不同水分处理下的棉花根系吸水率特性研究

朱李英+孙西欢+李永业

摘要：以棉花为试验材料，采用室内试验和理论计算的方法，以水分为控制因子，以土壤水分动态变化情况为研究对象进行研究。结果表明，土壤表层水分运动较为剧烈；土壤含水率与植物根系吸水率在一定范围内呈正相关；以土壤水分动态资料建立根系吸水模型可为棉花种植建立合理的灌溉制度提供理论依据。

关键词： 土壤水分；棉花；根系；吸水率

中图分类号：S562 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）20-4990-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.20.017

The Research on Absorption Characteristics of Cotton

Root under Different Water Treatments

ZHU Li-ying1，SUN Xi-huan2，LI Yong-ye3

（1.Department of Water Conservancy， Sichuan Water Conservancy Vocational College，Chengdu 611231，China；2.Department of Water Resources Engineering，Shanxi Water Conservancy Vocational College， Yuncheng 044004，Shanxi，China； 3.College of Water Resource Science and Engineering， Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China）

Abstract： Using the method of indoor test and theoretical calculation， with water as the control factor and soil moisture dynamic change as the research object， the dynamic changes of soil moisture of cotton under different water treatments conditions were studied during pot test device. The results showed that， the soil surface water movement was more intense； Within a certain range of soil moisture and plant roots showed a positive correlation with water absorption； Root water uptake model based on soil moisture dynamic data could provide a theoretical basis for cotton planting to build a rational water-saving irrigation system.

Key words： soil moisture； cotton； root； absorption

为了从各方面研究节水措施，近年来相关领域的不少科研工作者把土根系统中根系吸收土壤水分的运动规律作为重点研究内容[1，2]。Gardner[3]、Molz[4]和罗毅等[5]结合根的水力特性研究根系的吸水模型，做出较大贡献。现阶段对于根系吸水模型的研究逐渐成熟，但计算较为复杂。本研究分析了3种不同水分处理下棉花根系吸水率的变化情况，旨在结合VB设计一种开发计算简单、普及性强的可视化模型，为棉花种植建立合理的灌溉制度提供理论依据。

1 试验设计

设置棉花的室内土柱试验见图1。土柱筒用PVC材料制成，筒高52 cm，半径40 cm，分层填装沙性土50 cm。QⅠ=65%～80%，QⅡ=50%～65%，QⅢ=40%～50%，当水分不足时补充水分至最高处理标准。棉花全生育期包括苗期、盛蕾期、盛铃期，主要控制因子水分处理包括3个，每个处理重复5次，以田间持水量Q为标准，室内温度不低于20 ℃，I光强=400 μmol/（m2·s），t光照时间=12 h/d（08：00-20：00）。土壤含水率用烘干法测定，土层深度在5～45 cm之间，间隔5 cm为一层，计算公式为土壤含水率=1.37×（W1-W2）/（W2-W），其中土壤含水率为体积含水率（cm3/cm3），W为铝盒自重，W1为土样和铝盒总重，W2为烘干后恒重，回填采用同含水率土样。

2 结果与分析

不同深度土壤含水率分布能间接反映植物根系的吸水活力。试验观测了棉花全生育期内3种水分处理下的不同深度土壤含水率分布，见图2。

从图2分析可以看出，棉花各生育期内土壤含水率在不同土壤水分处理情况下变化范围不同：处理Ⅰ（65%～80%）在0.20～0.25 cm3/cm3之间，处理Ⅱ（50%～65%）在0.15～0.20 cm3/cm3之间，处理Ⅲ（40%～50%）在0.10～0.15 cm3/cm3之间。处理Ⅰ的土壤含水率变动比较快，表明该水分更适宜棉花生长；土壤表层（5～15 cm）含水率变化幅度大，表明水分运动复杂，该处变化是受灌溉条件及自然因素等多重影响形成的。土层在30～55 cm之间变化微弱，主要原因考虑根的分布在该处较少，根密度小。处理Ⅰ中含水率2月28日低于3月3日，主要是因为该处理时根系吸水活力强，达到水分处理下限后进行了二次灌溉。

3 理论计算endprint

参考土壤水分运动相关研究理论，可得棉花根系吸水率条件下的土壤水分运动基本方程[6]（1），并采用隐式差分格式离散得到方程（2），各参数含义见表1。

C（h）=■=■[K（h）■]-■-Sr（z，t）（1）

S■■=■-■-Cj■■■ （2）

式中，C（h）为比水容重，单位为1/cm；K（h）为土壤导水率，单位为cm/h；h为土壤水势，单位为cm；t为时间，单位为h；z为垂直坐标土壤表面为参考面，向下为正，单位为cm；Sr（z，t）为作物根系吸水率；i=0，1，2…，M-1（i为时间结点编号，M为总时段）；j=1，2，3，…，N-1（N为土壤总层次数）。

利用试验实测的土壤含水率值，土壤水分运动参数C（h）和K（h），将不同时刻的节点含水率值代入式（2），可求得计算时段内各深度处的平均根系吸水率。

根据上述计算原理及计算方法对不同处理的根系吸水速率Sr（z，t）进行计算。本研究利用Visual C++6.0语言编制计算程序，分别计算了棉花处于苗期、盛蕾期以及盛铃期的根系吸水率。点绘出不同处理下棉花随生育期变化的根系吸水率分布，见图3。

对比图3可知，同一处理下各生育期内棉花根系吸水速率均有差异，不同处理同一生育期内棉花根系吸水速率变化类似。0～25 cm土层内是处理Ⅰ和处理Ⅱ的主要根系吸水区。处理Ⅲ在整个试验阶段的根系吸水率主要在5～10 cm。在20 cm左右出现第二个吸水高峰可能是因为水分不足根系深扎所致。另外，对比处理Ⅰ和处理Ⅱ的根系吸水率可知50%～80%的田间持水量能满足棉花的正常生长。

4 结论

通过不同水分处理对根长密度及棉花根系吸水率的影响研究得出：

1）棉花根系土壤表层水分运动较为剧烈；处理Ⅰ的土壤含水率变动比较快，表明该水分处理条件下更适宜棉花生长。

2）根据实测土壤含水率计算的根系吸水率可以看出处理Ⅰ和处理Ⅱ接近，比较适宜棉花生长的田间持水量为50%～80%。

3）试验值与理论值对比，可以看出该计算模型较为合理，需要与相同处理的大田试验结果进行对比，从而为棉花种植过程提供合理的灌溉建议。

参考文献：

[1] 郑 贤.水资源管理与水利资产管理[J].中国水利，2002（10）：74-75.

[2] 钱正英.中国可持续发展水资源战略研究综合报告[N].人民政协报，2000-10-24（2）.

[3] GARDNER W R. Dynamic aspects of water availability to plants[J]. Soil Science，1960，89（2）：63-73.

[4] MOLZ F J. Water trasport in the soil-root system：Transient analysis[J]. Water Resources Research，1976，12（4）：805-807.

[5] 罗 毅，于 强，欧阳竹，等.利用精确的田间实验资料对几个常用根系吸水模型的评价与改进[J].水利学报，2000（4）：73-80.

[6] 雷志栋，杨诗秀，谢森传.土壤水动力学[M].北京：清华大学出版社，1988.220-261.endprint