土壤干湿交替对玉米耗水特性及水分利用的影响

旱地农业与灌溉农业中作物经常面临的土壤干旱与湿润交替变化是实际田间环境［1］。作物在生长发育的不同时期可能会遇上各不相同的土壤缺水胁迫，这些不同胁迫会对作物诱导出适应性的生理反应和伤害性影响［2,3］，对此进行研究和认识，可以在节水灌溉中控制作物生长发育不同阶段土壤水分来调节作物生理过程，避免伤害性变化的发生，而促进适应性变化的产生，以改善作物发育后期籽粒形成阶段根系和叶片的功能来提高作物产量、品质和水分利用效率，达到高效、优质的目的。本文主要研究玉米在土壤干湿交替过程中的耗水特性和叶水分状况的关系，探讨提高水分利用效率的机制，为节水农业提供优化供水模式。     

干湿交替对黄土崩解速度的影响

耕作土壤在降雨、灌水之后,其由翻耕后的疏松状态逐渐变得较为紧实,土粒之间会重新结合,土壤结构得到重组。土壤抵抗侵蚀能力发生了一定变化。通过土盒模拟土壤干湿交替过程,研究耕作土壤干湿交替过程中土壤容重和静水崩解变化。采用Richards模型对土壤崩解过程进行了模拟,分析干湿交替对土壤崩解速度的影响,结果表明：随土壤干湿交替次数的增加,土壤容重增长缓慢,土壤的固结从快变慢。随干湿交替次数的增加,土壤的崩解速度逐渐降低。其崩解过程可划分为缓慢崩解阶段、指数崩解阶段和崩解完成阶段。随干湿交替次数的增加,缓慢崩解阶段延长,指数崩解阶段推迟出现。经3次干湿交替后,土壤崩解速度显著降低,土壤抗蚀性增强。     

干湿交替对土壤性质影响的研究

开展干湿交替对土壤理化性质影响的研究,对于认识土壤侵蚀机理、缓解土壤侵蚀的发生具有重要意义。通过干湿交替的研究进展、干湿交替对土壤物理性质、土壤化学性质和土壤微生物特性的影响四个方面分析了干湿交替发展历程及其对土壤性质影响的过程和机理,相关研究表明:干湿交替的相关研究在各个时段有所侧重,干湿交替对土壤物理性质的影响与土壤容重、抗冲性、崩解速率和膨胀收缩率有关,对土壤化学性质的影响与土壤有机质分解、氮素矿化磷素吸附与释放等因素关系密切;干湿交替通过影响土壤呼吸和微生物生物量,使得土壤微生物特性发生改变。根据现有研究中存在的干湿处理量化指标不相一致、干湿处理方式局限于室内模拟及忽略干湿处理过程土壤相关性质动态变化过程等问题,提出定量化干湿处理指标、开展原位小区干湿处理试验、关注干湿交替过程中土壤形态发育情况和化学元素迁移差异及其微生物活性动态变化等研究展望,拟对土壤侵蚀和水土保持研究提供一定理论指导。     

干湿交替程度对土壤速效养分的影响

降雨和灌溉引起的干湿交替显著影响土壤速效养分的转化和迁移.为了探究干湿交替程度对土壤速效养分的影响,采用室内模拟干湿交替试验,设置轻度(DW1,复水至60％WHC)、中度(DW2,复水至45％WHC)、重度(DW3,复水至30％WHC)3种干湿交替程度,并以恒湿处理(CM,恒定60％WHC)为对照,探究试验前后土壤pH...     

干湿交替下基于超声波速度的土壤含水率估算模型

为探究不同墒情需求的农田耕作层土壤含水率与超声波速度的变化关系,采用室外模拟降雨的方式,使土壤样本初始含水率分别为15%、20%、25%和30%,之后置于自然环境下干燥直到土壤含水率达到5%结束干燥,每种处理进行共4次干湿交替,利用超声波土壤含水率原位检测装置对土壤样本进行超声波速度测定。结果表明：土壤样本在各次干湿交替过程中随着土壤含水率的不断下降,土壤容重及超声波速度均呈非线性的增加。随着干湿交替次数的增加,土壤含水率变化对超声波速度的影响减弱,土壤样本初始含水率越高,干湿交替次数对超声波速度的影响越小。采用自适应加权数据融合算法将多次干湿交替过程中的土壤样本超声波速度加权融合,并利用非线性回归分析构建适用于经历多次干湿交替作用下的超声波速度-土壤含水率关系模型,预测误差在6%左右,表明该模型可用于描述不同墒情需求的农田耕作层土壤含水率与超声波速度的关系。研究结果可为利用超声波速度特性实现不同灌溉性质农田土壤含水率的持续监测及预测提供参考。     

模拟干湿交替对夯实土壤抗剪强度的影响

为了探究农业生产实践中经过人工夯实的田坎在自然营力作用下的垮塌变形机理,通过采集黄土区梯田土壤,对其进行室内击实、模拟干湿交替处理和剪切试验,探究了干湿交替过程对夯实土壤抗剪强度的影响。结果表明:在试验条件下,随着干湿交替次数的增加,土壤的粘聚力呈现逐渐增加的趋势。土壤的内摩擦角逐渐降低,并在第7次干湿交替时达到最小值。在100 kPa垂直压力作用下,土壤的抗剪强度受影响不明显;在200 kPa垂直压力作用下,土壤抗剪强度先增加然后趋于稳定;而在300,400 kPa垂直压力作用下,土壤的抗剪强度先增加然后逐渐降低,并趋于稳定,并在第2次干湿交替时达到最大值。此外,在相同干湿交替次数的情况下,随着垂直压力的增大,土壤的抗剪强度逐渐增大,说明垂直压力与土壤的抗剪强度呈正相关。经过显著性分析,干湿交替过程对土壤内摩擦角的影响大于相同条件下对粘聚力的影响。干湿交替过程对夯实土壤的抗剪强度有显著影响,随着干湿交替次数的增加,土壤的抗剪强度降低,其中土壤粘聚力增加,而内摩擦角下降。     

干湿交替对干热河谷冲沟发育区不同土壤崩解性的影响

通过选取干热河谷区典型发育的3种原位土壤(燥红土、变性土和新积土)剖面平台,采用"浇水—曝晒"循环的方法模拟研究区干湿交替的气候条件,设置0,1,3,5次干湿交替频度,以探明不同干湿交替处理对干热河谷冲沟发育区3种典型土壤的崩解性差异及其影响因素。结果表明:(1)3种土壤的崩解过程有所差异,燥红土崩解速度较慢,崩解持续时间短,崩解残留土较多;变性土崩解速度极慢,崩解持续时间长,崩解残留土量最多;新积土崩解过程迅速,土壤崩解速度极快,几乎无残留土量。(2)3种土壤的崩解性差异明显,最大崩解指数从大到小依次为新积土(97.56%)变性土(38.67%)燥红土(12.92%);平均崩解速率表现出相似结果。(3)干湿交替对3种土壤崩解性均有一定增强作用,对燥红土和变性土崩解性增强作用主要表现为提高其最大崩解指数和增大其崩解速率2个方面,而对新积土崩解性的影响则主要表现为缩短其崩解完成所需时间。研究结果从干湿交替的角度为冲沟土壤的崩解性研究提供一定的理论参考,为认知该区水土作用过程及开展水土保持工作奠定理论基础。     

干湿交替作用对黑土养分淋失的影响

通过室内土柱模拟养分淋溶的方法,对干湿交替作用后,黑土中各种养分的淋失情况进行研究。结果表明:干湿交替作用明显提高了黑土淋溶液中各种养分的含量,其中钾含量提高最显著,高于对照6倍,硝态氮和铵态氮含量都比对照提高了2倍,而水溶性磷浓度无明显变化;黑土经干湿交替作用后明显加快了水分及养分向下运移的速度,并导致淋溶液中各种养分的累计含量显著增加,其中钾素增加最多,淋失累计含量达到对照的40倍以上;此外,干湿交替作用对不同养分淋失的影响效果也不同,对阳离子养分的影响比对阴离子的影响更为显著。以上研究结果说明,干湿交替作用提高了黑土中养分淋失的数量,同时也加大了地下水污染的风险。     

干湿交替对土壤呼吸和土壤有机碳矿化的影响述评

土壤干湿交替循环对土壤呼吸的“激发效应”被证实在干旱、半干旱和地中海气候区普遍存在。土壤干湿交替被认为是影响土壤呼吸的重要因素。土壤物理、化学、生物性状会在干湿交替过程中发生一系列变化,引发土壤CO₂排放量显著激增而引起“Birch效应”。随着未来气候变化下极端降水天气事件发生频率的增加,降雨强度和频率的改变将导致部分地区的土壤经受更广泛和频繁的干湿交替作用,加剧土壤干湿循环,影响土壤呼吸。重点论述了干湿交替对土壤碳素循环各个关键过程(尤其是土壤呼吸和SOC矿化)的影响效应,归纳总结了干湿交替对土壤碳素循环的影响机制,从土壤团聚体、根系呼吸、微生物呼吸等方面阐述了干湿交替对土壤呼吸和土壤有机碳(SOC)矿化激发效应的影响及其机理。综合生理学说与物理学说观点,认为干湿交替主要通过土壤结构、SOC的分解速率、土壤微生物群落的结构与稳定性等的改变来影响土壤呼吸和SOC矿化过程。目前,关于干湿交替对土壤碳素循环关键过程影响的研究结果还不尽一致,其影响机制尚不明晰,研究方法也还有一些不足之处。简要指出了目前研究过程中存在的一些不足,并对未来研究中值得深入研究的科学问题进行了探讨与展望。     

分根区垂向交替供水对玉米生长影响的研究

为探索1种新的节水灌溉技术-分根区垂向交替供水的节水增产效应，选用3种不同灌水方式（ 表面灌、下部灌、交替灌）和不同灌水周期（3d、5d、7d）及不同灌水方式下的相同灌水量组合进行了盆栽玉米对比试验研究。结果表明，垂向交替供水是可行的，相同灌水量条件下交替供水对作物根系的生长有明显促进作用，使根系在土壤垂直剖面分布更为均匀。同时根系活力和吸收功能明显增强，整株作物长势呈现出苗壮根旺的特点。此外5d的交替灌与3d的表面灌相比，作物长势明显改善，且节水26％以上；7d的交替灌与5d的表面灌相比，作物长势无明显差异，但节水20％以上，而5d的灌水周期是试验范围内交替灌应用时较为成功的方式。     

不同水分条件下3种灌木幼苗的耗水及生长特征

[目的]研究岳武高速公路填方边坡3种绿化灌木幼苗在不同土壤水分条件下的耗水特征及生长表现,为该地区边坡早期植被恢复和护坡植物维护提供参考。[方法]选取马棘、二色胡枝子、紫穗槐幼苗为试验材料,采用盆栽称重法测定其在不同土壤水分处理下〔田间持水量(FC)的30%~45%,45%~60%,60%~75%和75%~90%〕的阶段耗水特征及生长变化。[结果]3种灌木幼苗的日耗水变化曲线均呈单峰型特征,峰值出现在中午时分;月耗水量、总耗水量均随土壤含水量的升高而增大,且差异显著;不同水分条件下灌木幼苗的株高、地径、生物量增量差异显著,马棘长期处于30%~45%FC、二色胡枝子和紫穗槐长期处于30%~45%FC,45%~60%FC水分条件下其幼苗生长受到抑制;土壤水分含量对灌木幼苗的水分利用效率影响较大,75%~90%FC和30%~45%FC均会降低幼苗的水分利用效率。[结论]综合考虑灌木幼苗的耗水量及生长特征,认为马棘幼苗土壤含水量维持在45%~60%FC、胡枝子和紫穗槐维持在60%~75%FC时能够实现幼苗正常生长,同时又能实现水分的高效利用。     

根系分区交替灌水对玉米吸收养分影响的初步研究

通过盆栽试验研究了交替灌水方式、固定灌水方式和常规灌水方式对玉米吸收养分的影响。结果表明,拔节前期交替方式N吸收总量比固定方式高,和常规灌水方式相差不大,而后期则比固定、常规方式高;交替方式磷吸收总量均比其它两种方式高。交替方式氮、磷利用效率比常规方式分别提高25.1%,25.3%。交替方式比常规方式节约灌水量10.3%,其水分利用效率最高,比常规方式增加20.1%。     

覆膜时期与施氮量对旱地玉米土壤耗水特征及产量的影响

为了研究覆膜时期与施氮量对陇东旱地春玉米田土壤耗水特征、产量及籽粒品质的影响,达到高产高效优质生产的目的。采用大田试验方式,运用裂区设计,主处理为覆膜时期,设秋季覆膜(休闲期覆膜)和春季覆膜(播前覆膜)2个水平,副处理为施氮量,分别为施纯N 0(CK),75(N75),150(N150),225(N225),300(N300),375(N375),450(N450)kg/hm2 7个施氮水平。测定了春玉米休闲期与各生育时期0—300cm土壤含水量、产量性状、干物质积累及籽粒品质。结果表明:(1)秋季覆膜能显著提高0—200,0—300cm土壤贮水量,较春季覆膜增幅分别为54.0～97.7,53.9～108.8mm。(2)无论何时覆膜,长期施氮较CK极显著降低了各生育时期0—300cm土壤贮水量。(3)休闲期覆膜较不覆膜极显著降低了土壤耗水量,减少幅度为47.2～55.7mm。(4)全生育期各处理玉米耗水量基本呈前期少、中期多、后期少的趋势,秋季覆膜较春季覆膜增幅为38.6～86.7mm,与播前底墒密切相关。(5)无论何时覆膜,施氮225kg/hm2春玉米产量和水分利用效率均较高,超过225kg/hm2时,产量下降。各施氮处理平均产量秋季覆膜较春季覆膜增加5.2%。各生育时期干物质积累量和收获指数以施N 225kg/hm2较高。另外,施氮极显著影响粗蛋白、粗脂肪和灰分含量。因此,覆膜尤其是秋季覆膜垄沟种植结合施氮225kg/hm2能明显提高春玉米产量和水分利用效率,优化产量构成,改善籽粒品质,是陇东旱塬区玉米高效优质生产的适宜种植模式。     

有限灌溉对绿洲春玉米农田耗水特征及水分利用效率的影响

为了探究有限灌溉对绿洲沙地春玉米农田耗水特征及水分利用效率的影响,利用中子仪结合烘干秤重法连续监测了河西走廊荒漠绿洲沙地春玉米不同生育期农田土壤水分动态,分析了玉米农田日耗水量动态与土壤蒸散及作物水分利用效率。结果表明,整个生育期除播种-五叶期和拔节-孕穗期外,所有有限灌溉处理及充分供水对照间日耗水量均无显著差异(P0.05),各生育时段内日耗水量随生育过程呈由小到大再由大到小的变化趋势,其峰值出现在吐丝—灌浆中期且高达6.8~10.0mm/d。灌水最少但产量最高的有限灌溉处理MI1全生育期蒸散量仅次于灌水较多的处理MI5。对照CK全生育期蒸散量远高于MI5,增幅达16.0%,而以MI3最低。水分利用效率以MI1和MI3最高,且与其他处理及对照间差异显著(P0.05)。水分利用效率以MI4最低,MI1和MI3水分利用效率均比MI2、MI4、MI5和CK显著提高19.3%,34.1%,15.3%和25.4%。MI1与其他所有处理及对照间、MI3与其他所有处理及对照间灌溉水利用效率差异显著,且以灌水最少但产量最高的MI1最高,以MI4最低。处理MI1灌溉水利用效率分别比MI2、MI3、MI4、MI5及CK显著提高35.1%,14.6%,61.0%,36.7%,48.4%,而MI3比MI2、MI4、MI5、CK分别显著提高17.9%,40.4%,19.3%,29.4%,MI5比MI4则显著提高17.7%。因此,有限灌溉能提高绿洲玉米水分利用效率和灌溉水利用效率,但有限灌溉对作物水分利用效率和灌溉水利用效率提高的促进作用并不具有稳定性。     

玉米田间微集水种植的水温效应及其对植株生长发育的影响

以常规覆膜为对照,探讨了玉米采取4种集水种植模式的水温效应及其对玉米生长发育的影响。结果表明,4种集水种植模式都具有不同程度的集水增墒效应和降低地表温度的作用。集水效应以宽垄式＞硬覆盖＞膜内式＞膜侧式,依次是对照的2.36、2.07、1.88和1.69倍。降温效应以硬覆盖＞宽垄式＞膜侧式＞膜内式,依次较对照低1.6 ℃、1.4 ℃、0.8 ℃和0.5 ℃。水温效应的协调作用不仅可控制植株营养生长,促进生殖生长,而且还延长了生育期,使生殖生长与雨季更加吻合,因而穗大、粒饱,增产效果显著。硬覆盖、宽垄式、膜内     

地下水埋深对春玉米田土壤水分及产量的影响

通过6种地下水位控制处理和对照春玉米试验,探讨了地下水埋深对春玉米农田土壤水分、产量以及水分利用效率的影响。结果表明,地下水埋深对春玉米0～100cm层次土壤水分的影响较大。地下水位越浅这种影响显得越明显;无论地下水埋深深浅,田间累计地下水补给量变化规律可分为4个阶段,即稳定增长期、缓慢增长期、快速增长期和趋于稳定期。地下水位越高,累计地下水补给量越大,土壤排水量越大。较大降雨后土壤开始排水日期随着地下水埋深加深而滞后;地下水埋深1.0m时春玉米产量和水分利用率最高。地下水位在1.0m以下时,水分利用效率随地下水位加深而减少。     

轮作及不同施肥措施对春玉米生长、产量及水分利用的影响

依托24 a轮作与施肥长期定位试验,重点对2007年不同轮作方式和施肥条件下春玉米生长、产量及水分利用状况进行了研究.结果表明,不同处理春玉米叶面积,生物量及籽粒产量有相同的变化规律,即在相同施肥条件下.玉米连作(CT)处理的叶面积、生物量以及籽粒产量均高于玉米轮作处理;在轮作(RT)条件下,叶面积、生物量以及籽粒产量均为:RT-NPM>RT-NPK>RT-NP;不同处理间总生物量及籽粒产量均有显著性差异;不同处理0-300 cm土壤平均含水量在整个生育期先降低后升高,灌浆期降至最低,春玉米耗水量顺序为:CT-NPM>RT-NPM>RT-NPK>RT-NP;在相同施肥条件下,轮作处理的水分利用效率大于连作处理的水分利用效率;轮作不同施肥处理,RT-NPM处理的水分利用效率最高,RT-NP和RT-NPK处理的水分利用效率均较低.     

不同土壤大气湿度组合下玉米生长及水分光合特性反应

通过对不同土壤大气湿度组合下玉米生长,水分及光合特性的研究,认为土壤水分亏缺对玉米的影响要超过大气干旱,玉米的水分状况及生理活性主要决定土壤的水分条件,短期干旱使气干土干,气湿土干处理净光合率下降的主要原因是非气孔限制,而气干土湿处理前期光合速率下降主要是由于气孔限制,后期则为非气孔限制。短期干旱过程中各处理的干物质仍持续增加。     

覆盖方式对旱地马铃薯阶段耗水量特征和产量的影响

为明确不同覆盖方式对旱地马铃薯田土壤耗水、耗水规律、水分利用效率、产量及产量形成的影响,在陇中半干旱农区设置了玉米秸秆带状双行覆盖(SSM2)、玉米秸秆带状单行覆盖(SSM1)、玉米秸秆全覆盖(SFM)、地膜春覆盖(PMS)和地膜秋覆盖(PMA)5种覆盖方式,以传统露地平作为对照(CK)。结果表明:2年试验中,玉米秸秆带状覆盖和地膜覆盖处理土壤贮水消耗量较CK分别增加13.5,14.8 mm。玉米秸秆带状覆盖能显著提高降水对马铃薯耗水贡献率,不同降雨年型内均以SSM2处理贡献率最高,2年分别为95.6%和94.3%。于CK相比,覆盖处理均降低了生育前期(播种-块茎形成期)耗水量,地膜覆盖显著增加了生育中期(块茎形成期-淀粉积累期)耗水量,玉米秸秆带状覆盖显著增加了生育后期(淀粉积累期-收获期)的耗水量。玉米秸秆带状覆盖和地膜覆盖分别能使马铃薯干薯产量增加27.9%和24.2%,干薯水分利用效率提高23.1%和19.3%。综上可知,玉米秸秆带状覆盖处理能显著增加马铃薯生育时期内农田土壤贮水消耗量,并改善马铃薯生育前期和生育后期耗水,减少旱地马铃薯农田无效耗水,能显著提高马铃薯干薯产量和水分利用效率。     

回填土下再生水灌溉对玉米生长及土壤理化性质的影响

为了对劣质土及再生水灌溉下农田水分高效利用进行研究,通过野外试验的方法,以内蒙古干旱区城郊建筑回填土农田再生水灌溉玉米为研究对象,系统研究了再生水灌溉劣质土对玉米生长及土壤理化性质的影响。试验期间共灌溉4次水,共设不同再生水(Z)—清水(Q)5个处理,分别是T1(4Q)、T2(2Q2Z)、T3(1Q3Z)、T4(1Q2Z1Q)、T5(1Q1Z1Q1Z)5种模式。结果表明:建筑回填土下再生水灌溉玉米能显著增加玉米干物质、株高、叶面积及产量,且增产最大为15.91%;短期再生水灌溉不会对玉米重金属含量产生影响;再生水灌溉后土壤容重呈增加趋势,长期再生水灌溉会对深层土壤盐分累积产生潜在风险。