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

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。