水資源短缺已成為影響地區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的嚴(yán)重障礙。隨著節(jié)水灌溉技術(shù)和覆膜技術(shù)在干旱地區(qū)的推廣,研究覆膜灌溉條件下農(nóng)田土壤-植物-大氣(SPAC)水分循環(huán)的機(jī)理,分析覆膜條件下土壤水分的傳輸和轉(zhuǎn)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(jī)制,對旱區(qū)水資源科學(xué)配置與調(diào)控具有重要的意義。

本研究以制種玉米農(nóng)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(guān)系統(tǒng)和包裹式植物莖流計等設(shè)備。結(jié)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(guī)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(guī)律、玉米根系吸水模式、土壤-大氣水分傳輸和轉(zhuǎn)化機(jī)制以及農(nóng)田蒸發(fā)蒸騰量的估算和區(qū)分等進(jìn)行了深入系統(tǒng)的試驗研究,取得以下成果:

(1)擬合了西北旱區(qū)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(guī)律。降水線截距和斜率均小于全球降水線,表明了當(dāng)?shù)剌^高的蒸發(fā)強度和蒸發(fā)速率。土壤水氫氧同位素在垂直方向剖面呈現(xiàn)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(zhì)部水分同位素不發(fā)生分餾。作物蒸騰水汽同位素及其水汽濃度是影響農(nóng)田背景水汽同位素組成的主導(dǎo)因素。

(2)進(jìn)一步揭示了交替溝灌提高作物水分利用效率和產(chǎn)量的機(jī)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(nèi),影響其根系吸水的主導(dǎo)因素是根系分布,而在一個灌溉周期內(nèi),影響玉米根系吸水的主導(dǎo)因素是土壤水分。玉米出現(xiàn)干旱脅迫后,濕潤根區(qū)的水分優(yōu)先供應(yīng)地上部分組織再進(jìn)行橫向運輸。AFI條件下作物吸收深層和濕潤側(cè)土壤水分比例提高4-26%,減少水分滲漏損失,玉米產(chǎn)量相應(yīng)的提高了 17.0-30.4%。當(dāng)減少50%的灌溉水量時,AFI(M/2)不明顯減少產(chǎn)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(fā)的同位素模型,定量分析了覆膜條件下農(nóng)田土壤蒸發(fā)水分相變過程。覆膜條件下,土壤蒸發(fā)前緣主要發(fā)生在5-10 cm 土層,蒸發(fā)水汽分子通過土壤孔隙向上擴(kuò)散,部分水汽分子被0-5 cm的土壤水吸附并與其水分子發(fā)生交換進(jìn)而擴(kuò)散到外界。玉米全生育期平均4.5%的膜下土壤水分發(fā)生蒸發(fā)并形成水汽,其中72.6%蒸發(fā)水汽在膜下冷凝形成凝結(jié)水,其中70.0%發(fā)生二次蒸發(fā)再次形成水汽擴(kuò)散到外界,平均蒸發(fā)量約為0.80 mm/d,蒸發(fā)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(fā)比例依然較大。

(4)提出了基于穩(wěn)定同位素的農(nóng)田蒸發(fā)蒸騰量估算和區(qū)分的新方法。實現(xiàn)了在同位素穩(wěn)定狀態(tài)(ISS)和非穩(wěn)定狀態(tài)(NSS)下對玉米植株蒸騰水汽的同位素組成δT直接而連續(xù)的測定。基于穩(wěn)定同位素方法對農(nóng)田蒸發(fā)蒸騰量的估算和區(qū)分表明,玉米蒸騰比例(FT)隨季節(jié)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(nèi)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(shù)(LAI)具有良好的非線性關(guān)系:FT=0.71LAI0.14,葉面積指數(shù)LAI可以作為一項重要的指標(biāo)用于衡量植被的蒸騰比例和評估作物耗水關(guān)系。