局部根区灌溉对土壤水分动态变化的影响

　　摘 要:通过田间试验，采用大棚种植黄瓜，在均匀灌水、亏缺均匀灌水、固定部分根区灌水和根系分区交替灌4种方式下对其进行处理。分析不同灌溉方式和灌水条件下，试验田中供试作物生育期内土壤水分的动态变化规律。试验结果表明：测定期间，进行均匀灌水处理的A区和亏缺均匀灌水的B区，二者垄沟两侧土壤水分变化无明显差异，而进行交替灌水处理的C区和固定灌水处理的D区，随着时间推移，干湿两侧土壤水分趋于平衡状态，表明垄沟干湿两侧都存在明显的渗透过程，可以根据植物自身的生长需要相互补充水分。从整个分析的结果得到，交替灌溉不但可以节约大量水资源，土壤水分消耗慢，还能使水分在土壤内储存时间较长，是值得推广的灌溉技术。

　　关键词：局部根区灌溉;土壤水分;动态变化

　　Effects of Partial Rootzone Irrigation on the Dynamic Changes of Soil Moisture

　　Abstract: Based on the field experiment in the greenhouse, cucumber was c*ted with 4 different irrigation methods, which were uniform irrigation, deficit irrigation, fixed partial rootzone irrigation and alternate partial rootzone irrigation. The soil moisture variation of the crop growth period was analyzed in different irrigation methods and conditions. The results showed that: during the measurement period, irrigation treatments were uniform and the deficit of A, B, uniform irrigation, soil moisture was no significant difference in furrow between the two sides, while the alternate irrigation and the fixed irrigation, as time goes on, according to the needs of the plant growing, both sides can supply water with each other though the penetration process. The final results showed that: alternative irrigation not only can save a lot of water, but also can hold the storage of water in the soil longer, is worth promoting irrigation technology.

　　1.引言

　　水是生命的源泉，是维系社会进步、生态环境和人类文明的基础因素。而我国水资源严重匮乏，农业节约水灌溉技术仍未得到很好的普及利用。我们必须进一步提高认识，抓紧完善节水灌溉的规划设计,大力推进节水灌溉技术的研究、生产和应用，以更好地服务“三农”,推进社会的现代化进程。

　　近年来，中国的灌溉实践表明，作物本身具有生理节水与抗旱能力，作物各生育阶段的需水量不同，各生育阶段对水分的敏感程度也不同，适当地进行水分亏缺调控，对于促进群体的高产更为有效。已有的试验资料表明，减少棵间蒸发量不会影响作物产量，如覆盖保墒和局部灌溉技术均可较大幅度减少棵间蒸发量。在一定条件下，适当减少作物植株蒸腾量，也不会导致减产。相反作物在某些生育阶段水分亏缺，对作物生长发育与高产反而有利，其它阶段短期轻度水分亏缺，也不会导致减产，甚至产量会更高。这表明了作物在长期的进化过程中，产生了对水分暂时亏缺的适应性与补偿性。因此，满足作物充分蒸腾理论、按根系层保持充分适宜的含水量进行灌溉及有关任何阶段土壤水分的微小亏缺均会导致作物减产的假说等等，已经不能适应节水灌溉的发展需要。因此，节水灌溉模式、土壤水分调控等对作物需水量的影响，则随着节水灌溉理论与技术的日新月异，其影响机理及影响程度的确定，越来越成为新的难题及研究热点[1]。

　　随着经济的发展，农业生产规模不断扩大，而农业用水占水资源总量的比例却没有增长，甚至还在下降[2]。由此，必须对节水灌溉条件下主要作物的需水量进行试验研究，为水资源的高效利用提供科学依据。近年来国内外提出了包括局部根区灌溉在内的许多节水灌溉新方法与新技术。局部根区灌溉在国外一般称为局部根区干燥(partial rootzone drying，PRD)技术，实际上包括交替根区灌溉和固定部分根区灌溉[3,4]。其中的固定部分根区灌溉，是指灌溉始终只在根系的一侧进行。而交替根区灌溉则强调对不同根区交替进行灌溉或干燥(垂直或水平方向)。与传统灌溉(全部根区均匀灌溉)方式比较，局部根区灌溉技术是力求从作物根系的功能和改变根系区域的湿润方式，诱导根系吸收补偿效应，使其产生水分胁迫的信号传递至叶气孔，减小田间的蒸腾耗水。同时可以改善根系的吸收功能，亦可减少棵间全部湿润时的无效蒸发和总的灌溉用水量，达到不牺牲光合产物积累和产量而大幅度提高水肥利用效率[5,6]，从最终而达到节水、高产[7-10]、优质的目的。 局部灌溉技术与传统灌溉方法的区别在于对作物根区的湿润状况不同，整个根系不再处于均一环境，而是处在非均一且多变的土壤环境中[11]。这种根区土壤水分的不同变化对根际微环境产生影响，调节根际微生态系统中水分和养分离子的传导性能。一方面，水分会影响土壤元素的化学有效性与动力学有效性。另一方面，局部灌溉下非灌溉侧的适度水分亏缺可抑制作物根系生长，降低根系的吸收面积和吸收能力，使木质部液流粘滞性增大。

　　土壤水同地表水、地下水一样是水资源的重要组成部分。土壤水指的是由地面向下至地下水面潜水面以上土壤层中的水分。土壤水是土壤最重要的组成部分之一。它在土壤形成过程中起着极其重要的作用, 它不仅影响着土壤的物理性质, 制约着土壤中的养分和溶质的溶解、转移和微生物的活动, 而且是构成土壤肥力和土壤性质的一个重要因素[12]。土壤水分也是植物生长、植被恢复的主要影响因子，对作物的生长、节水灌溉等有着非常重要的作用。植物通过自身调节，有适应环境的潜力。植物生长发育所需要的水分，主要是由土壤来供给。土壤中养分的转化和释放也必须在有水的情况下才能进行[13]，因此土壤中含水量的多少直接影响着农作物的生长、发育及其产量与品质。经常了解土壤中的水分状况，可以及时提出灌排措施，从而保证植物生长发育良好，获得高产[14]，这也是本实验研究的主要目的之一。

　　2.材料与方法

　　2.1 试验材料

　　本试验在安徽省淮北市杜集区滂汪蔬菜基地进行，基地内土壤成土母质为砂土，气候属于暖温带半湿润性季风气候。雨量适中，气候温和、四季分明。供试土壤的理化性质见表1。

　　表1供试土壤的基本理化性质

　　Tab 1 physical and chemical properties of experimental soil

　　有机质

　　g.kg -1全氮

　　g.kg -1全磷

　　g.kg -1全钾

　　g.kg -1硝态氮

　　mg.kg -1铵态氮

　　mg.kg -1pH值

　　17.7226.6415.6925.3151.392.487.69

　　2.2 试验设计及方法

　　2.2.1试验设计

　　供试作物为黄瓜，采用大棚种植，以避免雨水的干扰。采用小区种植，4种灌溉方式，每个处理的一个重复作为一个小区，小区间以隔离带分开，宽60cm，小区内，起垄栽培，每个小区内设4沟3垄，垄宽30cm，沟宽30cm，垄长2m，每垄定植6株，株距为40cm。每个处理的一个小区在其两侧沟中埋土壤水分测定管，深度为1.2m，以便于用土壤水分测定仪进行直接测定。作物以水肥形式进行定期灌溉，需要时进行补水。

　　2.2.2 试验处理与实施

　　试验处理分为根系分区交替灌水、固定1/2根区灌水、传统的均匀灌水和亏缺均匀灌水4种(文中分别简称交替灌水、固定灌水和均匀灌水、亏缺灌水)分别对各小区进行不同的处理，对A区进行充分均匀灌溉，对B区进行亏缺均匀灌溉，对C区进行亏缺交替灌溉，对D区进行亏缺固定灌溉。利用土钻进行取样，土壤水分测定深度为100cm，分5层测定(0 ～20、20～40、40～60、60～80和80～100cm)在每垄的两侧分别取样，每隔20cm取一次，混合取样。每个样地做3个重复，测量时段为2011年3月到5月。

　　2月28日时开始翻地，施底肥，3月12日开始移苗，每垄定植6株，每株定量浇水2L，定植前一次性灌水2L，保证整垄达到田间持水率(体积含水率约为30%，土壤为沙壤土)，此后约20 d 的时间不灌水，以利于蹲苗。4月13日进行次水肥处理，浇水量按照0～40cm土层持水量与含水量关系确定，并分别在进入开花期和盛果期前各施一次肥，将肥料溶解于水中，随灌水施入土壤。4月27日进行第二次水肥处理，肥料追施量和灌水量同前，交替处理开始进行交替，交替后原干区变为湿区。5月15日进行第三次水肥处理，灌水量开始调整，5月19日交替处理再次交替。本实验只对黄瓜的苗期和开花期的土壤水分进行研究。

　　根系分区交替灌水，在交替之前，维持土壤湿润区域不变。土壤含水量控制在田间持水量的60%～90%。各处理不同时期的灌水量见表2，可知与均匀灌水相比， 固定灌水、交替灌水的灌水量减少50%。

　　表2 各处理不同时期的灌水量

　　Table 2 The amount of irrigation water during different periods for all treatments

　　灌水方式

　　Irrigation methods处理时期days after treating

　　4/13 4/20 4/27 5/15 5/19

　　均匀灌水 A125L/m2125 L/m2125 L/m241.7 L/m241.7 L/m2

　　亏缺均匀灌水 B62.5 L/m262.5 L/m262.5 L/m220.8 L/m220.8 L/m2

　　亏缺交替灌水 C62.5 L/m262.5 L/m262.5 L/m220.8 L/m220.8 L/m2

　　亏缺固定灌水 D62.5 L/m262.5 L/m262.5 L/m220.8 L/m220.8 L/m2

　　2.2.3 测定项目与方法

　　本实验主要采用烘干法，并结合使用土壤水分测定仪进行土壤水分的测定。

　　数据结果用Excel 2003进行统计分析。

　　3.实验结果与分析

　　土壤水分空间分布和动态变化的研究有利于田间土壤水分的管理和利用, 在以往的研究中， 对土壤水分垂直分布规律和变化的状况有较深入的认识。

　　A1、A2分别表示A区中某一垄的两侧，同样B1、B2分别是B区中某一垄的两侧，由于对整个C区进行交替灌水处理，故C区中垄的两侧沟有干区和湿区之分，分别记为C1、C2，D区属固定灌溉，因此亦有干区和湿区分别记为D1、D2。

　　4月23日所测的数据是灌水10d后土壤中所含的水分，4月28日所测的数据是灌水后的第二天土壤中的含水率，5月2日所测数据是灌水5d后的土壤水分，5月6日测得的数据是灌水9d后的土壤水分。

　　图1 不同灌溉方式下土壤水分的变化情况4月23日

　　Fig.1 Change of soil moisture compared to different irrigation methods,23th April

　　图2 不同灌溉方式下土壤水分的变化情况4月28日

　　Fig.2 Change of soil moisture compared to different irrigation methods,28th April

　　由图1知，在灌水10d后，在0～50cm处土层，交替灌溉处理下的C区，其垄沟湿区土壤含水量，50～60cm处土层，充分均匀灌溉下的A区含水量，60～90 cm处土层，亏缺均匀灌溉下的B区含水量，90～100cm处土层，C区内垄沟的干区土壤含水量。还可以得出，在0～60cm 的土层内，A区垄沟两侧土壤水分变化并无较大区别，而在60～100cm 的土层内，呈现明显差异。0～100cm 的土层范围内，B区垄沟两侧土壤水分变化趋势无明显差异。0～60cm、80～100cm范围内C区垄沟干湿两侧水分存在明显区别。0～60cm，D区干湿两侧土壤水分也有明显差异。

　　由图2知，在灌水后的第二天，可近似认为在0～40cm 的土层内，B区土壤含水量，40～80cm，C区干侧土壤含水量，C区已进行交替，故此时的C1区是原来的C2区。80～90cm，A区含水量。在0～100cm 的土层内，A区垄沟两侧土壤水分变化趋势大致相同，B区也无明显差异，C区和D区垄沟的干湿两侧土壤水分变化差异都较为明显。

　　说明C区、D区土壤水分都存在明显的渗透、迁移过程，水分可从高的一侧渗透到低的一侧，相互补充，以满足作物本身的生长需要。

　　图3 不同灌溉方式下土壤水分的变化情况5月2日

　　Fig.3 Change of soil moisture compared to different irrigation methods,2 nd May

　　图4 不同灌溉方式下土壤水分的变化情况5月6日

　　Fig.4 Change of soil moisture compared to different irrigation methods,6th May

　　由图3知，4种处理下各土层土壤含水率的变化趋势几乎一致，表明在灌水5d后，作物蒸腾耗水、土壤蒸发以及土壤水分下渗等影响土壤水分变化的因素，已近乎充分发挥其各自的影响技能。此时，各土层土壤含水量已趋于平衡状态。

　　由图4知，灌水9天后，各层土壤水分变化趋势差异较大，C区垄沟干湿两侧水分存在明显区别，表明渗透、蒸发等影响因素在此时期对各种处理的影响再次起主导作用。

　　另外，不同的灌溉方式下，它们的灌水量不同，常规均匀灌溉的灌水量是其它3种处理的2倍，间接表明灌水量的多少直接决定了不同处理各层土壤含水率的差异大小。比较这几组图知，并不是灌水量越多土壤的含水率就越高。

　　4月27日交替灌溉进行交替，原来的干区变成湿区，C1、C2与之对应。在处理最初2dC区垄沟的干区含水率高于湿区，但随着时间的推移，干区和湿区的含水率逐渐趋于平衡，即二者的变化曲线几乎吻合，这也是土壤内部水分存在渗透的结果。

　　在5月2日的所测结果(图2)中可以看出，A处理下其0～100cm平均土壤含水量已经接近于B、C、D3种灌溉处理，此时，4种灌溉方式下各样地土壤水分差异达到最小，0～100cm各层土壤水分变化趋势也一致。

　　4.讨论和结论

　　从以上图中可以看出，从4月23日到5月6日以来，所测得的数据显示，从0～100cm深的土层土壤水分变化的趋势大致是相同的，都有随着土层深度的增加，土壤含水下降再升高，达到值又再次下降的趋势，且值都是在80cm处。

　　综合分析比较这四组图，可以得到在灌水处理最初几天时各层土壤的含水率相对较高，在灌水处理9～10d后表层土壤(20cm处)的含水率差距较明显，随着土层深度的增加，其差异在减少。进行交替灌水处理的C区中干区的含水率在80～100cm的土层均有上升趋势，而其他两种处理条件下在该层都呈下降趋势。说明在该时期，交替灌溉下的垄沟两侧出现渗透过程，这与试验地沙质土壤的性质有关，从各层土壤水分变化趋势来看，3种灌水处理不同层次土壤含水率在达到值后，均开始呈现缓慢下降的趋势，其中，在40～80cm土层内，不同的灌水处理下各层次土壤含水率增加幅度较明显，各处理之间不同层次的土壤含水率有较大差异;在40～60cm的土层土壤水分在灌水后土壤水分的增加幅度较60～80cm土层略小，且各处理之间的差异也较小。

　　从4种灌溉处理的全过程来看，均匀灌溉只是在灌水起初，表层土壤含水量稍高些，亏缺均匀灌溉在灌水9d后，土壤含水量呈现出较高水平，固定灌溉下的干区部分土壤含水量相对处于较低水平，综合考虑各方面因素得出，交替灌溉与其它灌溉方式相比土壤含水量相对高些，且能有效提高土壤水分，使土壤在较长时间内保持较高的水分含量。

　　综合以上分析，得出如下结论：

　　(1)不同灌水试验结果表明，从0～100cm深的土层土壤水分变化的趋势大致相同，随着土层深度的增加，土壤含水下降再升高，达到值又再次下降。

　　(2)交替灌溉和固定灌溉处理下的垄沟干湿两侧，其土壤水分动态变化较明显，随时间推移，含水量的变化曲线逐渐相吻合，主要是渗透过程在起作用。

　　(3)随着土壤蒸发和作物耗水，灌水5d后各处理下各土层的土壤水分逐渐趋于一致。另有，灌水量越大，短期内土壤表层的含水量越大，但同时土壤水分的消耗量也在增大。

　　(4)综合考虑各方面因素得知，交替灌溉与其它灌溉方式相比土壤含水量相对高些，且能有效提高土壤水分，使土壤在较长时间内保持较高的水分含量，是值得广泛应用的灌溉技术。

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