回归等值线图在分析旱地蔬菜全生育期土壤水分动态变化规律中的应用

郝科栋，郝建平，杜天庆，李明，李雯

(山西农业大学 农学院，山西 太谷 030801)

回归等值线图在分析旱地蔬菜全生育期土壤水分动态变化规律中的应用

郝科栋，郝建平，杜天庆，李明，李雯

(山西农业大学 农学院，山西 太谷 030801)

为了探究半干旱地区不同作物布局中种植甘蓝的耗水特征，本试验引入玉米、谷子、菜豆、大豆、马铃薯与甘蓝构建三年轮作系统，设置8种轮作组合，利用回归等值线图分析不同轮作方式处理下甘蓝全生育期土壤水分动态变化规律的差异。结果表明：以甘蓝为当年生作物附以不同的前茬处理，前一年茬口的不同对当年生甘蓝全生育期土壤含水量动态变化的影响较大，在各时期水分贮量分布产生的差异中占主导地位，前两年茬口的不同对其造成的影响较小。前一年种植作物分别为：菜豆、甘蓝、大豆、马铃薯时，甘蓝全生育期土壤水分动态变化分别呈现：不闭合峰、斜鞍形、半鞍形、闭合峰的分布；前一年种植相同作物附以前两年不同的茬口处理，对当年生甘蓝生育期内土壤含水量的时空动态变化并未造成明显的影响。该结果对当地作物类型的选择、耕作制度及作物布局的调整具有一定的指导意义。

半干旱；蔬菜；等值线；时空动态；土壤含水量

土壤水分随时空的变化是土壤中含水量随时间、空间的改变而产生的连续动态的变化过程[1]，即：土壤水分在某一深度区域内(纵向坐标)伴随时间的推移(地上层作物生长发育消耗、地表蒸散)不断变化，在以时间轴为横向坐标的剖面内形成的一个“面”的水分动态变化“图”。

等值线图可以较直观地反映出土壤水分的时空动态变化规律，其可以清晰地概括出作物全生育期或某一时间段土壤水分从深层到表层的湿度变化过程及特征，同时还能在一定程度上，将这一变化过程同作物消耗、地表蒸散、降水、深层土壤水分运动等结合起来[2,3]，从而达到分析作物耗水特征及土壤水分运动规律的目的。

土壤水分在播种前初始动力(由于前茬遗留、降水等导致的土壤水分基础)及后续动力(自然降水补充)的共同作用下，伴随时间的推移及作物生育时期的推进不断消耗[4]，加之土壤不同空间水分含量存在差异，从而导致水分不断进行空间交换，最终在时间和空间上寻求一个平衡；利用一定时间段的土壤水分阶段性观测值进行分析，使得其随时间的变化不具连续性，且误差过大，而引入回归进行分析(即：时间和空间的连续变化对土壤水分的影响)，可以准确地概括土壤水分动态变化规律信息，降低误差，从而获得良好的效果[5,6]。

本试验中将深度(x1)和时间(x2)作为自变量，以土壤阶段性观测值(y)作为因变量，建立包括一次交互项的二元二次或二元三次的非线性回归方程，再依据方程绘制等值线图，分析不同轮作方式对旱地蔬菜(甘蓝)全生育期内土壤水分动态变化规律的影响。

1 材料与方法

1.1 试验地简介

试验于2011-2013年在山西省农科院旱农中心河村试验基地进行，该试验地位于山西省阳曲县凌井店乡一个以旱作农业为主产业的行政村，地处北纬38.0 °，东经112.9 °，海拔1248.5 m，无霜期140 d左右，昼夜温差大。多年平均降雨约440 mm，年平均气温6.8℃，日蒸发量小，当地完全依靠自然降水从事农业生产，干燥度1.52，是典型的半干旱地区。

1.2 供试作物及品种

试验以玉米、谷子、菜豆、大豆、马铃薯、甘蓝为供试作物，于2011-2013年构建三年轮作系统。供试作物品种分别为：玉米(大丰30)、谷子(张杂谷6号)、菜豆(泰国架豆王)、大豆(早黄1号)、甘蓝(超级宝石、铁将军)、马铃薯(白紫花)。

1.3 试验设计

本试验因素和水平：单因素试验，即不同的作物轮作方式。设置：谷子—菜豆—甘蓝、玉米—菜豆—甘蓝、谷子—甘蓝—甘蓝、玉米—甘蓝—甘蓝、谷子—大豆—甘蓝、玉米—大豆—甘蓝、谷子—马铃薯—甘蓝、玉米—马铃薯—甘蓝8个处理，重复3次，共24个试验小区。

1.4 测定方法

按不同轮作处理在各小区埋设不锈钢管，使用CNC503B型中子土壤水分仪分层测定(0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm，60～80 cm，80～100 cm，100～120 cm，120～140 cm，140～160 cm共8层)，从播种期开始，每隔20 d测一次土壤含水量，到收获期结束。测得的中子数，依据表1可以算出土壤的重量含水量，最终折算成体积含水量。

表1 中子水分曲线方程

注释：c为中子仪读数，w为重量含水量。

Note：The c means neutron instrumentation readings；The w means weight water.

1.5 数据处理分析

所有试验调查数据用Excel 2007、DPS6.50数据处理系统分析处理，并用surfer 8.0来实现等值线图的绘制。

2 结果与分析

2.1 谷子—菜豆—甘蓝、玉米—菜豆—甘蓝不同轮作方式下对甘蓝生育期土壤水分动态变化的影响

图1为以菜豆为第二年生作物附以不同的前茬对甘蓝整个生育期内土壤含水量变化的影响结果。

由图1可以看出，在前一年作物为菜豆时，当年生甘蓝在整个生育期内土壤水分的变化规律因前两年茬口的不同产生了较大的差异。谷子—菜豆—甘蓝的轮作方式下，在甘蓝种植前20 d土壤各层水分贮量随深度和时间的推移不断增加，且增加速率随着时间的推后逐渐降低，说明该时期甘蓝的耗水不断增大，甘蓝种植20～35 d的时间段内，在0～120 cm的土层内形成一个42 mm水分富集区，这是由于甘蓝生育前期耗水相对较低，自然降水不断累积的结果，该富集区成为甘蓝生育中后期水分供应的主要来源，并且在该时间段内，水分由上向下不断下渗，但下渗速率，随时间以及深度的增加不断减小，这是由于随着时间的推移，甘蓝的耗水不断增加而造成的，在甘蓝种植35 d之后，耗水大量增加，导致自然降水不足以弥补耗水量，从而逐渐消耗富集区的水分，且各层水分消耗的速率，随着时间的推移缓慢增加。玉米—菜豆—甘蓝的轮作方式下，同样形成一个水分富集区，但该富集区内由于160 cm以下的深层水分对上层的贡献较大，加以自然降水在甘蓝种植后22～42 d之间的大量消耗，致使甘蓝生育后期主要的水分供应由自然降水与160 cm以下贮水共同完成，甘蓝种植42 d之后水分消耗不断增大，与谷子—菜豆—甘蓝的处理具相同的变化规律，均随时间的推后逐渐缓慢增加。

图1 以菜豆为第二年生作物附以不同的前茬处理对甘蓝土壤水分动态变化的影响

2.2 谷子—甘蓝—甘蓝、玉米—甘蓝—甘蓝不同轮作方式下对甘蓝生育期土壤水分动态变化的影响

图2为甘蓝两年连作附以不同的前茬对甘蓝整个生育期内土壤含水量变化的影响结果。

由图2可以看出，前茬均种植甘蓝(即：2年连作甘蓝)附以前两年谷子、玉米的不同茬口，当年生甘蓝，整个生育期内土壤含水量的时空分布均呈现斜鞍形，即，甘蓝生育前期(种植后20 d)，水分消耗较小，随着自然降水的不断累加，水分不断富集，并由上向下不断下渗；生育中前期(种植20～40 d)随着水分消耗的加剧，土壤水分达到一个供需平衡，此时，160 cm以下的深层土壤由于下渗导致湿度不断增大；生育中后期(种植40 d以后)，随着甘蓝生长需水量的增加，土壤含水量不断减小，同时均出现随时间推移及深度的减小而逐渐增大，且水分变化速率不断增加的规律。而整个生育期内水分贮量分布呈斜鞍形是由于水分下渗过程中的滞后效应造成的。谷子—甘蓝—甘蓝的水分富集域达到42 mm，优于玉米—甘蓝—甘蓝的41 mm，且相较于玉米—甘蓝—甘蓝的轮作方式，该轮作方式水分由富集域向下运动的速率较慢，较利于水分的积累；但其水分整体的横向变化速率要高于后者。

图2 以甘蓝为第二年生作物附以不同的前茬处理对甘蓝土壤水分动态变化的影响

2.3 谷子—大豆—甘蓝、玉米—大豆—甘蓝不同轮作方式下对甘蓝生育期土壤水分动态变化的影响

图3为以大豆为第二年生作物附以不同的前茬对甘蓝整个生育期内土壤含水量变化的影响结果。由图3可以看出，前茬均种植大豆附以前两年谷子、玉米的不同茬口，当年种植甘蓝，在甘蓝整个生育期内土壤水分的时空分布亦均呈现半鞍形，甘蓝生育前期(种植后20～25 d)之前，伴随自然降水的不断累积，土壤各层水分贮量随时间的推移以及深度的增加不断增加，在140 cm以上土层形成水分富集域，且增加速率随时间的推移和深度的增加不断降低，降低程度受土壤深度的影响较大；生育中期(种植25～40 d)土壤含水量随时间的推移达到动态平衡，且在这一时间段内，水分由上向140 cm以下深层不断下渗；生育后期(种植40 d)伴随甘蓝耗水的增加，土壤含水量随时间及深度的增加不断降低，富集域水分大量消耗，消耗速率随着时间的推后不断加剧。

2.4 谷子—马铃薯—甘蓝、玉米—马铃薯—甘蓝不同轮作方式下对甘蓝生育期土壤水分动态变化的影响

图4为以马铃薯为第二年生作物附以不同的前茬对甘蓝整个生育期内土壤含水量变化的影响结果。由图4可以看出，前茬均种植马铃薯附以前两年谷子、玉米的不同茬口，当年种植甘蓝，在甘蓝整个生育期内土壤水分的时空分布均出现闭合峰值。这是由于在整个甘蓝生育期内前期降水较大，而耗水较小，同时前茬作物为土豆，土豆收获过程的深翻导致土壤中层及以上深度的物理结构松散，空隙加大，而导致下渗明显加剧，加之第一年的作物不同，玉米与谷子的根系深度不同，残留根系的腐烂也在一定程度上导致中层及以下土壤物理性质的变化，导致谷子—马铃薯—甘蓝的水分富集域存在于50～110 cm，而玉米—马铃薯—甘蓝的水分富集出现于70～130 cm深度；而富集域形成的时间均在甘蓝种植30～45 d的时间段，这是由于降水的时空规律决定的。就土壤含水量的整体变化规律而言，两种轮作方式相同，均为种植后30 d之前(富集域左)各层水分含量随时间推移不断增加，且增加速率不断降低；种植后45 d之后(富集域右)，水分大量消耗，水分含量不断下降，且速率缓慢增加；富集域上方水分不断下渗，湿度不断升高，并随深度增加速率不断降低；富集域下方，由于土壤深度加大孔隙度降低，第一年作物根系的影响程度削弱，下渗减少，致使水分含量不断下降，且深度越深下降速率越大。整体分析，谷子—马铃薯—甘蓝轮作方式与玉米—马铃薯—甘蓝比较，水分贮量的变化速率前者高于后者。

图3 以大豆为第二年生作物附以不同的前茬处理对甘蓝土壤水分动态变化的影响

图4 以马铃薯为第二年生作物附以不同的前茬处理对甘蓝土壤水分动态变化的影响

3 讨论与结论

以甘蓝为当年生作物附以不同的前茬处理，前一年茬口的不同对当年生甘蓝全生育期土壤含水量动态变化的影响较大，在各时期水分贮量分布产生的差异中占主导地位，前两年茬口的不同对其造成的影响较小。前一年茬口为菜豆时，水分贮量随时空的变化均出现未闭合的峰值区域；甘蓝两年连作，土壤含水量随时空变化的规律均呈斜鞍形；而前一年种植大豆时，土壤含水量的时空分布均呈半鞍形；前一年生作物为马铃薯时，当年甘蓝土壤水贮的时空变化均出现封闭的峰值，并均在甘蓝整个生育时期的中段于土壤中层形成一个水分富集区。而前两年具有相同的茬口，附以前一年不同的作物处理，无论前两年种植作物为玉米还是谷子，前两年的不同茬口，对当年生甘蓝生育期内土壤含水量的时空动态并未造成明显的影响。

试验的8种供试组合中，谷子—菜豆—甘蓝与玉米—菜豆—甘蓝2种处理下甘蓝土壤含水量的时空动态变化表现出较明显的不同，究其原因：前茬菜豆种植过程中覆膜造成农闲期水分蒸散较小，导致土壤深层湿度加大(当地由于保墒考虑，农闲期对农田不作中、深耕处理，只在来年播种前旋耕)，而两种处理中水分监测设备的安装位置出现差异(玉米—菜豆—甘蓝小区的中子管靠近原覆膜区域)，导致其具有较高的土壤初始水分基础，从而影响最终的结果。

试验于靠雨养的半干旱地区进行，鲜明的作物耗水特征及土壤水分变化规律，有助于当地对作物类型的选择[6,7]；探究不同轮作方式对甘蓝全生育期土壤含水量动态变化规律的影响，有利于当地对现有耕作制度及作物布局进行调整，提高水分利用效率、改善农作土壤水分条件[8～10]，以达到提高旱地蔬菜产量、增加农民收入的目的。

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ApplicationofRegressionIsogramtoDynamicAnalysisforcabbageinSemi-aridAreasofSoilMoistureVariationsWithTimeandSpace

Hao Kedong, Hao Jianping, Du Tianqing, Li Ming, Li Wen

(CollegeofAgriculture,ShanxiAgriculturalUniversity,TaiguShanxi030801,China)

This study explored cabbage planting water consumption characteristics of different crop distribution in the semi-arid area. In the experiment, corn, millet, beans, soybean, potato and cabbage were introduced to build crop rotation system for three years, setting up the eight kinds of crop rotation combination. We analyzed the differences of cabbage soil moisture dynamic change rule in the whole growth periods under different rotation treatments by regression level curves analysis. The results showed that different fore-rotating crop had a great influence on the dynamic change of cabbage soil moisture content in the whole stages with different preceding treatment, which played an important role in different periods of the moisture distribution, but different before last crop had a small influence on the dynamic change of cabbage soil moisture content in the whole stages. Last year, when planting crops were beans, cabbage, soybeans, potato respectively, cabbage soil moisture dynamic change in the whole stages respectively presented: unclosed peak, oblique saddle, half-saddle, closed peak; different before last crop and same last crop had no significant effect on the dynamic change of cabbage soil moisture content in the whole stages. The results have a certain guiding significance for the choice of the local crop types, cropping system and the adjustment of crop layout.

Semi-arid;Vegetables;Contour line;Spatiotemporal dynamics;Soil water content

2014-06-21

2014-10-29

郝科栋(1988-)，男(汉)，山西平遥人，硕士，研究方向：种子生产理论与技术。

郝建平，教授，博士生导师。Tel:13835401136; E-mail:tghjp88@sina.com

山西省科技攻关项目(20120311007)

S311

A

1671-8151(2014)06-0488-06

(编辑：武英耀)