、SLA、全C含量和C/N等均用平均值±标准差 (mean±SE) 表示。利用SPSS16.0, 通过单因素方差分析法 (oneway ANOVA) 和Duncan多重比较分析3种灌木人工林水分利用效率和叶性状的差异是否显著 (P<0.05) ;通过相关性分析叶性状之间、δ13C值与叶性状之间的相关性是否显著 (P<0.05) 。
3 结果与分析
3.1 三种灌木叶片δ13C值的变化
叶片稳定碳同位素比值的测定结果如图1所示。图中不同小写字母表示3种灌木的叶片δ13C值差异显著 (P<0.05) 。中国沙棘叶片δ13C值最高, 达-23.82‰;大扁杏次之, 为-24.96‰;黑果腺肋花楸的叶片δ13C值最低, 为-25.45‰。3种灌木叶片δ13C值的范围在C3植物的叶片δ13C值范围内 (-20‰~-35‰) , 因此均是C3植物, 叶片的δ13C值可以反映它的长期水分利用效率[17]。
3.2 三种灌木叶性状的变化及关系
3种灌木的叶性状特征见表2。3种灌木的单位重量叶氮浓度 (Nmass) 差异显著 (P<0.05) 。其中, 中国沙棘叶片Nmass最高, 达36.79mg·g-1;大扁杏和黑果腺肋花楸叶片的Nmass类似 (P>0.05) 。3种灌木的单位面积叶氮含量 (Narea) 差异显著 (P<0.05) , 黑果腺肋花楸的Narea最高, 达3.30g·m-2;大扁杏次之, 为2.76g·m-2;中国沙棘最低, 为2.00g·m-2。3种灌木的叶片比叶面积 (SLA) 差异显著 (P<0.05) , 中国沙棘SLA明显高于大扁杏和黑果腺肋花楸 (P<0.05) , 而大扁杏和黑果腺肋花楸SLA差异不显著 (P>0.05) 。3种灌木的叶片全C含量差异显著 (P<0.05) , 中国沙棘叶片的全C含量明显高于大扁杏和黑果腺肋花楸, 为34.03mg·g-1;大扁杏和黑果腺肋花楸叶片的全C含量类似 (P>0.05) 。3种灌木的叶片碳/氮 (C/N) 值没有显著差异 (P>0.05) 。
叶性状特征相关性矩阵如表3所示。叶片Nmass与Narea呈极显著负相关 (P<0.01) , 与SLA和全C含量呈极显著正相关 (P<0.01) , 与C/N呈显著负相关 (P<0.05) 。Narea和SLA呈极显著负相关 (P<0.01) , 与全C含量呈显著负相关 (P<0.05) , 与C/N相关性不显著 (P>0.05) 。SLA与全C含量呈极显著正相关 (P<0.01) , 与C/N相关性不显著 (P>0.05) 。全C含量与C/N相关性不显著 (P>0.05) 。
3.3 δ13C值与叶性状的关系
所有数据在经过检验后进行相关性分析。如图2所示, 叶片δ13C值与Nmass呈极显著正相关, R2=0.81, P=0.001, n=9 (图2A) ;与Narea呈显著负相关, R2=0.59, P=0.016, n=9 (图2B) ;与SLA呈极显著正相关, R2=0.84, P=0.001, n=9 (图2C) ;与全C含量呈显著正相关, R2=0.56, P=0.020, n=9 (图2D) ;与C/N呈显著负相关, R2=0.46, P=0.044, n=9 (图2E) 。
注:表中不同小写字母表示3种灌木的叶性状差异显著 (P<0.05) 。
注:*表示在0.05水平上显著相关, **表示在0.01水平上极显著相关。
4 讨论
4.1 三种灌木在辽西地区的水分利用效率和叶性状响应特征
δ13C值的测定结果显示, 中国沙棘与大扁杏和黑果腺肋花楸相比, 具有相对较高的水分利用效率。植物的水分利用效率越高, 其抗旱性越强[18], 在辽西地区, 中国沙棘采取了保持较高水分利用效率的生理策略来适应水分胁迫, 与大扁杏和黑果腺肋花楸相比具有更强的抗旱能力, 也将更适应当地水分稀缺的自然环境条件。
3种灌木叶氮含量等叶性状指标的测定结果与其稳定碳同位素值的趋势一致, 中国沙棘叶片的Nmass和SLA均显著高于大扁杏和黑果腺肋花楸。相比于长期以来衡量植物生理变化过程的瞬时测定指标 (如植物叶片的呼吸速率, 气孔导度, 光合能力等) , Nmass和SLA等重要指标更能精确反映出植物长期稳定的生理变化过程[19]。植物Nmass的提高通常被认为是植物对环境适应能力增强的表现, 而SLA反映了植物获取资源的能力。低SLA植物是以牺牲快速生长的可能来抵御干旱胁迫[7,20,21,22], 高SLA植物保持体内营养的能力较强[23,24]。叶性状的测定结果进一步验证了中国沙棘具有较强的抗旱能力和适应能力, 在水分受限的辽西地区, 中国沙棘具有比大扁杏和黑果腺肋花楸更高的抵御干旱的能力, 并且保持着较高的生长速率。
4.2 植物水分利用效率与叶性状的关系
本文研究结果显示, δ13C值与Nmass和SLA呈极显著正相关, 与全C含量呈显著正相关, 与Narea和C/N呈显著负相关。这表明了植物叶性状因子对水分利用效率有一定的指示意义。大量文献表明, Nmass与叶片内部光合作用酶的数量成正相关[16,25], Nmass的增加能够增加叶片内部非光合器官或组织氮的投入, 提高叶片的光合能力和光合产物[26,27]。SLA与Nmass、净光合速率成正相关关系, 即具有较高SLA的植物种类, 其单位重量叶片的光捕获面积、Nmass和净光合速率也较高[26,28]。虽然Nmass含量的增加能够增加气孔导度, 加速植物体内水分散失, 降低水分利用效率[29], 但是在SLA的提高作用下, 一定范围内植物Nmass的增加仍就能够提高植物水分利用效率[30,31]。这与本文的研究结果一致。
为反映植物在叶片水平上的长期生理变化过程, 本文采用C/N来评价植物的长期氮素利用效率 (NUE) [32,33], C/N很好的反映了叶片中每单位氮固碳的数量和效率[34,35]。一定条件下, 植物长期水分和氮素利用效率之间存在着权衡现象[32,33,35]。在辽西半干旱地区, 3种灌木的长期水分利用效率与氮素利用效率均呈显著负相关。这表明当地生境条件下, 相比于氮元素, 水分是更为稀缺的资源, 是当地植物生长的关键限制因子。因此, 植物采取了降低氮素利用效率而保持高水分利用效率的生存策略, 以适应当地水分匮乏的自然环境。
水分利用效率和叶性状特征的研究结果表明, 辽西半干旱地区的3种灌木分别采取了不同的生理策略来适应当地环境。中国沙棘因其具有较高的叶片δ13C值、Nmass和SLA, 表明其采取了保持较高水分利用效率和生长速率的生理策略;而大扁杏和黑果腺肋花楸则采取了保持较低水分利用效率和减缓生长的生理策略。研究结果初步表明中国沙棘具有更高的适应能力, 可以做为当地改善环境的先锋树种进行栽植, 待形成较为稳定的植物群落后, 可以继续引进栽植大扁杏、黑果腺肋花楸等生长较为缓慢的树种, 进一步维护植物群落的多样性和稳定性。本试验仅从植物在水分利用方面的生理响应特征进行了探讨, 为进一步全面评价这3种灌木在辽西半干旱地区的长期适应性和生态群落功能, 还应对其根系分布和水分利用来源等多个方面进行深入地研究。
摘要：大扁杏、中国沙棘和黑果腺肋花楸是辽西地区的主要造林灌木树种。本文利用稳定同位素技术测定3种灌木叶片的稳定碳同位素比值 (δ13C值) , 分析它们的长期水分利用效率 (WUE) ;并结合3种灌木的叶性状研究, 分析水分利用效率与叶性状各因子之间的相关性, 探讨3个造林灌木树种在水分胁迫条件下的生理响应特征。结果表明:3种灌木的水分利用效率差异显著 (P<0.05) , 其中, 中国沙棘水分利用效率最高, 大扁杏次之, 黑果腺肋花楸最低;叶性状各因子之间相关性显著;水分利用效率与单位重量叶氮浓度 (Nmass) 、比叶面积 (SLA) 和全碳含量呈正相关, 与单位面积叶氮浓度 (Narea) 和C/N呈负相关。水分利用效率和叶性状特征的研究结果表明3种灌木分别采取了不同的生理策略来适应水分胁迫环境。
土壤水分利用效率 篇9
1 试验材料与方法
试验地设在中国科学院海伦农田生态系统国家野外科学观测站的水肥耦合试验场, 选取3个肥料处理, 即无肥 (CK) 、化肥 (NP) 、有机肥+化肥 (NPM) , 4次重复, 随机排列, 每小区面积为60m2 (6m×10m) , CK处理不施用肥料, NP处理每公顷施纯N120kg、P2O554.96kg;NPM处理每公顷施纯N120kg、P2O554.96kg、有机肥15t。
在1999年和2002年小麦成熟以后收集2m2测产, 每个试验小区取3个点。在群体水平上, 考虑全生育时期, 水分利用效率可表示为:WUE=Y/ET, 其中WUE是作物的水分利用效率, Y是作物当季产量 (kg/hm2) , ET是作物耗水量 (mm) 。
2 试验结果与分析
2.1 施肥管理对小麦产量的影响
肥料是影响小麦产量的一个重要因素。不同施肥管理方式下小麦产量表现为NPM>NP>CK, 与CK相比在1999年NP和NPM的小麦产量分别提高了1.86%和23.87%, 在2002年NP和NPM分别提高了20.10%和44.94%, 说明肥料的施用能够增加小麦的产量, 其中以有机肥和化肥配施的效果最佳。方差分析结果显示有机肥和化肥的联合施用显著增加了小麦的产量 (P<0.05) , 而化肥的增产效果在2002年表现的很显著 (P<0.05) 。由于小麦只进行了两年的试验, 从数据中无法解读出小麦产量与试验年限之间的关系, 但是同时我们也观察不到小麦产量与生长季内降水量之间的关系。1999降水量为451 mm, 属于气象上的干旱年份, 此年小麦的平均产量为3497kg/hm2, 虽然2002年的降水量为516mm, 属于气象上的平水年, 但是此年小麦的平均产量仅为2875kg/hm2, 可能与小麦生育期内降水的分布和病虫害的发生有关。
2.2 施肥管理对小麦水分利用效率的影响
小麦的水分利用效率也受到了施肥管理的影响。肥料的施用增加了小麦对降水和土壤水分的利用。与CK相比NP和NPM小麦的水分利用效率平均增加了11.07%和32.39%。方差分析结果显示有机肥+化肥的施用显著地提高了小麦的水分利用效率, 而2002年化肥的施用效果也达到了P<0.05的显著水平。同样在干旱年份 (1999年) 小麦的水分利用效率要高于平水年 (2002年) , 平均高出18.97%。
小麦耗水量和产量是控制其水分利用效率的两个变量, 用直线相关分析研究它们之间的变化关系。小麦的水分利用效率随小麦的产量的增加呈显著增加的趋势 (r=0.997, P<0.05) 。虽然小麦的水分利用效率随着耗水量的增加也呈现出增加的趋势, 但是它们之间的关系没有达到显著水平r=0.681。
3 小结
a.肥料的施用增加了小麦的产量, 表现为NPM>NP>CK。与无肥处理相比, 化肥和有机肥+化肥的施用小麦产量分别增加了10.98%和34.41%。持续施用化肥和有机肥小麦的产量并没有随着试验时间的延长而增加。
b.小麦的水分利用效率亦随着肥料的施用而表现为增加, 即为NPM>NP>CK。与无肥处理相比, 施用化肥和有机肥+化肥的处理小麦的水分利用效率分别增加了11.07%和32.39%。对于不同降水年型而言, 平水年和枯水年的水分利用效率均高于丰水年。小麦的水分利用效率与产量之间表现为显著的正相关关系 (r=0.99, P<0.05) , 而与耗水量之间的关系不显著。
摘要：养分是农田生态系统中影响小麦生长和产量的主要限制因子。以中国科学院海伦农田生态系统国家野外科学观测研究站内的长期定位试验为平台, 分析了1999年和2002年不同施肥管理方式对小麦产量和水分利用效率的影响, 得到结果如下, 肥料的施用增加了小麦的产量和水分利用效率, 特别是有机肥的施用。因此, 从增加小麦产量和水分利用效率的角度出发, 在东北黑土区有机肥和化肥的配合施用是一种可持续的农业管理方式。
关键词：施肥管理,小麦,东北黑土区,水分利用效率
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土壤水分利用效率 篇10
关键词：坡耕地,中耕技术,产量,水分利用效率
坡耕地是重要的国土资源, 但也是水土流失最严重的资源, 对坡耕地的利用一直受到广泛的关注。全国现有1.2亿hm2耕地中, 坡耕地为0.21亿hm2, 这些坡耕地每年流失土壤约15亿t, 占全国水土流失总量的1/3, 对坡耕地治理及其开发利用的研究一直是摆在人们面前的重大课题。
坡耕地利用在宏观方向的研究, 主要展开于我国西部、西南部山区和丘陵地区, 如云南、贵州、四川、重庆等省市, 对于东北地区坡耕地的研究很少。
要研究不同耕作方法对坡耕地大豆产量的影响, 首先应该研究坡耕地的情况和坡耕地的利用情况, 以及影响大豆产量的环境因素和土壤利用情况。坡耕地有它的特殊性, 针对他的特殊性就要寻找最合适的耕作方法, 来提高坡耕地大豆的产量, 提高对坡耕地的利用以及最适合的坡耕地大豆耕作方法。试验在克山进行, 克山地区的地形坡面较长, 一般为300～500 m, 局部地区达800～1 500 m。坡长成为水土流失的主要地形因素, 水土流失导致大豆的产量下降, 同时水分也是影响大豆产量的主要因素。不同耕作方法可以改善水分的利用, 提高大豆的产量。同时有利于改善土壤。因地制宜地采取综合而有效的水土保持措施, 彻底控制水土流失, 是使坡耕地建设高产稳产农田, 发展现代化农业生产的主攻方向和急待解决的任务。
1 材料与方法
1.1 试验区概况与试验材料
试验在沈阳军区空军后勤部克东农副基地进行, 试验区位于黑龙江省齐齐哈尔市克山县。地理位置为东经126°08′, 北纬48°33′。地处小兴安岭西麓, 松嫩平原东北部, 地势丘陵漫岗, 土质肥沃, 适宜农作物生长。属温凉型气候区, 特点是春旱多风, 夏季高温多雨、秋季降温迅速、霜冻早, 冬季较长, 多雪、严寒干燥。年平均气温1.3℃, 近10 a达2.1℃;≥10℃活动积温2 339.8℃;极端最高气温36.5℃, 最低气温-37.6℃, 无霜期120 d。年降水量500 mm左右, 6～8月占68.3%, 春季占11.0%, 秋季占16.4%, 冬季占3.0%左右。年平均风速3.9 m·s-1, 春季大风次数多, 夏季多南风和东南风, 秋季多西南和西北风, 冬季多西北风, 常年以西北风为主。土壤为黑钙土, 1 m土层的平均田间持水量为23%～25%, 大豆凋萎含水量为7%～14%, 平均干容重为1.23 g·cm-3。
1.2 设计方案
该试验设计4种中耕方式, 即不中耕、中耕2次、中耕3次 (CK) 、中耕4次, 每种中耕试验设3次重复, 每个处理播种666.7 m2。收获时测土壤理化生物学指标和产量。供试品种为北-02, 生育期125 d左右, 5月6日播种, 大豆常规播种, 种植密度为30.0万株·hm-2。
1.3 测试指标与方法
对0～100 cm深度土壤含水量运用土钻法进行测定。每个深度测量3次, 剖面共分6个层次, 即:0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm。植株密度、生物量、叶面积指数按作物生育期进行测定。
2 结果与分析
2.1 不同中耕技术下的产量比较
由图1可以看出, 中耕次数增加, 并没有使大豆的产量增加, 不进行中耕的处理产量最高, 与对照相比产量升高了17%, 中耕2次的大豆产量与对照相差较小, 中耕4次的大豆产量最低, 与对照相比降低了8.4%。不中耕处理的表层土壤防风能力加强, 减少了棵间水分蒸发, 又起到了良好的保墒作用, 因此有效地改善了大豆后期的生长条件, 干物质的积累明显好于其他处理。
2.2 不同中耕技术各处理土壤水分比较
9月15日在有效降水2 d后测定各处理土壤水分 (9月13日降水17.5 mm) 。各处理土层下50 cm的土壤含水量见表2。
由图2可以看出, 有效降水后, 各处理土壤含水量存在差异。0～10 cm土层内, 不中耕处理的土壤含水量最高, 中耕4次的土壤含水量最低。10～30 cm土层内, 中耕3次处理的土壤含水量最高, 中耕4次的土壤含水量最低。30～50 cm土层内, 中耕2次的土层含水量最高。
在植株生育末期, 农田水分消耗以植株蒸腾为主改变为以蒸散为主, 保护性耕作减少土壤扰动, 减少了表层土壤蒸发量, 因此在0～10 cm土层内, 不中耕处理的土壤含水量比中耕4次的土壤水含量高。30～50 cm土层内, 各处理土壤水分含量相差较小, 中耕2次及不中耕处理提高了作物扎根深度及深层根量, 从而加剧了土壤水分的消耗。
在坡耕地上, 中耕次数增加, 严重破坏土壤结构, 造成土壤板结, 易产生坡面径流, 导致浅层土壤中水分含量降低。
2.3 不同中耕技术处理的水分利用效率比较
试验地点的地下水埋深大于5 m, 因此采用常规的田测法确定作物需水量;采用取土烘干法测定土壤含水率。每个生育期测定土壤含水率, 前后2次取土点的距离为40～50 cm, 每次取土后将取土孔回填密实。
利用测定土壤含水率来测定作物需水量时, 前后两次测定土壤含水率之间的需水量为:
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式中:ET1-2为阶段需水量/mm, i为土壤层次序号, n为土壤层次总数目, γdi为第i层土壤的干容重/g·cm-3, Hi为第i层土壤的厚度, θi1与θi2为分别是第i层土壤在时段始末的含水率 (占干土重的百分数) , I为时段内的灌水量/mm, P为时段内的降雨量/mm, SG为时段内的地下水补给量/mm, R为时段内的径流量 (地表径流与土壤中径流之和) /mm。
由表3、4可以看出, 不中耕处理水分利用效率最高, 中耕4次处理水分利用效率最差, 与对照相比, 不中耕的水分利用效率提高了17.13%, 中耕2次的水分利用效率提高了6.02%, 中耕4次处理的水分利用效率下降了5.06%。不中耕处理蓄水保墒效果较好。说明减少中耕不扰动土层, 保持了土壤的天然结构, 提高了土壤水分利用率。
3 小结
3.1 对于坡耕地, 减少中耕次数可以提高大豆产量。与对照相比不中耕处理的大豆产量升高了17%, 中耕2次的大豆产量与对照相差较小, 中耕4次的大豆产量最低, 与对照相比降低了8.4%。
3.2 减少中耕次数是一种效果很好的坡耕地水土保持耕作措施, 与传统耕作措施相比, 不中耕减少对土壤结构的破坏, 有效保持了土壤中的水分, 减少了对坡面土壤的冲刷。
3.3 坡耕地减少中耕次数能够有效地提高作物水分利用效率, 能充分利用天然降雨, 提高产量。
3.4 研究表明:减少中耕次数措施较适宜土壤侵蚀严重的黑龙江省东北部坡耕地种植区。该研究的试验数据仅为1 a的观测结果, 中耕技术对作物的后续生理生态效应还需作更加深入的观察和研究。
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