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基于水分利用策略和植物性狀確定坡耕地玉米種植適宜土壤厚度

瀏覽次數(shù):350 發(fā)布日期:2024-10-29  來(lái)源:本站 僅供參考,謝絕轉(zhuǎn)載,否則責(zé)任自負(fù)

水資源在糧食生產(chǎn)和生態(tài)修復(fù)中的關(guān)鍵作用,特別是在頻繁出現(xiàn)的高溫、干旱等極端天氣條件下,威脅糧食生產(chǎn),加速土地退化。研究指出,中國(guó)作為人均水資源低于世界平均水平的國(guó)家,農(nóng)業(yè)用水已占全國(guó)總用水量的60%以上,但整體用水效率較低且區(qū)域差異顯著。尤其在山區(qū)和丘陵地區(qū),土壤侵蝕和厚度減少嚴(yán)重影響了蓄水能力,加劇了干旱頻發(fā)和作物減產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn),本文強(qiáng)調(diào)了通過(guò)優(yōu)化農(nóng)業(yè)管理實(shí)踐,提高用水效率,以緩解干旱脅迫,維持作物產(chǎn)量的重要性。

本次田間試驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院鹽亭紫色土農(nóng)業(yè)生態(tài)站進(jìn)行,該站位于中國(guó)四川盆地中北部,海拔400-600m(東經(jīng)105° 27’,北緯 31°16’)(圖 1)。該地區(qū)屬于中亞熱帶季風(fēng)氣候,平均氣溫 17.3℃。年平均降水量為826mm,蒸發(fā)量為680 mm。降雨分布不均,約70%的年降水發(fā)生在夏秋季,季節(jié)性干旱頻繁,主要發(fā)生在春季和初夏。

圖1. 研究區(qū)域位置(a)、實(shí)驗(yàn)地塊圖片(b)、地塊設(shè)計(jì)圖(c)、實(shí)驗(yàn)地塊剖面圖(d)。

本試驗(yàn)土壤為鈣質(zhì)紫色土,來(lái)源于蓬萊鎮(zhèn)組,屬于中溫土壤質(zhì)地,被稱為新土,占四川盆地紫色土總量的四分之一以上(圖1)。鈣質(zhì)紫色土剖面主要發(fā)育在頁(yè)巖和泥巖中,常與不透水的砂巖互層。淺層紫色土的下伏基巖限制了根系生長(zhǎng),入滲的大部分水分往往會(huì)因地下徑流繞過(guò)根區(qū)而流失。試驗(yàn)土壤性質(zhì)相似,平均值為:pH 值為8.37,土壤有機(jī)碳 (SOC) 為5.80 g·kg−1,全氮含量 (TN) 為0.80 g·kg−1,容重為1.14 g·cm−1,陽(yáng)離子交換容量 (CEC) 為8.22cmol(+)·kg−1,含沙量為17.28%,飽和水力傳導(dǎo)率為16.8mm·h−1。坡耕地冬小麥 (Triticumaestivum L.) 與夏玉米 (Zea mays L.) 輪作常規(guī)種植制度已持續(xù) 50 余年。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)共設(shè)計(jì)15個(gè)小區(qū)。小區(qū)尺寸為5mx 1.5m,坡度為6.5°,模擬長(zhǎng)江上游坡耕地的平均梯田坡度。試驗(yàn)設(shè)置了5種土壤厚度處理(20 cm、40 cm、60 cm、80 cm、100 cm),每個(gè)處理重復(fù)3次。試驗(yàn)小區(qū)通過(guò)無(wú)縫水泥墻和基座進(jìn)行水文隔離,構(gòu)建不同厚度的防滲混凝土盆并重新填筑原有土層。經(jīng)過(guò)8年的常規(guī)耕作(小麥-玉米輪作)后,確保土壤剖面保持原狀。所有處理均采用相同的施肥管理(氮肥150 kg·hm−2,磷肥90 kg·hm−2,鉀肥36 kg·hm−2)和種植模式,玉米于2020年5月移栽,9月收獲,全程不灌溉。

采樣在干濕交替條件下進(jìn)行。2020年7月9日(拔節(jié)期)、7月27日(孕穗期)、8月10日(抽雄期)、8月27日(成熟期)分別采集土壤和玉米莖樣品。7月9日和8月27日為干旱期,持續(xù)7-8天;7月27日和8月10日為降雨后的濕潤(rùn)期。上午8-9點(diǎn),從15個(gè)地塊的玉米莖第一節(jié)間采集樣品,同時(shí)在莖采樣位置附近的不同深度(0-100 cm)采集土壤樣品。部分樣品用玻璃瓶密封后冷凍保存,測(cè)定氫和氧穩(wěn)定同位素;另一部分樣品帶回實(shí)驗(yàn)室,在105℃烘干24小時(shí)至恒重,以確定土壤含水量。

表1. 采樣地塊詳情

本研究采用LI-2100全自動(dòng)真空冷凝抽提系統(tǒng)(北京理加聯(lián)合科技有限公司)從采集的玉米莖和土壤樣品中提取水分。δ2H 和 δ18O 分析采用 L2120-I 分析儀(Picarro,美國(guó))進(jìn)行分析。

圖2 土壤厚度20 cm (C1)、40 cm (C2)、60 cm (C3)、80 cm (C4)、100 cm (C5)處理土壤儲(chǔ)量及平均含水量的變化特征。

圖3 不同土層雨水、玉米莖水及土壤水的δ2H與δ18O關(guān)系。(a)所有采樣日期擬合δ2H與δ18O得到的線性方程;(b)7月9日擬合δ2H與δ18O得到的線性方程;(c)7月27日擬合δ2H與δ18O得到的線性方程;(d)8月10日擬合δ2H與δ18O得到的線性方程;(e)8月27日擬合δ2H與δ18O得到的線性方程。

圖 4 采樣日期土壤厚度為 20 厘米 (C1)、40 厘米 (C2)、60 厘米 (C3)、80 厘米 (C4)、100 厘米 (C5) 的處理中土壤水和莖水的 δ2H 和 δ18O 值的變化。

圖5 采樣期間土壤厚度20 cm (C1)、40 cm (C2)、60 cm (C3)、80 cm (C4)、100 cm (C5)處理不同土層土壤水及雨水對(duì)莖水相對(duì)貢獻(xiàn)比例的變化。

本研究基于天然同位素示蹤技術(shù)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)土壤水分與生理形態(tài)特征測(cè)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機(jī)制。結(jié)果表明:淺土壤(0~40cm)玉米種植對(duì)深層土壤水分的依賴性更強(qiáng),土壤厚度超過(guò)60cm的玉米更傾向于利用各土層中分布較為均勻的水分。淺土壤夏玉米由于水資源有限,長(zhǎng)期水分利用效率較高,但株高、葉面積、光合和蒸騰速率較低,尤其是在干旱條件下,導(dǎo)致干物質(zhì)積累較少,產(chǎn)量降低。表明60cm以上土壤厚度具有較大的水分生態(tài)位寬度,適合亞熱帶坡耕地紫色土玉米生長(zhǎng)。本研究對(duì)亞熱帶淺紫色土區(qū)旱地作物(玉米)的土壤-植物-水分關(guān)系提供了新的、關(guān)鍵的見(jiàn)解。未來(lái)研究應(yīng)注重根系形態(tài)的年際變化及不同土壤類型或農(nóng)田下墊面特征,以加強(qiáng)山地丘陵地區(qū)農(nóng)業(yè)綜合管理。

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