噴灌灑水與施肥均勻性對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響

摘要：噴灌均勻系數(shù)是噴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，而噴灌灑水與施肥的均勻性對(duì)作物產(chǎn)量的影響是確定均勻系數(shù)設(shè)計(jì)值的重要依據(jù)。1998～1999、1999～2000兩年的噴灌灑水與施肥均勻系數(shù)對(duì)冬小麥產(chǎn)量影響的田間試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)冠層以上均勻系數(shù)小于76%時(shí)，冠層以下噴灌均勻系數(shù)大于冠層以上噴灌均勻系數(shù)。灌溉季節(jié)內(nèi)，累計(jì)灌水量均勻系數(shù)大于平均噴灌均勻系數(shù)，因此用平均噴灌均勻系數(shù)表示灌溉季節(jié)的灌水均勻程度會(huì)低估實(shí)際灌水的均勻性。噴灌施肥的試驗(yàn)結(jié)果表明，化肥施入量與灌水量的分布都可以用正態(tài)分布來表示，且它們的分布比較接近。田間試驗(yàn)還表明，對(duì)華北平原種植的冬小麥而言，在試驗(yàn)的噴灌均勻系數(shù)變化范圍內(nèi)(62%～82%)，噴灌灑水及施肥的均勻性對(duì)產(chǎn)量的影響不明顯。

 

關(guān)鍵詞：噴灌 施肥灌溉 均勻系數(shù) 華北平原 冬小麥 產(chǎn)量

 

噴灌灑水的均勻程度通常用克里斯琴森均勻系數(shù)CU來定量描述^[1]，其定義為：

噴灌均勻系數(shù)的選擇在噴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要性主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：第一，噴灌系統(tǒng)田間設(shè)備的與噴灌均勻系數(shù)密切相關(guān)，提高設(shè)計(jì)均勻系數(shù)會(huì)增大系統(tǒng)投資；第二，降低噴灌均勻系數(shù)設(shè)計(jì)值可能會(huì)對(duì)作物產(chǎn)量和品質(zhì)帶來不利影響，并有可能引起深層滲漏，對(duì)淺層地下水的污染構(gòu)成威脅。設(shè)計(jì)均勻系數(shù)的選取除了需要考慮噴頭本身的水力性能以及因子(溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向)外，還必須考慮噴灌均勻系數(shù)對(duì)作物產(chǎn)量的影響。有關(guān)噴頭水力性能對(duì)噴灌均勻系數(shù)的影響國內(nèi)外已進(jìn)行了大量而卓越的研究^[2～9]，在噴灌均勻系數(shù)對(duì)作物產(chǎn)量的影響方面，也進(jìn)行了一些田間試驗(yàn)^[10，11]和模擬^[12～14]。隨著作物的生長(zhǎng)，冠層對(duì)噴灌水量分布的潛在影響會(huì)逐漸增大，研究冠層對(duì)噴灌水量分布的影響對(duì)確定合理的噴灌均勻系數(shù)設(shè)計(jì)值是十分必要的。本文作者^[15，16]在1999年冬小麥生育期內(nèi)對(duì)不同噴灌均勻系數(shù)條件下土壤儲(chǔ)水量空間分布進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，研究了冬小麥冠層截留對(duì)噴灌水量分布的影響，并初步分析了噴灌均勻系數(shù)對(duì)產(chǎn)量的影響，本研究是前述論文的繼續(xù)。

噴灌的一個(gè)重要特點(diǎn)是可以進(jìn)行施肥灌溉，但關(guān)于噴灑肥料溶液時(shí)噴灌灑水均勻性與肥料在田間分布均勻性之間的關(guān)系以及肥料噴施均勻性對(duì)作物產(chǎn)量的影響研究卻很少。

本研究的目的是：(1)繼續(xù)就噴灌均勻系數(shù)對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響進(jìn)行田間試驗(yàn)研究；(2)分析冬小麥生育期內(nèi)噴灌均勻系數(shù)的變化情況以及累計(jì)灌水量分布與各次灌水量分布之間的關(guān)系，進(jìn)一步探討冠層截留對(duì)噴灌水量分布的影響；(3)初步分析噴灌施肥時(shí)化肥的分布與灑水分布之間的關(guān)系，探討噴灌施肥均勻性對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響。

1 與方法

試驗(yàn)在中國科學(xué)院農(nóng)業(yè)氣象研究所氣象試驗(yàn)站內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)地塊的土壤0～40cm深度為砂質(zhì)粘壤土，40～60cm為壤質(zhì)粘土，1998～1999、1999～2000兩年的供試小麥品種均為中麥9號(hào)，屬矮稈抗倒伏品種。1998～1999年的試驗(yàn)布置詳見文獻(xiàn)^[15，16]。1999～2000年冬小麥于1999年10月5日播種，行距25cm，播種量為12.75g/m².試驗(yàn)按噴灌均勻系數(shù)不同設(shè)置3個(gè)處理(以下記為東處理、中處理和西處理)，各處理之間的灌水量、施肥量保持一致。噴頭間距15m×15m，選用LEGO公司生產(chǎn)的噴頭，0.3MPa壓力下的出水量為0.8m³/h.選取4只噴頭包圍區(qū)域中心12m×12m的范圍作為觀測(cè)區(qū)，以避免相鄰處理之間的干擾。灌水時(shí)，4只噴頭以90°的扇形角同時(shí)向觀測(cè)區(qū)噴水。將12m×12m的觀測(cè)區(qū)劃分為3m×3m的小區(qū)，在每一小區(qū)中心放置開口面積為100cm²的圓柱形承雨筒，用來測(cè)試冠層以下(地面)的噴灌水量分布。當(dāng)小麥生長(zhǎng)到對(duì)噴灌水量分布有影響(4月13日以后的各次灌水)時(shí)，在冠層以上按3m×3m的網(wǎng)格布設(shè)承雨筒(承雨筒規(guī)格與冠層以下相同).冠層以上的承雨筒放置在支架上，支架的高度隨作物高度的升高而升高。通過選擇不同的噴頭工作壓力獲得需要的均勻系數(shù)。距試驗(yàn)田塊80m處安裝有自動(dòng)氣象站，可以連續(xù)觀測(cè)氣溫、風(fēng)速、風(fēng)向、輻射、降水等氣象要素。試驗(yàn)布置見圖1a、b.冬小麥生育期內(nèi)各處理的灌水日期、灌水量及噴灌均勻系數(shù)列于表1.

表1 冬小麥生育期內(nèi)的灌水日期、灌水量及噴灌均勻系數(shù)(冠層以上)

為了分析噴灌水量分布對(duì)葉面積指數(shù)和株高的影響，在冬小麥生育期內(nèi)測(cè)定了2次株高和葉面積指數(shù)，測(cè)定日期分別為：4月30日和5月31日。測(cè)定時(shí)，每個(gè)處理在所劃分的3m×3m的小區(qū)內(nèi)各取1個(gè)樣，共取16個(gè)樣。冬小麥6月12日收獲，每一小區(qū)取0.75m²，對(duì)其有效穗數(shù)、無效穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重、籽�？傊氐戎笜�(biāo)進(jìn)行測(cè)定。

冬小麥生育期內(nèi)的土壤水分用TDR和中子儀監(jiān)測(cè)。在每一處理的對(duì)角線上埋設(shè)深度為1.1m的中子管3根(圖1).0～30m的土壤水分用TDR測(cè)試，30～100cm用中子儀按10cm的等間隔測(cè)試。正常情況下每周測(cè)試一次土壤水分，灌水前和灌水后24h各加測(cè)一次，降雨后也加測(cè)一次。

在3月30日和4月13日灌水時(shí)進(jìn)行了噴灌施肥，3月30日按22.2g/m²施入碳酸銨，4月13日按4.4g/m²硫酸銨與13.3g/m²尿素混合施入。施肥程序按1/4～1/2～1/4的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ竭M(jìn)行(Burt等，1998)，即首先噴灑設(shè)計(jì)灌水量的1/4的清水，接著噴灑設(shè)計(jì)灌水量的1/2的肥料溶液，最后噴灑1/4的清水以沖洗管道和附著在作物葉面上的肥液。灌水前對(duì)化肥溶液濃度與電導(dǎo)率之間的關(guān)系進(jìn)行了率定，結(jié)果如下：

碳酸銨溶液：

C=1.11EC-860 (n=10，r²=0.999) 　　　　　　　　　　　　　(2)

硫酸銨溶液：

C=0.45EC-443(n=9，r²=0.993)　　　　　　　　　　　　　　(3)

式中：C為化肥溶液濃度(mg/l)，變化范圍為0～1800mg/l;EC為電導(dǎo)率(μS/cm)，變化范圍為800～100μS/cm;n為樣本數(shù)；r為相關(guān)系數(shù)。

灌水結(jié)束后，測(cè)定各承雨筒內(nèi)化肥溶液的電導(dǎo)率和體積，然后根據(jù)式(2)、(3)和承雨筒代表的面積和實(shí)測(cè)的灌水深度，計(jì)算每一小區(qū)的化肥施入量。

2 結(jié)果及分析

2.1 作物冠層對(duì)噴灌水量分布的影響

圖2給出了冠層以上噴灌均勻系數(shù)(CU_above)與冠層以下均勻系數(shù)(CU_below)的關(guān)系，1998～1999年的試驗(yàn)數(shù)據(jù)^[15]也繪于圖中。對(duì)它們之間的關(guān)系進(jìn)行回歸分析后得：

CU_below=0.62CU_above+29 (n=22,r²=0.75)

　　由圖2和式(4)可以看出，冠層以下均勻系數(shù)隨冠層以上均勻系數(shù)的增大而增大，也就是說冠層以上噴灌均勻系數(shù)較高時(shí)，經(jīng)過冠層再分布后，地面上的噴灌水量分布仍較均勻；當(dāng)冠層以上噴灌均勻系數(shù)小于76%時(shí)，冠層以下均勻系數(shù)大于冠層以上均勻系數(shù)，即此時(shí)噴灌水量經(jīng)冠層再分布后，水量分布的均勻性得到一定程度的改善，并且冠層以上水量分布越不均勻，改善程度越明顯。該結(jié)果與Ayars等^[18]就棉花冠層對(duì)噴灌水量分布影響的研究所得結(jié)論相似。當(dāng)冠層以上均勻系數(shù)大于76%時(shí)，冠層以下均勻系數(shù)反而小于冠層以上均勻系數(shù)，這可能是由于作物生長(zhǎng)不均勻所致^[15]。

圖2 冠層上、下噴灌均勻系數(shù)的關(guān)系

2.2 噴灌均勻系數(shù)在灌溉季節(jié)內(nèi)的變化

　　一般采用一次典型條件(壓力、風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度)下測(cè)得的噴灌均勻系數(shù)代表系統(tǒng)的性能。實(shí)際運(yùn)用中，影響水量分布的環(huán)境因素在灌溉季節(jié)內(nèi)是變化的，因此典型條件下測(cè)得的噴灌均勻系數(shù)不一定能夠反映系統(tǒng)在整個(gè)灌溉季節(jié)內(nèi)的情況。本文定義平均噴灌均勻系數(shù)為各次灌水噴灌均勻系數(shù)的算術(shù)平均值；累計(jì)灌水量均勻系數(shù)為用各承雨筒位置的累計(jì)水量代入式(1)計(jì)算出的噴灌均勻系數(shù)。圖3比較了冠層以上各次灌水噴灌均勻系數(shù)、平均噴灌均勻系數(shù)和累計(jì)灌水量均勻系數(shù)在灌水季節(jié)內(nèi)的變化。從圖中可以看出，累計(jì)灌水量的均勻系數(shù)既大于各次灌水的均勻系數(shù)，又大于平均噴灌均勻系數(shù)，并且生育期內(nèi)累計(jì)灌水量均勻系數(shù)與平均噴灌均勻系數(shù)的差隨平均均勻系數(shù)的減小呈增大趨勢(shì)。例如，高(東處理)、中(中處理)、低(西處理)3個(gè)噴灌均勻系數(shù)處理生育期內(nèi)累計(jì)灌水量均勻系數(shù)與平均噴灌均勻系數(shù)的差值分別為6%，11%和9%.圖4給出了整個(gè)灌水季節(jié)累計(jì)灌水量均勻系數(shù)(以下稱為季節(jié)噴灌均勻系數(shù)，CU_季節(jié))與平均均勻系數(shù)(CU_平均)的關(guān)系，回歸分析得出：

圖3 冬小麥灌水季節(jié)內(nèi)冠層以上累計(jì)灌水量均勻系數(shù)與平均系數(shù)的關(guān)系

CU_季節(jié)=0.82CU_平均+22 (n=5,r²=0.94)        (5)

　　由圖4和式(5)可以得知，如果按傳統(tǒng)的估算灌溉季節(jié)平均均勻系數(shù)的方法，即用灌溉季節(jié)內(nèi)各次灌水均勻系數(shù)的平均值作為整個(gè)生育期的灌水均勻系數(shù)，則會(huì)低估噴灌水量分布的均勻程度。式(5)可用以估算華北平原冬小麥噴灌的季節(jié)均勻系數(shù)與平均噴灌均勻系數(shù)的關(guān)系。

2.3 噴灌施肥分布的均勻性

　　為了確定噴灌施肥時(shí)的化肥施入量與灌水量是否服從正態(tài)分布，對(duì)3月30日的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了Kolmogorov-Smirnov。Kolmogorov-Smirnov檢驗(yàn)的判別指標(biāo)為：

圖4 季節(jié)噴灌均勻系數(shù)(CU_季節(jié))與平均噴灌均勻系數(shù)(CU平均)的關(guān)系
D_n=max|F_n(x)-F(x)| (0≤x≤x_max)                (6)

 

式中：D_n為累計(jì)分布與經(jīng)驗(yàn)分布差值的最大值；F_n為正態(tài)累計(jì)分布；F為觀測(cè)值的經(jīng)驗(yàn)分布，x_max為觀測(cè)值中的最大值。

表3列出了Kolmogorov-Smirnov的檢驗(yàn)結(jié)果，在α=0.05的顯著水平下，施肥量和灌水量都可以用正態(tài)分布來表示。圖5比較了3月30日噴灌施肥重量與噴灌水量的累計(jì)頻率曲線及其與正態(tài)分布的擬合情況。圖中的橫坐標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值是指實(shí)測(cè)值與均值之比。標(biāo)準(zhǔn)化灌水量與施肥量的標(biāo)準(zhǔn)差也示于圖中。比較灌水量與施肥量的標(biāo)準(zhǔn)差以及實(shí)測(cè)點(diǎn)與正態(tài)分布的擬合情況可以看出，噴灌施肥時(shí)的化肥施入量與灌水量的分布比較接近，并且施肥量的標(biāo)準(zhǔn)差一般小于灌水量的標(biāo)準(zhǔn)差。

2.4 噴灌及施肥均勻性對(duì)產(chǎn)量的影響

　　冬小麥生育期內(nèi)累計(jì)灌水量和產(chǎn)量的Kolmogorov-Smirnov的檢驗(yàn)結(jié)果也列于表2，類似地，在α=0.05的顯著水平下，它們都可以用正態(tài)分布來表示。為了了解噴灌均勻系數(shù)對(duì)產(chǎn)量分布均勻程度的影響，表3了不同均勻系數(shù)處理時(shí)產(chǎn)量要素(有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重、產(chǎn)量)和累計(jì)灌水量的均值和均勻系數(shù)。分析表中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，盡管不同處理的累計(jì)灌水量均勻系數(shù)之間有較大差別，但所有產(chǎn)量要素的均勻系數(shù)之間差別不大，并且其均勻系數(shù)都在91%以上，也就是說，噴灌均勻系數(shù)對(duì)產(chǎn)量構(gòu)成要素分布的均勻性影響不明顯。

圖5 噴灌施肥量與灌水量累計(jì)頻率分布及其
與正態(tài)分布的擬合情況(冠層以上測(cè)試結(jié)果)

圖6 冬小麥產(chǎn)量與冠層以上平均噴灌均勻系數(shù)(CU_平均)、季節(jié)噴灌均勻系數(shù)(CU_季節(jié))的關(guān)系圖

6(a)、6(b)分別繪出了由1999年和2000年田間試驗(yàn)得出的產(chǎn)量與平均噴灌均勻系數(shù)及產(chǎn)量與季節(jié)噴灌均勻系數(shù)的關(guān)系。兩圖均清楚地顯示出噴灌均勻系數(shù)對(duì)產(chǎn)量的影響不明顯。將產(chǎn)量與噴灌均勻系數(shù)之間進(jìn)行回歸后得：
Y=0.0043CU_平均+6.6 (r²=0.015)                  (6)
Y=0.0039CU_季節(jié)+6.6 (r²=0.001)                  (7)

式中：Y為產(chǎn)量(t/hm²).

噴灌均勻系數(shù)對(duì)產(chǎn)量影響不明顯的原因可以歸結(jié)為：(1)作物冠層的截留使噴灌水量分布的均勻性得到一定程度改善；(2)灌水季節(jié)內(nèi)累計(jì)灌水量均勻系數(shù)大于各次灌水的均勻系數(shù)平均值(圖3)，這也在一定程度上減輕了由于各次灌水量分布不均勻?qū)ψ魑锷�長(zhǎng)帶來的影響；(3)土層儲(chǔ)水量在整個(gè)生育期內(nèi)一直很均勻^[16]，再加上灌水過程中一部分水會(huì)沿作物莖稈直接滲入根區(qū)滿足作物的需水要求；另外，作物根系的水平伸展，使得作物都可以均勻地獲得所需要的水量；(4)生育期內(nèi)的天然降水給灌水量小的區(qū)域的作物吸水提供了補(bǔ)充。上述所有因素都在一定程度上減輕了噴灌非均勻性對(duì)產(chǎn)量的影響。

為了分析噴灌施肥均勻性對(duì)產(chǎn)量的影響，圖7繪出了3個(gè)處理的產(chǎn)量與3月30日各小區(qū)施入化肥量的關(guān)系。由圖可明顯看出，產(chǎn)量對(duì)噴灌施肥的均勻程度同樣也不敏感。

圖7 冬小麥產(chǎn)量與2000年3月30日噴灌施肥量之間的關(guān)系

3 結(jié)論與討論

作物從播種到形成產(chǎn)量是一個(gè)十分復(fù)雜的過程，影響產(chǎn)量的因素除了本文討論的灌水均勻性與灌水量、施肥均勻性與施肥量外，還有土壤特性的空間變異、田間措施、病蟲害的防治技術(shù)等，包括上述所有因素的田間試驗(yàn)或模擬將是一個(gè)龐大的系統(tǒng)工程，在這一方面還需要進(jìn)行長(zhǎng)期研究。本研究得出下述初步結(jié)論：

(1)作物冠層的截留使噴灌水量分布的均勻性得到一定程度的改善，改善的程度隨噴灌均勻系數(shù)的提高而減��；(2)灌溉季節(jié)內(nèi)累計(jì)灌水量的均勻系數(shù)大于平均噴灌均勻系數(shù)，也就是說，用平均噴灌均勻系數(shù)表示灌溉季節(jié)的灌水均勻程度會(huì)低估實(shí)際灌水的均勻性，這一結(jié)論對(duì)噴灌均勻系數(shù)設(shè)計(jì)值的選取具有參考價(jià)值；(3)對(duì)華北平原種植的冬小麥而言，在試驗(yàn)的平均噴灌均勻系數(shù)變化范圍(62%～82%)內(nèi)，噴灌均勻系數(shù)對(duì)作物產(chǎn)量及其要素均值和分布均勻程度的影響不明顯，并且產(chǎn)量對(duì)噴灌施肥的不均勻性也不敏感。因此，《噴灌工程技術(shù)規(guī)范》^[19]規(guī)定的均勻系數(shù)設(shè)計(jì)值(CU≥75%)對(duì)華北平原區(qū)種植的冬小麥?zhǔn)瞧�于安全的，在某些情況下可以考慮適當(dāng)減小，以降低噴灌系統(tǒng)的和運(yùn)行費(fèi)用。

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