科尔沁沙地玉米叶面蒸腾与棵间蒸发特性

唐 霞，崔建垣，赵学勇，云建英，连 杰，王新源，李衍青

(1.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，甘肃 兰州 730000； 2.中国科学院研究生院，北京100049；3.中国地质科学院岩溶地质研究所，广西 桂林 541004)

玉米(Zeamays)是科尔沁沙地的主要粮食作物，其播种面积占当地总播种面积的70%以上[1]。秸秆是冬季重要饲草补充来源，我国籽粒玉米产量中有75%作为能量饲料使用，其产量及饲用价值对农牧交错地区具有重要意义[2-3]。科尔沁沙地位于内蒙古东南部，是我国北方农牧交错带沙漠化最严重的地区之一[4-5]。该区生态环境脆弱，经常出现连续的高温、强辐射和风沙等恶劣天气，且降雨量极不稳定。当地农作物的生长主要依靠对地下水资源的严重开采来维持，普遍出现了以地下水位下降、湖泊水体干涸、河流断流以及生物生产力下降为主要特征的土地退化过程，基于灌溉的沙漠化治理规模的扩大和灌溉农田面积的增加加剧了水资源的制约性[6]。利用有限的水资源发展农业已成为该区域面临的一大难题。只有确定作物蒸散量，才有可能建立田间土壤水平衡关系和区域水均衡模式。

作物蒸散量是农田生态系统中土壤-植被-大气循环(SPAC)连续体水热传输过程中一个极为重要的环节[7]，也是农田灌溉管理的主要依据。它包括植株蒸腾和棵间土面蒸发，受土壤条件、灌溉方式、作物品种及气象因素的影响。长期以来，作物耗水量及其变化规律的研究一直受到国内外学者的重视[8-11]。从20世纪60年代起，国内外陆续提出了多种植物蒸散量测定方法，并不断发展和趋于完善，如水文学法、微气象法、植物生理学法、遥感法等，这些方法技术原理不同，局限性各异[12]，有的可用于分析水分蒸散与环境因子的关系，有的可用于估算和比较不同地区蒸散耗水量，但往往无法把植物蒸腾和土壤蒸发分开。已有学者采用不同方法研究过科尔沁沙地玉米的耗水规律[13-14]，测定估算了农田玉米总的蒸散量。本研究采用Dynamax茎流测量系统直接测定玉米植株的茎秆液流变化速率，并利用LI-6400光合作用系统测定不同叶位的蒸腾速率，比较分析茎流速率与蒸腾速率的相关性，用小型蒸渗仪测定土面蒸发，了解叶面蒸腾与棵间蒸发的特性，并且利用水量平衡法求出实际总蒸散量，旨在阐明玉米在生育中后期的耗水规律，为提高当地农业用水效率以及制定该区农田灌溉制度提供理论依据。

1 试验区概况

试验在位于科尔沁沙地中南部的中国科学院生态系统研究网络奈曼沙漠化研究站进行，地理位置120°41′ E，42°54′ N。该地区属半干旱气候，年平均降水量366 mm，主要集中在6-8月，年蒸发量1 935 mm，干燥系数1.4～1.8。地下水位4～15 m, 年均温度6.5℃，1月平均温度-12.7℃，7月平均温度23.7℃，≥10℃年积温3 000℃·d 以上，无霜期150 d。年太阳辐射总量5 200～5 400 MJ/m，年均风速3.5～4.5 m/s，其中4-5月平均风速较高,为5.0～6.0 m/s。试验区农田土壤类型主要为沙质草甸土(沙壤土)，土壤平均容重为1.51 g/cm3。

2 材料与方法

2.1供试材料 供试玉米品种为郑单958，2010年5月初播种，9月25日收获。为防止渗漏，试验玉米种植在1 m×1 m×1 m的铁桶中，种植密度为5株/m2。试验作物严格按照当地农业措施管理，灌溉采用漫灌方式，共计灌水5 次，5月20日灌水30 mm，6月18日、8月12日、8月23日、9月6日分别灌水20 mm，使玉米生育期均处于适宜的土壤水分条件下。

2.2测定项目与方法

2.2.1棵间蒸发 采用置于行间的小型蒸渗仪测定。蒸发器用聚氯乙烯(PVC管)做成，分为内外筒。内筒高30 cm，内径6.3 cm。每次取土时将内筒垂直压入土壤内，取得原状土用塑胶袋封底称质量后，置于固定在玉米行间的外筒内。外筒高30 cm，内径7.5 cm，其作用是防止破坏蒸发器周边的土壤结构，保持筒内土面与周围土面持平。每天8:00用精度为0.01 kg的电子天平称质量。为保证蒸发器内的土壤含水率与田间土壤含水率一致，每5 d换土一次，漫灌时取出，并在降雨和灌水后及时换土。

2.2.2蒸腾速率 选择晴朗天气采用LI-6400光合作用系统(闭路系统) 测定，日变化测定时间为6:00-20:00，间隔1 h测一次。测定时选取植株向阳面上、中、下3个不同部位的叶片，每片叶子测定3次取平均值，并且避开中脉。

2.2.3叶面蒸腾 用Dynamax公司开发的包裹式茎流计，选择2株生长良好、立地条件基本一致的玉米，将茎流传感器包裹在第2茎节。安装前去掉叶鞘，擦干水分，均匀地涂抹一层硅胶，然后将探头固定在植株上，最后用铝箔包裹住探头(铝箔用来防雨和阻隔阳光的照射)。在作物生长旺盛的7-9月对玉米的液流速率进行连续监测，数据采集时间间隔为1 h。用茎流计测得典型植株的茎秆中液体的流量，根据作物种植密度计算试验小区的平均叶面蒸腾量。

2.2.4作物实际总耗水量 由于试验玉米种植在1 m×1 m×1 m的铁桶中，无地下水补给与渗漏，田间水分平衡方程式可以简化为：

ET=P+I±ΔW

式中,ET为阶段耗水量(mm)；P为降水量(mm)；I为灌溉水量(mm)；ΔW为计算时段内土壤贮水量的变化(mm)。其中土壤贮水量利用Diviner-2000，5 d测定一次，累加后用公式计算出作物的耗水量。

2.2.5叶面蒸腾速率和茎秆液流量的相关分析 利用SPSS 13.0软件进行Pearson相关分析。

3 结果与分析

3.1玉米逐日叶面蒸腾与土面蒸发的变化规律 玉米在拔节抽穗后其生长状况对玉米籽粒产量和品质的影响最大，因此研究玉米生育中后期的蒸发蒸腾对生产有更大的意义。利用茎流计所测的玉米生育中后期叶面蒸腾与根据小型蒸发器实测求得棵间土面蒸发的数据进行对比，二者变化趋势一致，但蒸发量对灌溉的反应比蒸腾量敏感(图1)。日最大叶面蒸腾量为3.6 mm，同时棵间蒸发量也出现，峰值为2.6 mm，这是由于8月12日灌溉后土壤表层含水率增大，植株供水十分充裕，土壤蒸发急剧增加，随即进入到土壤水分控制阶段后，蒸发量就逐渐减小。二者变化都呈多峰曲线，峰值出现时间与降雨、灌溉时间基本相同(图2)，说明植株蒸腾和棵间蒸发量都与土壤含水率之间有着密切的关系。

图1 玉米叶面蒸腾与棵间土面蒸发量

从降雨分布时间来说，在玉米生育后期(灌浆-成熟)几乎没有太多降雨，但是植株生长仍需要水分，日平均叶面蒸腾量在2.1 mm左右，此时灌溉尤为重要。张铜会等[1]在科尔沁地区研究发现,目前的水分管理方式，只注重了拔节-灌浆期的水分管理，灌浆-成熟期水分缺口高达55.1 mm，此期不灌溉明显影响水分生产率。总的来说，叶面蒸腾占主导地位，适时灌溉提高水分利用效率。

图2 降水量和灌溉量的变化

3.2玉米生育中后期土面蒸发动态变化 玉米棵间蒸发量占实际总蒸发量的比例如图3所示，降雨和灌溉后土面蒸发比例加大。8月21-23日降雨和灌水总量为25 mm，棵间蒸发急剧增加达到30.7%，此后日蒸发速率逐渐减小并维持在一定的水平，土壤蒸发均先升高后降低。同时也表明一般在大量的降雨或灌溉后表层土壤棵间蒸发量会出现较大增加，土壤含水量是主要的影响因素，这与前人的研究结果相一致[15-16]。随着植株的成熟衰老，棵间蒸发量有所增加，占同期总蒸散量的比例为33.6%，主要是由于生育后期玉米叶片开始发黄，光合作用减弱导致叶面蒸腾减少；另外，植株枯黄覆盖度明显下降导致土壤表面蒸发加剧。适当增加土壤水分含量，既保证作物正常生长，形成良好冠层结构，同时又不至于因土壤蒸发而消耗过多水分。

图3 玉米生育中后期土壤蒸发占总蒸散量的百分比

3.3玉米茎流速率与蒸腾速率日变化特征 从不同叶位蒸腾速率日变化趋势来看(图4)，3个位置的叶片均在10:00左右达到一天中的峰值，随后略有下降，在12:00太阳辐射最强时出现一个低谷，在13:00左右又出现一次峰值，之后随着太阳辐射的减少而急剧下降。在一天中太阳辐射最强的时候，植株蒸腾速率反而有所下降，其原因一方面可能是随着作物蒸腾的进行，根际土壤含水量下降，导致气孔开度减小，另一方面可能是由于叶面温度过高，呼吸作用加强，光合受抑制致使细胞间CO2浓度升高导致气孔开度减小。不同叶位的玉米茎秆液流(图5)和叶片蒸腾速率(图4)日变化曲线基本一致，早晨液流和叶片蒸腾速率的上升幅度一样迅速，在此后的过程中，液流与叶片蒸腾变化开始逐渐表现出差异。在10:00叶片蒸腾速率达到峰值，而液流的峰值则推迟1 h。这说明在蒸腾作用开始后，由此产生的蒸腾拉力会迅速带动作物体内水分的运动，但液流对这种变化的敏感程度降低，响应时间滞后0.5～1.0 h。12:00，蒸腾速率突然下降，而液流却并未因此受到太大影响，液流速率大小为80.4 g/h。17:00后叶片蒸腾强度迅速减弱，液流也随之下降。

图4 玉米不同叶位蒸腾速率日变化进程

图5 玉米茎秆液流速率日变化进程

对不同叶位的叶面蒸腾速率和茎流速率进行相关分析发现二者呈显著相关，与上、中、下层叶片的Pearson相关系数分别为0.667**(**表示极显著相关)、0.732**和0.607*(*表示显著相关)，所以选取中上部的叶片更具代表性。同时也说明可以通过叶片的瞬时蒸腾速率测定来代表玉米茎秆液流的动态变化特征，穗位叶及以上部位的叶片测定可以间接反映玉米蒸腾特性。

3.4水量平衡法与茎流计间接法测定玉米耗水量的比较 通过利用茎流计分析农田作物叶面蒸腾量与棵间土面蒸发量求和，同时在分析时段内田间作物土壤储水量的差值、降水量、灌溉水量的基础上，根据水量平衡方程计算作物时段内的蒸发蒸腾量。比较发现它们之间存在线性相关，其回归方程为y=0.332+1.070x，R2=0.788**(y为茎流计间接法测的总蒸散量，x为水量平衡法测的蒸散量)，说明用茎流计测定玉米的蒸腾量与小型蒸渗仪测定土面蒸发之和求得总蒸散量是可行的。

4 讨论与结论

土壤蒸发是农田作物奢侈耗水的重要途径，可通过降低土壤水分蒸发途径来达到节水目的，一般通过调控地上植株生长状况，形成良好的地面覆盖以减少蒸发。从节水角度来讲，减少土壤蒸发，增加作物叶片蒸腾，同时减少茎流中叶片蒸腾失水的比例，有利于水分的利用，提高水分利用效率[17]。本研究表明，玉米逐日棵间蒸发量与叶面蒸腾量的变化趋势基本相似。拔节后植株迅速生长，叶面积增大，作物蒸腾作用增强，加上此时气温升高，土壤蒸发很强，棵间蒸发占同期总的腾发量的平均比例在20%左右，尤其灌溉后蒸发明显高达30%以上。进入玉米生育中后期，叶面积指数基本上达到最大值，并且比较稳定，此时叶面蒸腾占主导地位。同时蒸腾耗水在一定范围内是必需的或者是高效的， 而当土壤水分含量过高时，光合速率不再增加，而蒸腾速率持续增长必然导致作物耗水过多，所以作物蒸腾也存在无效水分的消耗，这是灌溉导致水分利用效率下降的重要原因之一[18]。在目前的水分管理方式下，要加强中后期(抽穗-成熟)的灌水，保证灌浆顺利完成；采取限量灌溉、肥料的合理施用[19]、调节植株密度等措施来减少土面蒸发，降低水分的无效消耗。对于玉米田间灌溉量与施肥水平的确定有待深入研究。

作物耗水量的99.8%用于作物蒸腾，而作物蒸腾与茎流之间存在着必然的联系，当作物蒸腾速率等于或小于茎液流速时，作物处于充分供水状态，当蒸腾速率大于茎液流速时，作物将产生不同程度的水分亏缺[20-22]。蒸腾拉力带动植株内水分运动，茎秆液流出现明显的滞后效应。这也与林同保等[17]的研究结果相似，茎流量日变化峰值比蒸腾峰值要推后约1 h。这可能是由于水分输送过程的滞后性引起的。在午间强辐射条件下玉米自我调节关闭气孔造成蒸腾速率下降，出现短暂的午休现象，但是茎流速率对这种变化敏感程度较低。玉米中上部位的叶片蒸腾速率变化可以较好地代表整个植株的叶片蒸腾，间接反映茎秆液流的动态变化特征。与水量平衡法相比发现，用茎流计测定玉米的蒸腾量联合小型蒸渗仪测定土面蒸发求和得到的总蒸散量相关性较好，从而验证茎流计间接法可以较好的测定作物蒸散量。

[1] 张铜会,赵哈林,赵学勇,等.科尔沁地区玉米耗水规律初探[J].中国沙漠,1999,19(增刊):137-139.

[2] 陈玉香,周道玮,张玉芬.东北农牧交错带玉米适宜收获方式的研究Ⅱ[J].草业科学,2005,22(9):61-65.

[3] 张亚军,王成章,严学兵,等.郑州地区青贮玉米引种试验[J].草业科学,2009,26(10):114-121.

[4] 常学礼,崔步礼,陈雅琳,等.科尔沁沙地生态环境特征分析[J].干旱区地理,2005,28(3):336-341.

[5] 张华,李锋瑞,李玉霖,等.科尔沁沙地奈曼旗近5年来风况及合成输沙势[J].中国沙漠,2004,24(5):624-627.

[6] 赵学勇,张春民,左小安,等.科尔沁沙地沙漠化土地恢复面临的挑战[J].应用生态学报,2009,20(4):1559-1564.

[7] 张友焱,周泽福,党宏忠,等.利用TDP茎流计研究沙地樟子松的树干液流[J].水土保持研究,2006,13(4):78-80.

[8] Rana G,Katerji N.Measurement and estimation of actual evaporation in the field under Meditrranean climate[J].European Journal of Agronomy,2000,12(2/3):125-153.

[9] 刘德林,刘贤赵.GREENSPAN茎流法对玉米蒸腾规律的研究[J].水土保持研究, 2006,13(4):134-137.

[10] Jensen M E,Burman R D，Allen R G. Evapotranspiration an irrigation water requirement[A].ASCE Manuals and Reports on Engineering Practice (No.70)[M].New York:American Society of Civil Engineers,1990:332.

[11] Casa A R, Russell B G, Lo Cascio B. Estimation of evapotranspiration from a field of linseed in central Italy[J].Agricultural and Forest Meteorology,2000,104:289-301.

[12] 张劲松,孟平,尹昌君.植物蒸散耗水量计算方法综述[J].世界林业研究,2001,14(2):23-28.

[13] 李玉霖,崔建垣,张铜会.参考作物蒸散量计算方法的比较研究[J].中国沙漠,2002,22(4):373-376.

[14] 李玉霖,张铜会,崔建垣.科尔沁沙地农田玉米耗水规律研究[J].中国沙漠,2002,22(4):354-358.

[15] 孙占祥,冯良山,杜桂娟,等.玉米灌溉田土壤水分变化及其耗水规律研究[J].玉米科学,2010,18(1):99-102,107.

[16] Burman R, Pochop L O. Developments in Atmospheric Science,22:Evaporation,Evapotranspiration and Climate Data[M].Netherlands:Elseiver Science,1994:73-104.

[17] 林同保,孟战赢,曲奕威.不同土壤水分条件下夏玉米蒸发蒸腾特征研究[J].干旱地区农业研究,2008,26(5):22-26.

[18] 黄彩霞,柴守玺,赵德明,等.不同水分处理对冬小麦产量和水分利用效率的影响[J].草业学报,2010,19(5):196-203.

[19] 方勇,程林润,朱璞,等.施肥处理对南方青贮玉米产量和植株性状的影响[J].草业科学,2010,27(3):98-101.

[20] Angus J F,Van Herwaarden A F.Increasing water use and water use efficiency in dryland wheat[J].Agronomy Journal,2001,93:290-298.

[21] Allen S J,Grime V L.Measurements of transpiration from savannah shrubs using sap flow gauges[J].Agricultural and Forest Meteorology,1995,75:23-41.

[22] Pamela L N,Edward P G,Thompson T L.Comparison of transpiration rates among saltcedar,cottonwood and willow trees by sap flow and canopy temperature methods[J].Agricultural and Forest Meteorology,2003,11(6):73-89.