冬小麦根系生长与土壤水分利用方式相互关系分析-地理论文.doc
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1、提要19951996 年在中国科学院栾城农业生态系统联合站布置了冬小麦水分试验,在土壤连续干旱条件下考察了冬小麦返青至成熟阶段根系生长和土壤水分利用方式。给出并验证了可用于分析二者相互关系的定量模型。根据以下两点分析了作物利用土壤水分特征:将土壤含水量开始降低时间视为吸水峰到达某一深度时间;吸水峰下达到某一土层后,土壤含水量即随生育进程以指数形式逐渐降低。愈接近地表的土层,根系分布量愈大,根系日增长率在抽穗期最大,至扬花期根量及根深达最大值,根系吸水范围和深度基本取决于营养阶段根系生长发育状况。返青时,根系已下扎到 1m,根系生长峰与吸水峰基本同步下移,根系下扎到某一土层后继续生长发育,直至土
2、壤有效含水量只剩 40%20% 时为止。根系下扎虽深达 180cm,而且下层根系吸水功能较强,有效水量较大,但终因根系分布量太少,致使作物利用水分的土层深度只达 120cm,吸收的水量大多来自 060cm 土层。在土壤连续干旱条件下,土壤水分不足亦是制约根系吸水功能的一个重要因素。在作物利用土壤水分初期,根系吸水速率最大,随着土壤含水量逐渐减少,根系吸水速率随之降低。土壤中有效含水量比例在 0.8 以上,根系吸水速率大致以线性关系大幅度降低。关键词根系 土壤水分利用方式 水分胁迫 冬小麦分类中图法 S512.11 引言作物对各土层水分的利用状况取决于土层中根系分布量、根系吸水速率及有效含水量。
3、无论土壤水分是否充足,根系在作物吸水过程中都起着非常重要的作用,它决定着作物吸水区域、吸收各土层水分开始及持续时间,并控制着吸水速率在土壤剖面中的相对强度,尤其在土壤干旱条件下,根系作用更大。根系吸水量能否满足作物蒸腾需水量,直接关系到水分是否会限制作物生长以及制约的程度。根系生长特征与利用土壤水分方式之间关系的深入探讨,有助于安排避免或缓减作物遭受水分胁迫的农艺栽培措施,可为农业节水增产实践提供有效的理论指导。二者间相互关系的精确定量表达,对于提高作物生长模型模拟精度是至关重要的。近年来对根系生长与吸水之间动态关系的了解仍相当有限1,有许多问题仍需进一步查清。如,根系下扎与吸水深度究竟有何关
4、系,有研究表明,在严重水分胁迫条件下,受旱作物成熟时,剖面下部仍有大量极易被作物利用的水分2,究竟是根系伸展范围不足以完全快速利用这些有效水分呢3?还是尽管根系发育庞大,从理论上讲足以吸收全部有效水分,对土壤水分利用状况较差是由于有效根系吸水功能较弱所致4?在干旱条件下,限制作物利用土壤水分的原因尚需进一步查清。现有相关研究大多认为,根系生长与吸水间呈非线性正相关关系5,也有研究认为,水分吸收不一定与根系分布有关,作物吸水量与根长密度关系不大,而更多依赖于扎根深度6。有些研究甚至得出根长密度与吸水速率呈非线性反比关系7。可见,仍有必要进一步考察根系生长与吸水之间的定量关系。2 材料与方法本试验
5、在中国科学院河北栾城(37.8N,114.7E,海拔 50.1m)农业生态系统联合站进行,该站是华北太行山山前平原高产农区的典型代表性区域,年平均降水量 400500mm,主要集中于夏季,地下水位在 27m 以下;土壤质地为壤质褐土,1m 土体平均田间持水量为 34.6%(容积含水量),平均容重为 1.45g/cm3。试验布置于水分试验场内,历年施肥水平一致,前茬为夏玉米。供试小麦品种为 5018,于 19951007 播种,播量为 375kg/hm2,平均行距 15.43cm,翌年 6 月 12 日收获。试验设置水分处理包括 3 个重复,随机布置。小区面积为 48m2(68m),小区间及四周
6、均有 2m 宽保护行。在冬小麦全生育期内,只灌了一次 60mm 越冬水,超过 10mm 降水仅 2 次,即 19960428(11.2mm) 和 19960526(30.2mm),属偏旱年型,最大降雨量发生在冬小麦生长末期,故降雨对本水分试验影响不大。020cm 土壤湿度用取土烘干称重法测定,20cm 以下每隔 20cm 用中子水分仪测定,灌溉及降雨前后加测。根长密度用内径为 7.6cm 根钻每隔 10cm 取样后,置于容器中,浸泡 1012h 后,冲洗泥土并用 0.15mm 筛过滤,洗净检出杂质和死根后,用网格交叉法测定。每次在剖面下部所取根样中,仔细检查白细微曲且有别于断根的根尖,以确定根
7、深。3 结果与分析3.1 作物利用土壤水分方式的定量分析方法在作物生长所需水分完全来自于土壤,且需水强度总是超过供水强度的环境条件下,随着根系下扎,作物吸水峰不断下移。各土层含水量在根系到达之前基本保持不变,一旦根系下扎到某一土层,作物便开始利用该层水分,土壤含水量以指数形式逐渐降低8。Passioura(1983) 将土壤连续干旱条件下含水量这种动态变化概化为以下函数形式4:=uttc(1)=laexpkl(ttc)ttc(2)式中:为土壤含水量 (cm3/cm3);u 为各土层初始有效含水量 (cm3/cm3);l 为萎蔫点土壤含水量 (cm3/cm3);a 为根系能够从土层中吸收的最大有
8、效含水量 (cm3/cm3);kl 为吸水常数,表示作物每天从土壤中吸收的有效水比例 (/d);l 为根长密度 (cm/cm3);k 是与水力传导度有关的常数 (cm2/d);tc 为含水量开始下降的时间;ttc 为含水量以指数形式降低所持续的时间。tc、kl、k 及a 均是土壤深度的函数。各土层是否会降至l 取决于土壤干旱期和作物吸水持续时间长度及根长密度大小。将式 (2) 求导可得出如下吸水速率 (cm3/cm3d) 方程:d/dt=klakl(ttc)(3)当 t=tc 时,=u,吸水速率最大,记为:max=kl(l)(4)将式 (3) 等式两边除以 l,可得出如下计算单位根长吸水速率
9、q(cm3/cmd) 方程:q=k(l)(5)本试验在冬后冬小麦生长季内未进行补充灌溉,接纳降雨量很少,冬小麦生长所需水分几乎完全来自于土壤有效贮水量。图 1 显示了从开春至收获不同土层含水量随冬小麦生育进程的动态变化过程,由图可见,本试验完全遵从 Monteith(1986)8 所述的受旱作物利用土壤水分的普遍特征,符合式 (1)、(2) 所提供的模型。由于冬小麦需经历漫长越冬过程,中间未监测土壤水分动态,将冬后各层土壤含水量视为u,因根系已下扎到一定深度,作物利用土壤水分方式的线性过程不太明显,很快便转入指数阶段。若从播种开始分析,特别是对于无越冬过程的作物,用式 (1)、(2) 模型分析
10、其利用土壤水分方式,效果会更好。有些研究用该模型分析了种植在许多土壤类型上的高粱、大麦、水稻等作物利用土壤水分方式及根系生长和吸水关系,均得到了比较满意的结果1、911。图 1 旱作麦田不同土层体积含水量变化动态及其指数拟合曲线 Fig.1 Change dynamics of soil water content at different layers of nonirrigation treatment with fitted exponential curves to indicate the time when roots start extracting water3.2 根系生长和
11、利用土壤水分方式的相互关系由图 2 可见,愈接近地表的土层,根系分布量愈大,根长密度 (l) 随深度下降逐渐降低。根系下扎到某一土层后,l 并不恒定,而是动态变化的,自返青后,各层 l 逐渐增大,至扬花期 (217d) 达最大值,之后,由于冬小麦生长重心逐渐转移到生殖生长,根系衰亡速率大于生长速率,l 趋于下降。所有土层根系日增长速率在 208217d(抽穗期)最大,为 0.0130.04cm/cm3d,灌浆期根系衰亡速率最大,成熟时,与扬花期最大值相比,根量减少了近一半。由此可知,根系吸水范围及深度基本取决于营养生长阶段根系生长分布状况。一旦土壤中有效含水量比例 (FEW) 降至 0.40.
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