層狀土壤水分對植物有效性研究

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，那么植物將無法利用。近年層狀土壤水分運(yùn)動的動力學(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)兩層土交界面會形成毛管障礙，使水分在上層土?xí)簳r停留[1]。毛管障礙有使水分在表層土中短暫累積的能力對植物蒸騰作用來說意義重大，利于植物生長，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]。上層土壤缺水會對植物生長產(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，影響更大[4]。田間表土經(jīng)常對植物構(gòu)成干旱脅迫，然而更深層的土壤可能會有充足的水分供植物利用。表層的極端干旱情況對于深根植物的枝葉生長和葉片水分狀況影響不大，但對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，只要深層土壤有足夠的水就能維持植物的生長[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，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，評價(jià)不同層狀土結(jié)構(gòu)對植物生長的適宜性，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)動態(tài)測量土柱的質(zhì)量變化。土柱側(cè)面每隔10 cm開有一組小孔，共八組，用以安裝時域反射儀探頭，實(shí)時測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)控制下自動測量土壤含水量和土柱質(zhì)量的變化。

1.3 群體光合測量系統(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，同時安裝長12 cm的時域反射儀探頭，并用中性玻璃膠把時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)，每個構(gòu)型3個重復(fù)。裝土結(jié)束后，將土柱掛上鐵架，調(diào)試好測量系統(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，使苜蓿處于無水分脅迫的條件。7月1日后，苜蓿生長穩(wěn)定，為方便控水，下雨時用遮雨棚將苜蓿遮擋。從7月29日開始，每隔半個月左右，選取晴朗無風(fēng)天氣，使用上述群體光合測量系統(tǒng)，在上午10點(diǎn)對苜蓿進(jìn)行一次光合測量。

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。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)與植物生長過程水分動態(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，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，限制苜蓿生長時，植物的光合速率會受到抑制[7]。黃-紅-沙型和黃-砒-沙型層狀土水分由最底層向上運(yùn)動時，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等現(xiàn)象。McCoy等研究表明當(dāng)土壤水分虧缺時，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，根系已生長到下層土，可以利用下層土的土壤水分維持生長。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，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，還未啟動抗旱機(jī)制，減小蒸騰作用，土柱已無水可用。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價(jià)層狀土對植物生長的適宜性，黃-沙-紅和沙-黃-砒型層狀土更適宜植物生長。