两种土壤质地麦田贮水量与表层土壤水分的关系

尹笑笑，王 东

(山东农业大学，作物生物学国家重点实验室，农业部作物生理生态与耕作重点实验室，山东泰安 271018)

土壤贮水是冬小麦耗水的重要来源[1-2]。在农田墒情监测中，表层土壤含水量容易测得，深层土壤含水量测量难度较大[3-4]。为利用表层土壤含水量预测深层土壤含水量，前人对二者之间建立了多种数量关系模型[5-7]。然而，不同的植物及覆被类型对不同土层土壤水分的消耗及地表蒸发的影响存在差异，在一定程度上影响表层与深层土壤含水量之间的关系[8-10]。袁念念等[11]针对棉田建立了表层土壤含水量与耕层以下土壤体积含水量的线性预测模型。赵 忠等[12]和王振凤等[13]分别在黄土高原半干旱区人工柠条林地和半湿润区刺槐林地应用隔室分析法和非线性回归方法，建立了土壤水分随土层深度变化的数学模型。除了植被因素，由于土壤质地对田间持水率的大小、水分入渗过程等影响很大[14-15]，不同土壤质地农田一定深度土层土壤水分的分布特征可能存在差异。另外，已有研究发现，在中壤土中玉米根系全生育期平均生长速率和根量最大值显著高于轻壤土和轻黏土[16]，说明作物根系在不同质地土壤中的分布特征亦明显不同，这对土壤贮水量及其纵向分布亦会造成间接的影响。然而，目前尚缺乏不同质地麦田土壤贮水量与表层土壤水分关系的研究报道。我国黄淮和北部冬麦区土壤质地多属壤土, 其中以砂粉土最多, 黏土所占比例很小[17]。本试验选择粉壤土和砂壤土两种土壤质地麦田，在冬小麦生育期间通过设置不同的灌溉时期和拟湿润层深度实施补充灌溉，制造不同生育时期0～200 cm土层土壤贮水量及其纵向分布的差异，探讨冬小麦生长期间一定深度土层土壤贮水量变化与表层土壤含水量之间的关系，以期为黄淮和北部冬麦区麦田土壤墒情预测提供理论和技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2013-2016年冬小麦生长季进行。其中，2013-2014年在山东兖州小孟镇史家王子村(116°41′E, 35°40′N)大田进行，2014-2015年在岱岳区道朗镇玄庄村(116°54′E, 36°12′N)大田进行，2015-2016年同时在肥城市边院镇南仇村(116°88′E, 35°99 ′N)和岱岳区道朗镇玄庄村(116°54′E, 36°12′N)大田进行。不同土壤质地试验田0～200 cm各土层土壤颗粒含量如表1所示，土壤容重和田间持水量如表2所示，2013-2016年各试验点冬小麦生长季逐日降水量和灌水时间如图1所示。

1.2 试验设计

2013-2014和2014-2015年度分别于史家王子村的粉壤土和砂壤土地块和玄庄村的粉壤土和砂壤土地块，在播种期水肥管理一致的条件下，设置补灌时期和拟湿润层深度处理，创造不同生育时期土壤贮水量和表层土壤含水量的差异。试验采用裂区设计，主区为补灌时期，副区为拟湿润层深度。补灌时期设拔节期、冬前期+拔节期、拔节期+开花期3个水平。拟湿润层深度设置0～10、0～20、0～30、0～40 cm 4个水平，补灌的目标相对含水量均为100%，同时设置全生育期不灌水处理。补灌水量依据灌水定额=100Dh·γbd·(θt-θn)[19]计算，式中Dh为拟湿润层深度(cm)，γbd为该拟湿润层土壤容重(g·cm-3)，θt为目标土壤含水量(mg·g-1)，即田间持水量乘以目标土壤相对含水量，θn为灌水前拟湿润层土壤含水量(mg·g-1)。试验选用高产冬小麦品种济麦22。

a：史家王子村；b：玄庄村；c：南仇村；A：播种期灌水；B：越冬期灌水；C：拔节期灌水；D：开花期灌水。

a:Shijiawangzi; b:Xuanzhuang; c:Nanqiu; A:Irrigation at sowing; B:Irrigation at pre-wintering; C:Irrigation at jointing stage; D:Irrigation at anthesis stage.

图12013-2016年各试验点冬小麦生长季逐日降水量和灌水时间

Fig.1Dailyprecipitationandirrigationtimeduringthegrowingseasonofwinterwheatin2013-2016

2015-2016年分别在肥城市边院镇南仇村的粉壤土地块和岱岳区道朗镇玄庄村的砂壤土地块进行模型验证试验。采用裂区设计，主区为品种，选用山农23、山农25、山农29三个冬小麦品种，副区为补灌时期，设拔节期、开花期、播种期+拔节期、越冬期+拔节期、拔节期+开花期、播种期+拔节期+开花期、播种期+越冬期+拔节期+开花期7个水平。各时期均以0～20 cm土层土壤相对含水量达100%为目标补灌，同时设置全生育期不灌水处理和定额灌溉处理。定额灌溉处理于播种期、拔节期和开花期灌溉，每次灌水定额为75 mm。

各试验小区面积为40 m2(4 m×10 m)，3次重复。小区之间设1.0 m隔离带，以防处理间水分侧渗影响。灌溉水水源为井水，灌溉时采用输水带供水，通过小麦专用微喷带(ZL2012203 56553.7)[20]均匀喷洒在试验小区内，微喷带进水端装有水表和闸阀，用以计量和控制灌水量。

1.3 田间管理

播种前每公顷底施纯氮105 kg、P2O5150 kg和K2O 150 kg，拔节期每公顷追施纯氮135 kg。使用的肥料为尿素(含N 46%)、磷酸二铵(含P2O546%，含N 18%)和氯化钾(含K2O 60%)。2013-2014年小麦于10月10日播种，5月31日收获；2014-2015年小麦于10月6日播种，6月10日收获；2015-2016年南仇村粉壤土地块小麦于10月10日播种，6月14日收获；玄庄村砂壤土地块小麦于10月5日播种，6月10日收获。各试验均于小麦4叶期定苗，基本苗为180株·m-2，其他管理措施同一般高产田。

1.4 土壤含水量和贮水量的测定与计算

于小麦播种前1 d，冬前期、拔节期和开花期每次灌水前1 d与灌水后3 d及成熟期，用土钻取 0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120、120～140、140～160、160～180、180～200 cm土层土样，装入铝盒，称鲜重后置于烘箱中，110 ℃烘至恒重，称干土重，计算土壤含水量(%)和贮水量(mm)，每小区取1个点，每处理取3次重复。

土壤含水量=(鲜土重-干土重)/干土重×100%。

土壤贮水量= 10×土壤容重×土层厚度×土壤含水量。

1.5 相关分析与关系方程预测精度检验

分别用DPS 7.05和Sigma Plot 12.5软件系统进行数据分析和绘图。

1.5.1 相关分析与关系方程的建立

利用2013-2014年度试验获取的土壤含水量和土壤贮水量数据，采用线性回归方法，分别建立补灌前和补灌后0～20和0～40 cm土层土壤含水量与0～100和0～200 cm土层土壤贮水量的数量关系，及全生育期0～20和0～40 cm土层土壤含水量与0～100和0～200 cm土层土壤贮水量的数量关系，并进行显著性检验。

1.5.2 关系方程预测精度检验

利用2013-2014年度建立的关系方程，于2014-2015和2015-2016年度，在每次采样后，用实测的0～20和0～40 cm土层土壤含水量计算0～100和0～200 cm土层土壤贮水量的模拟值。通过以下公式计算根均方差(rootmean square error, RMSE)，并以此判断相关方程的拟合度和可靠性。

2 结果与分析

2.1 麦田土壤贮水量与表层土壤含水量的关系

2.1.1 补灌前土壤贮水量与表层土壤含水量的数量关系

在粉壤土地块，冬小麦生育期内补灌前0～20和0～40 cm土层土壤含水量与0～100 cm和0～200 cm土层土壤贮水量均呈极显著正相关；在砂壤土地块，冬小麦生育期内补灌前0～20和0～40 cm土层土壤含水量与0～100 cm土层土壤贮水量均呈极显著正相关，与0～200 cm土层土壤贮水量则无显著线性相关关系(图2)。

2.1.2 补灌后土壤贮水量与表层土壤含水量的数量关系

小麦冬前期、拔节期和开花期补灌后，粉壤土地块0～20和0～40 cm土层土壤含水量与0～100 cm和0～200 cm土层土壤贮水量均呈极显著正相关；砂壤土地块0～20和0～40 cm土层土壤含水量与0～100 cm土层土壤贮水量均呈极显著正相关，与0～200 cm土层土壤贮水量无显著线性相关关系(图3)。

2.1.3 全生育期土壤贮水量变化与表层土壤含水量的相关性

将补灌前和补灌后及播种期、成熟期测定的一定深度土层土壤贮水量与表层土壤含水量进行相关分析，全生育期两土壤质地麦田0～20 cm土层土壤含水量均与0～100 cm和0～200 cm土层土壤贮水量呈极显著正相关(图4)，其中粉壤土地块的决定系数分别为0.845 3和0.805 5，砂壤土地块的决定系数分别为0.728 8和0.208 2。0～40 cm土层土壤含水量与0～100 cm和0～200 cm土壤贮水量亦呈极显著正相关，其中粉壤土地块的决定系数分别为0.894 7和0.819 6，砂壤土地块的决定系数分别为0.840 5和0.212 6。通过比较决定系数可知，粉壤土地块上层土壤含水量与一定深度土层土壤贮水量的相关性比砂壤土地块好，说明粉壤土地块0～20和0～40 cm土层土壤含水量均可较好地反映0～100和0～200 cm土层土壤贮水状况。

2.2 方程预测的精度

2014-2015和2015-2016连续两年对2013-2014年试验建立的全生育期0～20和0～40 cm土层土壤含水量与0～100和0～200 cm土层土壤贮水量关系方程的预测精度进行检验。

图2 补灌前0～20和0～40 cm土层土壤含水量与0～100和0～200 cm土层土壤贮水量的关系(2013-2014)

图3 补灌后0～20和0～40 cm土层土壤含水量与0～100和

图4 全生育期0～20和0～40 cm土层土壤含水量与0～100和0～200 cm土层土壤贮水量的关系(2013-2014)

2.2.1 利用0～20 cm土层土壤含水量预测0～100和0～200 cm土层土壤贮水量

对粉壤土和砂壤土地块的两年度检验结果基本一致(图5和图6)。在粉壤土地块，利用0～20 cm土层土壤含水量预测0～100 cm土层土壤贮水量的RMSE值在两年度分别为15.33%和18.22%，预测0～200 cm土层土壤贮水量的RMSE值在两年度分别为10.56%和11.40%，模拟效果均较好(图7)。在砂壤土地块，利用0～20 cm土层土壤含水量预测0～100 cm土层土壤贮水量的RMSE值在两年度分别为39.25%和79.90%，模拟值与实测值偏差大，模拟效果差；而利用0～20 cm土层土壤含水量预测0～200 cm土层土壤贮水量的RMSE值在2014-2015年为20.06%，模拟效果一般，在2015-2016年模拟值与实测值无显著相关性。

2.2.2 利用0～40 cm土层土壤含水量预测的0～100和0～200 cm土层土壤贮水量

在粉壤土地块上，利用0～40 cm土层土壤含水量预测0～100 cm土层土壤贮水量的RMSE值在两年度分别为14.29%和15.58%，模拟效果均较好；预测0～200 cm土层土壤贮水量的RMSE值在两年度分别为9.26%和9.75%，模拟值与预测值一致性非常好(图8)。在砂壤土地块，利用0～40 cm土层土壤含水量预测0～100 cm土层土壤贮水量的RMSE值在两年度分别为25.84%和64.90%，模拟效果一般或差(图8)；预测0～200 cm土层土壤贮水量的RMSE值在2014-2015年为24.01%，模拟效果一般，2015-2016年模拟值与实际值无显著相关关系(图8)。

图5 0～100 cm土层土壤贮水量模拟值与实测值的比较(用0～20 cm土层土壤含水量预测)

图6 0～200 cm土层土壤贮水量模拟值与实测值的比较(用0～20 cm土层土壤含水量预测)

3 讨 论

土壤水分与土层深度具有明显的空间相关性[10,22-23]，探明表层土壤含水量与深层土壤贮水量的数量关系，建立预测模型，是获取深层土壤贮水量的简便快捷方法[3]。王国玉等[24]根据Biswsa土壤水分估算模式，利用表层土壤水分预测深层土壤水分，平均相对误差为10%左右。郭庆春和何振芳[25]则基于BP人工神经网络建立了表层土壤含水量预测深层土壤含水量的模型。另有学者基于不同植被和地表覆盖对土壤水分纵向分布的影响，针对棉花等不同的作物种植田块进行研究，建立了土壤水分随土层深度变化的数学模型[11-13]。本试验在冬小麦生育期间通过设置不同的灌水时期和拟湿润层深度实施补充灌溉，制造不同生育时期0～200 cm土层土壤贮水量及其纵向分布的差异，发现在粉壤土地块，冬小麦全生育期0～20和0～40 cm土层土壤含水量均与0～100和0～200 cm土层土壤贮水量呈极显著正相关；小麦冬前期、拔节期和开花期灌水后0～20和0～40 cm土层土壤含水量与0～100和0～200 cm土层土壤贮水量的相关性与灌水前比较，并没有发生明显的变化，但关系方程和决定系数的大小有较大差异。杨静敬等[26]通过定额灌溉的方式，在冬小麦生育期设置不同的灌水次数和总灌水量，亦得到了与之基本一致的结果。

土壤质地在很大程度上决定了土壤的吸水特性[27]，影响土壤水分在土体内的运移和贮存量[14-15,28]。灌溉后土壤水分在不同土壤质地的入渗深度不同，砂壤土>壤土[29]。陈怀亮等[3]应用GIS技术分别建立了不同土壤质地区表层土壤含水量与一定深度土层土壤贮水量的线性方程，但以50 cm分层，跨度较大。本试验中，在砂壤土地块，将补灌前和补灌后及播种期、成熟期测定的数据一起分析发现，0～20和0～40 cm土层土壤含水量与0～200 cm土层土壤贮水量相关性达到极

图7 0～100 cm土层土壤贮水量模拟值与实测值的比较(用0～40 cm土层土壤含水量预测)

显著水平，但决定系数却较低，与粉壤土地块相差较大。小麦冬前期、拔节期、开花期灌水前和灌水后，砂壤土地块0～20和0～40 cm土层土壤含水量与0～100 cm土层土壤贮水量均呈极显著正相关，与0～200 cm土层土壤贮水量则无显著线性相关关系，说明土壤质地对表层土壤含水量与一定深度土层土壤贮水量的相关关系影响较大，在土壤墒情预测中应区别对待。

本试验砂壤土地块各土层沙粒含量在53.3%～95.8%范围内，且随土层深度增加呈增大趋势，而粉壤土地块各土层粉粒含量在63.8%～76.0%范围内，且各土层之间差异相对较小(表1)。此外，与粉壤土地块相比，砂壤土地块20～140 cm土层土壤田间持水量较高，而0～20 cm 和140～200 cm土层土壤田间持水量较低(表2)。在粉壤土地块，小麦生育期内上层土壤含水量高，1 m和2 m土体的土壤贮水量也高；而在砂壤土地块，小麦生育期内却出现上层土壤含水量低而2 m土体土壤贮水量高(低含水高贮水)和上层土壤含水量高而2 m土体土壤贮水量低(高含水低贮水)的现象。深入分析发现，低含水高贮水出现在小麦开花期，在该生育时期之前有灌水的处理，由于砂壤土地块40～140 cm土层土壤田间持水量较高，所以贮水量也较高，而该地块0～20 cm土层田间持水量虽然高于其余土层，保水能力较好，但该土层土壤水分受地表蒸发影响大，再加上0～40 cm土层根系吸水的影响，水分消耗快，从而表现出低含水高贮水现象。砂壤土地块140～200 cm土层土壤沙粒含量特别高、田间持水量低，保水能力差。夏季较多的自然降水难以在该土层土壤贮存，易下渗进入更深土层。小麦播种期砂壤土地块2 m土体的土壤贮水量比粉壤土地块少134.12 mm，至越冬期砂壤土地块2 m土体的土壤贮水量仍大幅度低于粉壤土地块。而砂壤土地块0～20 cm土层土壤的田间持水量明显高于其余土层，保水性相对较好，恰遇当年小麦越冬期灌水前的土壤样品采集之前降了24 mm水，虽然上部土层土壤含水量较高，但2 m土体土壤贮水量增加的幅度较小，从而表现出高含水低贮水现象。可见一定深度土体各土层土壤颗粒组成的差异显著影响土壤水的纵向分布，从而改变表层土壤含水量与一定深度土层土壤贮水量的关系。从砂壤土地块小麦各生育时期土壤水在2 m土体的纵向分布看，上层土壤含水量中等而2 m土体土壤贮水量也中等(中含水中贮水)的现象出现几率比较高(64%)，这与砂壤土地块40～140 cm土层土壤田间持水量较高，对小麦生育期内的自然降水和灌溉水有一定的贮存能力，而0～40 cm土层虽然贮水能力较强，但土壤含水量受地表蒸发、根系吸水影响大有关。

F为粉壤土试验田，S为砂壤土试验田。F is powder loam plots, S is sandy loam plots.