噴灌灑水與施肥均勻性對冬小麥產(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，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)值可能會對作物產(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)對作物產(chǎn)量的影響。有關(guān)噴頭水力性能對噴灌均勻系數(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，冠層對噴灌水量分布的潛在影響會逐漸增大，研究冠層對噴灌水量分布的影響對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)對不同噴灌均勻系數(shù)條件下土壤儲水量空間分布進(jìn)行了監(jiān)測，研究了冬小麥冠層截留對噴灌水量分布的影響，并初步分析了噴灌均勻系數(shù)對產(chǎn)量的影響，本研究是前述論文的繼續(xù)。

噴灌的一個重要特點(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噴灌水量分布的影響；(3)初步分析噴灌施肥時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，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的范圍作為觀測區(qū)，以避免相鄰處理之間的干擾。灌水時，4只噴頭以90°的扇形角同時向觀測區(qū)噴水。將12m×12m的觀測區(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，用來測試冠層以下(地面)的噴灌水量分布。當(dāng)小麥生長到對噴灌水量分布有影響(4月13日以后的各次灌水)時，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處安裝有自動氣象站，可以連續(xù)觀測氣溫、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葉面積指數(shù)和株高的影響，在冬小麥生育期內(nèi)測定了2次株高和葉面積指數(shù)，測定日期分別為：4月30日和5月31日。測定時，每個處理在所劃分的3m×3m的小區(qū)內(nèi)各取1個樣，共取16個樣。冬小麥6月12日收獲，每一小區(qū)取0.75m²，對其有效穗數(shù)、無效穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重、籽�？傊氐戎笜�(biāo)進(jìn)行測定。

冬小麥生育期內(nèi)的土壤水分用TDR和中子儀監(jiān)測。在每一處理的對角線上埋設(shè)深度為1.1m的中子管3根(圖1).0～30m的土壤水分用TDR測試，30～100cm用中子儀按10cm的等間隔測試。正常情況下每周測試一次土壤水分，灌水前和灌水后24h各加測一次，降雨后也加測一次。

在3月30日和4月13日灌水時進(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，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，冠層以下均勻系數(shù)大于冠層以上均勻系數(shù)，即此時噴灌水量經(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，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，因此典型條件下測得的噴灌均勻系數(shù)不一定能夠反映系統(tǒng)在整個灌溉季節(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。例如，高(東處理)、中(中處理)、低(西處理)3個噴灌均勻系數(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)的平均值作為整個生育期的灌水均勻系數(shù)，則會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的化肥施入量與灌水量是否服從正態(tài)分布，對3月30日的測試數(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為觀測值的經(jīng)驗(yàn)分布，x_max為觀測值中的最大值。

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)測點(diǎn)與正態(tài)分布的擬合情況可以看出，噴灌施肥時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�長帶來的影響；(3)土層儲水量在整個生育期內(nèi)一直很均勻^[16]，再加上灌水過程中一部分水會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產(chǎn)量的影響。

為了分析噴灌施肥均勻性對產(chǎn)量的影響，圖7繪出了3個處理的產(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)或模擬將是一個龐大的系統(tǒng)工程，在這一方面還需要進(jìn)行長期研究。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)的灌水均勻程度會低估實(shí)際灌水的均勻性，這一結(jié)論對噴灌均勻系數(shù)設(shè)計(jì)值的選取具有參考價值；(3)對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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