1、第23卷第4期2007年4月農業工程學報T ran sacti on s of the CSA E V o l .23N o.4A p r .2007紅壤干旱過程中剖面水分特征與土層干旱指標陳家宙,呂國安,王石,張麗麗(華中農業大學農業部亞熱帶農業資源與環境重點開放實驗室,武漢430070摘要:農田水分管理以及產量評估都需要對土壤作物受旱狀況定量化和指標化。干旱強度和干旱程度結合才能完整地描述土壤作物干旱狀況,土壤干旱強度I 是土壤剖面失水速率的函數,干旱影響逐漸累積并增強就構成干旱程度D ,據此提出了包含I 和D 二個指數的土層干旱指標表達模式。通過紅壤小區種植玉米并在抽穗期開始設置連續干旱

2、1236d 等6個不同的處理,研究了紅壤干旱過程中剖面水分特征和干旱指標。結果表明:供試紅壤干旱過程中剖面40c m 以下含水率下降幅度很小,玉米主要利用了040c m 土層的水分,監測3040c m 土層含水率的變化情況可以指示玉米受到干旱脅迫的程度。連續干旱25d 后40c m 以下土層含水率明顯降低,玉米產量也顯著下降,此時060c m 土層和3040c m 土層的干旱程度D 均為0.55,可用此指標作為灌溉的依據。關鍵詞:土壤干旱;土層干旱指標;干旱強度;干旱程度;紅壤中圖分類號:S 152.7文獻標識碼:A 文章編號:100226819(2007420011206陳家宙,呂國安,王石

3、,等.紅壤干旱過程中剖面水分特征與土層干旱指標J .農業工程學報,2007,23(4:11-16.Chen J iazhou ,L üGuoan ,W ang Sh i ,et al.So il mo istu re characteristics of red so il p rofile in drying cou rse and so il layer drough t index J .T ran sacti on s of the CSA E ,2007,23(4:11-16.(in Ch inese w ith English ab stract 收稿日期:2006203

4、229修訂日期:2006211216基金項目:國家自然科學基金項目(40301019作者簡介:陳家宙(1968-,男,博士,副教授,主要從事水土資源利用研究。武漢華中農業大學資源與環境學院,430070。Em ail :jzchen m ail.hzau .edu .cn 0引言土壤水分不足是農田系統常見現象,即使在南方紅壤濕潤區也存在嚴重的季節性干旱。土壤水分減少既是大氣干旱的結果,又是引起植物干旱的主要原因,因此在干旱預測評價與灌溉管理中,土壤水分狀況很關鍵,是重要的干旱指標。目前有許多評價土壤-作物系統干旱的指標1-5,如氣象指標(降水量、降水平距、無雨日數等、土壤含水率指標(植物可吸收

5、水、土壤含水率或水勢等、作物形態和生理指標(莖直徑、葉水勢、氣葉溫差、氣孔導度、細胞汁液濃度等、綜合指標(水分供需比、作物水分脅迫指數等。有的指標定性為主,適合于評價大區域的干旱狀況2,有的則定量精細,可用于評價單個地塊的干旱程度,但能準確識別各級干旱的指標很少。土壤含水率指標是目前研究比較成熟,且能較好反映作物旱情狀況的指標,它主要根據土壤含水率相對于田間持水量的百分數多少來判斷土壤作物干旱狀況,其具體數值隨作物類別、品種及生長階段而變化1,3。但是靜態的土壤含水率包含的信息有限,以相對含水率或絕對含水率作為干旱指標是有欠缺的。適度的土壤干旱在有些作物上不會導致明顯減產,在特定的作物和栽培條

6、件下,土壤干旱程度存在一個臨界值6-11,超過該臨界值作物生長受到明顯抑制,生理指標和產量顯著下降,本文稱這種土壤干旱程度為土壤干旱閾值。確定干旱閾值對指導灌溉具有很重要意義,描述土壤干旱閾值必須有合適的土壤干旱指標。在眾多指標中,由Idso 和Jack son 等12,13提出的一個建立在冠氣溫差基礎上的作物水分脅迫指數(C W S I 使用最廣泛,得到了很多研究者的認同6,14,15,理論上,CW S I =1-(實際蒸散 潛在蒸散,由于其計算因子取值非常困難,實際常應用經驗模式11,CW S I =(T -T m in (T m ax -T m in ,其中,T 、T m in 、T m

7、 ax 分別是實際的冠氣溫差(T c -T a 、充分供水的冠氣溫差、極限缺水的冠氣溫差。但CW S I 也存在一些不足:(1即使采用經驗公式,T m ax 、T m in 的測量還是困難15;(2CW S I 值在一些條件下超出01范圍16,17;(3受氣象變化影響嚴重,例如,在同一天不同時間測量,CW S I 變化于0.100.3518,指標的確定比較困難;(4偏重于作物對干旱的反應,作物冠層覆蓋差或裸土條件下,無法評價土壤干旱狀況;(5不能確定灌水量。此外,單一的CW S I 指數值包含的干旱歷史信息少,不能很好地反映過去一段時間的干旱狀況。本文首先以土壤水分變化為中心,提出了一個新的土

8、層干旱指標,包括干旱強度I 和干旱程度D ,作為對土壤含水率指標的改進和CW S I 的補充,來定量表達土壤干旱狀況;然后研究了紅壤干旱過程中剖面水分動態和玉米產量,確定了玉米對紅壤干旱產生閾值反應時的11土壤干旱程度D值即土壤干旱閾值,以期為評估土壤作物干旱狀況并為灌溉時機的選擇提供依據。1土層干旱指標模式的建立土壤干旱是一個逐漸發展的過程,土壤水分散失速度就是干旱強度,其大小與作物目前生長狀況沒有直接固定關系;干旱逐漸積累達到一定水平就是干旱程度,即目前的干旱狀況,反映了作物受干旱影響的程度。因此,土層干旱指標包含干旱強度I和干旱程度D二個指數。一方面,對干旱強度而言,土壤-植物干旱的實質

9、是植物失水速率超過根系吸水速率,它們分別與土壤失水速率和土壤供水速率呈正相關,故土壤-植物干旱強度可用土壤失水與供水關系表示。對某一個土壤層次,本文定義土層干旱強度I如下I=1-土層失水速率土層供水速率=1-f(土層水分變化=1-f(w(1其中,土層失水包括蒸發、根系吸收(蒸騰、向下分配等全部水分減少量,與大氣蒸發力、作物生長狀況和土壤持水能力相關;土層供水與土壤性質(如導水率和持水狀況相關;f(w表示土層失水與供水關系函數。土層失水(無論是向上蒸散還是向下分配速度越快,表明土壤干旱強度越大,能夠反映土層水分損失速度的函數可以作為f(w,本文用經驗公式表示如下I=1-f(w=1-e(1+a(2

10、式中a回歸經驗參數,其計算過程是:無水分脅迫時土層有效水貯量為x0(mm,即用田間持水量減去萎蔫含水率,田間持水量時土壤無水分脅迫,土層初始有效貯水量為x1(mm,干旱開始后,土層每日損失水分w i(mm,當日剩余有效水為x i(mm,每日相對失水量為r i=w i x i,至該日累積相對失水量為y i=r i,干旱n天后,得到兩個隨時間變化的序列,即剩余有效貯水量序列X=(x1,x2,x n和累積相對失水量序列Y=(y1,y2,y n,進行回歸得到對數方程Y =a×ln(X+b,回歸系數即為參數a。試驗數據和模擬數據證明,一般情況下回歸方程的決定系數R2>0. 99,Y與X呈

11、極顯著負相關,a<0,I的計算值始終落在0,1區間。進一步分析發現,回歸系數a具有以下特征:(1a<0;(2土層連續n天無失水時,a=-1,失水過程 a >1,得水過程 a <1;(3失水速率越慢(w i 越小, a 越接近1,相反越遠離1。可見,a很好地反映了整個過程的干旱速率。此外,從回歸方程Y=a×ln(X+b可以看出:a=f(XY=f(土層失水速率土層供水速率=f(w(3 a值反映了土層失水與供水關系,本質上就是函數f(w,干旱強度I只是對其進行了指數化。另一方面,對干旱程度而言,土壤-植物系統干旱是一個逐漸發展的過程,植物受干旱脅迫的傷害也是逐漸累積

12、的,因此有理由認為土壤失水與供水的歷史決定了當前的水分供需關系和干旱程度,即干旱程度是干旱強度累加值的函數,據此,構造干旱程度指標D如下D=1-x1x0e-I(4式中x0土層無水分脅迫時有效水貯量;x1土層初始(開始監測含水率時有效貯水量;I累積干旱強度,計算時可以取合理的任意天數。D的計算值始終落在0,1區間,該值越大,表明作物受到土壤水分干旱脅迫程度和傷害越嚴重。在計算I和D時,根據監測的土壤含水率的資料來確定計算土層和時間序列,如果某土層含水率低于萎蔫含水率,D則取值1。土層一般取根層,也可以分層計算;時間可以1d為間隔,也可以多日為間隔。2材料與方法為了驗證與應用土層干旱指標I和D,2

13、005年5 10月在湖北咸寧進行了田間玉米干旱脅迫試驗。供試土壤為第四紀紅色黏土發育的紅壤,質地為黏土,pH 值6.52,表層有機質、速效氮磷鉀含量分別為3.11 g kg、22.5m g kg、2.94m g kg、143.77m g kg,有機質含量很低,060c m各層容重變化于1.141.46 g c m3,田間持水量變化于0.31750.3547c m3 c m3,萎蔫含水率變化于0.20330.2431c m3 c m3。試驗地塊平坦,用不透水鋁塑板分隔為面積相同的矩形小區,每個小區2.7m×1.2m=3.24m2,鋁塑板插入地下110c m,露出地表10c m,小區之間

14、地表和根系層互不串水。小區內種植玉米,播種前和出苗后一段時間內,所有小區進行相同的管理,保證各小區土壤水分狀況相同并且沒有水分脅迫。在玉米抽穗期(7月15日開始通過遮雨棚防雨和人工控制灌水進行土壤水分脅迫,設置6種干旱水平,即分別連續干旱12d、21d、25 d、28d、33d、36d后恢復正常灌水,各處理分別記為D12、D21、D25、D29、D33、D36,重復3次。在玉米生長過程中,不定期多次跟蹤測量玉米形態與生理指標,收獲后考種。每個小區內各埋入1根PR1型(英國D elta2T公司生產長度100c m的分層測水儀探管,每日上午測量10、20、30、40、50、60c m各層土壤體積含

15、水率,計算各21農業工程學報2007年層總貯水量和有效水貯量x i ,前一日土壤貯水量與當日貯水量之差為失水量w i ,失水量與當日有效水貯量之比為相對失水量r i 。土壤水分特征曲線用壓力膜儀測量,并以-30kPa 基質勢對應的含水率作為田間持水量,以-1.5M Pa 基質勢對應的含水率作為永久萎蔫點,超過萎蔫點的含水率視為有效水含量;其他項目測量用常規方法;數據統計分析和曲線回歸用SPSS 軟件進行。3結果與分析3.1土壤不同干旱程度下玉米生物量和產量試驗結果表明,土壤干旱對玉米地上部生長和產量都有明顯的影響,隨著干旱程度加強,對玉米生長的抑制也加強,玉米對土壤干旱存在明顯的閾值反應。圖1

16、所示數據統計分析顯示,對生物量干重,處理D 12、D 21、D 25、D 29與處理D 33、D 36之間存在顯著差異;對生物量鮮重,處理D 12、D 21、D 25與處理D 29、D 33、D 36之間存在顯著差異。處理D 29的生物量干重和生物量鮮重分別為處理D 12的89%和 83%。這說明,在土壤干旱2529d 的時候,玉米生物量出現明顯的下降,表現出對干旱的閾值反應,其中,鮮重比干重更明顯,而且閾值出現更早,這也表明鮮重對干旱的反應比干重對干旱的反應更敏感。圖1土壤不同干旱處理下單株玉米的生物量F ig .1Individual p lan t b i om ass of m aiz

17、e under differen t so il drough t treatm en ts圖2土壤不同干旱處理下單株玉米的產量F ig .2Individual p lan t yield of m aize under differen t so il drough t treatm en ts圖2結果表明,玉米穗干重和籽粒產量有與生物量類似的明顯的干旱閾值反應。土壤干旱使玉米產量降低,處理D 21的穗干重和籽粒分別為處理D 12的93.1%和93.3%,而在干旱達到25d 之后,很快降到處理D 12的80%以下。統計分析表明,對玉米穗干重和籽粒產量,處理D 12和D 21之間無顯著差異,

18、而與處理D 25、D 29、D 33、D 36之間存在顯著差異。結果表明,在本試驗條件下,土壤干旱2125d 的時候玉米產量出現干旱閾值反應。3.2干旱過程中土壤剖面水分特征圖3列出了不同處理在干旱開始時和結束時060c m 剖面含水率的分布情況,總的趨勢是隨著干旱進行,各土層含水率逐漸降低,但仍有一些有意義的特征。含水率首先從表層開始降低,010c m 和1020c m 土層含水率降低速度很快;干旱持續21d 之后,2030c m 和3040c m 土層含水率開始明顯降低;繼續干旱持續到29d ,土層60c m 處含水率幾乎穩定在田間持水量(0.35c m 3 m 3左右不變,直到33d 才

19、明顯降低,但仍然保持了0.30c m 3 m 3左右的較高水平。以上結果表明,作物主要利用了040c m 土層的水分;當30c m 處含水率明顯降低的時候(處理D 25,作物已經受到了干旱脅迫的影響,產量下降;當60c m 處含水率明顯降低的時候(處理D 33,土壤干旱對作物已經造成嚴重影響。供試紅壤干旱過程中剖面水分最明顯特征是40c m 以下水分難以利用,這與紅壤的持水和供水特征有關。各土層含水率不同的變動特征對土壤干旱程度評價有不同的意義。圖3表明,20c m 處土壤含水率變動快,變化幅度較大,而且出現不穩定的波動,即不同處理的20c m 土層含水率之間沒有表現出明顯的規律;60c m

20、處土層含水率變化遲緩,幅度小,對干旱反應不敏感;只有土層30c m 或40c m 處含水率的變動情況可以指示作物受到干旱脅迫的程度,因此監測3040c m 含水率比監測表層含水率更有意義。3.3干旱過程中土層干旱指標的特征為了說明干旱程度D 與土層干旱狀況的關系,圖4列出了處理D 36在干旱過程中各土層干旱程度D 的變化情況。總體看來,隨著干旱時間延長,各土層干旱程度D 幾乎呈直線增加。上層土壤(010c m 、1020c m 、2030c m 的D 增加很快,干旱持續時間不到36d 的時候,這幾個土層的干旱程度已經達到最大值1;3040c m 土層在干旱初期由于不失水或失水很少,D 值緩慢增

21、加,干旱持續22d 左右之后,D 值增加速度變快,說明此時這2個土層開始明顯失水,與圖3結果一致;4050c m 和5060c m 土層的D 值變化趨勢很相似,都是隨干旱持續而緩慢增加,2條曲線幾乎平行。引人注31第4期陳家宙等:紅壤干旱過程中剖面水分特征與土層干旱指標圖3不同處理在干旱開始和結束時紅壤剖面含水率分布F ig.3So il mo istu re distribu ti on of red so il p rofile at the beginn ing and end of so il drough t under differen t treatm en ts意的是,5060

22、c m土層的D值明顯小于其他土層,并且在長達36d的干旱過程中增加幅度很少,表明該層土壤水分狀況受干旱過程影響不大,這一方面說明該土層始終保持了較高的含水率,另一方面說明該土層水分向上運輸少,向上層土壤補充水分少,如果作物根系不能達到該層,則該層土壤水分很難被作物吸收利用。這一結論與許多研究結果(即干旱季節紅壤50c m以下含水率并不低但難以利用一致,這從側面說明土層干旱程度D很好地表達了土壤的干旱狀況。各處理在干旱結束時(抽穗期不同土層的干旱程度D列于表1,結果表明,隨著干旱時間延長,各土層干旱程度D都增加,達到最大1為止(此時土層平均含水率低于凋萎系數,D值的大小與實際土壤干旱程度大小一致

23、。不同土層有不同的表現特征,對于010c m表層,D值全部達到了1,實際上在本試驗條件下,該層土壤失水很快,連續干旱7d時010c m貯水量已經低于凋萎含水率,作物很難再從該層吸收水分,但不排除接近10c m附近的含水率高于凋萎系數,作物仍可吸收該處水分,D反映的是該層平均狀況。對于1020c m和2030c m土層,隨干旱延長,D值增加也很快, 分別在圖4土壤干旱過程中處理D36各土層干旱程度D的變化F ig.4Changes of so il layer drough t degreeunder treatm en t D36du ring so il drough t peri od干旱

24、33d和36d之后達到1,從而不能繼續表達土壤干旱狀況;而3040c m和4050c m土層的D值則平穩增加,在干旱持續36d后D值也沒有達到1,這二個土層在很長的時間、很大的干旱范圍內其干旱程度可以用D值表達。5060c m土層的D值變化很緩慢,D值變化幅度很小。上述各土層D值的變化特征與上文描述的各土層含水率變化特征有相似之處,表明干旱程度D41農業工程學報2007年 值比較真實地反映了土層的水分變動情況。表1不同處理干旱結束時(玉米抽穗期土層干旱程度DT ab le 1So il layer drough t degrees under differen t treatm en ts a

25、t the end of so il drough t (m aize heading peri od 處理土層干旱程度D010c m1020c m 2030c m 3040c m 4050c m 5060c m 060c m D 12 1.00001.00001.00000.67680.46250.31741.0000對于干旱強度I ,由于各處理是在相同的條件下進行連續干旱,外部氣象條件和種植的作物一致,不同處理之間比較意義不大。不同干旱處理之間干旱強度I 沒有明顯的規律;但不同土層之間的干旱強度存在差異,從表層往下土壤干旱強度降低,表明越往下層土壤失水速度越慢,如圖5所示。試驗結果顯示,0

26、60c m 不同土層干旱強度變化于0.0160.16之間,平均為0.11,這就是在本試驗條件下紅壤-玉米的干旱強度。圖5干旱處理D 36不同土層在干旱期間平均干旱強度IF ig .5A verage drough t in ten sities at differen t so il layers du ring so il drough t peri od fo r treatm en t D 364結論與討論據估計,各國應用的干旱指標有50多種,農業干旱指標也有很多,但能準確識別各級干旱的并不多。本文提出用兩個指標結合來表達土壤干旱狀況,干旱強度I 表示的是土層目前向干旱發展的快慢,其大小并不反映作物受旱狀況;干旱程度D 則表示土層目前已經形成的干旱現狀,定量地表達了土壤的干旱程度。D 很好地反映了干旱歷史對當前干旱程度的影響,D 是過去的干旱程度與當前干旱強度的綜合,而且是定量的、連續的,較好地反映了整個干旱過程,其大小反映了作物受旱狀況,可以評價土壤作物干旱狀況從而用于指導灌溉。可見,用兩個指標結合來定量表達土壤干旱狀況比用單一的指標更加符合干旱的實際過程。試驗結果統計分析表明,從玉米抽穗