水資源短缺已成為影響地區農業經濟可持續發展的嚴重障礙。隨著節水灌溉技術和覆膜技術在干旱地區的推廣,研究覆膜灌溉條件下農田土壤-植物-大氣(SPAC)水分循環的機理,分析覆膜條件下土壤水分的傳輸和轉化及作物水吸收利用過程,闡明作物水分利用效率的提升機制,對旱區水資源科學配置與調控具有重要的意義。

本研究以制種玉米農田為研究對象,采用水同位素分析儀、多通道大氣水汽冷阱、渦度相關系統和包裹式植物莖流計等設備。結合同位素守恒和水量平衡原理、同位素IsoSource模型、Keeling plot模型、Craig-Grodon模型以及Rayleigh蒸餾模型,對交替溝灌(AFI)、常規溝灌(CFI)、畦灌(BI)和交替溝灌1/2灌水量處理(AFI(M/2))等條件下土壤水分運動規律、玉米根系吸水模式、土壤-大氣水分傳輸和轉化機制以及農田蒸發蒸騰量的估算和區分等進行了深入系統的試驗研究,取得以下成果:

(1)擬合了西北旱區降水線 LMWL:δD=7.4δ18O+8.0(R2=0.95)和土壤水線 SWL:δD = 5.6δ18O-9.9(R2=0.90),明確了土壤水、植株水和大氣水汽的氫氧同位素分布特征和時空變化規律。降水線截距和斜率均小于全球降水線,表明了當地較高的蒸發強度和蒸發速率。土壤水氫氧同位素在垂直方向剖面呈現明顯的梯度分布,隨土層深度增加而變小。玉米植株各部位同位素組成存在顯著差異,葉脈與木質部水分同位素不發生分餾。作物蒸騰水汽同位素及其水汽濃度是影響農田背景水汽同位素組成的主導因素。

(2)進一步揭示了交替溝灌提高作物水分利用效率和產量的機理。不同灌溉條件下玉米根系吸水模式存在顯著差異,玉米主要吸水深度為:AFI(M/2)>AFI>CFI>BI。玉米全生育期內,影響其根系吸水的主導因素是根系分布,而在一個灌溉周期內,影響玉米根系吸水的主導因素是土壤水分。玉米出現干旱脅迫后,濕潤根區的水分優先供應地上部分組織再進行橫向運輸。AFI條件下作物吸收深層和濕潤側土壤水分比例提高4-26%,減少水分滲漏損失,玉米產量相應的提高了 17.0-30.4%。當減少50%的灌溉水量時,AFI(M/2)不明顯減少產量,作物的水分利用效率顯著提高 13.3-33.8%。

(3)建立了覆膜條件下土壤蒸發的同位素模型,定量分析了覆膜條件下農田土壤蒸發水分相變過程。覆膜條件下,土壤蒸發前緣主要發生在5-10 cm 土層,蒸發水汽分子通過土壤孔隙向上擴散,部分水汽分子被0-5 cm的土壤水吸附并與其水分子發生交換進而擴散到外界。玉米全生育期平均4.5%的膜下土壤水分發生蒸發并形成水汽,其中72.6%蒸發水汽在膜下冷凝形成凝結水,其中70.0%發生二次蒸發再次形成水汽擴散到外界,平均蒸發量約為0.80 mm/d,蒸發比例FE約為21.2%。覆膜條件下,裸土面積占的比例雖然很小(0.5-5%),但土壤蒸發比例依然較大。

(4)提出了基于穩定同位素的農田蒸發蒸騰量估算和區分的新方法。實現了在同位素穩定狀態(ISS)和非穩定狀態(NSS)下對玉米植株蒸騰水汽的同位素組成δT直接而連續的測定。基于穩定同位素方法對農田蒸發蒸騰量的估算和區分表明,玉米蒸騰比例(FT)隨季節變化較大,在生育前期較小中期較大,到后期緩慢下降。玉米全生育期內蒸騰比例范圍為52-91%,平均值為78%。蒸騰比例(FT)與葉面積指數(LAI)具有良好的非線性關系:FT=0.71LAI0.14,葉面積指數LAI可以作為一項重要的指標用于衡量植被的蒸騰比例和評估作物耗水關系。