不同滴灌模式对土壤水分空间变异及夏玉米生长的影响

杨明达，关小康，白田田，张鹏钰，韩静丽，王静丽，王同朝

(河南农业大学农学院，河南郑州450002)

发展节水灌溉是缓解水资源供需矛盾并实现农业可持续发展的关键。在目前所有的节水灌溉技术中，滴灌被认为是最为高效的节水灌溉技术之一［1］。地表滴灌和地下滴灌均属于局部灌溉，由于仅湿润部分土体，因此，可以减少土面蒸发，并且滴灌可以对灌水量、灌水时间及土壤湿润范围精确控制，这些优点可以根据作物根系分布及作物耗水规律来调节土壤的水分及养分。地表滴灌作为一种比较成熟的节水灌溉技术，已经得到了大面积的推广应用。与地表滴灌相比，地下滴灌可以克服土壤表面水分含量较高、土面蒸发量较大的缺点，并能诱导根系下扎，增加蒸腾作用，具有提高水分利用效率的潜力，有更广阔的应用前景［2－3］。灌水均匀性是评价滴灌系统的重要指标。地下滴灌的毛管被埋于地下一定深度，其灌水均匀性更易受土壤水力特性、土壤质地等因素的影响而降低［4－5］。根系趋水性引起毛细根堵塞水孔以及系统停水后水分回流所致滴头负压而引起土壤颗粒内吸堵塞滴头是造成地下滴灌灌水均匀性差的重要原因。有关滴灌系统的灌水均匀性评价，国内外许多学者都进行过研究［1，6－7］，CAMP 等［6］通过几种均匀性检验方法，评价了系统运行8年的地下滴灌和地表滴灌的灌水均匀性，发现地下滴灌比地表滴灌均匀性有较大降低，主要原因是由于土壤颗粒堵塞滴头造成的。但LEONOR等［1］研究认为，在匀质壤土条件下，地表滴灌和地下滴灌的灌水均匀性均较好，两者的差异可以忽略不计。就作物的有效性而言，真正意义上的灌水均匀度应是灌溉后土壤水分分布的均匀度。土壤水分分布的均匀度可以从灌水后土壤水分分布状况及作物的长势进行评估。滴灌带的铺设间距是滴灌系统设计的重要参数之一，决定着滴灌系统的投资效益。地表滴灌和地下滴灌属于不同的灌水方式，两者的土壤湿润层次和湿润体积存在较大差异。LEONOR等［1］研究认为，在灌水量相同的情况下，地下滴灌的湿润土体积要大于地表滴灌。因此，必须按照两种灌水方式下土壤水分的运动规律来确定适宜的滴灌带间距，滴灌带铺设过密会造成投资成本增加，而滴灌带间距过大，容易使两滴灌带中间作物发生水分亏缺而影响产量。根据不同灌水方式下实际入渗湿润体特征值来确定滴灌带间距是最为科学合理的手段。合理铺设滴灌系统，优化滴灌系统参数是提高滴灌系统效率，实现效益最大化的关键。前人对优化滴灌参数的研究，以滴头流量、管带埋深、滴头间距等参数的报道居多，对决定滴灌系统投资成本，并显著影响滴灌系统均匀性——滴灌带铺设间距的研究较少，并且研究对象多为经济作物或蔬菜，对大田粮食作物的研究还不多见。为此，本研究通过开展大田试验比较灌水后土壤的水分变化动态及夏玉米的生长状况来评估地下滴灌和地表滴灌系统的运行状况，并通过探究不同滴灌模式下土壤水分的空间分布特性，为本区农业生产中优化滴灌系统参数及推广滴灌技术提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验设计

本试验于2014年在河南农业大学科教园区(113°38'3″E，34°47'51″N)试验田进行，地面平整，灌排方便。土壤0～100 cm土层的田间持水量、容重及机械组成如表1所示。0～80 cm土层土壤类型为沙质壤土，80～100 cm土层土壤类型为黏质壤土。

试验设置2个处理，处理1为地下滴灌(SDI)，处理2为地表滴灌(DI)，均使用以色列Netafirm公司生产的滴管带，2012年布设地下滴灌系统，系统运行2 a，滴头距离0.30 m，流量1.38 L·h－1。地下滴管带用铺管机放置到距地表35～40 cm处，地表滴灌置于夏玉米行上，两处理滴管带间距均为60 cm。地下滴灌有6条滴灌带(SDI1，SDI2，SDI3，SDI4，SDI5，SDI6)，地表滴灌有4条滴灌带(DI1，DI2，DI3，DI4)。为了探究滴灌条件下密度对夏玉米生长及产量的影响，地下滴灌分别设置75 000，90 000和105 000株·hm－23个种植密度，地表滴灌设置9 000和105 000株·hm－22个种植密度，每2条滴灌带上种植同一密度玉米。水源采用无塔供水系统，压力恒定在0.08 MPa。夏玉米生长季节根据功能叶片中午是否萎蔫作为灌溉时间指标。用水表控制灌水总量，灌水时间和灌水量均相同，每次灌到田间持水量的80%(上限)。夏玉米全生育期共进行2次灌水，分别在2014－07－17和2014－08－16，每次灌水均为450 m3·hm－2。2014－06－07播种，2014－09－24收获。

1.2 测定指标与方法

1.2.1 土壤分层容重、田间持水量和机械组成在播种前随机调查0～100 cm每间隔20 cm土层的土壤容重、机械组成和田间持水量。

表1 0～100 cm土壤的物理性状Table1 Soil physical characteristics and chemical properties in 0～100 cm soil

1.2.2 土壤水分运动模拟 测定滴水后距离滴管带放置位置左侧10，20，30，40 cm(DI处理水分探头放置在距地表10 cm处)和土层垂直方向10，20，30，40，60，80，100 cm 土壤体积含水量(22 个传感器，SDI和DI处理，watchdog测定);从灌溉开始每隔30 min测定1次土壤水分数据，连续监测至灌溉结束。灌溉结束后每隔24 h测定1次，连续测定3 d，并在灌水结束土壤水分平衡后，每个处理随机选取20个点用烘干法分别测定0～10，10～20和20～30 cm的土壤水分含量，并计算土壤水分均匀系数(用克里斯琴森均匀系数Cu表示)。克里斯琴森均匀系数 Cu［7］(评估滴灌系统均匀性)计算如下:

式中:Cu为均匀系数;θ为平均土壤含水率;Δ θ为每个取样点的实际土壤含水率与平均值之差的绝对值的平均值，即平均差;θi为每个取样点的实际土壤含水率;N为取样点个数。

1.2.3 滴管带流速 将压力调至0.08 MPa设定压力后，让系统运行10 min左右，使系统工作压力稳定，然后将容积2 L的容器置于每个滴管带滴灌口下方，用量筒测量单位时间内每个容器中的水量，然后换算成滴头流速。每次试验在10条滴管带间同时运行，重复测定3次。

1.2.4 变异系数 在成熟期，测定株高、穗位高、穗长计算不同滴灌条件夏玉米的株高、穗位高、穗长等的变异系数。

式中:SD为样本的标准偏差;A为样本平均数。

1.2.5 测产及考种 夏玉米收获期，在每条滴管带正上方，随机连续取51株，每条滴管带测定株距、行距，计算实有密度。每条滴灌带取1组产量数据，SDI处理取6组产量数据(每组3次重复)，DI处理取4组产量数据(每组3次重复)。收获后从每组取20个单株进行考种，按不同组号将穗部子粒脱粒晒干(含水量14%)用于测定产量。

1.3 数据分析

使用Office 2010和Surfer 8.0对试验数据进行处理分析与作图，并用SAS V8.0软件对试验数据进行统计分析。首先对不同处理间的指标进行方差分析。若差异显著，再进行LSD多重比较(P≤0.05 显著)。

2 结果与分析

2.1 滴灌方式对夏玉米植株性状及其变异系数的影响

由表2看出，DI处理夏玉米株高和穗位高要高于SDI处理，但其穗长小于SDI。DI处理株高、穗位高和穗长的变异系数较SDI处理小，其变异系数的波动范围也较SDI处理小。从密度和产量两方面因素看，SDI5和DI2的密度相同，但SDI5的产量比DI2显著提高了24%;SDI6和DI1的密度差异不大，但 SDI6的产量比 DI1显著提高了18.4%。可见，在相似的密度下，SDI处理的产量要高于DI处理。对于DI处理，随着密度的增大，夏玉米的产量呈现先增高后降低的趋势。

2.2 滴灌方式对灌水后土壤水分含量及其均匀系数的影响

由表3可以看出，第1次灌水SDI，DI处理不同土层的水分差异不大，可能是因为第1次灌水时(2014－07－18)有部分降雨所致。0～30 cm土层，SDI和DI处理的土壤含水量均较高，且差异不大，说明此时SDI和DI处理0～30 cm土层的土壤水分均达到饱和，SDI和DI处理不同土层深度的均匀系数相同也说明了这一点。从第2次灌水可以看出，在0～30 cm土层，SDI处理的均匀系数范围为0.87 ～0.93，DI处理的均匀度范围为0.96 ～0.97，DI处理的均匀度高于SDI处理，但两者差异不大。SDI处理表层水分的含水量均小于DI处理，表层土壤含水量少，可以有效地减少土表的水分蒸散，达到节水的目的。

表2 滴灌方式对植株性状及其变异系数影响Table 2 Effect of drip irrigation modes on plant trait and variation coefficient

表3 滴灌方式对灌水后土壤水分含量及其均匀系数的影响Table 3 Effect of drip irrigation on soil water content and its uniformity coefficient after irrigation

2.3 地下滴灌和地表滴灌灌水前后的土壤水分变化动态

图1和图2分别为(2014－08－16)SDI和DI处理在第2次灌水过程中和灌水后垂直和水平方向的土壤水分变化。由图1－a可以看出，SDI处理灌水开始后垂直方向上水分最先发生变化的是40 cm土层，也就是滴灌带埋深的土层。随后由于土壤水分的重力作用及向上的土壤毛孔吸力，30和50 cm土层的土壤含水量开始增加。在灌水开始2 h后，20和30 cm土层的土壤含水量开始增加。60 cm土层的含水量在灌水开始3.5 h后有缓慢的上升趋势。30，40和50 cm土层的含水量上升较快，在灌水3 h后基本土壤水分处于饱和状态并维持恒定不变。在整个灌溉过程中，土壤水分波动较大的是 20～60 cm 土层，而 10，70，80，90和100 cm土层的土壤含水量基本没有变化。在灌水结束后(图1－b)第1天，70，80和90 cm土层都表现出了上升的趋势，但上升的幅度有限，其中70和80 cm土层在灌水后第2天开始下降，而90 cm土层仍表现出上升的趋势。30，40和50 cm土层由于水分下渗，灌水后都表现出了下降趋势。在整个灌水过程后，10 cm土层的含水量均未发生变化，说明地下滴灌能够保持地表土体干燥，有效降低土体蒸发。SDI处理距滴灌带水平方向上，开始灌水后(图1－c)，距滴灌带横向10 cm土层的土壤含水量迅速上升，并在灌水4.5 h后达到最大值，并保持恒定。随后，距滴灌带横向20和30 cm处土层土壤含水量逐渐上升，其中距滴灌带20 cm土层的土壤含水量上升的速率更快。距滴灌带横向40 cm土层的土壤含水量在整个灌溉过程中没有变化。在灌水后(图1－d)，距滴灌带横向10，20和30 cm土层的土壤含水量都表现出了逐渐降低趋势，而距滴灌带横向40 cm土层的土壤含水量仍没有变化，说明地下滴灌水分横向渗透的半径小于40 cm。

图1 SDI处理灌水前后垂直方向0～100 cm和水平方向0～40 cm土壤水分动态变化Fig.1 Soil water distribution of 0 ～100 cm layer in vertical direction and 0 ～40 cm in horizontal direction during and after irrigating under subsurface drip irrigation condition

图2 DI处理灌水前后垂直方向0～60 cm和水平方向0～40 cm土壤水分动态变化Fig.2 Soil water distribution of 0～60 cm layer in vertical direction and 0～40 cm in horizontal direction during and after irrigating under drip irrigation condition

由图2－a可以看出，距滴灌带垂直方向10 cm土层的土壤含水量在灌水开始后逐渐上升，在灌水2～4 h时迅速上升达到饱和状态。随后，距滴灌带垂直方向20和30 cm处土层的土壤含水量开始逐渐上升，其中20 cm处土层的土壤含水量的上升幅度更大，距滴灌带垂直方向40和60 cm处土层的土壤含水量在整个灌溉过程中基本没有发生变化。灌溉结束后第1天到第3天(图2－b)，距地灌溉垂直方向10，20和30 cm处土层的土壤含水量均表现出了下降趋势，距滴灌带垂直方向40 cm土层的土壤含水量表现出来小幅度的上升趋势，而60 cm处土层的土壤含水量仍没有发生变化，说明整个灌水过程水分纵向渗透范围＜60 cm。距滴灌带水平方向10 cm(图2－c)土层土壤水分在灌水开始2 h后迅速上升，水平方向20和30 cm土层土壤含水量在开始灌溉3.5 h后迅速上升，水平方向40 cm土层土壤含水量在整个灌溉过程中没有发生变化。灌溉结束后第1天到第3天(图2－d)，横向水平方向10，20，30和40 cm 土层的土壤含水量均表现出了逐渐降低趋势。水平方向40 cm土层在灌溉结束后第1天测定的值高于灌水结束后测定的值，说明灌水结束后水分横向扩散到40 cm土层。

综上所述，SDI灌水过程中垂直于滴灌带方向上湿润的土层的范围为20～60 cm，而整个灌溉过程湿润土层的范围为10～90 cm，水平方向上湿润体半径＜40 cm。DI灌水过程中垂直于滴灌带方向上湿润土层的范围为0～30 cm，整个灌溉过程中湿润土层的范围为＜60 cm，水平方向上湿润的土层半径＞40 cm。SDI垂直方向上湿润的土层范围要大于DI，而水平方向上湿润体半径小于DI。

2.4 滴头流速对夏玉米产量的影响

表4可知，SDI和DI处理滴头流速的均匀度均不高，SDI处理滴头流速及其均匀系数均小于DI处理。图3可以看出，SDI和DI处理的产量均随着滴头流速的增加而呈增大趋势。回归分析表明，滴头流速(X)与产量(Y)呈正线性相关，回归方程为:SDI:Y=3 374.30 X+4 807.90，R=0.886 7*;DI:Y=11 222.00 X －625.60，R=0.959 3*。滴头流速与产量存在显著的正相关关系。水流速率越大，说明滴管带灌水通畅性越好，单位时间内流出的水量越多，土壤水分含量越高，可更多地供植株充分吸收利用，对产量的提高有利。因此，如何保证滴头流量及提高其均匀性是提高滴灌产量的关键。

表4 滴头流速对夏玉米产量的影响Table 4 Effect of emitter flow rate on yield of summer maize

3 结论与讨论

测量灌溉后土壤水分的分布情况是评估灌溉系统灌水均匀度最为直接的方法［7］，也是评价灌溉质量和灌溉工程的重要指标。有关灌水均匀度的研究，国内大多数学者集中在同种灌水方式下不同灌溉参数间的对比研究。杨玫等［8］研究认为，畦灌的灌水均匀系数随畦长、畦宽的增大而减小，随单宽流量和坡度的增大而增大。韩文霆等［9］对喷灌的研究表明，三角形组合的喷灌方式具有较高的喷灌均匀系数，并且认为压力显著影响喷灌均匀系数。前人也对滴灌条件下不同灌溉参数的灌水均匀度进行了相关研究，包括灌水器的压力、滴头流量、滴灌带间距及铺设长度等。但国内有关不同灌水方式间(地下滴灌和地表滴灌)灌水均匀度的对比性研究还不多见。本研究中，在土壤类型主要为沙质壤土的条件下，地下滴灌和地表滴灌在灌水后土壤水分的均匀度均较高，均匀系数分别为0.87～0.93 和 0.96 ～0.97。另外，作物的生长状况也可以间接地反映土壤水分的分布状况，虽然地下滴灌的株高、穗位高、穗长的变异系数及变异系数的波动范围较地表滴灌小，但两者的差异不显著。可见，本试验条件下，地下滴灌和地表滴灌均具有良好的灌水均匀度。

滴灌属于局部灌溉，滴头所湿润的范围为根系吸收水分的区域，因此，必须了解滴头湿润土体的大小及范围，从而选择合适的滴灌参数，既能节水增产，又能降低投资成本。了解滴灌的实际入渗湿润体特征值是确定滴灌系统参数的重要基础。陈若男等［11］通过田间交汇试验得出新疆沙砾地葡萄滴灌合理的滴头间距为30 cm，滴灌带水平间距为60 cm。孔繁宇等［10］在新疆地区通过大田研究认为，壤土条件下地下滴灌带的铺设间距120 cm以内为宜。本研究通过灌溉前后土壤水分的实测数据，对比分析了地下滴灌和地表滴灌的湿润土体特征。在灌水量均为450 m3·hm－2的情况下，地下滴灌垂直方向上湿润土体的范围要大于地表滴灌;地下滴灌水平方向上湿润体半径小于40 cm，而地表滴灌水平方向上湿润体半径大于40 cm。另外，本试验条件下，地下滴灌灌溉后垂直方向上湿润体范围为10～90 cm，既保持了地表土面干燥，又避免了深层渗漏的发生。这些对实际生产中不同滴灌模式下滴灌带的铺设间距及制订灌溉制度具有一定的参考价值。地下滴灌的湿润体范围要大于地表滴灌，更有力于根系的下扎生长。保持地表干燥能有效降低地表耗散，具有更大提高水分利用及增产的潜力。本研究得出的在相似的密度下地下滴灌的产量要显著高于地表滴灌的结论也印证了上述观点。

研究表明，滴头堵塞是导致地下滴灌灌水均匀性大幅降低的主要原因［6］。滴头流速可以间接反映滴头的堵塞状况及滴灌系统的运行情况。本研究中，地下滴灌滴头流速的均匀系数为0.65，地表滴灌为0.81，地表滴灌的滴头流速的均匀系数要高于地下滴灌，但2种滴灌方式下滴灌带均存在堵塞情况。2种滴灌系统在同时运行的情况下，地下滴灌的滴头流速要小于地表滴灌，这主要是因为地下滴灌的滴灌带受土壤压力的影响。何华［11］研究认为，相同土壤质地，灌水量一样时，滴头流量越大，水平方向的水分运移越快，运移距离也越大。本研究得出的在相同灌水量的情况下，地下滴灌的水平湿润半径小于地表滴灌的结论是对上述观点很好的佐证。另外，本研究通过滴头流速与产量的相关分析得出，滴头流速与产量存在正相关关系。因此，如何保证滴头流量及提高其均匀性是提高产量的关键。

数值模拟被广泛用于土壤水分运动模拟［12－13］，它可以对试验中各种情况进行对比分析，并能克服试验研究费时耗力及存在观察误差等缺点［13］。在滴灌条件下土壤水分运动规律的研究中，HYDRUS软件被认为模拟的土壤水分数值和实测值具有较好的一致性［14］。但国内将HYDRUS软件应用于实际田间，考虑作物的生长及根系吸水以指导生产实践的研究尚不多见，因此，今后有必要加强此方面的探究，以期为更合理构建滴灌设计参数提供依据。

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