红壤干旱过程中剖面水分特征与土层干旱指标

1、第23卷第4期2007年4月农业工程学报T ran sacti on s of the CSA E V o l .23N o.4A p r .2007红壤干旱过程中剖面水分特征与土层干旱指标陈家宙,吕国安,王石,张丽丽(华中农业大学农业部亚热带农业资源与环境重点开放实验室,武汉430070摘要:农田水分管理以及产量评估都需要对土壤作物受旱状况定量化和指标化。干旱强度和干旱程度结合才能完整地描述土壤作物干旱状况,土壤干旱强度I 是土壤剖面失水速率的函数,干旱影响逐渐累积并增强就构成干旱程度D ,据此提出了包含I 和D 二个指数的土层干旱指标表达模式。通过红壤小区种植玉米并在抽穗期开始设置连续干旱

2、1236d 等6个不同的处理,研究了红壤干旱过程中剖面水分特征和干旱指标。结果表明:供试红壤干旱过程中剖面40c m 以下含水率下降幅度很小,玉米主要利用了040c m 土层的水分,监测3040c m 土层含水率的变化情况可以指示玉米受到干旱胁迫的程度。连续干旱25d 后40c m 以下土层含水率明显降低,玉米产量也显著下降,此时060c m 土层和3040c m 土层的干旱程度D 均为0.55,可用此指标作为灌溉的依据。关键词:土壤干旱;土层干旱指标;干旱强度;干旱程度;红壤中图分类号:S 152.7文献标识码:A 文章编号:100226819(2007420011206陈家宙,吕国安,王石

3、,等.红壤干旱过程中剖面水分特征与土层干旱指标J .农业工程学报,2007,23(4:11-16.Chen J iazhou ,L üGuoan ,W ang Sh i ,et al.So il mo istu re characteristics of red so il p rofile in drying cou rse and so il layer drough t index J .T ran sacti on s of the CSA E ,2007,23(4:11-16.(in Ch inese w ith English ab stract 收稿日期:2006203

4、229修订日期:2006211216基金项目:国家自然科学基金项目(40301019作者简介:陈家宙(1968-,男,博士,副教授,主要从事水土资源利用研究。武汉华中农业大学资源与环境学院,430070。Em ail :jzchen m ail.hzau .edu .cn 0引言土壤水分不足是农田系统常见现象,即使在南方红壤湿润区也存在严重的季节性干旱。土壤水分减少既是大气干旱的结果,又是引起植物干旱的主要原因,因此在干旱预测评价与灌溉管理中,土壤水分状况很关键,是重要的干旱指标。目前有许多评价土壤-作物系统干旱的指标1-5,如气象指标(降水量、降水平距、无雨日数等、土壤含水率指标(植物可吸收

5、水、土壤含水率或水势等、作物形态和生理指标(茎直径、叶水势、气叶温差、气孔导度、细胞汁液浓度等、综合指标(水分供需比、作物水分胁迫指数等。有的指标定性为主,适合于评价大区域的干旱状况2,有的则定量精细,可用于评价单个地块的干旱程度,但能准确识别各级干旱的指标很少。土壤含水率指标是目前研究比较成熟,且能较好反映作物旱情状况的指标,它主要根据土壤含水率相对于田间持水量的百分数多少来判断土壤作物干旱状况,其具体数值随作物类别、品种及生长阶段而变化1,3。但是静态的土壤含水率包含的信息有限,以相对含水率或绝对含水率作为干旱指标是有欠缺的。适度的土壤干旱在有些作物上不会导致明显减产,在特定的作物和栽培条

6、件下,土壤干旱程度存在一个临界值6-11,超过该临界值作物生长受到明显抑制,生理指标和产量显著下降,本文称这种土壤干旱程度为土壤干旱阈值。确定干旱阈值对指导灌溉具有很重要意义,描述土壤干旱阈值必须有合适的土壤干旱指标。在众多指标中,由Idso 和Jack son 等12,13提出的一个建立在冠气温差基础上的作物水分胁迫指数(C W S I 使用最广泛,得到了很多研究者的认同6,14,15,理论上,CW S I =1-(实际蒸散 潜在蒸散,由于其计算因子取值非常困难,实际常应用经验模式11,CW S I =(T -T m in (T m ax -T m in ,其中,T 、T m in 、T m

7、 ax 分别是实际的冠气温差(T c -T a 、充分供水的冠气温差、极限缺水的冠气温差。但CW S I 也存在一些不足:(1即使采用经验公式,T m ax 、T m in 的测量还是困难15;(2CW S I 值在一些条件下超出01范围16,17;(3受气象变化影响严重,例如,在同一天不同时间测量,CW S I 变化于0.100.3518,指标的确定比较困难;(4偏重于作物对干旱的反应,作物冠层覆盖差或裸土条件下,无法评价土壤干旱状况;(5不能确定灌水量。此外,单一的CW S I 指数值包含的干旱历史信息少,不能很好地反映过去一段时间的干旱状况。本文首先以土壤水分变化为中心,提出了一个新的土

8、层干旱指标,包括干旱强度I 和干旱程度D ,作为对土壤含水率指标的改进和CW S I 的补充,来定量表达土壤干旱状况;然后研究了红壤干旱过程中剖面水分动态和玉米产量,确定了玉米对红壤干旱产生阈值反应时的11土壤干旱程度D值即土壤干旱阈值,以期为评估土壤作物干旱状况并为灌溉时机的选择提供依据。1土层干旱指标模式的建立土壤干旱是一个逐渐发展的过程,土壤水分散失速度就是干旱强度,其大小与作物目前生长状况没有直接固定关系;干旱逐渐积累达到一定水平就是干旱程度,即目前的干旱状况,反映了作物受干旱影响的程度。因此,土层干旱指标包含干旱强度I和干旱程度D二个指数。一方面,对干旱强度而言,土壤-植物干旱的实质

9、是植物失水速率超过根系吸水速率,它们分别与土壤失水速率和土壤供水速率呈正相关,故土壤-植物干旱强度可用土壤失水与供水关系表示。对某一个土壤层次,本文定义土层干旱强度I如下I=1-土层失水速率土层供水速率=1-f(土层水分变化=1-f(w(1其中,土层失水包括蒸发、根系吸收(蒸腾、向下分配等全部水分减少量,与大气蒸发力、作物生长状况和土壤持水能力相关;土层供水与土壤性质(如导水率和持水状况相关;f(w表示土层失水与供水关系函数。土层失水(无论是向上蒸散还是向下分配速度越快,表明土壤干旱强度越大,能够反映土层水分损失速度的函数可以作为f(w,本文用经验公式表示如下I=1-f(w=1-e(1+a(2

10、式中a回归经验参数,其计算过程是:无水分胁迫时土层有效水贮量为x0(mm,即用田间持水量减去萎蔫含水率,田间持水量时土壤无水分胁迫,土层初始有效贮水量为x1(mm,干旱开始后,土层每日损失水分w i(mm,当日剩余有效水为x i(mm,每日相对失水量为r i=w i x i,至该日累积相对失水量为y i=r i,干旱n天后,得到两个随时间变化的序列,即剩余有效贮水量序列X=(x1,x2,x n和累积相对失水量序列Y=(y1,y2,y n,进行回归得到对数方程Y =a×ln(X+b,回归系数即为参数a。试验数据和模拟数据证明,一般情况下回归方程的决定系数R2>0. 99,Y与X呈

11、极显著负相关,a<0,I的计算值始终落在0,1区间。进一步分析发现,回归系数a具有以下特征:(1a<0;(2土层连续n天无失水时,a=-1,失水过程 a >1,得水过程 a <1;(3失水速率越慢(w i 越小, a 越接近1,相反越远离1。可见,a很好地反映了整个过程的干旱速率。此外,从回归方程Y=a×ln(X+b可以看出:a=f(XY=f(土层失水速率土层供水速率=f(w(3 a值反映了土层失水与供水关系,本质上就是函数f(w,干旱强度I只是对其进行了指数化。另一方面,对干旱程度而言,土壤-植物系统干旱是一个逐渐发展的过程,植物受干旱胁迫的伤害也是逐渐累积

12、的,因此有理由认为土壤失水与供水的历史决定了当前的水分供需关系和干旱程度,即干旱程度是干旱强度累加值的函数,据此,构造干旱程度指标D如下D=1-x1x0e-I(4式中x0土层无水分胁迫时有效水贮量;x1土层初始(开始监测含水率时有效贮水量;I累积干旱强度,计算时可以取合理的任意天数。D的计算值始终落在0,1区间,该值越大,表明作物受到土壤水分干旱胁迫程度和伤害越严重。在计算I和D时,根据监测的土壤含水率的资料来确定计算土层和时间序列,如果某土层含水率低于萎蔫含水率,D则取值1。土层一般取根层,也可以分层计算;时间可以1d为间隔,也可以多日为间隔。2材料与方法为了验证与应用土层干旱指标I和D,2

13、005年5 10月在湖北咸宁进行了田间玉米干旱胁迫试验。供试土壤为第四纪红色黏土发育的红壤,质地为黏土,pH 值6.52,表层有机质、速效氮磷钾含量分别为3.11 g kg、22.5m g kg、2.94m g kg、143.77m g kg,有机质含量很低,060c m各层容重变化于1.141.46 g c m3,田间持水量变化于0.31750.3547c m3 c m3,萎蔫含水率变化于0.20330.2431c m3 c m3。试验地块平坦,用不透水铝塑板分隔为面积相同的矩形小区,每个小区2.7m×1.2m=3.24m2,铝塑板插入地下110c m,露出地表10c m,小区之间

14、地表和根系层互不串水。小区内种植玉米,播种前和出苗后一段时间内,所有小区进行相同的管理,保证各小区土壤水分状况相同并且没有水分胁迫。在玉米抽穗期(7月15日开始通过遮雨棚防雨和人工控制灌水进行土壤水分胁迫,设置6种干旱水平,即分别连续干旱12d、21d、25 d、28d、33d、36d后恢复正常灌水,各处理分别记为D12、D21、D25、D29、D33、D36,重复3次。在玉米生长过程中,不定期多次跟踪测量玉米形态与生理指标,收获后考种。每个小区内各埋入1根PR1型(英国D elta2T公司生产长度100c m的分层测水仪探管,每日上午测量10、20、30、40、50、60c m各层土壤体积含

15、水率,计算各21农业工程学报2007年层总贮水量和有效水贮量x i ,前一日土壤贮水量与当日贮水量之差为失水量w i ,失水量与当日有效水贮量之比为相对失水量r i 。土壤水分特征曲线用压力膜仪测量,并以-30kPa 基质势对应的含水率作为田间持水量,以-1.5M Pa 基质势对应的含水率作为永久萎蔫点,超过萎蔫点的含水率视为有效水含量;其他项目测量用常规方法;数据统计分析和曲线回归用SPSS 软件进行。3结果与分析3.1土壤不同干旱程度下玉米生物量和产量试验结果表明,土壤干旱对玉米地上部生长和产量都有明显的影响,随着干旱程度加强,对玉米生长的抑制也加强,玉米对土壤干旱存在明显的阈值反应。图1

16、所示数据统计分析显示,对生物量干重,处理D 12、D 21、D 25、D 29与处理D 33、D 36之间存在显著差异;对生物量鲜重,处理D 12、D 21、D 25与处理D 29、D 33、D 36之间存在显著差异。处理D 29的生物量干重和生物量鲜重分别为处理D 12的89%和 83%。这说明,在土壤干旱2529d 的时候,玉米生物量出现明显的下降,表现出对干旱的阈值反应,其中,鲜重比干重更明显,而且阈值出现更早,这也表明鲜重对干旱的反应比干重对干旱的反应更敏感。图1土壤不同干旱处理下单株玉米的生物量F ig .1Individual p lan t b i om ass of m aiz

17、e under differen t so il drough t treatm en ts图2土壤不同干旱处理下单株玉米的产量F ig .2Individual p lan t yield of m aize under differen t so il drough t treatm en ts图2结果表明,玉米穗干重和籽粒产量有与生物量类似的明显的干旱阈值反应。土壤干旱使玉米产量降低,处理D 21的穗干重和籽粒分别为处理D 12的93.1%和93.3%,而在干旱达到25d 之后,很快降到处理D 12的80%以下。统计分析表明,对玉米穗干重和籽粒产量,处理D 12和D 21之间无显著差异,

18、而与处理D 25、D 29、D 33、D 36之间存在显著差异。结果表明,在本试验条件下,土壤干旱2125d 的时候玉米产量出现干旱阈值反应。3.2干旱过程中土壤剖面水分特征图3列出了不同处理在干旱开始时和结束时060c m 剖面含水率的分布情况,总的趋势是随着干旱进行,各土层含水率逐渐降低,但仍有一些有意义的特征。含水率首先从表层开始降低,010c m 和1020c m 土层含水率降低速度很快;干旱持续21d 之后,2030c m 和3040c m 土层含水率开始明显降低;继续干旱持续到29d ,土层60c m 处含水率几乎稳定在田间持水量(0.35c m 3 m 3左右不变,直到33d 才

19、明显降低,但仍然保持了0.30c m 3 m 3左右的较高水平。以上结果表明,作物主要利用了040c m 土层的水分;当30c m 处含水率明显降低的时候(处理D 25,作物已经受到了干旱胁迫的影响,产量下降;当60c m 处含水率明显降低的时候(处理D 33,土壤干旱对作物已经造成严重影响。供试红壤干旱过程中剖面水分最明显特征是40c m 以下水分难以利用,这与红壤的持水和供水特征有关。各土层含水率不同的变动特征对土壤干旱程度评价有不同的意义。图3表明,20c m 处土壤含水率变动快,变化幅度较大,而且出现不稳定的波动,即不同处理的20c m 土层含水率之间没有表现出明显的规律;60c m

20、处土层含水率变化迟缓,幅度小,对干旱反应不敏感;只有土层30c m 或40c m 处含水率的变动情况可以指示作物受到干旱胁迫的程度,因此监测3040c m 含水率比监测表层含水率更有意义。3.3干旱过程中土层干旱指标的特征为了说明干旱程度D 与土层干旱状况的关系,图4列出了处理D 36在干旱过程中各土层干旱程度D 的变化情况。总体看来,随着干旱时间延长,各土层干旱程度D 几乎呈直线增加。上层土壤(010c m 、1020c m 、2030c m 的D 增加很快,干旱持续时间不到36d 的时候,这几个土层的干旱程度已经达到最大值1;3040c m 土层在干旱初期由于不失水或失水很少,D 值缓慢增

21、加,干旱持续22d 左右之后,D 值增加速度变快,说明此时这2个土层开始明显失水,与图3结果一致;4050c m 和5060c m 土层的D 值变化趋势很相似,都是随干旱持续而缓慢增加,2条曲线几乎平行。引人注31第4期陈家宙等:红壤干旱过程中剖面水分特征与土层干旱指标图3不同处理在干旱开始和结束时红壤剖面含水率分布F ig.3So il mo istu re distribu ti on of red so il p rofile at the beginn ing and end of so il drough t under differen t treatm en ts意的是,5060

22、c m土层的D值明显小于其他土层,并且在长达36d的干旱过程中增加幅度很少,表明该层土壤水分状况受干旱过程影响不大,这一方面说明该土层始终保持了较高的含水率,另一方面说明该土层水分向上运输少,向上层土壤补充水分少,如果作物根系不能达到该层,则该层土壤水分很难被作物吸收利用。这一结论与许多研究结果(即干旱季节红壤50c m以下含水率并不低但难以利用一致,这从侧面说明土层干旱程度D很好地表达了土壤的干旱状况。各处理在干旱结束时(抽穗期不同土层的干旱程度D列于表1,结果表明,随着干旱时间延长,各土层干旱程度D都增加,达到最大1为止(此时土层平均含水率低于凋萎系数,D值的大小与实际土壤干旱程度大小一致

23、。不同土层有不同的表现特征,对于010c m表层,D值全部达到了1,实际上在本试验条件下,该层土壤失水很快,连续干旱7d时010c m贮水量已经低于凋萎含水率,作物很难再从该层吸收水分,但不排除接近10c m附近的含水率高于凋萎系数,作物仍可吸收该处水分,D反映的是该层平均状况。对于1020c m和2030c m土层,随干旱延长,D值增加也很快, 分别在图4土壤干旱过程中处理D36各土层干旱程度D的变化F ig.4Changes of so il layer drough t degreeunder treatm en t D36du ring so il drough t peri od干旱

24、33d和36d之后达到1,从而不能继续表达土壤干旱状况;而3040c m和4050c m土层的D值则平稳增加,在干旱持续36d后D值也没有达到1,这二个土层在很长的时间、很大的干旱范围内其干旱程度可以用D值表达。5060c m土层的D值变化很缓慢,D值变化幅度很小。上述各土层D值的变化特征与上文描述的各土层含水率变化特征有相似之处,表明干旱程度D41农业工程学报2007年 值比较真实地反映了土层的水分变动情况。表1不同处理干旱结束时(玉米抽穗期土层干旱程度DT ab le 1So il layer drough t degrees under differen t treatm en ts a

25、t the end of so il drough t (m aize heading peri od 处理土层干旱程度D010c m1020c m 2030c m 3040c m 4050c m 5060c m 060c m D 12 1.00001.00001.00000.67680.46250.31741.0000对于干旱强度I ,由于各处理是在相同的条件下进行连续干旱,外部气象条件和种植的作物一致,不同处理之间比较意义不大。不同干旱处理之间干旱强度I 没有明显的规律;但不同土层之间的干旱强度存在差异,从表层往下土壤干旱强度降低,表明越往下层土壤失水速度越慢,如图5所示。试验结果显示,0

26、60c m 不同土层干旱强度变化于0.0160.16之间,平均为0.11,这就是在本试验条件下红壤-玉米的干旱强度。图5干旱处理D 36不同土层在干旱期间平均干旱强度IF ig .5A verage drough t in ten sities at differen t so il layers du ring so il drough t peri od fo r treatm en t D 364结论与讨论据估计,各国应用的干旱指标有50多种,农业干旱指标也有很多,但能准确识别各级干旱的并不多。本文提出用两个指标结合来表达土壤干旱状况,干旱强度I 表示的是土层目前向干旱发展的快慢,其大小并不反映作物受旱状况;干旱程度D 则表示土层目前已经形成的干旱现状,定量地表达了土壤的干旱程度。D 很好地反映了干旱历史对当前干旱程度的影响,D 是过去的干旱程度与当前干旱强度的综合,而且是定量的、连续的,较好地反映了整个干旱过程,其大小反映了作物受旱状况,可以评价土壤作物干旱状况从而用于指导灌溉。可见,用两个指标结合来定量表达土壤干旱状况比用单一的指标更加符合干旱的实际过程。试验结果统计分析表明,从玉米抽穗