膜下滴灌条件下玉米开花期水流阻力分布规律

雒天峰，吴建东，白有帅

(1.甘肃省水利科学研究院，兰州 730000；2.甘肃农业大学工学院，兰州 730070)

玉米是一种高耗水作物(Vinketal，1969年；Sarrafetal.，1969年；BennettandHammond，1983年；Musicketal.，1990年；Stoneetal.，1996年)，对干旱非常敏感，产量受需水量的影响较大，干物质与作物产量随着灌水量的增大显著增加(BeggandTurner，1976年；Oteguietal，1995年；Rhoades and Bennett，1990年；Lammetal，1995年；Yazaretal.，1999年)。面对有限的水资源，如何对玉米用水进行科学管理，将直接影响玉米种植业的发展。滴灌作为一种施于作物根区附近的局部灌水技术，利用最少的灌水量、获得最合理的作物-土壤-水分关系，促使作物产量提高，用水量、肥料用量、耕作成本减少(Mostaghimi和Mitchell，1983年； S Elmaloglou，2009年)。为探索水分在土壤—作物—大气系统中的传输规律，深刻挖掘和认识作物节水潜力，基于Phillip于1966年提出的土壤—植物—大气(SPAC)连续体概念，Steppe et al,2002年；Chuang et al,2006年；Daly et al,2004年; Daly et al,2004年；康绍忠；冷石林；邵明安；张喜英；刘昌明等国内外科研人员针对不同的土壤、作物、气候环境，开展了大量的研究工作，对作物生长冗余调控与缺水补偿效应理论、根冠通讯理论、作物控水调质理论和有限水量最优分配理论进行了深入的研究。为进一步探索膜下滴灌条件下水分流经土壤—玉米—大气系统的运移规律，将滴灌和地膜覆盖结合起来，充分考虑局部湿润对根系分布规律的影响及地膜覆盖对田间小气候的影响，通过田间试验、数据观测和处理，分析了膜下滴灌条件下玉米开花期土壤—植物—大气连续体水流阻力与水势分布规律。

1 研究方法

1.1 研究区概况

为了分析膜下滴灌条件下土壤—玉米—大气系统中水分传输能力关系，在石羊河下游的民勤在地处绿洲和腾格里沙漠交界地带，地理坐标东经130°05′，北纬38°37′，属典型的大陆性荒漠气候，气候干燥、降水稀少、蒸发量大、风沙多、自然灾害频繁。多年平均气温7.8 ℃，极端最高气温39.5 ℃，极端最低气温-27.3 ℃，平均湿度45%，多年平均降水110 mm，多年平均蒸发量2 644 mm，年日照时数3 028 h，光热资源丰富，≥0 ℃积温3 550 ℃，≥10 ℃积温3 145 ℃，无霜期150 d，最大冻土深115 cm。试验区土质0～60 cm为黏壤土，60 cm以下逐渐由黏壤土变为沙壤土，土壤平均密度为1.50 g/cm3。

1.2 试验田布置

试验测坑长、宽、高为1.8 m×1.2 m×1.8 m，测坑之间用混凝土墙体隔开，下底面用混凝土衬砌，上底面采用白色PE膜覆盖，采用膜下滴灌模式。根据灌水量，设置3个处理，灌水量分别为450 m3/hm2(A)、525 m3/hm2(B)、600 m3/hm2(C)，每个处理3个重复，采用地面膜孔灌作为对照，灌水量为825 m3/hm2(CK)。

1.3 观测内容及方法

(1)土壤含水量与土壤基质势：采用取土烘干法测定土壤含水量，每10天测定1次，每次在各小区按照0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～70、70～80、80～90、90～100、100～110、110～120 cm分层取土，计算土壤含水量。

图1是滴灌条件下玉米开花期土壤含水量随土层深度的变化关系曲线。由图1可知，土层深度和灌水量对土壤含水量影响较大。处理W1、W2、W3及CK土壤含水量随土层变化规律基本一致，均是随着土层深度的加深，土壤含水量呈现增-减-增的变化趋势，而W4处理表现为减-增趋势，各处理均在40～60 cm土层土壤含水量达到最小。

图1 开花期各处理土壤含水量随土层深度的变化关系Fig.1 The relationship between soil water content and soil depth of treatments on flowering period

(2)气孔阻力与蒸腾速率：用美国产LI-6400便携式光合测定仪测定蒸腾速率，每次在各小区随机抽取3株玉米，在每株玉米上按照分上中下部位随机选择一个叶片，每次测量过程中，从8∶00开始到20∶00结束，每小时观测1次。

(3)叶水势：用美国产Psypro露点水势仪测定土水势、根水势、茎水势、叶水势。

(4)土壤导水率：利用2800k Guelph入渗仪分层测定0～20、20～40、40～60 cm深度的土壤导水率。

(5)根系参数：在玉米生育期，分层挖取根部0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120 cm的土样，利用洗根法测量法，测定不同深度的根系长度和茎粗。

(6)农田小气候：利用DL2e波纹比测量系统测定试验区内的农田小气候。

试验期全年降雨量102.8 mm，1-12月分别为：0、1.6、0、1.0、6.8、10、15.2、7.8、54、4、2.4、0 mm，其变化趋势见图2。

图2 试验期全年降雨量Fig. 2 Annual precipitation of in test period

2 不同界面阻力计算方法

SPAC系统中，水流阻力根据水分在该系统中流动所经过的环节分为土壤阻力、土根接触阻力、根系吸收阻力、根内木质部传导阻力、地上部分的植物内部传导阻力、水汽扩散阻力。依据文献[1,2]，各阻力采用以下公式进行计算：

(1)土壤阻力计算公式：

(1)

式中：Rs为土壤阻力；r为植物根系半径；Lv为根系密度(单位土体中的总根长)；K为土壤导水率；d为根区总深度。

(2)土根接触阻力。土根总阻力为：

(2)

土根总阻力包括土壤阻力Rs，土根接触阻力Rsr，根系吸收阻力Rr和根内土质部传导阻力Rc，即：RA=Rs+Rsr+Rr+Rc。

土根接触阻力计算公式为：

(3)

式中：θ为土壤容积含水率；θf为田间持水量；ψs为土水势；ψp为根茎势；T为蒸腾速率。

(3)根内木质部传导阻力。计算Rc的公式如下：

(4)

式中：v为水的运动黏滞系数，与温度有关；z为原点在地面、垂直向下的坐标，其最大值为根区总深度d；g为重力加速度；rH为z处所有根系半径的调和平均值。

(4)根系吸收阻力计算公式为：Rr=RA-(Rsr+Rc+Rs)。

(5)地上部分植物内部的传导阻力植物根茎部到叶片这一段的传导阻力由下式计算：

(5)

式中：Rpc为地上部分植物内部的传导阻力；ψl为植物叶片水势。

(6)水汽扩散阻力。水分经由气孔或角质层进入周围的大气中去是一个水汽扩散过程，在这一过程中，水汽受到叶片内部及周围空气的扩散阻力，两者之和由下式决定：

(6)

式中：ψa为大气水势；Za为空气扩散阻力；Zs为叶片内部扩散阻力。

大气水势采用田间实测相对湿度计算，即：

(7)

式中：Vω为水的偏摩尔体积，其值为0.018×10-3mol-1；R为气体常数，其值为8.312 703 Pa/(m3·mol·℃)；Tk为空气绝对温度，。

3 结果分析

3.1 膜下滴灌玉米开花期生理指标随灌水定额的变化规律

3.1.1 膜下滴灌玉米开花期地上生长指标变化规律

如图3和图4所示，分别反映了不同灌水量下玉米开花期玉米株高、单株叶面积的变化情况。在开花期，CK株高长势优于灌水量较少的A、B、C，但A、B、C之间差异不明显，CK由于灌水量大的缘故，在强蒸发条件下长势较好，株高最大，与A、B、C处理呈显著差异。滴灌条件下单株叶面积随灌水定额的增大而增大，C处理的叶面积大于CK(膜孔灌)。

图3 不同灌水量对玉米株高的影响Fig.3 Effects of different irrigation amount on corn height

图4 不同灌水量对玉米单株叶面积的影响Fig.4 Effects of different irrigation amount on corn plant leaf area

3.1.2 膜下滴灌玉米开花期根系生长动态变化规律

图5反映的是开花期各处理根重随土层深度的变化规律。在该生育期，0～20 cm土层根重依然最大，且CK较其他处理大，处理C、B次之，A最小。在开花期，处理A、B、C、CK在0～20 cm土层所占的重量百分比分别为78.33%、 88.81%、88.73%、71.91%，在0～40 cm土层所占的重量百分比分别为83.74%、 92.94%、93.55%、80.83%。

图5 玉米土层深度与根重之间的变化关系Fig.5 The relationship between soil depth and corn root weight

由图6可知，在开花期，随着土层深度的增加，处理A、B与对照CK的玉米平均根径变化规律一致，均为依土层深度增加而减小，处理A在0～60 cm随土层深度增加，平均根径减小，在60～80 cm平均根径反而大于40～60 cm土层，这与上部水分亏缺，吸收地下土壤水分，导致根系发达有关；在0～20 cm土层，处理A的平均根径最大，CK、C次之，B处理最小；而A灌水量最小，平均根径最大与其较深土壤干燥，作物必须通过吸收较浅土层水分而致使根系发达有关。由图7可知，开花期根长主要分布在0～40 cm土层；0～20 cm土层C处理根长最大，20～40 cm土层对照根长最大，40～60 cm土层，处理A根长最大，60～80 cm土层处理B的根长最大，而在80～100 cm土层对照的根长最大。

图6 玉米土层深度与根径之间的变化关系Fig.6 The relationship between soil depth and corn root diameter

图7 不同处理土层深度与玉米根长之间的变化关系Fig.7 The relationship between soil depth and corn root length to each treatment

3.2 土壤—玉米—大气系统中的能量分布

SPAC系统中的能量分布主要指土壤、植物、大气3部分的水分势能分布，不同处理中不同水势分布如图8所示。

图8 玉米不同水势与灌水量的变化关系Fig.8 The relationship between water potential and irrigation amount

膜下滴灌条件下玉米根水势、茎水势、叶水势均随灌溉定额增大而减小，土壤与植物根间的水势差为0.07～0.16 MPa，根与茎间的水势差为1.07 MPa，根与叶间的水势差为0.25～1.11 MPa，叶与大气之间的水势差约141 MPa，根水势为叶水势的5～6倍。相比对照，叶气水势差略有所减小，土根、根叶水势差均有所增大。

3.3 地下部分各阻力随灌水量的变化规律

滴灌灌水定额为450～600 m3/hm2，膜孔灌灌水定额为825 m3/hm2时，土壤阻力为3.46×10-4～6.16×10-4Pa/(W·m-2)，土壤阻力与灌水定额呈幂指数函数，土壤阻力随灌溉定额的增大而减小，土壤阻力占土根总阻力的0.003 7/10 000～0.001 6/10 000(见图9)；土根接触阻力为9.58×102～1.03×103Pa/(W·m-2)，土根接触阻力与灌水定额呈指数函数，土根接触阻力随灌溉定额的增大而增大，土根接触阻力占土根总阻力的46.12%～57.15%(见图10)。

图9 土壤阻力与灌水量的变化关系Fig.9 The relationship between soil resistance and irrigation amount

图10 土根接触阻力与灌水量的变化关系 Fig.10 The relationship between soil-root contact resistance and irrigation amount

根内木质部传导阻力为6.85～11.45 Pa/(W·m-2)，根内木质部传导阻力与灌水定额呈指数函数，根内木质部传导阻力随灌溉定额的增大而增大，根内木质部传导阻力占土根总阻力的0.409%～0.512%(见图11)。根系吸收阻力为7.11×102～1.19×103Pa/(W·m-2)，根系吸收阻力与灌水定额呈对数函数，根系吸收阻力随灌溉定额的增大而增大，根系吸收阻力占土根总阻力的42.45%～53.37%(见图12)。

图11 根内木质部传导阻力与灌水量的变化关系Fig.11 The relationship between the resistance to water conduction in root xylem and irrigation amount

图12 根系吸收阻力与灌水量的变化关系Fig.12 The relationship between the root resistance to water adsorption and irrigation amount

土根总阻力为1.68×103～2.24×103Pa/(W·m-2)，土根总阻力与灌水定额呈对数函数，土根总阻力随灌溉定额的增大而增大(见图13)。在重要性方面土根接触阻力、根系吸收阻力、根内木质部阻力、土壤阻力。

图13 玉米土根总阻力与灌水量的变化关系Fig.13 The relationship between the total resistance of soil-root and irrigation amount

3.4 地上部分各阻力随灌水量的变化规律

滴灌灌水定额为450～600 m3/hm2，膜孔灌灌水定额为825 m3/hm2时，地上部分植物内部的传导阻力为1.63×103～2.45×103Pa/(W·m-2)，地上部分植物内部的传导阻力与灌水定额呈对数函数，地上部分植物内部的传导阻力随灌溉定额的增大而增大(见图14)。水汽扩散阻力为1.63×103～2.45×103Pa/(W·m-2)，水汽扩散阻力与灌水定额呈对数函数，水汽扩散阻力随灌溉定额的增大而增大，水汽扩散阻力是地上部分植物内部传导阻力的96～126倍(见图15)。

图14 地上部分植物内部的传导阻力与灌水量的变化关系Fig.14 The relationship between transfer resistance inside the plant above ground and irrigation amoun

图15 水汽扩散阻力与灌水量的变化关系Fig.15 The relationship between the water vapor diffusion resistance and irrigation amount

3.5 SPAC系统总阻力随灌水量的变化规律

滴灌灌水定额为450～600 m3/hm2，膜孔灌灌水定额为825 m3/hm2时，SPAC系统总阻力为2.10×105～2.41×105Pa/(W·m-2)，SPAC系统总阻力与灌水定额呈对数函数(见图16)。在各界面阻力中，叶气界面阻力占总阻力的98%左右，植物内部阻力(根内木质部传导阻力、根系吸水阻力、地上部分植物内部的传导阻力)占总阻力的1.11%～1.52%，土根接触阻力占总阻力的0.43%～0.46%，土壤阻力所占总阻力比重较小。

图16 玉米开花期SPAC系统总阻力与灌水量的变化关系Fig.16 The relationship between the totle resistance and irrigation amount on SPAC to corn florescence

4 结 语

(1)膜下滴灌条件下450、 525、600 m3/hm2的灌水定额对玉米的株高影响不大，但单株叶面积随着灌水定额的增大而增大；玉米根系主要分布于0～40 cm，在该土层根系重量所占的百分比分别为83.74%、 92.94%、93.55%。

(2)膜下滴灌条件下玉米根水势、茎水势、叶水势均随灌溉定额增大而减小，根水势为叶水势的5～6倍。相比对照，叶气水势差略有所减小，土根、根叶水势差均有所增大。所测结果与Gardner(1964、1968年)、康绍忠(1993年)、郭庆荣(1994年)、Hilled,D(1974年)提出的结果较为接近。

(3)土壤阻力与灌水定额呈幂指数函数，土根接触阻力、根内木质部传导阻力与灌水定额呈指数函数，根系吸收阻力与灌水定额呈对数函数；土壤阻力占土根总阻力的0.003 7/10 000～0.001 6/10 000，根内木质部传导阻力占土根总阻力的0.409%～0.512%，土根接触阻力占土根总阻力的46.12%～57.15%，根系吸收阻力占土根总阻力的42.45%～53.37%。因此，在水分在地面以下传输过程中的重要性为土根接触阻力>根系吸收阻力>根内木质部传导阻力>土壤阻力，这与文献[1]提出的在地下部分水流阻力的各个分量中，根系吸收阻力占主导地位有所差异，但文献[1]是以冬小麦为研究，而本文以夏玉米为研究对象，因此，这种差异性存在。

(4)地上部分植物内部的传导阻力、水汽扩散阻力与灌水定额呈对数函数，水汽扩散阻力是地上部分植物内部传导阻力的96～126倍。

(5)在各界面阻力中，叶气界面阻力占总阻力的98%左右，植物内部阻力(根内木质部传导阻力、根系吸水阻力、地上部分植物内部的传导阻力)占总阻力的1.11%～1.52%，土根接触阻力占总阻力的0.43%～0.46%，土壤阻力所占总阻力比重较小。叶-气之间的水流阻力比土-根之间要大50陪，在叶-气系统中气孔阻力是边界层阻力的3～5陪左右(康绍忠，1993年)；水在传输过程中，势能有较大降低，水从叶扩散至大气过程的水流阻力最大(张喜英，1995年)。

□

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