噴灌灑水與施肥均勻性對冬小麥產(chǎn)量的影響

摘要：噴灌均勻系數是噴灌系統設計的重要參數，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設計值的重要依據。1998～1999、1999～2000兩年的噴灌灑水與施肥均勻系數對冬小麥產(chǎn)量影響的田間試驗結果表明，當冠層以上均勻系數小于76%時(shí)，冠層以下噴灌均勻系數大于冠層以上噴灌均勻系數。灌溉季節內，累計灌水量均勻系數大于平均噴灌均勻系數，因此用平均噴灌均勻系數表示灌溉季節的灌水均勻程度會(huì )低估實(shí)際灌水的均勻性。噴灌施肥的試驗結果表明，化肥施入量與灌水量的分布都可以用正態(tài)分布來(lái)表示，且它們的分布比較接近。田間試驗還表明，對華北平原種植的冬小麥而言，在試驗的噴灌均勻系數變化范圍內(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 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CU來(lái)定量描述^[1]，其定義為：

噴灌均勻系數的選擇在噴灌系統設計中的重要性主要體現在2個(gè)方面：第一，噴灌系統田間設備的與噴灌均勻系數密切相關(guān)，提高設計均勻系數會(huì )增大系統投資；第二，降低噴灌均勻系數設計值可能會(huì )對作物產(chǎn)量和品質(zhì)帶來(lái)不利影響，并有可能引起深層滲漏，對淺層地下水的污染構成威脅。設計均勻系數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的影響國內外已進(jìn)行了大量而卓越的研究^[2～9]，在噴灌均勻系數對作物產(chǎn)量的影響方面，也進(jìn)行了一些田間試驗^[10，11]和模擬^[12～14]。隨著(zhù)作物的生長(cháng)，冠層對噴灌水量分布的潛在影響會(huì )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設計值是十分必要的。本文作者^[15，16]在1999年冬小麥生育期內對不同噴灌均勻系數條件下土壤儲水量空間分布進(jìn)行了監測，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對產(chǎn)量的影響，本研究是前述論文的繼續。

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作物產(chǎn)量的影響研究卻很少。

本研究的目的是：(1)繼續就噴灌均勻系數對冬小麥產(chǎn)量的影響進(jìn)行田間試驗研究；(2)分析冬小麥生育期內噴灌均勻系數的變化情況以及累計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(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冬小麥產(chǎn)量的影響。

1 與方法

試驗在中國科學(xué)院農業(yè)氣象研究所氣象試驗站內進(jìn)行。試驗地塊的土壤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年的試驗布置詳見(jiàn)文獻^[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.試驗按噴灌均勻系數不同設置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只噴頭包圍區域中心12m×12m的范圍作為觀(guān)測區，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(guān)測區噴水。將12m×12m的觀(guān)測區劃分為3m×3m的小區，在每一小區中心放置開(kāi)口面積為100cm²的圓柱形承雨筒，用來(lái)測試冠層以下(地面)的噴灌水量分布。當小麥生長(cháng)到對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)格布設承雨筒(承雨筒規格與冠層以下相同).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(guò)選擇不同的噴頭工作壓力獲得需要的均勻系數。距試驗田塊80m處安裝有自動(dòng)氣象站，可以連續觀(guān)測氣溫、風(fēng)速、風(fēng)向、輻射、降水等氣象要素。試驗布置見(jiàn)圖1a、b.冬小麥生育期內各處理的灌水日期、灌水量及噴灌均勻系數列于表1.

表1 冬小麥生育期內的灌水日期、灌水量及噴灌均勻系數(冠層以上)

為了分析噴灌水量分布對葉面積指數和株高的影響，在冬小麥生育期內測定了2次株高和葉面積指數，測定日期分別為：4月30日和5月31日。測定時(shí)，每個(gè)處理在所劃分的3m×3m的小區內各取1個(gè)樣，共取16個(gè)樣。冬小麥6月12日收獲，每一小區取0.75m²，對其有效穗數、無(wú)效穗數、穗粒數、千粒重、籽�？傊氐戎笜诉M(jìn)行測定。

冬小麥生育期內的土壤水分用TDR和中子儀監測。在每一處理的對角線(xiàn)上埋設深度為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(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)驗模式進(jìn)行(Burt等，1998)，即首先噴灑設計灌水量的1/4的清水，接著(zhù)噴灑設計灌水量的1/2的肥料溶液，最后噴灑1/4的清水以沖洗管道和附著(zhù)在作物葉面上的肥液。灌水前對化肥溶液濃度與電導率之間的關(guān)系進(jìn)行了率定，結果如下：

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為電導率(μS/cm)，變化范圍為800～100μS/cm;n為樣本數；r為相關(guān)系數。

灌水結束后，測定各承雨筒內化肥溶液的電導率和體積，然后根據式(2)、(3)和承雨筒代表的面積和實(shí)測的灌水深度，計算每一小區的化肥施入量。

2 結果及分析

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(CU_above)與冠層以下均勻系數(CU_below)的關(guān)系，1998～1999年的試驗數據^[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，冠層以下均勻系數隨冠層以上均勻系數的增大而增大，也就是說(shuō)冠層以上噴灌均勻系數較高時(shí)，經(jīng)過(guò)冠層再分布后，地面上的噴灌水量分布仍較均勻；當冠層以上噴灌均勻系數小于76%時(shí)，冠層以下均勻系數大于冠層以上均勻系數，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論相似。當冠層以上均勻系數大于76%時(shí)，冠層以下均勻系數反而小于冠層以上均勻系數，這可能是由于作物生長(cháng)不均勻所致^[15]。

圖2 冠層上、下噴灌均勻系數的關(guān)系

2.2 噴灌均勻系數在灌溉季節內的變化

　　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代表系統的性能。實(shí)際運用中，影響水量分布的環(huán)境因素在灌溉季節內是變化的，因此典型條件下測得的噴灌均勻系數不一定能夠反映系統在整個(gè)灌溉季節內的情況。本文定義平均噴灌均勻系數為各次灌水噴灌均勻系數的算術(shù)平均值；累計灌水量均勻系數為用各承雨筒位置的累計水量代入式(1)計算出的噴灌均勻系數。圖3比較了冠層以上各次灌水噴灌均勻系數、平均噴灌均勻系數和累計灌水量均勻系數在灌水季節內的變化。從圖中可以看出，累計灌水量的均勻系數既大于各次灌水的均勻系數，又大于平均噴灌均勻系數，并且生育期內累計灌水量均勻系數與平均噴灌均勻系數的差隨平均均勻系數的減小呈增大趨勢。例如，高(東處理)、中(中處理)、低(西處理)3個(gè)噴灌均勻系數處理生育期內累計灌水量均勻系數與平均噴灌均勻系數的差值分別為6%，11%和9%.圖4給出了整個(gè)灌水季節累計灌水量均勻系數(以下稱(chēng)為季節噴灌均勻系數，CU_季節)與平均均勻系數(CU_平均)的關(guān)系，回歸分析得出：

圖3 冬小麥灌水季節內冠層以上累計灌水量均勻系數與平均系數的關(guān)系

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

　　由圖4和式(5)可以得知，如果按傳統的估算灌溉季節平均均勻系數的方法，即用灌溉季節內各次灌水均勻系數的平均值作為整個(gè)生育期的灌水均勻系數，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均勻系數與平均噴灌均勻系數的關(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3月30日的測試數據進(jìn)行了Kolmogorov-Smirnov。Kolmogorov-Smirnov檢驗的判別指標為：

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

 

式中：D_n為累計分布與經(jīng)驗分布差值的最大值；F_n為正態(tài)累計分布；F為觀(guān)測值的經(jīng)驗分布，x_max為觀(guān)測值中的最大值。

表3列出了Kolmogorov-Smirnov的檢驗結果，在α=0.05的顯著(zhù)水平下，施肥量和灌水量都可以用正態(tài)分布來(lái)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頻率曲線(xiàn)及其與正態(tài)分布的擬合情況。圖中的橫坐標的標準化值是指實(shí)測值與均值之比。標準化灌水量與施肥量的標準差也示于圖中。比較灌水量與施肥量的標準差以及實(shí)測點(diǎn)與正態(tài)分布的擬合情況可以看出，噴灌施肥時(shí)的化肥施入量與灌水量的分布比較接近，并且施肥量的標準差一般小于灌水量的標準差。

2.4 噴灌及施肥均勻性對產(chǎn)量的影響

　　冬小麥生育期內累計灌水量和產(chǎn)量的Kolmogorov-Smirnov的檢驗結果也列于表2，類(lèi)似地，在α=0.05的顯著(zhù)水平下，它們都可以用正態(tài)分布來(lái)表示。為了了解噴灌均勻系數對產(chǎn)量分布均勻程度的影響，表3了不同均勻系數處理時(shí)產(chǎn)量要素(有效穗數、穗粒數、千粒重、產(chǎn)量)和累計灌水量的均值和均勻系數。分析表中數據可以發(fā)現，盡管不同處理的累計灌水量均勻系數之間有較大差別，但所有產(chǎn)量要素的均勻系數之間差別不大，并且其均勻系數都在91%以上，也就是說(shuō)，噴灌均勻系數對產(chǎn)量構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頻率分布及其
與正態(tài)分布的擬合情況(冠層以上測試結果)

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

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

式中：Y為產(chǎn)量(t/hm²).

噴灌均勻系數對產(chǎn)量影響不明顯的原因可以歸結為：(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)灌水季節內累計灌水量均勻系數大于各次灌水的均勻系數平均值(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對作物生長(cháng)帶來(lái)的影響；(3)土層儲水量在整個(gè)生育期內一直很均勻^[16]，再加上灌水過(guò)程中一部分水會(huì )沿作物莖稈直接滲入根區滿(mǎn)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)生育期內的天然降水給灌水量小的區域的作物吸水提供了補充。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(gè)處理的產(chǎn)量與3月30日各小區施入化肥量的關(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 結論與討論

作物從播種到形成產(chǎn)量是一個(gè)十分復雜的過(guò)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(chóng)害的防治技術(shù)等，包括上述所有因素的田間試驗或模擬將是一個(gè)龐大的系統工程，在這一方面還需要進(jìn)行長(cháng)期研究。本研究得出下述初步結論：

(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的提高而減��；(2)灌溉季節內累計灌水量的均勻系數大于平均噴灌均勻系數，也就是說(shuō)，用平均噴灌均勻系數表示灌溉季節的灌水均勻程度會(huì )低估實(shí)際灌水的均勻性，這一結論對噴灌均勻系數設計值的選取具有參考價(jià)值；(3)對華北平原種植的冬小麥而言，在試驗的平均噴灌均勻系數變化范圍(62%～82%)內，噴灌均勻系數對作物產(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)規范》^[19]規定的均勻系數設計值(CU≥75%)對華北平原區種植的冬小麥是偏于安全的，在某些情況下可以考慮適當減小，以降低噴灌系統的和運行費用。

參 考 文 獻：

[1] Christiansen J E.The uniformity of application of water by sprinkler systems[J]。Agricultural Engineering,1941,22:89-92.

[2] Seginer I,M Kostringsky.Wind,sprinkler patterns and system design[J]。Journal of Irrigation and Drainage Division,ASCE,1975,101(IR4):251-264.

[3] Fukui Y, K Nakanishi,S Okamura.Computer evaluation of sprinkler irrigation uniformity[J]。Irrigation Science,1980,2:23-32.

[4] Vories E D,R D von Bernuth.Single nozzle sprinkler performance in wind[J]。Transactions of the ASAE,1986,29(5):1325-1330.

[5] Seginer I,R D von Bernuth.Simulation of wind distorted sprinkler patterns[J]。Journal of Irrigation and Drainage Engineering,ASCE,1991,117(2):285-306.

[6] Nderitu S M,D J Hills.Sprinkler uniformity as affected by riser characteristics[J]。Applied Engineering in Agriculture,1993,9(6):515-521.

[7] Li J,H Kawano.Sprinkler rotation nonuniformity and water distribution[J]。Transactions of the ASAE,1996,39(6):2027-2031.

[8] 陳大雕，林中卉。噴灌技術(shù)(第2版)[M]。北京：科學(xué)出版社，1992，563.

[9] 施鈞亮，竇以松，朱堯洲。噴灌設備與噴灌系統規范設計[M]。北京：水利出版社，1979，444.

[10] Stern J,E Bresler.Nonuniform sprinkler irrigation and crop yield[J]。Irrigation Science,1983,4:17-29.

[11] Mateos L,E C Mantovani,F J Villalobos.Cotton response to non-uniformity of conventional sprinkler irrigation[J]。Irrigation Science,1997,17:47-52.

[12] Warrick A W,W R Gardner.Crop yield as affected by spatial variations of soil and irrigation[J]。Water Resource Research,1983,19:181-186.

[13] Mantovani E C,F J Villalobos,F Orgaz,E Fereres.Modeling the effects of sprinkler irrigation uniformity on crop yield[J]。Agricultural Water Management,1995,24:243-257.

[14] Li J.Modeling crop yield as affected by uniformity of sprinkler irrigation system[J]。Agricultural Water Management,1998,38(2):135-146.

[15] 李久生，饒敏杰。冬小麥冠層對噴灌水量分布的影響[J]。灌溉排水，1999，18(增)：106-111.

[16] 李久生，饒敏杰。噴灌均勻系數對土壤水分及冬小麥產(chǎn)量影響的試驗研究[J]。水利學(xué)報，2000，(1)：9-14.

[17] Burt C,K O′Connor,T Ruehr.Fertigation.Irrigation Training and Research Center,California Polytechnic State University,San Luis Obispo,California,USA,1998,15.

[18] Ayars J E,R B Hutmacher,R A Schoneman,D R Dettinger.Influence of cotton canopy on sprinkler irrigation uniformity[J]。Transactions of the ASAE,1991,34(3):890-896.

[19] 中華人民共和國國家標準。噴灌工程技術(shù)規范，GBJ85-85[M]。北京：北京計劃出版社，1985.

【噴灌灑水與施肥均勻性對冬小麥產(chǎn)量的影響】相關(guān)文章：

開(kāi)封地區氣象因素對冬小麥產(chǎn)量的影響03-17

影響糧食產(chǎn)量的相關(guān)因素分析01-12

微肥對不同筋型春小麥產(chǎn)量的影響03-02

坡地噴灌的規劃布置與應用03-22

談氮肥對北方超級稻莖蘗動(dòng)態(tài)及產(chǎn)量的影響03-26

探施肥和刈割對植物群落種間關(guān)系的影響11-18

微動(dòng)對電接觸可靠性的影響03-07

談壽縣席草施肥存在的問(wèn)題與高產(chǎn)施肥技術(shù)12-11

冬小麥越冬的防御技術(shù)淺析03-18