喷灌洒水与施肥均匀性对冬小麦产量的影响

摘要：喷灌均匀系数是喷灌系统设计的重要参数，而喷灌洒水与施肥的均匀性对作物产量的影响是确定均匀系数设计值的重要依据。1998～1999、1999～2000两年的喷灌洒水与施肥均匀系数对冬小麦产量影响的田间试验结果表明，当冠层以上均匀系数小于76%时，冠层以下喷灌均匀系数大于冠层以上喷灌均匀系数。灌溉季节内，累计灌水量均匀系数大于平均喷灌均匀系数，因此用平均喷灌均匀系数表示灌溉季节的灌水均匀程度会低估实际灌水的均匀性。喷灌施肥的试验结果表明，化肥施入量与灌水量的分布都可以用正态分布来表示，且它们的分布比较接近。田间试验还表明，对华北平原种植的冬小麦而言，在试验的喷灌均匀系数变化范围内(62%～82%)，喷灌洒水及施肥的均匀性对产量的影响不明显。

关键词：喷灌 施肥灌溉 均匀系数 华北平原 冬小麦 产量

喷灌洒水的均匀程度通常用克里斯琴森均匀系数CU来定量描述^[1]，其定义为：

喷灌均匀系数的选择在喷灌系统设计中的重要性主要体现在2个方面：第一，喷灌系统田间设备的投资与喷灌均匀系数密切相关，提高设计均匀系数会增大系统投资；第二，降低喷灌均匀系数设计值可能会对作物产量和品质带来不利影响，并有可能引起深层渗漏，对浅层地下水的污染构成威胁。设计均匀系数的选取除了需要考虑喷头本身的水力性能以及环境因子(温度、湿度、风速、风向)外，还必须考虑喷灌均匀系数对作物产量的影响。有关喷头水力性能对喷灌均匀系数的影响国内外已进行了大量而卓越的研究^[2～9]，在喷灌均匀系数对作物产量的影响方面，也进行了一些田间试验^[10，11]和数学模拟^[12～14]。随着作物的生长，冠层对喷灌水量分布的潜在影响会逐渐增大，研究冠层对喷灌水量分布的影响对确定合理的喷灌均匀系数设计值是十分必要的。本文作者^[15，16]在1999年冬小麦生育期内对不同喷灌均匀系数条件下土壤储水量空间分布进行了监测，研究了冬小麦冠层截留对喷灌水量分布的影响，并初步分析了喷灌均匀系数对产量的影响，本研究是前述论文');">论文的继续。

喷灌的一个重要特点是可以进行施肥灌溉，但关于喷洒肥料溶液时喷灌洒水均匀性与肥料在田间分布均匀性之间的关系以及肥料喷施均匀性对作物产量的影响研究却很少。

本研究的目的是：(1)继续就喷灌均匀系数对冬小麦产量的影响进行田间试验研究；(2)分析冬小麦生育期内喷灌均匀系数的变化情况以及累计灌水量分布与各次灌水量分布之间的关系，进一步探讨冠层截留对喷灌水量分布的影响；(3)初步分析喷灌施肥时化肥的分布与洒水分布之间的关系，探讨喷灌施肥均匀性对冬小麦产量的影响。

1 材料与方法

试验在中国农业科学院农业气象研究所气象试验站内进行。试验地块的土壤0～40cm深度为砂质粘壤土，40～60cm为壤质粘土，1998～1999、1999～2000两年的供试小麦品种均为中麦9号，属矮秆抗倒伏品种。1998～1999年的试验布置详见文献^[15，16]。1999～2000年冬小麦于1999年10月5日播种，行距25cm，播种量为12.75g/m².试验按喷灌均匀系数不同设置3个处理(以下记为东处理、中处理和西处理)，各处理之间的灌水量、施肥量保持一致。喷头间距15m×15m，选用LEGO公司生产的喷头，0.3MPa压力下的出水量为0.8m³/h.选取4只喷头包围区域中心12m×12m的范围作为观测区，以避免相邻处理之间的干扰。灌水时，4只喷头以90°的扇形角同时向观测区喷水。将12m×12m的观测区划分为3m×3m的小区，在每一小区中心放置开口面积为100cm²的圆柱形承雨筒，用来测试冠层以下(地面)的喷灌水量分布。当小麦生长到对喷灌水量分布有影响(4月13日以后的各次灌水)时，在冠层以上按3m×3m的网格布设承雨筒(承雨筒规格与冠层以下相同).冠层以上的承雨筒放置在支架上，支架的高度随作物高度的升高而升高。通过选择不同的喷头工作压力获得需要的均匀系数。距试验田块80m处安装有自动气象站，可以连续观测气温、风速、风向、辐射、降水等气象要素。试验布置见图1a、b.冬小麦生育期内各处理的灌水日期、灌水量及喷灌均匀系数列于表1.

表1 冬小麦生育期内的灌水日期、灌水量及喷灌均匀系数(冠层以上)

为了分析喷灌水量分布对叶面积指数和株高的影响，在冬小麦生育期内测定了2次株高和叶面积指数，测定日期分别为：4月30日和5月31日。测定时，每个处理在所划分的3m×3m的小区内各取1个样，共取16个样。冬小麦6月12日收获，每一小区取0.75m²，对其有效穗数、无效穗数、穗粒数、千粒重、籽粒总重等指标进行测定。

冬小麦生育期内的土壤水分用TDR和中子仪监测。在每一处理的对角线上埋设深度为1.1m的中子管3根(图1).0～30m的土壤水分用TDR测试，30～100cm用中子仪按10cm的等间隔测试。正常情况下每周测试一次土壤水分，灌水前和灌水后24h各加测一次，降雨后也加测一次。

在3月30日和4月13日灌水时进行了喷灌施肥，3月30日按22.2g/m²施入碳酸铵，4月13日按4.4g/m²硫酸铵与13.3g/m²尿素混合施入。施肥程序按1/4～1/2～1/4的经验模式进行(Burt等，1998)，即首先喷洒设计灌水量的1/4的清水，接着喷洒设计灌水量的1/2的肥料溶液，最后喷洒1/4的清水以冲洗管道和附着在作物叶面上的肥液。灌水前对化肥溶液浓度与电导率之间的关系进行了率定，结果如下：

碳酸铵溶液：

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

硫酸铵溶液：

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

式中：C为化肥溶液浓度(mg/l)，变化范围为0～1800mg/l;EC为电导率(μS/cm)，变化范围为800～100μS/cm;n为样本');">样本数；r为相关系数。

灌水结束后，测定各承雨筒内化肥溶液的电导率和体积，然后根据式(2)、(3)和承雨筒代表的面积和实测的灌水深度，计算每一小区的化肥施入量。

2 结果及分析

2.1 作物冠层对喷灌水量分布的影响

图2给出了冠层以上喷灌均匀系数(CU_above)与冠层以下均匀系数(CU_below)的关系，1998～1999年的试验数据^[15]也绘于图中。对它们之间的关系进行回归分析后得：

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

　　由图2和式(4)可以看出，冠层以下均匀系数随冠层以上均匀系数的增大而增大，也就是说冠层以上喷灌均匀系数较高时，经过冠层再分布后，地面上的喷灌水量分布仍较均匀；当冠层以上喷灌均匀系数小于76%时，冠层以下均匀系数大于冠层以上均匀系数，即此时喷灌水量经冠层再分布后，水量分布的均匀性得到一定程度的改善，并且冠层以上水量分布越不均匀，改善程度越明显。该结果与Ayars等^[18]就棉花冠层对喷灌水量分布影响的研究所得结论相似。当冠层以上均匀系数大于76%时，冠层以下均匀系数反而小于冠层以上均匀系数，这可能是由于作物生长不均匀所致^[15]。

图2 冠层上、下喷灌均匀系数的关系

2.2 喷灌均匀系数在灌溉季节内的变化

　　一般采用一次典型条件(压力、风速、风向、温度、湿度)下测得的喷灌均匀系数代表系统的性能。实际运用中，影响水量分布的环境因素在灌溉季节内是变化的，因此典型条件下测得的喷灌均匀系数不一定能够反映系统在整个灌溉季节内的情况。本文定义平均喷灌均匀系数为各次灌水喷灌均匀系数的算术平均值；累计灌水量均匀系数为用各承雨筒位置的累计水量代入式(1)计算出的喷灌均匀系数。图3比较了冠层以上各次灌水喷灌均匀系数、平均喷灌均匀系数和累计灌水量均匀系数在灌水季节内的变化。从图中可以看出，累计灌水量的均匀系数既大于各次灌水的均匀系数，又大于平均喷灌均匀系数，并且生育期内累计灌水量均匀系数与平均喷灌均匀系数的差随平均均匀系数的减小呈增大趋势。例如，高(东处理)、中(中处理)、低(西处理)3个喷灌均匀系数处理生育期内累计灌水量均匀系数与平均喷灌均匀系数的差值分别为6%，11%和9%.图4给出了整个灌水季节累计灌水量均匀系数(以下称为季节喷灌均匀系数，CU_季节)与平均均匀系数(CU_平均)的关系，回归分析得出：

图3 冬小麦灌水季节内冠层以上累计灌水量均匀系数与平均系数的关系

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

　　由图4和式(5)可以得知，如果按传统的估算灌溉季节平均均匀系数的方法，即用灌溉季节内各次灌水均匀系数的平均值作为整个生育期的灌水均匀系数，则会低估喷灌水量分布的均匀程度。式(5)可用以估算华北平原冬小麦喷灌的季节均匀系数与平均喷灌均匀系数的关系。

2.3 喷灌施肥分布的均匀性

　　为了确定喷灌施肥时的化肥施入量与灌水量是否服从正态分布，对3月30日的测试数据进行了Kolmogorov-Smirnov检验。Kolmogorov-Smirnov检验的判别指标为：

图4 季节喷灌均匀系数(CU_季节)与平均喷灌均匀系数(CU平均)的关系
D_n=max|F_n(x)-F(x)| (0≤x≤x_max)                (6)

式中：D_n为累计分布与经验分布差值的最大值；F_n为正态累计分布；F为观测值的经验分布，x_max为观测值中的最大值。

表3列出了Kolmogorov-Smirnov的检验结果，在α=0.05的显著水平下，施肥量和灌水量都可以用正态分布来表示。图5比较了3月30日喷灌施肥重量与喷灌水量的累计频率曲线及其与正态分布的拟合情况。图中的横坐标的标准化值是指实测值与均值之比。标准化灌水量与施肥量的标准差也示于图中。比较灌水量与施肥量的标准差以及实测点与正态分布的拟合情况可以看出，喷灌施肥时的化肥施入量与灌水量的分布比较接近，并且施肥量的标准差一般小于灌水量的标准差。

2.4 喷灌及施肥均匀性对产量的影响

　　冬小麦生育期内累计灌水量和产量的Kolmogorov-Smirnov的检验结果也列于表2，类似地，在α=0.05的显著水平下，它们都可以用正态分布来表示。为了了解喷灌均匀系数对产量分布均匀程度的影响，表3总结了不同均匀系数处理时产量要素(有效穗数、穗粒数、千粒重、产量)和累计灌水量的均值和均匀系数。分析表中数据可以发现，尽管不同处理的累计灌水量均匀系数之间有较大差别，但所有产量要素的均匀系数之间差别不大，并且其均匀系数都在91%以上，也就是说，喷灌均匀系数对产量构成要素分布的均匀性影响不明显。

图5 喷灌施肥量与灌水量累计频率分布及其
与正态分布的拟合情况(冠层以上测试结果)

图6 冬小麦产量与冠层以上平均喷灌均匀系数(CU_平均)、季节喷灌均匀系数(CU_季节)的关系图

6(a)、6(b)分别绘出了由1999年和2000年田间试验得出的产量与平均喷灌均匀系数及产量与季节喷灌均匀系数的关系。两图均清楚地显示出喷灌均匀系数对产量的影响不明显。将产量与喷灌均匀系数之间进行回归后得：
Y=0.0043CU_平均+6.6 (r²=0.015)                  (6)
Y=0.0039CU_季节+6.6 (r²=0.001)                  (7)

式中：Y为产量(t/hm²).

喷灌均匀系数对产量影响不明显的原因可以归结为：(1)作物冠层的截留使喷灌水量分布的均匀性得到一定程度改善；(2)灌水季节内累计灌水量均匀系数大于各次灌水的均匀系数平均值(图3)，这也在一定程度上减轻了由于各次灌水量分布不均匀对作物生长带来的影响；(3)土层储水量在整个生育期内一直很均匀^[16]，再加上灌水过程中一部分水会沿作物茎秆直接渗入根区满足作物的需水要求；另外，作物根系的水平伸展，使得作物都可以均匀地获得所需要的水量；(4)生育期内的天然降水给灌水量小的区域的作物吸水提供了补充。上述所有因素都在一定程度上减轻了喷灌非均匀性对产量的影响。

为了分析喷灌施肥均匀性对产量的影响，图7绘出了3个处理的产量与3月30日各小区施入化肥量的关系。由图可明显看出，产量对喷灌施肥的均匀程度同样也不敏感。

图7 冬小麦产量与2000年3月30日喷灌施肥量之间的关系

3 结论与讨论

作物从播种到形成经济产量是一个十分复杂的过程，影响产量的因素除了本文讨论的灌水均匀性与灌水量、施肥均匀性与施肥量外，还有土壤特性的空间变异、田间管理措施、病虫害的防治技术等，包括上述所有因素的田间试验或数学模拟将是一个庞大的系统工程，在这一方面还需要进行长期研究。本研究得出下述初步结论：

(1)作物冠层的截留使喷灌水量分布的均匀性得到一定程度的改善，改善的程度随喷灌均匀系数的提高而减小；(2)灌溉季节内累计灌水量的均匀系数大于平均喷灌均匀系数，也就是说，用平均喷灌均匀系数表示灌溉季节的灌水均匀程度会低估实际灌水的均匀性，这一结论对喷灌均匀系数设计值的选取具有参考价值；(3)对华北平原种植的冬小麦而言，在试验的平均喷灌均匀系数变化范围(62%～82%)内，喷灌均匀系数对作物产量及其要素均值和分布均匀程度的影响不明显，并且产量对喷灌施肥的不均匀性也不敏感。因此，《喷灌工程技术规范》^[19]规定的均匀系数设计值(CU≥75%)对华北平原区种植的冬小麦是偏于安全的，在某些情况下可以考虑适当减小，以降低喷灌系统的投资和运行费用。

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