刘浩翔

摘 要：为减少农田无效土壤蒸发，提高水分生产力，亟需综合利用多种方法准确区分农田蒸散发，为优化农田灌溉管理措施提供科学依据。本文采用野外土壤观测和室内同位素分析，并运用水量平衡和同位素守恒定于，获得了三种不同灌溉施肥条件下的各深度土壤水分动态和蒸发蒸腾比例。结果表明：冬小麦返青-拔节、拔节-抽穗、抽穗-灌浆和灌浆-收获期根系吸水深度分别为0-20、20-70、70-150cm和70-150cm;根系吸水深度随不同灌溉施肥条件和各生育期变化而不同。表层0-20cm土壤水同位素最为富集，且变化幅度最大。总体来说各方案的蒸发蒸腾比例基本一样，但是不同生育期变化非常大。

关键词：农田;生态系统;蒸散发;水量平衡;同位素

中图分类号：S271 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）06-0224-03

0 引言

我国的农业用水在全社会总用水量中占很大比重。根据当前我国十三五的农业政策、节水政策，目前应大力发展节水农业。农田蒸散发分割对农业节水灌溉和水资源管理具有重要的指导意义。为减少农田无效土壤蒸发，提高水分生产力，亟需综合利用多种方法准确区分农田蒸散发，为优化农田灌溉管理措施提供科学依据。

为提高灌溉水利用率，需要研究农作物的耗水规律，传统的农作物耗水规律的研究多是利用水量平衡和能量收支平衡的方法，本研究选择结合水量平衡以及同位素质量守恒来对农田生态系统的蒸散量进行区分。

其中水量平衡即为农田生态系统中的水在循环的过程中始终保持着收支平衡，以质量守恒定律为原理，通过该方法，可对系统中的蒸散发分割计算提供基础。

水体中的氢氧稳定同位素，在水循环过程中存在着明显的分馏现象，在不同的水循环过程中具有不同的同位素值，使氢氧稳定同位素成为水分运移的天然示踪剂。在根系吸水及蒸腾过程中，土壤水含量变化而同位素值不变，蒸发则既改变土壤水含量又改变同位素值，根据土壤水含量及同位素值的变化可以从蒸散发总量中分割出蒸发量与蒸腾量。[1]

本研究以农田生态系统-冬小麦为例，结合氢氧稳定同位素及水文监测研究冬小麦在不同生长期根系吸水深度的变化，分割灌溉条件下农田蒸散发中的作物蒸腾量和土壤水蒸发量，计算深层入渗量，评估当前灌溉条件下灌溉水的利用率，通过以上耗水规律的研究，可以为提高农业用水效率提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 田间试验

研究区农田以棉花-冬小麦-夏玉米种植为主，年平均降水量为540mm，降水多集中于7-9月份，年平均气温12.1℃。农田地下水埋深较浅，约为16m。土壤质地为粉砂质壤土，粘粒成分很少，以砂粒和粉粒为主。

分两次播种后，均于次年夏季初收获。试验共设计3个水肥耦合处理，灌溉施肥方案见表1，其中T3处理参考当地常规灌溉施肥水平，总灌溉量和施肥量分别为300mm和315kg/hm2N。试验分区进行，每个小区面积约6m×5m，每个处理3组重复。两季小麦返青后的第二次灌水时间不同，分别是在拔节-抽穗期及抽穗-灌浆期。选取当地地下水为灌溉水源为，以地面灌溉为灌溉方式。小麦返青后追施尿素，均于播种后次年春季施肥。

1.2 室内同位素分析

冬小麦返青至收获期间分别采集并测定五水循环中不同水体D和18O同位素组成。次降水结束后通过由聚乙烯瓶和漏斗组成的收集器采集降水样，并在漏斗口放置乒乓球以防止水面蒸发，收集的水样迅速转移到50mL聚乙烯塑料瓶中并用封口膜密封。每次灌水时用聚乙烯塑料瓶采集灌溉水50mL并密封保存。土壤水样通过土壤溶液提取器采集，采集深度10，20，30，50，70，90，110，150cm和200cm平均每周采集一次，灌溉和降雨之后加采。当土壤含水量较低无法获取土壤水时，采用土钻钻取土壤样品并迅速装入样品瓶中密封冷冻保存。

土壤和茎秆中的水分采用低温真空蒸馏系统提取。采用LGR液态水同位素分析仪测量分析不同水体的氘氧稳定同位素比率：[2]

（‰）=（Rsample-Rstandard）/Rstandard×1000               （1）

式中，δ是样品中氘（或氧）的同位素组成，Rsample和Rstandard分别是样品和维也纳国际标准平均海水（VSMOW）氢（或氧）的重轻同位素丰度之比（2H/1H或18O/16O），的比值，δD和δ18O的测量精度分别为±1‰和±0.1‰。

1.3 基于水量平衡和氧同位素的蒸散发分割方法

利用土壤水的水量平衡和同位素质量守恒计算灌溉条件下冬小麦农田生态系统的水循环通量，包括蒸发量、蒸腾量和深层入渗量。

mf-mi=mP+mI-mET-mD-mR                    （2）

mET=mE+mT                                 （3）

δEmE+δTmT=δimi+δPmP+δImI-δfmf-δDmD-δRmR（4）

其中，m和δ分别代表不同水体的水量和氧同位素δ18O值，f和i分别代表每次采样的初始和结束时刻，P为降水，D为深层渗漏量（本文中假定为0），R为地表径流量（本文中为0）。方程（2）中結束和初始时刻的土壤储水量（mf和mi）为0-200cm土体内的土壤水含量。降雨量通过气象站测得，灌溉量mI由水表记录，本文中已给出各阶段内的降雨量和灌溉量。

2 结果

2.1 冬小麦不同生育期根系吸水深度

由直接对比法分析可知，冬小麦返青-拔节、拔节-抽穗、抽穗-灌浆和灌浆-收获期根系吸水深度分别为0-20、20-70、70-150cm和70-150cm（如图1），返青-拔节期T1和T3处理的根系吸水深度为0-20cm，T2为0-20cm和20-70cm;拔节-抽穗期T1和T3处理的根系吸水深度为20-70cm;抽穗-灌浆期T2和T3处理的根系吸水深度深达70-150cm，灌浆-收获期除T1处理吸水深度回到浅层土壤（0-20cm和20-70cm）外，其余处理的吸水深度仍位于70-150cm。

2.2 不同水体同位素分布特征

当年冬小麦返青至收获试验期间当地大气降水线（LMWL）分别为：

δD=7.3δ18O+3.6（R2=0.97，P<0.01）

由图2可知，不同深度土壤水同位素值差异显著，表层0-20cm土壤水同位素最为富集，且变化幅度最大，表明0-20cm土壤水发生强蒸发作用，同时受降雨灌溉补给影响。试验期间150-200cm深度土壤水同位素值接近灌溉水的同位素值且无显著变化。作物茎水的同位素基本位于土壤水δD—δ18O同位素拟合线附近，总体落在0-150cm深度土壤水同位素值范围内，由此可推测冬小麦吸收利用0-150cm深度的土壤水。

2.3 冬小麦灌溉条件的蒸散发分割

由表2可知，在T1灌溉施肥条件下，冬小麦在抽穗-灌浆期的蒸散发量最大，为101.1mm;在T2灌溉施肥条件下，冬小麦拔节-抽穗期和穗-灌浆期的蒸发量较大，分别为77.0mm和72.2mm;在T3灌溉施肥条件下，冬小麦蒸散发高值发生在拔节-抽穗期和灌浆-收获期，分别为93.7mm和95.2mm。另外，在三种不同灌溉施肥条件下，拔节-抽穗期的土壤蒸发最小，返青-拔节期土壤蒸发最大。对于T1方案，作物耗水最大值在抽穗-灌浆期;T2条件下，拔节-抽穗期作物耗水量最大，达到74.7mm;在T3条件下，作物在拔节-抽穗期和灌浆-收获期耗水量较高，达到了80mm以上。综合分析，三种灌溉施肥条件的土壤蒸发大致相同，但是T3方案的灌溉量最大，其作物耗水量也是最大，其灌溉量（240mm）全被消耗完。

表3给出了三种灌溉施肥条件下，不同时期的作物耗水强度和土壤蒸发强度。对于T1条件，各时期的土壤蒸发在0.4mm/天-0.8mm/天之间;抽穗-灌浆期作物的耗水强度最大，达到6.1mm/天。对于T2和T3条件，各时期的土壤蒸发和作物耗水的变化大体一致，在作物生长的后期，土壤蒸发很小，而作物高强度耗水发生在拔节-抽穗期和抽穗-灌浆期。比较三种不同的，在灌溉条件充分条件下，土壤蒸发强度和作物耗水强度都是最大的。

表4为冬小麦不同灌溉条件下各时期蒸发与蒸腾比例。可以看出，T1灌溉施肥条件下，各时期的作物蒸腾比例均大于74.6%;在T2灌溉施肥条件下，拔节-抽穗期和灌浆-收获期的作物蒸腾比例较高，高达90%以上，但是其他两个时期的土壤蒸发比例相对较高，高达50%。对于T3灌溉施肥条件下，返青-拔节期蒸发与蒸腾比例接近1：1，但是其他三个时期蒸腾占比在85%-95%之间。总体来说，整个时期三个方案蒸发蒸腾比例相差不大。

3 结语

（1）本文采用野外土壤采样的办法，获得不同埋深的土壤水分数据，运用直接对比法分析冬小麦不同生育期根系吸水深度，冬小麦返青-拔节、拔节-抽穗、抽穗-灌浆和灌浆-收获期根系吸水深度分别为0-20、20-70、70-150cm和70-150cm;根系吸水深度随不同灌溉施肥条件和各生育期变化而不同。

（2）根据室内同位素分析方法，获得了不同深度土壤水同位素值差异显著，表层0-20cm土壤水同位素最为富集，且变化幅度最大，表明表层土壤水蒸发作用强，同时受降雨灌溉补给影响。

（3）运用水量平衡和同位素守恒定律，分割不同灌溉施肥条件下各生育期的蒸发蒸腾比例，总体来说各方案的蒸发蒸腾比例基本一样，但是不同生育期变化非常大。

参考文献

[1] 王鹏，宋献方，袁瑞强，韩冬梅，张应华，张兵.基于氢氧稳定同位素的华北农田夏玉米耗水规律研究[J].自然资源学报，2013，28（03）：481-491.

[2] 杜俊杉，马英，胡晓农，童菊秀，张宝忠，孙宁霞，高光耀.基于雙稳定同位素和MixSIAR模型的冬小麦根系吸水来源研究[J].生态学报，2018，38（18）：6611-6622.