不同耕作方式下春小麦棵间土壤蒸发研究

吕晓东，马忠明

(1.甘肃省农业科学院 土壤肥料与节水农业研究所，兰州　730070；2.甘肃省农业科学院，兰州　730070)



不同耕作方式下春小麦棵间土壤蒸发研究

吕晓东1，马忠明2

(1.甘肃省农业科学院 土壤肥料与节水农业研究所，兰州730070；2.甘肃省农业科学院，兰州730070)

摘要采用微型棵间土壤蒸发皿，测定传统耕作(CK)、常规垄作沟灌(FRB)、固定道保护性耕作(PRB)和固定道平作(ZT)4种耕作模式下棵间土壤蒸发，研究棵间土壤蒸发量与蒸腾之间的关系,蒸发占蒸散的比例及其随叶面积指数(LAI)和表层土壤体积含水量的变化关系。结果表明：固定道耕作无论是平作还是垄作栽培，在拔节后期均比传统耕作和常规垄作沟灌能更好抑制土壤蒸发。与平作栽培相比，沟垄地形对垄床和垄沟棵间土壤蒸发均有促进作用，且垄沟棵间土壤蒸发要大于垄床。春小麦三叶期至拔节期，CK、ZT、FRB和PRB棵间土壤蒸发量占田间耗水量的比值分别为64.96%、53.16%、74.99%和51.99%。拔节后，各处理棵间土壤蒸发占时段耗水量的比值均降到45%以下。抽穗至灌浆初期，各处理棵间土壤蒸发占时段耗水量的比例在24.46%～31.07%。4种耕作模式相对棵间土壤蒸发强度均随表层土壤体积含水量增大而增加，随LAI的增加而显著减小，两者均呈良好的指数函数关系。

关键词棵间土壤蒸发；固定道保护性耕作；春小麦

棵间土壤蒸发作为农田蒸散的主要组成部分，反映土壤-大气界面上水分与能量的交换过程[1]，对准确估算农田土壤水分动态，制定合理灌溉制度，尽可能减少作物生长过程中无效耗水以及提高土壤水分利用效率等方面具有重要的实际意义[2]。陈四龙等[3]研究表明，不同的耕作方式可改变土壤界面如土根界面、土气界面的自然结构状态，在增加水分渗入和减少表面蒸发以及改善土壤湿度水平方面存在差异。免耕秸秆覆盖后可显著提高表层土壤含水量，起到明显蓄水保墒作用，保护性耕地土壤蓄集水分能力显著大于翻耕地[4-7]。固定道保护性耕作技术是集固定道耕作、垄作、沟灌和少耕、免耕、秸秆覆盖等单项技术于一体的新型耕作系统[8]，相对传统耕作习惯，这种耕作方式改变了土壤界面特性，间接影响棵间土壤蒸发过程，但该方面相关的研究报道较少。本研究测定4种耕作方式下春小麦棵间土壤蒸发变化过程，揭示棵间土壤蒸发与蒸腾，蒸发占蒸散的比例以及随叶面积指数(LAI)和表层土壤体积含水量变化的关系，旨在为准确估算农田土壤水分动态，制定合理灌溉制度，提高土壤水分利用效率提供基本理论依据。

1材料与方法

1.1研究区概况

于2010年3-8月，在甘肃张掖绿洲灌区农业生态环境重点野外科学观测试验站固定道保护性耕作长期定位试验区(100°10′ E，38°50′ N，海拔1 570 m)进行试验。试验区地处河西走廊中段，农业生产具有无灌溉即无农业的典型特征。种植作物以小麦和玉米为主，大田生产长期采用平作大水漫灌。试验土壤为灌漠土，属沙质壤土，土层厚，蓄水保肥能力强。耕层土壤有机质12.49 g/kg，全氮0.87 g/kg，速效磷13.72 mg/kg，速效钾223.7 mg/kg，pH 8.58。

1.2试验设计

田间试验从2005年开始，设置传统翻耕(CK)、常规垄作沟灌(FRB)、固定道保护性耕作(PRB)和固定道平作(ZT)4个处理。常规垄作沟灌：上茬作物收获后翻耕，秸秆全部移出，翌年开春播前按垄面宽70 cm，垄沟宽30 cm，垄高20 cm规格起垄机起垄，采用2BLM-4型小麦垄作免耕播种机一次完成播种和施肥操作，播种后进行土壤压实操作，垄床种植小麦5行，灌水方式沟灌。固定道保护性耕作：于2005年起垄，垄规格同FRB处理，连续多年不翻耕，收获时小麦留茬20 cm收割，秸秆还田量2 250 kg/hm2；固定道平作：具体操作与PRB处理一致，仅改垄作为平作，改沟灌为漫灌。种植制度采用当地农户习惯2 a春小麦，1a春玉米轮作方式。小区面积216 m2(18 m×12 m) ，随机区组排列，重复4次。2010年春小麦供试品种为‘陇幅2号’，播种量均为450 kg/hm2。施肥量均为纯N 225 kg/hm2，纯P2O5180 kg/hm2。氮肥用量w=40%做基肥，w=60%做追肥，结合第1水和第2水施入，磷肥全部做基肥施入。2010-03-24播种，2010-07-25收获。

灌水量由灌水定额计算公式确定，计算公式为：

m=10ρbH(βi-βj)

式中：m为灌水量(mm)；H为该时段土壤计划湿润层的深度(cm)，本试验计划湿润层深度为出苗期至拔节期0～40 cm，拔节期至抽穗期0～60 cm，抽穗期至灌浆成熟期0～100 cm；ρb为计划湿润层内土壤体积质量(g/cm3)；βi为目标含水量(田间持水量乘以目标相对含水量)；βj为灌溉前土壤含水量。灌溉量由Oddysee量水槽量水控制。Oddysee量水槽呈“V”字型，有水位自动记录仪。Oddysee记录水位高度，根据“V”字口的大小，可以计算出水流的速度和水量。小麦全生育期灌水3次，分别在2010-05-08、2010-06-10和2010-07-04。传统翻耕、垄作沟灌、固定道保护性耕作和固定道平作4个处理全生育期总灌溉量分别为3 817、2 908、2 677和3 618 m3/hm2。

1.3测试项目及方法

1.3.1棵间土壤蒸发测定参照文献方法[2,9]，自制小型棵间土壤蒸发器(Micro-lysimeter)。给水管材料为PVC，内径6.5 cm，外径7.5 cm，长30 cm。每小区埋设测点2个(作物带和非作物带各埋1个)，用精度为0.001 g的电子天平称量。根据两次质量差，得到单位时间内的棵间土壤蒸发量。从春小麦三叶期开始，测定频率为孕穗期前每3 d秤量换土1次。灌浆期每天秤量换土1次。灌浆后期至收获每3 d秤量换土1次。每日20：00秤量，秤量后即换装田间原装土。降雨、灌水日停测,结果参照灌后第1天棵间土壤蒸发量与参考作物需水量的比值补齐[10]。

1.3.2气象资料观测太阳辐射、气温、空气湿度、风速、日照时数、蒸发量以及天气变化等，由试验场内自动气象站测定。

1.3.3叶面积指数(LAI)测定在小麦三叶期、拔节期、孕穗期、灌浆期、成熟期利用AccuPAR冠层结构分析仪(Decagon公司)测定小麦叶面积指数。

1.3.4土壤体积含水量测定在春小麦播种前,第1次灌水前,第1次灌水后3、6、9 d,第2次灌水前,第2次灌水后,第3次灌水前,第3次灌水后和收获后，用土钻分别采集0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120、120～160、160～200 cm土层土样，采用烘干法测定各土层土壤质量含水量。播前采用环刀法测定上述土层体积质量，土壤体积含水量=土壤质量含水量×干体积质量，根据上式计算土壤体积含水量。垄作处理采样位置，从垄中向垄边每隔10 cm取1个点,共取3个点，其平均值代表垄床土壤体积含水量。垄沟中间取1个点。平作处理采样深度同上，采样呈对角线5点采样法，同层土样混合。

2结果与分析

2.1不同耕作处理棵间土壤蒸发变化

由图1可以看出，三叶期各处理日棵间土壤蒸发均较低，CK、ZT、FRB-B(FRB处理垄床)、PRB-B(PRB处理垄床)、FRB-F(FRB处理垄沟)和PRB-F(PRB处理垄沟)日平均棵间蒸发量分别为1.39 、1.35 、1.85 、1.04 、1.84 和1.39 mm/d。拔节至抽穗期，各处理日棵间蒸发逐渐增大。CK、ZT、FRB-B、PRB-B、FRB-F和PRB-F平均日棵间土壤蒸发量分别为2.97、2.52、3.10、2.07、3.33和2.83 mm/d。抽穗后期至灌浆各处理日棵间蒸发均降低。与CK相比，ZT处理棵间土壤蒸发明显较低(图1-a)。与FRB-B相比，PRB-B处理棵间土壤蒸发也明显较低(图1-b)，表明固定道耕作无论是平作还是垄作栽培，均能更好的抑制土壤蒸发。由图1-b还可以看出PRB-F的棵间土壤蒸发较FRB-F低，PRB和FRB处理垄沟的棵间土壤蒸发都相应高于垄床，表明沟垄地形对垄沟棵间土壤蒸发有促进作用。

2.2棵间土壤蒸发与叶面蒸腾及占阶段耗水量的比例变化

春小麦生长期各处理棵间土壤蒸发(E)和叶面蒸腾(T)在不同生长阶段比例变化很大(表1)。三叶至拔节期，CK和FRB处理E与T比例相差较大，约2∶1之间,表明每年起垄、耕作等田间操作会引起较大水分损耗。ZT和PRB处理E与T比例在1∶1之间，表明免耕和秸秆覆盖有效减少土壤棵间土壤蒸发。拔节至抽穗期，植株长高，叶面积迅速增大，叶面蒸腾量迅速升高，各处理棵间E与T的比例约在1∶2之间，说明此阶段主要以叶面蒸腾耗水为主。抽穗至灌浆期，各处理棵间E与T的比例在1∶3和1∶2之间变化，叶面蒸腾作用仍起主导作用。

棵间土壤蒸发占阶段耗水量(E/ET)的变化分析表明，春小麦三叶至拔节，各处理田间耗水以棵间土壤蒸发为主。CK、ZT、FRB和PRB棵间土壤蒸发量占时段耗水量的比值分别为64.96%、53.16%、74.99%和51.99%。拔节以后，植株生长迅速，叶面积增大，田间耗水转向以叶面蒸腾为主，各处理棵间土壤蒸发占时段耗水量的比值均降到45%以下。抽穗至灌浆初期，叶面积指数达到最大，春小麦转入旺盛的生殖生长和产量形成阶段，需水强度大，叶面蒸腾在阶段耗水中占据重要地位，棵间土壤蒸发量占阶段耗水量的比例明显减小，各处理棵间土壤蒸发量占时段耗水量的比例在24.46%～31.07%。

图1　春小麦全生育阶段各处理棵间土壤蒸发

生育期Growthstage处理Treatment降雨/mmRaifallET/mmE/mmT/mmE/ET/%三叶期至拔节期CK8.60124.2480.7143.5364.96TrefoilstagetojointingstageZT8.60131.1269.7061.4253.16FRB8.60108.9481.6927.2474.99PRB8.60106.9155.5851.3351.99拔节至抽穗期CK11.70219.7578.37141.3835.66JointingstagetoheadingstageZT11.70198.0865.64132.4333.14FRB11.70188.5583.61104.9444.34PRB11.70175.9155.28120.6331.42抽穗至灌浆期CK33.70282.8783.88198.9929.65HeadingstagetofillingstageZT33.70279.1475.08204.0626.90FRB33.70249.8677.64172.2231.07PRB33.70232.4756.87175.6124.46

2.3相对棵间土壤蒸发强度与表层土壤体积含水量的关系

采用相对棵间土壤蒸发强度(E/ET0)消除气象因素的影响，给出各处理相对棵间土壤蒸发和表层20 cm土层土壤体积含水量关系曲线(图2)。总体来看，相对棵间土壤蒸发均随着表层土壤体积含水量增大而呈线性增加趋势。对于CK处理，当表层体积含水量小于15%时,E/ET0随土壤体积含水量增加而增大的速率变化缓慢；当表层土壤体积含水量介于15%～25%时，E随土壤体积含水量的增加而迅速增大；当表层土壤体积含水量大于25%时,随土壤体积含水量的增加基本上呈水平直线变化。ZT、FRB-B和PRB-B处理棵间土壤蒸发与表层土壤体积含水量的关系与CK类似。但由于耕作方式和地表秸秆覆盖措施的影响，E/ET0随土壤体积含水量增加或下降的速率变化不同。与平作处理相比，垄作处理E/ET0受土壤表层体积含水量的影响较小。

图2　表层土壤体积含水量与相对棵间土壤蒸发的关系

对相对棵间土壤蒸发强度(E/ET0)与表层土壤体积含水量的关系进行回归分析,各处理E/ET0与表层土壤含水量存在指数函数关系且决定系数(R2)呈现出极显著相关性，结果如下：

CK：E/ET0=1.273 6e0.160 8θ，R2=0.94

FRB-B：E/ET0=3.436 9e0.124 7θ，R2=0.97

PRB-B：E/ET0= 3.033e0.114θ，R2=0.92

ZT：E/ET0=2.495 6e0.132 4θ，R2=0.95

式中:E/ET0为相对棵间土壤蒸发强度(%)，θ为表层20 cm土层的土壤体积含水量(%)。

2.4相对棵间土壤蒸发强度与叶面积指数的关系

为消除土壤水分和气象因素的影响,根据实测资料从中选取表层20 cm土壤体积含水量为15%～25%的棵间土壤蒸发的观测结果,绘出相对棵间土壤蒸发强度E/ET0与实测的春小麦LAI的关系,结果见图3。各处理棵间土壤蒸发强度E/ET0均随着LAI的增加而显著减小。

Brission等[11]提出的棵间土壤蒸发与作物蒸发蒸腾的比例关系式为:

Ep/ETp= exp(-δLAI)

式中:δ为冠层削光系数；Ep、ETp为分别为潜在土壤蒸发和潜在腾发量(mm)。本研究建立各处理条件下田间计算棵间蒸发与农田蒸发蒸腾比例关系公式为：

CK：E/ET0= 81.138e-0.519 1LAI，R2=0.94

FRB-B：E/ET0= 89.073e-0.642 5LAI，R2=0.89

PRB-B：E/ET0=65.532e-0.547 8LAI，R2=0.80

ZT：E/ET0=75.036e-0.563 2LAI，R2=0.93

图3　相对棵间土壤蒸发强度与LAI的关系

3讨论与结论

众多研究表明，秸秆覆盖措施可显著降低棵间土壤蒸发[12-14]，使得更多的水分从无效消耗过程向有效消耗过程转化。本研究结果表明，固定道耕作无论是平作还是垄作栽培，在春小麦拔节后均比传统耕作和常规垄作沟灌能更好的抑制土壤蒸发。这与邓忠等[15]研究表明，秸秆覆盖地面使得太阳净辐射分配发生改变是降低棵间土壤蒸发的根本原因结果相符[16]。与平作栽培相比，沟垄地形对垄床和垄沟棵间土壤蒸发均有促进作用，且垄沟棵间土壤蒸发要大于垄床。通过改进耕作方式，在保证作物用水的条件下保持土壤表层干燥是减少棵间土壤蒸发的一种主要措施。

减少棵间土壤蒸发的物理损耗，将节省下来的水分储留于土壤中供作物根系吸收利用，提高作物生理需水在总蒸发蒸腾中的比例，是提高土壤储水有效利用率的关键。本研究表明，春小麦三叶期至拔节期，各处理总体田间耗水以棵间土壤蒸发为主。拔节后，田间耗水以叶面蒸腾为主，各处理棵间土壤蒸发量占时段耗水量的比值均降到45%以下。抽穗至灌浆初期，各处理棵间土壤蒸发量占时段耗水量的比例在24.46%～31.07%，这与张永久等[17]研究表明，影响E/ET的主要因素是土壤含水量和LAI两个方面结论一致[18]。4种耕作模式相对棵间土壤蒸发强度均随着表层土壤体积含水量增大而呈增加趋势。但与平作漫灌相比，沟灌条件下，垄作处理土壤表层体积含水量对棵间蒸发的影响较弱。相对棵间土壤蒸发强度均随着LAI的增加而显著减小。但受土壤水分因素影响，垄作处理棵间土壤蒸发强度随LAI增加而变化平缓，这与孙宏勇等[19]研究结果一致。

综上所述，固定道耕作在平作或垄作栽培方式下能更好的抑制土壤蒸发，有利于保持土壤水分，提高作物对水分的有效利用。

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Received 2015-03-10Returned2015-06-14

Foundation itemScience and Technology Cooperation Project of China and Australia(No.SMCN/2002/094)；Non-profit Research Foundation for Agriculture(No.201503125-2);Project of Agricultural Science and Technology Innovation of Gansu(No.GNCX-2014-35).

First authorLÜ Xiaodong,male,Ph.D candidate,associate research fellow.Research area:water-saving irrigation.E-mail:dongxl1979@163.com

(责任编辑：史亚歌Responsible editor:SHI Yage)

Soil Evaporation of Spring Wheat under Different Tillages

LÜ Xiaodong1and MA Zhongming2

(1. Institute of Soil,Fertilizer and Water-saving Agriculture,Gansu Academy of Agricultural Sciences,Lanzhou730070,China；2. Gansu Academy of Agricultural Sciences,Lanzhou730070，China)

AbstractSoil evaporation of spring wheat under conventional tillage (CK),fresh raised bed (FRB) permanent raised bed (PRB) and zero tillage with control traffic on flat field (ZT) was measured by using micro-lysimeters. The relationship among soil evaporation,leaf area index and surface soil moisture was analyzed as well as the equation between soil evaporation and leaf area index and surface soil moisture was established. The results indicated that soil evaporation of PRB and ZT treatment was lower than that of CK and FRB after the spring wheat jointing stage. Compared with conventional flat planting,soil evaporation of bed and furrow were enhanced by ridge and furrow topography of the soil surface obviously. Soil evaporation of furrow was larger than that of bed. From trefoilstage to jointing stage,the ratio of interplant soil evaporation to total field evapotranspiration was 64.96%,53.16%,74.99% and 51.99% for CK,ZT,FRB and PRB treatment,respectively,and less than 45% from jointing to heading stage,and 24.46%-31.07% from heading to filling stage. There was a good exponential function relationship between relative soil evaporation intensity and surface soil water content as well as leaf area index. The relative evaporation intensity increased with the increase of surface soil moisture,while decreased with the increase of leaf area index.

Key wordsSoil evaporation; Controlled traffic farming; Spring wheat

收稿日期：2015-03-10修回日期：2015-06-14

基金项目：中澳国际合作(SMCN/2002/094)；公益性行业(农业)科研专项(201503125-2)；甘肃省农业科技创新(GNCX-2014-35)。

中图分类号S275.9;S157.2

文献标志码A

文章编号1004-1389(2016)04-0547-07

网络出版日期：2016-04-02

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1220.S.20160402.1112.018.html

第一作者：吕晓东，男，在读博士，副研究员，研究方向为节水灌溉。E-mail:dongxl1979@163.com