LI-2100 | 基于水分利用策略和植物性状确定坡耕地玉米种植适宜土壤厚度

北京理加联合科技有限公司

2024/09/06 10:51

水资源在粮食生产和生态修复中的关键作用，特别是在频繁出现的高温、干旱等极端天气条件下，威胁粮食生产，加速土地退化。研究指出，中国作为人均水资源低于世界平均水平的国家，农业用水已占全国总用水量的60%以上，但整体用水效率较低且区域差异显著。尤其在山区和丘陵地区，土壤侵蚀和厚度减少严重影响了蓄水能力，加剧了干旱频发和作物减产的风险。为应对这些挑战，本文强调了通过优化农业管理实践，提高用水效率，以缓解干旱胁迫，维持作物产量的重要性。

本次田间试验在中国科学院盐亭紫色土农业生态站进行，该站位于中国四川盆地中北部，海拔400-600m（东经105° 27’，北纬 31°16’）（图 1）。该地区属于中亚热带季风气候，平均气温 17.3℃。年平均降水量为826mm，蒸发量为680 mm。降雨分布不均，约70%的年降水发生在夏秋季，季节性干旱频繁，主要发生在春季和初夏。

图1. 研究区域位置（a）、实验地块图片（b）、地块设计图（c）、实验地块剖面图（d）。

本试验土壤为钙质紫色土，来源于蓬莱镇组，属于中温土壤质地，被称为新土，占四川盆地紫色土总量的四分之一以上（图1）。钙质紫色土剖面主要发育在页岩和泥岩中，常与不透水的砂岩互层。浅层紫色土的下伏基岩限制了根系生长，入渗的大部分水分往往会因地下径流绕过根区而流失。试验土壤性质相似，平均值为：pH 值为8.37，土壤有机碳 (SOC) 为5.80 g·kg⁻¹，全氮含量 (TN) 为0.80 g·kg⁻¹，容重为1.14 g·cm⁻¹，阳离子交换容量 (CEC) 为8.22cmol(+)·kg⁻¹，含沙量为17.28%，饱和水力传导率为16.8mm·h⁻¹。坡耕地冬小麦 (Triticumaestivum L.) 与夏玉米 (Zea mays L.) 轮作常规种植制度已持续 50 余年。

现场监测共设计15个小区。小区尺寸为5mx 1.5m，坡度为6.5°，模拟长江上游坡耕地的平均梯田坡度。试验设置了5种土壤厚度处理（20 cm、40 cm、60 cm、80 cm、100 cm），每个处理重复3次。试验小区通过无缝水泥墙和基座进行水文隔离，构建不同厚度的防渗混凝土盆并重新填筑原有土层。经过8年的常规耕作（小麦-玉米轮作）后，确保土壤剖面保持原状。所有处理均采用相同的施肥管理（氮肥150 kg·hm⁻²，磷肥90 kg·hm⁻²，钾肥36 kg·hm⁻²）和种植模式，玉米于2020年5月移栽，9月收获，全程不灌溉。

采样在干湿交替条件下进行。2020年7月9日（拔节期）、7月27日（孕穗期）、8月10日（抽雄期）、8月27日（成熟期）分别采集土壤和玉米茎样品。7月9日和8月27日为干旱期，持续7-8天；7月27日和8月10日为降雨后的湿润期。上午8-9点，从15个地块的玉米茎第一节间采集样品，同时在茎采样位置附近的不同深度（0-100 cm）采集土壤样品。部分样品用玻璃瓶密封后冷冻保存，测定氢和氧稳定同位素；另一部分样品带回实验室，在105℃烘干24小时至恒重，以确定土壤含水量。

表1. 采样地块详情

本研究采用LI-2100全自动真空冷凝抽提系统（北京理加联合科技有限公司）从采集的玉米茎和土壤样品中提取水分。δ²H 和 δ¹⁸O 分析采用 L2120-I 分析仪（Picarro，美国）进行分析。

图2 土壤厚度20 cm (C1)、40 cm (C2)、60 cm (C3)、80 cm (C4)、100 cm (C5)处理土壤储量及平均含水量的变化特征。

图3 不同土层雨水、玉米茎水及土壤水的δ²H与δ¹⁸O关系。(a)所有采样日期拟合δ²H与δ¹⁸O得到的线性方程；(b)7月9日拟合δ²H与δ¹⁸O得到的线性方程；(c)7月27日拟合δ²H与δ¹⁸O得到的线性方程；(d)8月10日拟合δ²H与δ¹⁸O得到的线性方程；(e)8月27日拟合δ²H与δ¹⁸O得到的线性方程。

图 4 采样日期土壤厚度为 20 厘米 (C1)、40 厘米 (C2)、60 厘米 (C3)、80 厘米 (C4)、100 厘米 (C5) 的处理中土壤水和茎水的 δ²H 和 δ¹⁸O 值的变化。

图5 采样期间土壤厚度20 cm (C1)、40 cm (C2)、60 cm (C3)、80 cm (C4)、100 cm (C5)处理不同土层土壤水及雨水对茎水相对贡献比例的变化。

本研究基于天然同位素示踪技术结合现场土壤水分与生理形态特征测定，研究了西南坡耕地不同土壤厚度下夏季玉米的水分利用机制。结果表明：浅土壤（0～40cm）玉米种植对深层土壤水分的依赖性更强，土壤厚度超过60cm的玉米更倾向于利用各土层中分布较为均匀的水分。浅土壤夏玉米由于水资源有限，长期水分利用效率较高，但株高、叶面积、光合和蒸腾速率较低，尤其是在干旱条件下，导致干物质积累较少，产量降低。表明60cm以上土壤厚度具有较大的水分生态位宽度，适合亚热带坡耕地紫色土玉米生长。本研究对亚热带浅紫色土区旱地作物（玉米）的土壤-植物-水分关系提供了新的、关键的见解。未来研究应注重根系形态的年际变化及不同土壤类型或农田下垫面特征，以加强山地丘陵地区农业综合管理。

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