盐分胁迫条件下制种玉米根系吸水模型参数的推求

袁成福，冯绍元(.江西水利职业学院，南昌 33003；2.扬州大学水利与能源动力工程学院，江苏 扬州 225009；3.中国农业大学中国农业水问题研究中心，北京 00083)

0 引 言

石羊河流域地处西北干旱内陆区，那里地表水资源极其短缺，而农业灌溉占了总水量很大一部分。对于地表水资源严重短缺的干旱地区，地下水是农业灌溉的重要水源。然而，近年来由于当地人们对地下水资源的过度开采利用，使当地地下水矿化度呈现逐年增加的趋势，其中石羊河下游民勤县的湖区地下水矿化度高达3～10 g/L，并且每年以0.12 g/L的速度递增[1,2]。为了弥补紧缺的淡水资源，使干旱地区的农业生产能够发展稳定，其中解决水资源紧缺问题的有效方法可以采用咸水资源进行灌溉[3,4]。利用咸水资源进行农田灌溉一方面能够减少由干旱对农作物产量造成的损失，另一方面也会把盐分带入到土壤，会使农田土壤环境发生变化，特别是在土壤耕作层中会累积大量的盐分，进而会导致土壤次生盐碱化现象的发生[5]。如果长时期利用咸水进行农田灌溉，会使大量的盐分富集在作物根系区附近，受盐分胁迫作用，会抑制农作物根系吸水，也会一定程度上影响农作物的生长和产量。因此，在研究区开展盐分胁迫条件下制种玉米根系吸水规律的研究，对于提高当地咸水资源的利用效率、制定合理的灌溉施肥方案和改善农田水土环境具有重要的理论意义和实用价值[6]。长时期利用咸水资源进行农田灌溉会导致土壤累积过量的盐分，且盐分主要累积在作物的根系区附近，由于溶质势阻碍作物根系吸水，从而会影响作物的正常生长[7]。国内外研究人员就盐分胁迫对作物根系吸水的影响进行过研究。Feng等针对不同灌水矿化度和不同灌水间隔时间的农田土壤盐分分布采用ENVIRO-GRO模型进行数值模拟，研究表明咸水灌溉下根系深度对盐分分布具有重要的影响[8]。罗长寿等采用数值迭代反求方法对苜蓿的根系吸水规律进了模拟和分析，研究表明土壤累积的盐分会明显降低苜蓿的根系吸水速率，当土壤溶液的电导率约为5 dS/m左右时，对苜蓿的根系吸水具有较大的影响[9]。国内外已做过大量关于盐分胁迫条件下作物根系吸水规律的研究，其中应用较普遍的是由Feddes提出的根系吸水模型[10]。

本文通过设置不同灌水矿化度的咸水灌溉试验，引入Feddes提出的根系吸水模型，根据田间试验实测数据，推算该模型的各个参数，建立盐分胁迫条件下制种玉米根系吸水模型，为该研究区研究制种玉米生长条件下土壤水盐运动规律奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验区位置与土壤物理参数

田间试验于2013年4-10月在甘肃省武威市凉州区的中国农业大学石羊河试验站(102°52′E，37°52′N，海拔1 581 m)内进行，该试验站位于石羊河流域中游区域。田间试验在非称重式蒸渗仪中进行，修建测坑小区6个，每个测坑面积为6.66 m2(3.33 m×2 m)，深为3 m。测坑小区0～60 cm土壤为砂壤土(国际制)，其粒径组成为：砂粒(0.05～1.00 mm)含量(体积分数，下同)为58.90%，粉粒(0.005～0.05 mm)含量为29.02%，黏粒(﹤0.005 mm)含量为11.59%(采用马尔文MS2000激光粒度分析仪测定)。测坑小区0～60 cm土壤容重为1.5 g/cm3，饱和含水率为0.37 cm3/cm3(体积含水率，下同)，田间持水率为0.30 cm3/cm3。

1.2 试验设计

田间试验根据石羊河流域上游、中游、下游典型地区地下水的矿化度设置3种盐分处理即s1、s2和s3处理，三者分别代表为灌水矿化度为0.71 g/L的淡水、3 g/L的微咸水和6 g/L的咸水。由于受试验地条件所限，每个处理2个重复，共有6个试验小区，试验采用裂区排列方式布置。根据当地制种玉米灌溉经验，制种玉米生育期内灌水5次分别为：6月8日(拔节期)、6月30 日(抽雄期)，7月20日(开花期)、8月10日(灌浆期)和8月29日(乳熟期)，设置灌溉制度(表1所示)。试验使用的淡水通过水泵抽取当地地下水获得，使用的咸水是根据当地地下水化学组成，采用质量比为2∶2∶1的NaCl、MgSO4和CaSO4配置的溶液。供试制种玉米的品种为富农340号，2013年4月20日播种，9月13日收获，全生育期146 d。测坑小区内的制种玉米按父本与母本1∶7的比例方式种植，种植密度为每小区56株。其他农艺措施均与当地情况保持一致。

表1 各处理灌溉制度Tab.1 Scheme of irrigation under different treatments

1.3 测定项目与方法

选择制种玉米拔节期(2013年6月23日-6月29日)为研究根系吸水时段1，抽雄期(2013年7月12日-7月19日)为研究根系吸水时段2。分别在时段1和时段2初期和末期通过土钻获取土样，每个处理土层分为3层，分别为[0,20]，(20,40]，(40,60] cm，每次取样完后回填钻孔并做标记，采用烘干法测定土壤含水率。采用电导法测定土壤溶液电导率EC1∶5，并根据已有资料的相关公式(S=0.027 5EC1∶5+0.136 6)把EC1∶5转换成土壤全盐量S[11]。分别在时段1、2每隔1 d利用钢卷尺测量制种玉米叶子的长(L)与宽(B)，并采用估算公式得到叶面积指数：

LAI=(K×L×B)∕A

式中：K为叶片拟合系数，玉米取0.75；A为植株叶片所占地面面积。

采用口径为8 cm的根钻，利用“十字法”(每株玉米取5钻，每钻分3层，每层20 cm，取至60 cm可以把制种玉米大部分根系取尽)取样，获取制种玉米根长资料，并经过根系扫描仪扫描和采用WinRHIZO根系分析软件获得根长密度的分布资料。土面蒸发量利用自制Microlysimeter(MLS)直接测定，在研究制种玉米根系吸水时间段内埋设MLS，每个处理3个重复。MLS内径10 cm，高度20 cm，下端采用不封底的形式，呈圆柱状，采用PVC材料制成。每天早晨8∶00时刻对MLS进行称重，相邻两天的重量之差即为前一天的土面蒸发量。同时收集好试验站制种玉米全生育期内的气象资料。

1.4 根系吸水模型

Feddes提出的根系吸水模型为：

S(x,t)=β(φ0)Smax

(1)

式中：S(x,t)为仅在盐分胁迫下作物根系吸水速率，cm3/(cm3·d)；β(φ0)为盐分胁迫修正因子，φ0为土壤水渗透势，cm；Smax为最大根系吸水速率，cm3/(cm3·d)，表示在最优土壤水分(水分、养分充足，无盐分胁迫)条件下的根系吸水速率。

1.4.1最大根系吸水速率Smax的计算方法

前人研究表明可以采用相对根长密度Lnrd(x,t)和潜在蒸腾速率Tp(cm/d)来计算最大根系吸水速率[12]。即：

(3)

上述两式中：Lr为最大扎根深度，cm；Ld(x,t)为实测根长密度，cm/cm3。

1.4.2盐分胁迫修正因子β(φ0)的计算方法

Van Genuchten等采用一种非线性方程，利用S形曲线函数来表示盐分胁迫修正因子[13]。

(4)

式中：φ050为根系吸水盐分胁迫修正因子等于0.5时所对应的渗透势的值，cm；p为拟合参数。

2 结果与分析

2.1 根系吸水模型参数的推算

2.1.1最大根系吸水速率Smax的计算

选择根系吸水时段2，由于s1处理为淡水充分灌溉且灌溉水量为当地制种玉米的腾发量，所以可以认为s1处理的根系吸水速率为最大根系吸速率。

潜在蒸腾速率Tp由如下公式[14]估算：

Tp=ET0(1-e-kLAI)

(5)

式中：ET0为参考作物蒸散量，cm，由FAO推荐的Penman-monteith公式[15]计算，计算结果为0.412 cm/d；LAI为叶面积指数，取值为3.023 cm2/cm2；k是植物冠层辐射衰减系数，无量纲，对于玉米而言，k常取0.4[16]。计算结果得Tp=0.29 cm/d。

实测根长密度与土层深度的关系如图1所示。经线性插值拟合后得到Ld(x,t)=-0.011 9x+1.029 2(x为实测根长深度)，制种大扎根深度为100 cm。

图1 s1处理根长密度分布Fig.1 Root length density distribution of s1 treatment

由式(2)，(3)计算得：

Lnrd(x,t)=-0.027 4x+2.37

Smax=-0.795×10-4x+0.687×10-2

2.1.2盐分胁迫修正因子β(φ0)的计算

选择根系吸水时段2，s2处理的灌溉水矿化度为3 g/L，为充分供水盐分胁迫处理，计算相应的蒸腾强度：

(7)

式中：Ta为s2处理的实际蒸腾强度，cm/d；Ta=ETp-Ep，ETp为潜在蒸散强度，可由Penman-monteith公式求得；Ep为潜在土面蒸发强度，cm/d，可由实测的土面蒸发强度表示。计算得到：ETp=0.40 cm/d；Ep=0.12 cm/d；所以Tp=0.28 cm/d。

理论上，β(φ0)应为S与Smax的比值，由于β(φ0)无法实测，因此根据上式将Ta与Tp的比值近似为盐分胁迫因子β(φ0)的比值。则：

(8)

φ0为该时段平均土壤水渗透势，cm，由以下公式[5]计算：

cw=6.7×10-4EC1∶5

(9)

(10)

φ0=-5.63×105cs

(11)

式中：cw为土壤浸出液盐分质量浓度，g/cm3；EC1∶5为土壤浸出液电导率，dS/m；cs为土壤溶液盐分质量浓度，g/cm3；v为土壤浸提液的体积，cm3；γ为土壤容重，g/cm3；m为风干土的质量，g；θ为体积含水率，cm3/cm3。

由式(9)-(11)得到计算根系吸水阶段的φ0=-4 036.52 cm。则由以上各式可以计算出p=5.49，取φ050=-7 600 cm[17]。因此，盐分胁迫修正因子为：

2.2 根系吸水模型参数的验证

分别选择时段1中s2、s3处理和时段2中s3处理对盐分胁迫修正因子β(φ0)的参数p进行验证。其验证结果见表2。

模型参数p的推算和验证过程时的吻合程度可以采用均方根误差(RMSE)和平均相对误差(MRE)来评价：

(13)

式中：Oi表示模型参数推算值；Pi表示模型参数的验证值。

表2 参数p推算与验证时的RMSE和MRE值Tab.2 Root mean square error and mean relative error values in calculation and validation of the parameter (p)

由表2可知，时段1中s2、s3处理与时段2中s3处理β(φ0)的RMSE<0.10，MRE<10%，在允许的误差范围20%之内，因此盐分胁迫修正因子β(φ0)=0.97是合理的，从而盐分胁迫修正因子的参数p为5.49。所以盐分胁迫条件下制种玉米根系吸水模型为：

3 结 语

在石羊河流域开展制种玉米生长条件下的咸水灌溉试验，引入Feddes 提出的根系吸水模型。选择制种玉米抽雄期为研究制种玉米根系吸水时段1，设置淡水充分灌溉试验，通过计算相对根长密度和潜在蒸腾速率，推算得到最优灌水条件下的最大根系吸水速率；设置咸水充分灌溉试验，通过计算蒸腾强度和土壤渗透势，推算得到咸水灌溉条件下的盐分胁迫修正因子。

选择制种玉米拔节期为研究制种玉米根系吸水时段2，对盐分胁迫修正因子的参数p进行验证，参数p验证和推算过程时的RMSE<0.10，MRE<10%，在允许的误差范围之内。建立了盐分胁迫条件下制种玉米的根系吸水模型，为研究区研究制种玉米咸水灌溉条件下土壤水盐运动规律奠定基础。

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