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

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。