层状土壤水分对植物有效性研究

胡心悦

(青海湟川中学，青海 西宁 810000)

土壤水是农业、环境、林业、水文等研究领域的关键因子。天然降雨经入渗过程分为径流水和土壤水，若土壤水分入渗到深层或进入地下水，那么植物将无法利用。近年层状土壤水分运动的动力学研究受到广泛关注，可以利用层状土的毛管障碍提高土壤的储水量，减小渗漏，层状土广泛用于垃圾填埋、矿区修复。Stormont和Morris研究了入渗过程水分在层状土中的分布，发现两层土交界面会形成毛管障碍，使水分在上层土暂时停留[1]。毛管障碍有使水分在表层土中短暂累积的能力对植物蒸腾作用来说意义重大，利于植物生长，增加产量[2]。Ityel等发现通过人工构造毛管障碍可以增加胡椒的产量，在根层下铺设砾石层(直径在10 mm～30 mm)，根区的水分增加20%～70%，与质地和毛管障碍所处位置有关[3]。上层土壤缺水会对植物生长产生重要影响，尤其当植物大部分根系都集中在土壤表层时，影响更大[4]。田间表土经常对植物构成干旱胁迫，然而更深层的土壤可能会有充足的水分供植物利用。表层的极端干旱情况对于深根植物的枝叶生长和叶片水分状况影响不大，但对浅根植物的影响很大[5,6]。Huang和Fu研究表明深层土壤水分能被根系吸收传输到浅层土壤，说明当表层土壤水分不足时，只要深层土壤有足够的水就能维持植物的生长[7]。即使大部分根系处在干旱的土壤里，如果植物拥有合理分布的根系系统也能利用有限的土壤水使气孔导度和叶片水分状况维持在较高水平[8]。

不同结构层状土的毛管障碍作用情况不同，苜蓿根系在不同结构层状土的分布情况也不同[9]，这些必然影响苜蓿的生长，笔者通过研究不同层状土上苜蓿的耗水规律，及群体光合速率，评价不同层状土结构对植物生长的适宜性，为新土体构建提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 实验设计

供试土样采自内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗境内，四种土壤分别是沙土、砒砂岩、黄绵土和红粘土(表1)。

表1 供试土壤物理性质

1.2 土柱系统

实验采用高100 cm的透明有机玻璃圆柱，顶端有卡环，悬挂在称重传感器SSM-AJ-50(Interface Inc, Scottsdale, Arizona, USA)上，连续动态测量土柱的质量变化。土柱侧面每隔10 cm开有一组小孔，共八组，用以安装时域反射仪探头，实时测量剖面的含水量变化。底部有带孔玻璃挡板以及排水口，保持排水通畅。在数据采集器CR1000(Campbell Scientific Inc, Logan, UT, USA)控制下自动测量土壤含水量和土柱质量的变化。

1.3 群体光合测量系统

研究基于Li-6400便携式光合仪(Li-Cor, Inc, Lincoln, NE, USA)，在闭合气路模式下，用软管分别将IRGA与群体光合叶室出气管相连，并把与叶室相连的口密封，另一根软管把Li-6400光合仪主机进气口与群体光合气室进气口连接起来。气室呈圆柱状，直径23.2 cm，高32 cm。用不锈钢做固定底圈，侧面采用聚碳酸酯透明薄板，顶端用有机玻璃板固定。气室顶端安装有风扇，使室内气体充分混合，风扇用12v电源供电。

1.4 实验过程

装土前在土柱底层铺一张滤纸，防止土样从挡板的小孔中漏出，沙土、黄绵土、砒砂岩和红粘土分别按照1.61 g·cm-3、1.48 g·cm-3、1.46 g·cm-3、1.46 g·cm-3的容重分层装土，层间用毛刷打毛，同时安装长12 cm的时域反射仪探头，并用中性玻璃胶把时域反射仪探头与土柱间的缝隙密封。共设置4种不同的层状土构型(图1)，每个构型3个重复。装土结束后，将土柱挂上铁架，调试好测量系统。首先进行入渗试验将土柱饱和。2014年6月，土柱上施用化肥(尿素和磷肥)，然后将提前育好的苜蓿苗移栽到土柱上，每个土柱上4棵，在土柱表面铺3cm的蛭石，抑制土壤蒸发。苜蓿栽培期提供充分的水分，使苜蓿处于无水分胁迫的条件。7月1日后，苜蓿生长稳定，为方便控水，下雨时用遮雨棚将苜蓿遮挡。从7月29日开始，每隔半个月左右，选取晴朗无风天气，使用上述群体光合测量系统，在上午10点对苜蓿进行一次光合测量。

图1 各层状土处理土壤分层示意

2 结果与讨论

2.1 不同类型层状土苜蓿蒸腾耗水规律

6月1日到7月1日因苜蓿幼苗小，生长不稳定，且温度高，为保证苜蓿成活，土柱灌水频繁。 7月1日后苜蓿生长稳定，土柱表层覆盖3cm厚蛭石，土柱质量减少量可近似作为苜蓿的蒸腾量。7月1-20日黄-沙-红型土柱苜蓿蒸腾耗水主要集中在上层的黄绵土和中层的沙土，7月20日以后红粘土层的含水量在才开始下降。7月1-15日黄-红-沙型土柱苜蓿耗水主要集中在黄绵土层和沙土层，7月28日到8月8日红粘土层含水量急剧下降，含水量在0.1 cm3·cm-3左右稳定，此时的土壤含水量为苜蓿的难效水(图2)。7月1～15日沙-黄-砒型土柱苜蓿蒸腾所需的水分主要集中在上层沙土，7月15日以后中层黄绵土和下层砒砂岩的水分才开始下降。7月1-8日黄-砒-沙型层状土苜蓿蒸腾耗水主要集中在上层黄绵土和下层沙土，7月8日后黄绵土、砒砂岩含水量开始下降，到8月5日砒砂岩层含水量稳定在0.15 cm3·cm-3左右，此时砒砂岩的含水量为苜蓿的难效水(图2)。

有效水含量根据土壤实测含水量减去土壤的萎蔫含水量计算而来，四种类型层状土的有效水分布有很大差异(图3)。7月20日之前，黄-沙-红、黄-红-沙、黄-砒-沙三种层状土0～29 cm有效水含量差异不显著，沙-黄-砒型层状土0～29 cm有效水含量明显低于其他三种层状土有效水含量。7月20日后，四种层状土0～29 cm有效水含量差异不显著，主要随灌水波动。黄-沙-红型层状土29～58 cm土壤有效水在4月4日到5月25日之间迅速下降，5月25日到7月8日间基本维持不变，7月8日到8月8日间继续下降，直至接近0。黄-红-沙型层状土和黄-砒-沙型层状土29～58 cm土壤有效水变化趋势一致，在4月4日至7月25日间缓慢下降，7月25日至8月6日间迅速下降。沙-黄-砒型层状土29～58 cm有效水在4月4日至8月6日间仅有微小下降，8月6日至10月20日持续下降，直至0点附近，在8月28日和9月28日两次灌水36 mm和48 mm，水分入渗到该层，使该层的含水量增加。黄-沙-红和沙-黄-砒型层状土59～87 cm有效水含量在4月4日到7月25日间维持不变，7月25日以后开始下降。黄-红-沙和黄-砒-沙型层状土59～87 cm有效水在4月4日到4月28日间维持不变，4月28日以后开始下降。

图2 裸土蒸发与植物生长过程水分动态变化

图3 土壤蒸发与植物蒸腾过程各土层有效水含量变化

2.2 苜蓿蒸腾及群体光合速率

7月份黄-红-沙、黄-砒-沙型层状土苜蓿蒸腾量比黄-沙-红、沙-黄-砒型层状土苜蓿蒸腾量高，前者蒸腾量比后者高55 mm以上。8月份黄-沙-红、沙-黄-砒型层状土上苜蓿蒸腾量比黄-红-沙、黄-砒-沙型层状土蒸腾量高，前者蒸腾量比后者高49 mm以上。黄-沙-红和沙-黄-砒型层状土苜蓿蒸腾量差异不显著，黄-红-沙、沙-黄-砒型层状土的蒸腾量差异不显著。9月份黄-沙-红型层状土上苜蓿蒸腾量比黄-红-沙、沙-黄-砒型层状土苜蓿蒸腾量高27 mm以上，比沙-黄-砒型层状土苜蓿蒸腾量低25 mm(表2)。

表2 2014年各月裸土蒸发或植物蒸腾量

图4 不同类型层状土苜蓿净光合作用速率

7月29日到9月2日叶片温度在32℃以上变化，9月2日以后叶片温度随着气温开始下降。7月29日到9月2日，四种类型层状土上苜蓿群体光合速率呈上升趋势，9月2日后变化不明显，主要因为温度下降影响植物的光合作用。7月29日到8月26日，黄-红-沙、黄-砒-沙型层状土群体光合速率基本没增加，9月2日光合速率有所增加，9月2日后光合速率变化不明显。7月29日以后，黄-沙-红与沙-黄-砒型层状土苜蓿群体光合速率明显比黄-红-沙与黄-砒-沙型层状土苜蓿群体光合速率大，而黄-沙-红与沙-黄-砒型层状土苜蓿群体光合速率差异不显著，黄-红-沙与黄-砒-沙型层状土苜蓿群体光合速率差异不显著。从8月18日到10月5日，整体上黄-沙-红和沙-黄-砒型层状土苜蓿群体光合速率大于黄-红-沙和黄-砒-沙型层状土苜蓿群体光合速率。主要因为黄-红-沙和黄-砒-沙层状土有效水含量有限，当土壤中的有效水减少，限制苜蓿生长时，植物的光合速率会受到抑制[7]。黄-红-沙型和黄-砒-沙型层状土水分由最底层向上运动时，不存在毛管障碍，黄-沙-红和沙-黄-砒型层状土存在毛管障碍，尤其沙-黄-砒型层状土，第二层土壤的水分直到8月6日才有所下降。所以在7月份，黄-红-沙和黄-砒-沙型层状土上的苜蓿很容易获得大量的水分用以蒸腾作用，而黄-沙-红、沙-黄-砒上的苜蓿蒸腾作用较弱。7月份黄-沙-红和沙-黄-砒型层状土上苜蓿蒸腾量比黄-红-沙和黄-砒-沙型层状土苜蓿蒸腾量少55 mm以上(表2)。但在是7月29日，四种层状土苜蓿群体光合速率差异性并不显著(图4)，也未观察到黄-沙-红和沙-黄-砒型层状土上苜蓿叶片枯萎或叶片狭长等现象。McCoy等研究表明当土壤水分亏缺时，粗质土水分扩散率迅速降低，而细质土与粗质土相比仍维持较高的扩散率，粗质土低水分扩散率激活植物抗水分胁迫能力[10]。7月份黄-沙-红的红粘土层和沙-黄-砒的黄绵土层水分有所下降(图3)，说明下层水分少量向上运移，供植物蒸腾利用。黄-沙-红和沙-黄-砒型层状土供水虽少，但即使在白天高需水条件下苜蓿受到短暂干旱胁迫，在夜晚低需水条件下也能得到恢复。7月份黄-红-沙和黄-砒-沙型层状土上的苜蓿供水充分，蒸腾失水较多，8月份除了上层灌水用于蒸腾外，中间层和下层几乎无水可用。黄-红-沙和黄-砒-沙型层状土的苜蓿蒸腾量从7月份的196 mm和183 mm降低到8月份72 mm和66 mm。黄-沙-红和沙-黄-砒上的苜蓿蒸腾量仍维持在120 mm左右。黄-沙-红和沙-黄-砒型层状土因毛管障碍的存在使水分向上运输收到抑制，苜蓿吸水困难，很快启动抗旱机制，减小蒸腾作用，下层土起到蓄水作用，待上层土壤水分用尽时，根系已生长到下层土，可以利用下层土的土壤水分维持生长。黄-红-沙和黄-砒-沙型层状土水分容易从下向上运输，苜蓿一直维持较高的蒸腾作用，没有触发苜蓿的抗旱机制，当苜蓿受到干旱胁迫时，水分已几乎用尽。

3 结论

通过土柱构造不同的层状土体，种植苜蓿进行模拟试验，为田间层状土体构造提供参考。试验结果显示，苜蓿在生长初期，根系主要分布在土柱上部，黄-沙-红和沙-黄-砒型层状土因毛管障碍作用强烈，下层水分向上运动受到抑制，可供苜蓿蒸腾的水分有限，苜蓿受到干旱胁迫，从而减小蒸腾作用；待根系长到下层土时，可以继续利用下层土的水分维持生存。而黄-红-沙和黄-砒-沙型层状土上的苜蓿一直维持较高的蒸腾速率，待受到干旱刺激时，还未启动抗旱机制，减小蒸腾作用，土柱已无水可用。所以黄-沙-红和沙-黄-砒型层状土苜蓿群体光合作用速率一直大于黄-红-沙和黄-砒-沙苜蓿的群体光合作用。以群体光合作用速率评价层状土对植物生长的适宜性，黄-沙-红和沙-黄-砒型层状土更适宜植物生长。