水对冬小麦-砂姜生长时的影响

摘要：近年来大气中二氧化碳（CO2）含量的显著增加引起学者们广泛关注,生态系统碳平衡问题成为研究的热点和前沿问题。研究淹水胁迫对冬小麦碳通量的影响可为探究土体单元碳平衡关系提供理论基础。在五道沟实验站设立典型试验区,以冬小麦四个主要生恒久为研究时段开展控制试验,设置淹水试验组和对照试验组,丈量差别情景下冬小麦碳通量,并分析其变化趋势。

研究效果讲明:对照情景下,冬小麦碳通量体现为碳汇,日内碳通量曲线大致呈先降后升趋势,9时碳通量与13时的碳通量随生恒久不停靠近,晴天碳通量低于阴雨天,一连阴雨天后的初晴日碳通量大幅降低;淹水情景在拔节期、孕穗期会使碳通量降低,在抽穗期对碳通量影响较小,在扬花期会对碳通量发生正影响,应只管制止淹水胁迫的发生。研究结果可为维持农田生态系统碳平衡和建设生态灌区提供科学依据。关键词：淹水胁迫; 冬小麦; 碳通量; 砂姜黑土;作者简介： 王茂盛(1979—),男,教授,博士,主要从事水循环模拟与调控、生态水文学等方面研究。

E-mail:wangfuqiang@ncwu.edu.cn;基金：国家自然科学基金项目(51879106,51709111)； 国家重点研发计划项目(2016YFC0401401)； 河南省科技创新良好青年支持计划(184100510014)； 河南省高校科技创新团队支持计划(20IRTSTHN010)；引用：王茂盛,刘沛衡,王利娜,赵衡,王金杰.淹水胁迫对冬小麦-砂姜黑土土体单元碳通量的影响研究[J].水利水电技术,2020,51(02):69-76.WANG Fuqiang,LIU Peiheng,WANG Lina,ZHAO Heng,WANG Jinjie.Effects of flooding stress on carbon flux in winter wheat and ginger black soil[J].2020,51(02):69-76.0 引 言农田生态系统有着自己完整的碳平衡体系,看似简朴的碳循环实际上包罗了庞大的物质转换历程。淹水胁迫属于洪涝灾害领域,是特殊的涝 灾。淹水胁迫制约着土体单元的碳贮存量。

通过直接影响土壤的通气性,影响气体交流,进而抑制呼吸作用及光互助用。呼吸作用主要由植物根呼吸和土壤微生物呼吸两部门组成,研究讲明土壤呼吸释放的CO 中约30%～50%来自根系的运动或自养呼吸作用,其余 部门主要源于土壤微生物对有机质的剖析作用,即异养呼吸作用。

水分对土壤呼吸的影响相对庞大,通过影响根和微生物的生理历程对土壤呼吸 发生直接影响,通过影响底物和氧气的扩散对土壤呼吸发生间接影响。在根系呼吸方面,当植物处于淹水胁迫状态时,根系缺氧会限制植物的有 氧呼吸,促进无氧呼吸,使根系缺乏能量阻碍其矿物质的吸收,改变植物体内的激素水平,使其代谢紊乱。随着淹水胁迫时间的延长,根系窒息, 影响养分的吸收,严重时会因沤根而萎蔫死苗。

在微生物呼吸方面,当土壤处于低含水量时,微生物的生命运动受到抑制,呼吸量较低。降 水发生后,可溶性有机质的有效性和可移动性增加,从而增加了土壤中微生物的数量和活性,导致CO 释放量在降水后瞬时增加。

当土壤水分 凌驾饱和值时,土壤中的含氧量严重淘汰,抑制微生物的有氧呼吸,破坏其最适生长情况抑制土壤呼吸。淹水胁迫对作物光互助用的影响主要体现为对作物气孔导度及叶绿素的影响。在淹水胁迫发生的初期,气孔阻力的增加会淘汰叶片水分 散失阻碍胁迫生长, 减轻光合器官胁迫强度。对于耐涝性能较差的作物,会在初期就导致叶片气孔逐渐缩小关闭,蒸腾作用降低,光互助用减缓,气孔 关闭时间也较长。

随着植物叶片气孔逐步缩小或关闭,蒸腾作用大大降低,光互助用减慢,根系吸水能力削弱,植物开始泛起生长缓慢、新生叶 片绿黄化、下部叶萎蔫等现象。重度淹水胁迫会影响植物间细胞溶质,对光合酶有非特异性抑制,导致植物叶片中的叶绿素含量减低,且随着胁迫 的加剧其内的叶绿素含量也会随之不停的淘汰,其中叶绿素a的含量相较于叶绿素b下降更快。

叶绿素的淘汰使得作物的光互助用能力削弱。从海内外相关研究希望来看,虽然已经使用试验开展了许多关于土壤水分变化对土壤呼吸的影响研究,可是针对作物差别生恒久甚至整个生长 期,接纳试验识别淹水事件对生态系统碳平衡方面研究还较少,本研究通过控制性试验,识别淹水胁迫下多个生恒久冬小麦碳通量变化,分析淹水胁迫 对农田生态系统碳平衡的影响。研究结果可为增加区域碳汇、维系生态系统碳平衡提供科学依据。

1 试验区概况本次试验所在选取五道沟水文水资源实验站(见图1),实验站位于淮北平原蚌埠市境内(117°21′E, 33°09′N)。土地总面积3.74万km ,耕地面积 达2.14万km ,农业人口数为1 526.3万,人均占有耕地1 402.08 m ,是安徽省面积最大、人口最多的一个农业区。冬季干旱少雨,夏季炎热多雨,降水 量年际变化大,年内分配不均,多年平均降雨量840 mm,1955—2015年逐年降水量不停上升 ,4月下旬到6月上旬易发生淹水胁迫。

图1 试验区位置及设施结构淮北平原为安徽省开发使用水平较高的平原地域 ,土壤以砂姜黑土为主,约占耕地面积的56%。砂姜黑土调治水分能力较差,极易发生旱、 渍、涝灾害影响农作物的生长,是三大低产土壤之一。

区域主要种植作物包罗高粱、玉米、小麦、大豆及棉花等农作物,耕作制度主要为一年两 熟及两年三熟。本次试验研究工具为冬小麦,一般在9月中下旬至10月上旬播种,翌年5月底至6月中下旬成熟。2 试验设计2.1 试验方案本次试验播种时间为2017年11月。

主要丈量时间为2018年3月13日至4月27日,丈量生恒久为冬小麦的拔节期、孕穗期、抽穗期及扬花期。试 验方法接纳控制变量试验法,研究设定对照试验组和淹水试验组,对照试验组不做特殊处置惩罚,仅保证冬小麦正常灌水。

对淹水试验组举行定时长淹水 胁迫情况设定,胁迫前后均保持冬小麦正常生长。试验选用静态明箱法丈量冬小麦的CO 浓度,丈量获得的数据盘算后用于分析淹水胁迫对冬小麦碳 通量的影响。试验区接纳测坑的形式,上方设有遮雨大棚淘汰自然降雨的滋扰。

试验设对照情景(CK)一个、淹水情景(SF)四个。每个小区为4 m 的正方形田 块,田块四周设置隔水铁皮板(地下埋深1.5 m、地上0.2 m),小区之间留出0.5 m 空隙以淘汰小区之间的横向滋扰。试验区周围种植同品种冬小麦模拟大田情况。

淹水试验组由人工控制水分浇灌量。综合思量本次试验所选用冬小麦品种地域特性,为靠近冬小麦淹水极限,并确保冬小麦存活,确定淹水情景 时长为5 d。

处置惩罚方式为由上至下缓慢灌水,在分开板上2 cm处开设流水口,保证积水深度在2 cm左右,模拟淹水胁迫发生情景。情景设定之 外保证冬小麦的正常生长,与对照试验组举行统一灌水。

2.2 监测方法碳通量的测定方法主要有箱法和涡度相关法等。箱法原理简朴、仪器价钱自制、操作容易、移动便利、敏捷度高,适宜举行小尺度丈量, 是生态系统机理方面研究的有力工具,是农田生态系统碳通量丈量的主要方法。本试验所使用明箱为5 mm厚透明有机玻璃制成(内径50 cm×50 c m,高100 cm)(见图2)。

明箱内安装空气搅拌风扇,保持箱内气体浓度匀称,中间留孔放置温度计和CO 丈量仪,下端安装2 cm宽挡板用于贴合底座, 宽挡板粘贴泡沫塑料,以保证明箱的密封性。选择采样点后将不锈钢底座小心地埋入地下10 cm,只管不破坏底座内的小麦生长和土壤情况。

图2 静态明箱(尺寸单元:cm) 试验接纳手持式CO 丈量仪(德图testo 535型)测定CO 浓度。监测时长为15 min,每5 min记载一组数据。

测定静态明箱内CO 浓度的变化后, 可以通过下式 盘算冬小麦的碳通量式中,Q为土体单元碳通量(mg·m ·s );M为CO 摩尔质量(g·mol );ΔC为静态明箱内CO 浓度变化量(ppm);S为静态明箱所笼罩的面积(m );T 为箱体内的温度;V为静态明箱体积(m );Δt为时间变化量。2.3 天气状况拔节期至扬花期逐日温度及天气状况如表1所列。拔节期、孕穗期及抽穗期均存在阴雨天气,会对碳通量发生一定的影响,在综合分析时需要考 虑天气状况。

3 效果分析3.1 对照情景日尺度碳通量变化特征对对照组冬小麦拔节期、孕穗期、抽穗期和扬花期四个主要生恒久在第1～5天中的9时、13时、17时3个时次的碳通量排放情况举行观察和统 计。凭据四个生恒久对照情景的碳通量绘制折线图(见图3),以分析冬小麦四个主要生恒久在差别情景下碳通量的变化趋势。3.1.1 拔节期将三个时点的日内碳通量举行比力,冬小麦碳通量第2、4、5日呈先降后升的趋势,在13时到达最小值,第1、3日呈不停上升趋势,在17时达最高 点。

拔节期日出时间约莫处于早晨6:20左右,日落时间约莫处于薄暮18:20左右,17时光照强度低于9时,碳通量较高。将三个时点的逐日碳通量举行比力,9时碳通量呈先升后降趋势,在雨后初晴的第4日达最小值为-6.61 mg/(m ·s),13时碳通量也呈先升后降趋势, 在第4日达最小值为-7.30 mg/(m ·s)。17时碳通量变更不稳定,在第4日达最小值为-0.74 mg/(m ·s)。3.1.2 孕穗期将三个时点的日内碳通量举行比力,碳通量变化趋势大致为先降后升,在阴雨天与晴天变化趋势基本一致。

在晴天,9时与13时碳通量相差较小, 在第4日相差较大,13时碳通量显著低于9时。17时是日内碳通量最高时点。孕穗期日出时间约莫处于早晨6时左右,日落时间约莫处于下午18时35 分左右,在晴天17时光照强度低于9时,碳通量差值较大。阴雨天日出后光照强度被削弱,碳通量相差较小。

表1 拔节期至扬花期温度及天气状况图3 对照情景碳通量变化趋势将三个时点的逐日碳通量举行比力,9时及13时碳通量呈逐渐上升趋势,在第1日到达最小,9时碳通量最小值为-5.05 mg/(m ·s),13时碳通量最小 值为-6.96 mg/(m ·s)。17时变化不稳定,在第4日达最小值为-0.18 mg/(m ·s)。3.1.3 抽穗期将三个时点的日内碳通量举行比力,9时与13时碳通量在晴天相差较小,在阴雨天相差较大。第3日9时因还未开始下雨太阳辐射较强,碳通量较 低。

抽穗期日出时间约莫处于早晨5:45左右,日落时间约莫处于下午18:38左右,在晴天17时光照强度低于9时,碳通量相差较大,在阴雨天日出后光照 强度被削弱,碳通量相差较小。将三个时点的逐日碳通量举行比力,上午9时碳通量呈逐渐上升趋势,在第1日到达最小值为-6.25 mg/(m ·s),而13时碳通量呈先升后降趋势,在 第5日达最小值为-6.79 mg/(m ·s)。

17时碳通量呈先升后降趋势,在第5日达最小值为-1.23 mg/(m ·s)。3.1.4 扬花期将三个时点的日内碳通量举行比力,9时碳通量略低于13时。扬花期日出时间约莫处于早晨5:37左右,日落时间约莫处于下午18时43分左右。

在 晴天9时日照强度随时间不停增大,加上13时冬小麦“午休”现象的存在,9时与13时的碳通量随时间不停的靠近。将三个时点的逐日碳通量举行比力,9时碳通量呈逐渐下降趋势,在第5日达最小值为-7.04 mg/(m ·s),13时碳通量呈先升后降趋势,在第1日达最 小值为-6.79 mg/(m ·s)。17时碳通量呈先升后降趋势,在第5日达最小值为-1.93 mg/(m ·s)。3.2 淹水胁迫对碳通量的影响将淹水组冬小麦拔节期、孕穗期、抽穗期和扬花期四个主要生恒久在第1～5天中的9时、13时、17时3个时次的碳通量排放情况举行观察和统 计,并与对照情景碳通量做差。

凭据四个生恒久淹水情景碳通量差值绘制折线图(见图4),以分析差别生恒久淹水情景对碳通量所发生影响的差别特 征。图4 淹水情景碳通量差值变化趋势3.2.1 拔节期将拔节期三个时点的日内碳通量举行比力,拔节期日内碳通量曲线变化较为纪律,均为先降后升,在13时到达最低点。

将三个时点的逐日碳通量 举行比力,9时在转晴后的第4日碳通量达最小值-6.40 mg/(m ·s)。13时在第1日碳通量达最小值为-7.95 mg/(m ·s),第1、4日碳通量相差较小。1 7时在第4日达最小值为-3.22 mg/(m ·s),晴天体现为碳汇,阴雨天体现为碳源。

3.2.2 孕穗期将孕穗期三个时点的日内碳通量举行比力,孕穗期下冬小麦日内碳通量曲线呈显着先降后升趋势,在13时到达最低点。将三个时点的逐日碳通量 举行比力可知,淹水情景逐日碳通量变化整体呈先降后升趋势,9时和13时在一连晴天的第2日达最小值,9时最小值为-5.16 mg/(m ·s),13时最小值 为-7.23 mg/(m ·s)。17时变化不稳定,在第3日达最小值为-1.34 mg/(m ·s),在晴天体现为碳汇,阴雨天体现为碳源。

3.2.3 抽穗期 将抽穗期三个时点的日内碳通量举行比力,抽穗期前三日日内碳通量曲线呈不停上升趋势,后两日则呈先降后升趋势。将三个时点的逐日碳通量 比力可知,淹水情景碳通量逐日呈先升后降趋势,9时在晴天的第1日达最小值为-4.96 mg/(m ·s),13时在雨后转晴的第5日达最小值-6.34 mg/(m ·s ),17时变化不稳定,在第5日碳通量泛起最小值-1.77 mg/(m ·s)。3.2.4 扬花期 将扬花期三个时点的日内碳通量举行比力,除第5日外,日内碳通量曲线变化整体呈先降后升趋势,在13时到达最低点。

将三个时点的逐日碳通量 举行比力可知,扬花期淹水情景碳通量逐日变化趋势较为杂乱,9时在第5日达最小值为-7.30 mg/(m ·s),13时在第1日达最小值为-6.92 mg/(m ·s);1 7时在第1日达最小值为-3.00 mg/(m ·s)。4 讨 论 4.1 拔节期对照情景冬小麦五日碳通量巨细为第4日<第5日<第1日<第2日<第3日。天气状况以第4日为晴天,第1日为多云天,其余几日为阴雨天,讲明晴日 天气碳通量相对较低,而阴雨天气相对较高,且随着阴雨天的延续碳通量会逐渐升高。在转晴后的第4日碳通量大幅下降,形成时期内碳通量最低点。

淹水情景对冬小麦拔节期碳通量的负影响巨细为第5日<第4日<第3日<第2日<第1日。可以改变拔节期日内碳通量曲线,对晴天的碳通量影响相 对较小,对阴雨天及多云天的影响较大,其中在雨后转晴日(第4日)会有较大降低。在时点上,第2日9时影响相对较大,第1、3、5日13时影响相对较 大,第4日17时影响相对较大。

4.2 孕穗期对照情景冬小麦五日碳通量巨细为第1日<第2日<第3日<第4日<第5日。天气状况以第1、2日为晴天,其余几日为阴雨天,晴天碳通量整体低于 阴雨天,且随着阴雨天延续碳通量不停升高,变化情况与拔节期相似。

淹水情景对冬小麦孕穗期碳通量的负影响巨细为第1日<第4日<第3日<第2日<第5日。晴天对碳通量的影响相对低于阴雨天,在第1、4日淹水情 景碳通量大于对照情景(第4日对碳通量发生正影响可能为噪点),在第2、3、5日整体呈小于对照情景,其中第3日和第5日以13时下降最大。

在第4日 以13时上升最大。孕穗期淹水情景可以改善阴雨天冬小麦碳通量较高的现象,也可以使晴天碳通量降低。三个时点中,第1、3、5日三个时点影响相 对平衡,第4日以13时最大,第2日以17时最大。

4.3 抽穗期对照情景冬小麦抽穗期五日碳通量巨细为第1日<第2日<第5日<第4日<第3日。天气状况以第1日为晴天,第3、4日为阴雨天,第2、5日为多云天气。

以晴天碳通量最低,多云天气次之,阴雨天最高。其中3、4日碳通量相差较小,而2、5日相差较大,讲明在晴日后的多云天气碳通量相对更低。变 化情况与其他两个生恒久相似。淹水情景对冬小麦抽穗期碳通量的负影响巨细为第1日<第2日<第4日<第3日<第5日。

对日内碳通量曲线的影响较为庞大,基本以正影响为主, 在第1日和第2日均对碳通量有较大幅度的提升;在第3、5日对碳通量发生小幅降低作用,讲明晴天对碳通量发生正影响,阴雨后转晴日(第5日)负影响较大,在抽穗期应当适当制止冬小麦发生淹水灾害。三个时点中,第3、5日在9时负影响较大,第4日在13时负影响较大。4.4 扬花期对照情景冬小麦五日碳通量巨细以第1日碳通量最高,其余四日碳通量相差较小。天气状况以第1日为多云天气,其余几日为晴天,晴天碳通量整 体低于多云天。

因这几日晴天碳通量相差较小,讲明一连晴日对碳通量的影响较小,而雨后转晴碳通量会有较大的变更。淹水情景对冬小麦扬花期碳通量的负影响巨细为第2日<第4日<第5日<第3日<第1日。

在多云天会使碳通量小幅降低,但在晴日对碳通量负影响 相对较小,甚至会发生小幅增量。三个时点中,在9时基本发生正影响,使碳通量变大,在13时险些无影响,在17时发生负影响。5 结论与展望淹水胁迫对差别生恒久差别天气下冬小麦碳通量有着差别的影响,本文通过设置对比试验,分析相关试验数据,绘制差别生恒久对照情景及其与 淹水情景差值的变化趋势折线图,分析四个生恒久碳通量特征及淹水胁迫对碳通量的影响。(1)在对照情景下冬小麦日内碳通量曲线大致呈先降后升趋势,随生恒久9时碳通量与13时的碳通量不停的靠近。

在一连晴天碳通量呈逐日不停 下降后趋于平缓趋势,在一连阴雨天呈逐日不停升高后趋于平缓趋势,在阴雨天转晴后碳通量会大幅降低,形成时期内碳通量的最低点。拔节期和抽穗期的碳通量变化在第1天和第3天出现逐步增加的趋势,其他时间为先淘汰、后增加。孕穗期碳通量除第3天为逐步增加外,其他时间均为先淘汰、 后增加,而扬花期则为除第1天和第3天为先淘汰、后增加外,其他时间出现逐步增加的趋势。(2)淹水情景对日内碳通量曲线的影响在差别生恒久有所差别,在拔节期、孕穗期会使日内碳通量降低;抽穗期整体对碳通量曲线的改善效果较 小,但一连阴雨后的初晴日碳通量大幅下降,此时期降雨发生的少量积水可以不做处置惩罚;扬花期淹水情景会对碳通量发生正影响,应只管制止淹水胁迫 的发生。

本次试验仅举行一年且对于变量的控制主要依靠人工举行,以后需举行多年试验综合分析淹水情景对碳通量的影响。应进一步探索其他气象因 素对碳通量的影响,并加入土壤因子举行综合分析。

此外,本试验一天中只观察了9、13、17时3个时次的观察数据,没有举行夜间观察,对于全面分析 水分胁迫情景下的碳通量,数据还略显不足,以后需要举行越发全面的观察和数据分析。水利水电技术水利部《水利水电技术》杂志是中国水利水电行业的综合性技术期刊（月刊），为全国中文焦点期刊，面向海内外公然刊行。本刊以先容我国水资源的开发、使用、治理、设置、节约和掩护，以及水利水电工程的勘察、设计、施工、运行治理和科学研究等方面的技术履历为主，同时也报道外洋的先进技术。

期刊主要栏目有:水文水资源、水工修建、工程施工、工程基础、水力学、机电技术、泥沙研究、水情况与水生态、运行治理、试验研究、工程地质、金属结构、水利经济、水利计划、防汛抗旱、建设治理、新能源、都会水利、农村水利、水土保持、水库移民、水利现代化、国际水利等。

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