層狀土壤水分對(duì)植物有效性研究

胡心悅

(青海湟川中學(xué)，青海 西寧 810000)

土壤水是農(nóng)業(yè)、環(huán)境、林業(yè)、水文等研究領(lǐng)域的關(guān)鍵因子。天然降雨經(jīng)入滲過程分為徑流水和土壤水，若土壤水分入滲到深層或進(jìn)入地下水，那么植物將無(wú)法利用。近年層狀土壤水分運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)研究受到廣泛關(guān)注，可以利用層狀土的毛管障礙提高土壤的儲(chǔ)水量，減小滲漏，層狀土廣泛用于垃圾填埋、礦區(qū)修復(fù)。Stormont和Morris研究了入滲過程水分在層狀土中的分布，發(fā)現(xiàn)兩層土交界面會(huì)形成毛管障礙，使水分在上層土?xí)簳r(shí)停留[1]。毛管障礙有使水分在表層土中短暫累積的能力對(duì)植物蒸騰作用來說意義重大，利于植物生長(zhǎng)，增加產(chǎn)量[2]。Ityel等發(fā)現(xiàn)通過人工構(gòu)造毛管障礙可以增加胡椒的產(chǎn)量，在根層下鋪設(shè)礫石層(直徑在10 mm～30 mm)，根區(qū)的水分增加20%～70%，與質(zhì)地和毛管障礙所處位置有關(guān)[3]。上層土壤缺水會(huì)對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生重要影響，尤其當(dāng)植物大部分根系都集中在土壤表層時(shí)，影響更大[4]。田間表土經(jīng)常對(duì)植物構(gòu)成干旱脅迫，然而更深層的土壤可能會(huì)有充足的水分供植物利用。表層的極端干旱情況對(duì)于深根植物的枝葉生長(zhǎng)和葉片水分狀況影響不大，但對(duì)淺根植物的影響很大[5,6]。Huang和Fu研究表明深層土壤水分能被根系吸收傳輸?shù)綔\層土壤，說明當(dāng)表層土壤水分不足時(shí)，只要深層土壤有足夠的水就能維持植物的生長(zhǎng)[7]。即使大部分根系處在干旱的土壤里，如果植物擁有合理分布的根系系統(tǒng)也能利用有限的土壤水使氣孔導(dǎo)度和葉片水分狀況維持在較高水平[8]。

不同結(jié)構(gòu)層狀土的毛管障礙作用情況不同，苜蓿根系在不同結(jié)構(gòu)層狀土的分布情況也不同[9]，這些必然影響苜蓿的生長(zhǎng)，筆者通過研究不同層狀土上苜蓿的耗水規(guī)律，及群體光合速率，評(píng)價(jià)不同層狀土結(jié)構(gòu)對(duì)植物生長(zhǎng)的適宜性，為新土體構(gòu)建提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試土樣采自內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗境內(nèi)，四種土壤分別是沙土、砒砂巖、黃綿土和紅粘土(表1)。

表1 供試土壤物理性質(zhì)

1.2 土柱系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)采用高100 cm的透明有機(jī)玻璃圓柱，頂端有卡環(huán)，懸掛在稱重傳感器SSM-AJ-50(Interface Inc, Scottsdale, Arizona, USA)上，連續(xù)動(dòng)態(tài)測(cè)量土柱的質(zhì)量變化。土柱側(cè)面每隔10 cm開有一組小孔，共八組，用以安裝時(shí)域反射儀探頭，實(shí)時(shí)測(cè)量剖面的含水量變化。底部有帶孔玻璃擋板以及排水口，保持排水通暢。在數(shù)據(jù)采集器CR1000(Campbell Scientific Inc, Logan, UT, USA)控制下自動(dòng)測(cè)量土壤含水量和土柱質(zhì)量的變化。

1.3 群體光合測(cè)量系統(tǒng)

研究基于Li-6400便攜式光合儀(Li-Cor, Inc, Lincoln, NE, USA)，在閉合氣路模式下，用軟管分別將IRGA與群體光合葉室出氣管相連，并把與葉室相連的口密封，另一根軟管把Li-6400光合儀主機(jī)進(jìn)氣口與群體光合氣室進(jìn)氣口連接起來。氣室呈圓柱狀，直徑23.2 cm，高32 cm。用不銹鋼做固定底圈，側(cè)面采用聚碳酸酯透明薄板，頂端用有機(jī)玻璃板固定。氣室頂端安裝有風(fēng)扇，使室內(nèi)氣體充分混合，風(fēng)扇用12v電源供電。

1.4 實(shí)驗(yàn)過程

裝土前在土柱底層鋪一張濾紙，防止土樣從擋板的小孔中漏出，沙土、黃綿土、砒砂巖和紅粘土分別按照1.61 g·cm-3、1.48 g·cm-3、1.46 g·cm-3、1.46 g·cm-3的容重分層裝土，層間用毛刷打毛，同時(shí)安裝長(zhǎng)12 cm的時(shí)域反射儀探頭，并用中性玻璃膠把時(shí)域反射儀探頭與土柱間的縫隙密封。共設(shè)置4種不同的層狀土構(gòu)型(圖1)，每個(gè)構(gòu)型3個(gè)重復(fù)。裝土結(jié)束后，將土柱掛上鐵架，調(diào)試好測(cè)量系統(tǒng)。首先進(jìn)行入滲試驗(yàn)將土柱飽和。2014年6月，土柱上施用化肥(尿素和磷肥)，然后將提前育好的苜蓿苗移栽到土柱上，每個(gè)土柱上4棵，在土柱表面鋪3cm的蛭石，抑制土壤蒸發(fā)。苜蓿栽培期提供充分的水分，使苜蓿處于無(wú)水分脅迫的條件。7月1日后，苜蓿生長(zhǎng)穩(wěn)定，為方便控水，下雨時(shí)用遮雨棚將苜蓿遮擋。從7月29日開始，每隔半個(gè)月左右，選取晴朗無(wú)風(fēng)天氣，使用上述群體光合測(cè)量系統(tǒng)，在上午10點(diǎn)對(duì)苜蓿進(jìn)行一次光合測(cè)量。

圖1 各層狀土處理土壤分層示意

2 結(jié)果與討論

2.1 不同類型層狀土苜蓿蒸騰耗水規(guī)律

6月1日到7月1日因苜蓿幼苗小，生長(zhǎng)不穩(wěn)定，且溫度高，為保證苜蓿成活，土柱灌水頻繁。 7月1日后苜蓿生長(zhǎng)穩(wěn)定，土柱表層覆蓋3cm厚蛭石，土柱質(zhì)量減少量可近似作為苜蓿的蒸騰量。7月1-20日黃-沙-紅型土柱苜蓿蒸騰耗水主要集中在上層的黃綿土和中層的沙土，7月20日以后紅粘土層的含水量在才開始下降。7月1-15日黃-紅-沙型土柱苜蓿耗水主要集中在黃綿土層和沙土層，7月28日到8月8日紅粘土層含水量急劇下降，含水量在0.1 cm3·cm-3左右穩(wěn)定，此時(shí)的土壤含水量為苜蓿的難效水(圖2)。7月1～15日沙-黃-砒型土柱苜蓿蒸騰所需的水分主要集中在上層沙土，7月15日以后中層黃綿土和下層砒砂巖的水分才開始下降。7月1-8日黃-砒-沙型層狀土苜蓿蒸騰耗水主要集中在上層黃綿土和下層沙土，7月8日后黃綿土、砒砂巖含水量開始下降，到8月5日砒砂巖層含水量穩(wěn)定在0.15 cm3·cm-3左右，此時(shí)砒砂巖的含水量為苜蓿的難效水(圖2)。

有效水含量根據(jù)土壤實(shí)測(cè)含水量減去土壤的萎蔫含水量計(jì)算而來，四種類型層狀土的有效水分布有很大差異(圖3)。7月20日之前，黃-沙-紅、黃-紅-沙、黃-砒-沙三種層狀土0～29 cm有效水含量差異不顯著，沙-黃-砒型層狀土0～29 cm有效水含量明顯低于其他三種層狀土有效水含量。7月20日后，四種層狀土0～29 cm有效水含量差異不顯著，主要隨灌水波動(dòng)。黃-沙-紅型層狀土29～58 cm土壤有效水在4月4日到5月25日之間迅速下降，5月25日到7月8日間基本維持不變，7月8日到8月8日間繼續(xù)下降，直至接近0。黃-紅-沙型層狀土和黃-砒-沙型層狀土29～58 cm土壤有效水變化趨勢(shì)一致，在4月4日至7月25日間緩慢下降，7月25日至8月6日間迅速下降。沙-黃-砒型層狀土29～58 cm有效水在4月4日至8月6日間僅有微小下降，8月6日至10月20日持續(xù)下降，直至0點(diǎn)附近，在8月28日和9月28日兩次灌水36 mm和48 mm，水分入滲到該層，使該層的含水量增加。黃-沙-紅和沙-黃-砒型層狀土59～87 cm有效水含量在4月4日到7月25日間維持不變，7月25日以后開始下降。黃-紅-沙和黃-砒-沙型層狀土59～87 cm有效水在4月4日到4月28日間維持不變，4月28日以后開始下降。

圖2 裸土蒸發(fā)與植物生長(zhǎng)過程水分動(dòng)態(tài)變化

圖3 土壤蒸發(fā)與植物蒸騰過程各土層有效水含量變化

2.2 苜蓿蒸騰及群體光合速率

7月份黃-紅-沙、黃-砒-沙型層狀土苜蓿蒸騰量比黃-沙-紅、沙-黃-砒型層狀土苜蓿蒸騰量高，前者蒸騰量比后者高55 mm以上。8月份黃-沙-紅、沙-黃-砒型層狀土上苜蓿蒸騰量比黃-紅-沙、黃-砒-沙型層狀土蒸騰量高，前者蒸騰量比后者高49 mm以上。黃-沙-紅和沙-黃-砒型層狀土苜蓿蒸騰量差異不顯著，黃-紅-沙、沙-黃-砒型層狀土的蒸騰量差異不顯著。9月份黃-沙-紅型層狀土上苜蓿蒸騰量比黃-紅-沙、沙-黃-砒型層狀土苜蓿蒸騰量高27 mm以上，比沙-黃-砒型層狀土苜蓿蒸騰量低25 mm(表2)。

表2 2014年各月裸土蒸發(fā)或植物蒸騰量

圖4 不同類型層狀土苜蓿凈光合作用速率

7月29日到9月2日葉片溫度在32℃以上變化，9月2日以后葉片溫度隨著氣溫開始下降。7月29日到9月2日，四種類型層狀土上苜蓿群體光合速率呈上升趨勢(shì)，9月2日后變化不明顯，主要因?yàn)闇囟认陆涤绊懼参锏墓夂献饔谩?月29日到8月26日，黃-紅-沙、黃-砒-沙型層狀土群體光合速率基本沒增加，9月2日光合速率有所增加，9月2日后光合速率變化不明顯。7月29日以后，黃-沙-紅與沙-黃-砒型層狀土苜蓿群體光合速率明顯比黃-紅-沙與黃-砒-沙型層狀土苜蓿群體光合速率大，而黃-沙-紅與沙-黃-砒型層狀土苜蓿群體光合速率差異不顯著，黃-紅-沙與黃-砒-沙型層狀土苜蓿群體光合速率差異不顯著。從8月18日到10月5日，整體上黃-沙-紅和沙-黃-砒型層狀土苜蓿群體光合速率大于黃-紅-沙和黃-砒-沙型層狀土苜蓿群體光合速率。主要因?yàn)辄S-紅-沙和黃-砒-沙層狀土有效水含量有限，當(dāng)土壤中的有效水減少，限制苜蓿生長(zhǎng)時(shí)，植物的光合速率會(huì)受到抑制[7]。黃-紅-沙型和黃-砒-沙型層狀土水分由最底層向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，不存在毛管障礙，黃-沙-紅和沙-黃-砒型層狀土存在毛管障礙，尤其沙-黃-砒型層狀土，第二層土壤的水分直到8月6日才有所下降。所以在7月份，黃-紅-沙和黃-砒-沙型層狀土上的苜蓿很容易獲得大量的水分用以蒸騰作用，而黃-沙-紅、沙-黃-砒上的苜蓿蒸騰作用較弱。7月份黃-沙-紅和沙-黃-砒型層狀土上苜蓿蒸騰量比黃-紅-沙和黃-砒-沙型層狀土苜蓿蒸騰量少55 mm以上(表2)。但在是7月29日，四種層狀土苜蓿群體光合速率差異性并不顯著(圖4)，也未觀察到黃-沙-紅和沙-黃-砒型層狀土上苜蓿葉片枯萎或葉片狹長(zhǎng)等現(xiàn)象。McCoy等研究表明當(dāng)土壤水分虧缺時(shí)，粗質(zhì)土水分?jǐn)U散率迅速降低，而細(xì)質(zhì)土與粗質(zhì)土相比仍維持較高的擴(kuò)散率，粗質(zhì)土低水分?jǐn)U散率激活植物抗水分脅迫能力[10]。7月份黃-沙-紅的紅粘土層和沙-黃-砒的黃綿土層水分有所下降(圖3)，說明下層水分少量向上運(yùn)移，供植物蒸騰利用。黃-沙-紅和沙-黃-砒型層狀土供水雖少，但即使在白天高需水條件下苜蓿受到短暫干旱脅迫，在夜晚低需水條件下也能得到恢復(fù)。7月份黃-紅-沙和黃-砒-沙型層狀土上的苜蓿供水充分，蒸騰失水較多，8月份除了上層灌水用于蒸騰外，中間層和下層幾乎無(wú)水可用。黃-紅-沙和黃-砒-沙型層狀土的苜蓿蒸騰量從7月份的196 mm和183 mm降低到8月份72 mm和66 mm。黃-沙-紅和沙-黃-砒上的苜蓿蒸騰量仍維持在120 mm左右。黃-沙-紅和沙-黃-砒型層狀土因毛管障礙的存在使水分向上運(yùn)輸收到抑制，苜蓿吸水困難，很快啟動(dòng)抗旱機(jī)制，減小蒸騰作用，下層土起到蓄水作用，待上層土壤水分用盡時(shí)，根系已生長(zhǎng)到下層土，可以利用下層土的土壤水分維持生長(zhǎng)。黃-紅-沙和黃-砒-沙型層狀土水分容易從下向上運(yùn)輸，苜蓿一直維持較高的蒸騰作用，沒有觸發(fā)苜蓿的抗旱機(jī)制，當(dāng)苜蓿受到干旱脅迫時(shí)，水分已幾乎用盡。

3 結(jié)論

通過土柱構(gòu)造不同的層狀土體，種植苜蓿進(jìn)行模擬試驗(yàn)，為田間層狀土體構(gòu)造提供參考。試驗(yàn)結(jié)果顯示，苜蓿在生長(zhǎng)初期，根系主要分布在土柱上部，黃-沙-紅和沙-黃-砒型層狀土因毛管障礙作用強(qiáng)烈，下層水分向上運(yùn)動(dòng)受到抑制，可供苜蓿蒸騰的水分有限，苜蓿受到干旱脅迫，從而減小蒸騰作用；待根系長(zhǎng)到下層土?xí)r，可以繼續(xù)利用下層土的水分維持生存。而黃-紅-沙和黃-砒-沙型層狀土上的苜蓿一直維持較高的蒸騰速率，待受到干旱刺激時(shí)，還未啟動(dòng)抗旱機(jī)制，減小蒸騰作用，土柱已無(wú)水可用。所以黃-沙-紅和沙-黃-砒型層狀土苜蓿群體光合作用速率一直大于黃-紅-沙和黃-砒-沙苜蓿的群體光合作用。以群體光合作用速率評(píng)價(jià)層狀土對(duì)植物生長(zhǎng)的適宜性，黃-沙-紅和沙-黃-砒型層狀土更適宜植物生長(zhǎng)。