鹽分脅迫條件下制種玉米根系吸水模型參數(shù)的推求

袁成福，馮紹元(.江西水利職業(yè)學院，南昌 33003；2.揚州大學水利與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225009；3.中國農(nóng)業(yè)大學中國農(nóng)業(yè)水問題研究中心，北京 00083)

0 引 言

石羊河流域地處西北干旱內(nèi)陸區(qū)，那里地表水資源極其短缺，而農(nóng)業(yè)灌溉占了總水量很大一部分。對于地表水資源嚴重短缺的干旱地區(qū)，地下水是農(nóng)業(yè)灌溉的重要水源。然而，近年來由于當?shù)厝藗儗Φ叵滤Y源的過度開采利用，使當?shù)氐叵滤V化度呈現(xiàn)逐年增加的趨勢，其中石羊河下游民勤縣的湖區(qū)地下水礦化度高達3～10 g/L，并且每年以0.12 g/L的速度遞增[1,2]。為了彌補緊缺的淡水資源，使干旱地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能夠發(fā)展穩(wěn)定，其中解決水資源緊缺問題的有效方法可以采用咸水資源進行灌溉[3,4]。利用咸水資源進行農(nóng)田灌溉一方面能夠減少由干旱對農(nóng)作物產(chǎn)量造成的損失，另一方面也會把鹽分帶入到土壤，會使農(nóng)田土壤環(huán)境發(fā)生變化，特別是在土壤耕作層中會累積大量的鹽分，進而會導致土壤次生鹽堿化現(xiàn)象的發(fā)生[5]。如果長時期利用咸水進行農(nóng)田灌溉，會使大量的鹽分富集在作物根系區(qū)附近，受鹽分脅迫作用，會抑制農(nóng)作物根系吸水，也會一定程度上影響農(nóng)作物的生長和產(chǎn)量。因此，在研究區(qū)開展鹽分脅迫條件下制種玉米根系吸水規(guī)律的研究，對于提高當?shù)叵趟Y源的利用效率、制定合理的灌溉施肥方案和改善農(nóng)田水土環(huán)境具有重要的理論意義和實用價值[6]。長時期利用咸水資源進行農(nóng)田灌溉會導致土壤累積過量的鹽分，且鹽分主要累積在作物的根系區(qū)附近，由于溶質(zhì)勢阻礙作物根系吸水，從而會影響作物的正常生長[7]。國內(nèi)外研究人員就鹽分脅迫對作物根系吸水的影響進行過研究。Feng等針對不同灌水礦化度和不同灌水間隔時間的農(nóng)田土壤鹽分分布采用ENVIRO-GRO模型進行數(shù)值模擬，研究表明咸水灌溉下根系深度對鹽分分布具有重要的影響[8]。羅長壽等采用數(shù)值迭代反求方法對苜蓿的根系吸水規(guī)律進了模擬和分析，研究表明土壤累積的鹽分會明顯降低苜蓿的根系吸水速率，當土壤溶液的電導率約為5 dS/m左右時，對苜蓿的根系吸水具有較大的影響[9]。國內(nèi)外已做過大量關于鹽分脅迫條件下作物根系吸水規(guī)律的研究，其中應用較普遍的是由Feddes提出的根系吸水模型[10]。

本文通過設置不同灌水礦化度的咸水灌溉試驗，引入Feddes提出的根系吸水模型，根據(jù)田間試驗實測數(shù)據(jù)，推算該模型的各個參數(shù)，建立鹽分脅迫條件下制種玉米根系吸水模型，為該研究區(qū)研究制種玉米生長條件下土壤水鹽運動規(guī)律奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)位置與土壤物理參數(shù)

田間試驗于2013年4-10月在甘肅省武威市涼州區(qū)的中國農(nóng)業(yè)大學石羊河試驗站(102°52′E，37°52′N，海拔1 581 m)內(nèi)進行，該試驗站位于石羊河流域中游區(qū)域。田間試驗在非稱重式蒸滲儀中進行，修建測坑小區(qū)6個，每個測坑面積為6.66 m2(3.33 m×2 m)，深為3 m。測坑小區(qū)0～60 cm土壤為砂壤土(國際制)，其粒徑組成為：砂粒(0.05～1.00 mm)含量(體積分數(shù)，下同)為58.90%，粉粒(0.005～0.05 mm)含量為29.02%，黏粒(﹤0.005 mm)含量為11.59%(采用馬爾文MS2000激光粒度分析儀測定)。測坑小區(qū)0～60 cm土壤容重為1.5 g/cm3，飽和含水率為0.37 cm3/cm3(體積含水率，下同)，田間持水率為0.30 cm3/cm3。

1.2 試驗設計

田間試驗根據(jù)石羊河流域上游、中游、下游典型地區(qū)地下水的礦化度設置3種鹽分處理即s1、s2和s3處理，三者分別代表為灌水礦化度為0.71 g/L的淡水、3 g/L的微咸水和6 g/L的咸水。由于受試驗地條件所限，每個處理2個重復，共有6個試驗小區(qū)，試驗采用裂區(qū)排列方式布置。根據(jù)當?shù)刂品N玉米灌溉經(jīng)驗，制種玉米生育期內(nèi)灌水5次分別為：6月8日(拔節(jié)期)、6月30 日(抽雄期)，7月20日(開花期)、8月10日(灌漿期)和8月29日(乳熟期)，設置灌溉制度(表1所示)。試驗使用的淡水通過水泵抽取當?shù)氐叵滤@得，使用的咸水是根據(jù)當?shù)氐叵滤瘜W組成，采用質(zhì)量比為2∶2∶1的NaCl、MgSO4和CaSO4配置的溶液。供試制種玉米的品種為富農(nóng)340號，2013年4月20日播種，9月13日收獲，全生育期146 d。測坑小區(qū)內(nèi)的制種玉米按父本與母本1∶7的比例方式種植，種植密度為每小區(qū)56株。其他農(nóng)藝措施均與當?shù)厍闆r保持一致。

表1 各處理灌溉制度Tab.1 Scheme of irrigation under different treatments

1.3 測定項目與方法

選擇制種玉米拔節(jié)期(2013年6月23日-6月29日)為研究根系吸水時段1，抽雄期(2013年7月12日-7月19日)為研究根系吸水時段2。分別在時段1和時段2初期和末期通過土鉆獲取土樣，每個處理土層分為3層，分別為[0,20]，(20,40]，(40,60] cm，每次取樣完后回填鉆孔并做標記，采用烘干法測定土壤含水率。采用電導法測定土壤溶液電導率EC1∶5，并根據(jù)已有資料的相關公式(S=0.027 5EC1∶5+0.136 6)把EC1∶5轉(zhuǎn)換成土壤全鹽量S[11]。分別在時段1、2每隔1 d利用鋼卷尺測量制種玉米葉子的長(L)與寬(B)，并采用估算公式得到葉面積指數(shù)：

LAI=(K×L×B)∕A

式中：K為葉片擬合系數(shù)，玉米取0.75；A為植株葉片所占地面面積。

采用口徑為8 cm的根鉆，利用“十字法”(每株玉米取5鉆，每鉆分3層，每層20 cm，取至60 cm可以把制種玉米大部分根系取盡)取樣，獲取制種玉米根長資料，并經(jīng)過根系掃描儀掃描和采用WinRHIZO根系分析軟件獲得根長密度的分布資料。土面蒸發(fā)量利用自制Microlysimeter(MLS)直接測定，在研究制種玉米根系吸水時間段內(nèi)埋設MLS，每個處理3個重復。MLS內(nèi)徑10 cm，高度20 cm，下端采用不封底的形式，呈圓柱狀，采用PVC材料制成。每天早晨8∶00時刻對MLS進行稱重，相鄰兩天的重量之差即為前一天的土面蒸發(fā)量。同時收集好試驗站制種玉米全生育期內(nèi)的氣象資料。

1.4 根系吸水模型

Feddes提出的根系吸水模型為：

S(x,t)=β(φ0)Smax

(1)

式中：S(x,t)為僅在鹽分脅迫下作物根系吸水速率，cm3/(cm3·d)；β(φ0)為鹽分脅迫修正因子，φ0為土壤水滲透勢，cm；Smax為最大根系吸水速率，cm3/(cm3·d)，表示在最優(yōu)土壤水分(水分、養(yǎng)分充足，無鹽分脅迫)條件下的根系吸水速率。

1.4.1最大根系吸水速率Smax的計算方法

前人研究表明可以采用相對根長密度Lnrd(x,t)和潛在蒸騰速率Tp(cm/d)來計算最大根系吸水速率[12]。即：

(3)

上述兩式中：Lr為最大扎根深度，cm；Ld(x,t)為實測根長密度，cm/cm3。

1.4.2鹽分脅迫修正因子β(φ0)的計算方法

Van Genuchten等采用一種非線性方程，利用S形曲線函數(shù)來表示鹽分脅迫修正因子[13]。

(4)

式中：φ050為根系吸水鹽分脅迫修正因子等于0.5時所對應的滲透勢的值，cm；p為擬合參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 根系吸水模型參數(shù)的推算

2.1.1最大根系吸水速率Smax的計算

選擇根系吸水時段2，由于s1處理為淡水充分灌溉且灌溉水量為當?shù)刂品N玉米的騰發(fā)量，所以可以認為s1處理的根系吸水速率為最大根系吸速率。

潛在蒸騰速率Tp由如下公式[14]估算：

Tp=ET0(1-e-kLAI)

(5)

式中：ET0為參考作物蒸散量，cm，由FAO推薦的Penman-monteith公式[15]計算，計算結(jié)果為0.412 cm/d；LAI為葉面積指數(shù)，取值為3.023 cm2/cm2；k是植物冠層輻射衰減系數(shù)，無量綱，對于玉米而言，k常取0.4[16]。計算結(jié)果得Tp=0.29 cm/d。

實測根長密度與土層深度的關系如圖1所示。經(jīng)線性插值擬合后得到Ld(x,t)=-0.011 9x+1.029 2(x為實測根長深度)，制種大扎根深度為100 cm。

圖1 s1處理根長密度分布Fig.1 Root length density distribution of s1 treatment

由式(2)，(3)計算得：

Lnrd(x,t)=-0.027 4x+2.37

Smax=-0.795×10-4x+0.687×10-2

2.1.2鹽分脅迫修正因子β(φ0)的計算

選擇根系吸水時段2，s2處理的灌溉水礦化度為3 g/L，為充分供水鹽分脅迫處理，計算相應的蒸騰強度：

(7)

式中：Ta為s2處理的實際蒸騰強度，cm/d；Ta=ETp-Ep，ETp為潛在蒸散強度，可由Penman-monteith公式求得；Ep為潛在土面蒸發(fā)強度，cm/d，可由實測的土面蒸發(fā)強度表示。計算得到：ETp=0.40 cm/d；Ep=0.12 cm/d；所以Tp=0.28 cm/d。

理論上，β(φ0)應為S與Smax的比值，由于β(φ0)無法實測，因此根據(jù)上式將Ta與Tp的比值近似為鹽分脅迫因子β(φ0)的比值。則：

(8)

φ0為該時段平均土壤水滲透勢，cm，由以下公式[5]計算：

cw=6.7×10-4EC1∶5

(9)

(10)

φ0=-5.63×105cs

(11)

式中：cw為土壤浸出液鹽分質(zhì)量濃度，g/cm3；EC1∶5為土壤浸出液電導率，dS/m；cs為土壤溶液鹽分質(zhì)量濃度，g/cm3；v為土壤浸提液的體積，cm3；γ為土壤容重，g/cm3；m為風干土的質(zhì)量，g；θ為體積含水率，cm3/cm3。

由式(9)-(11)得到計算根系吸水階段的φ0=-4 036.52 cm。則由以上各式可以計算出p=5.49，取φ050=-7 600 cm[17]。因此，鹽分脅迫修正因子為：

2.2 根系吸水模型參數(shù)的驗證

分別選擇時段1中s2、s3處理和時段2中s3處理對鹽分脅迫修正因子β(φ0)的參數(shù)p進行驗證。其驗證結(jié)果見表2。

模型參數(shù)p的推算和驗證過程時的吻合程度可以采用均方根誤差(RMSE)和平均相對誤差(MRE)來評價：

(13)

式中：Oi表示模型參數(shù)推算值；Pi表示模型參數(shù)的驗證值。

表2 參數(shù)p推算與驗證時的RMSE和MRE值Tab.2 Root mean square error and mean relative error values in calculation and validation of the parameter (p)

由表2可知，時段1中s2、s3處理與時段2中s3處理β(φ0)的RMSE<0.10，MRE<10%，在允許的誤差范圍20%之內(nèi)，因此鹽分脅迫修正因子β(φ0)=0.97是合理的，從而鹽分脅迫修正因子的參數(shù)p為5.49。所以鹽分脅迫條件下制種玉米根系吸水模型為：

3 結(jié) 語

在石羊河流域開展制種玉米生長條件下的咸水灌溉試驗，引入Feddes 提出的根系吸水模型。選擇制種玉米抽雄期為研究制種玉米根系吸水時段1，設置淡水充分灌溉試驗，通過計算相對根長密度和潛在蒸騰速率，推算得到最優(yōu)灌水條件下的最大根系吸水速率；設置咸水充分灌溉試驗，通過計算蒸騰強度和土壤滲透勢，推算得到咸水灌溉條件下的鹽分脅迫修正因子。

選擇制種玉米拔節(jié)期為研究制種玉米根系吸水時段2，對鹽分脅迫修正因子的參數(shù)p進行驗證，參數(shù)p驗證和推算過程時的RMSE<0.10，MRE<10%，在允許的誤差范圍之內(nèi)。建立了鹽分脅迫條件下制種玉米的根系吸水模型，為研究區(qū)研究制種玉米咸水灌溉條件下土壤水鹽運動規(guī)律奠定基礎。

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