水肥一体化下不同滴灌带配置对玉米产量的影响

王 睿 李 鹏 王文娥

(1.西安理工大学旱区生态水文与灾害防治国家林业局重点实验室， 西安 710048; 2.西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室， 陕西杨凌 712100)

0 引言

在滴灌系统设备中，滴灌带是连接首部枢纽与作物的桥梁。灌水均匀系数是滴灌系统设计和衡量系统灌水质量的重要指标，影响灌水均匀系数的因素很多，如灌水器工作压力变化、灌水器制造偏差、堵塞情况、水温变化、微地形变化及滴灌带长度等[1]。席奇亮等[2]比较了4种滴灌带铺设长度和4种进水压力交互作用下的灌水均匀度，认为内嵌式滴灌带的灌水均匀度较薄壁式滴灌带更好，且更适合于较长距离铺设使用。马晓鹏等[3]对滴灌带灌水均匀系数影响规律进行探究，认为0°坡度低压条件下、滴灌带长度较短(60～120 m)时，随着滴灌带长度的增加，滴灌带流量成为影响滴灌带灌水均匀系数的主要因素。罗春艳[4]研究发现，滴灌带进水口的压力对灌水均匀度产生一定影响，随着进口压力的增加，滴头灌水均匀度呈上升趋势。提高灌水均匀度目的在于提高作物的品质和产量，有学者从滴灌带配置方式的角度研究对作物的影响。孔繁宇等[5]设置不同滴灌带类型、不同铺设长度进行试验，结果表明，适合于铺设100 m长的3种滴灌带，即易润、耐特菲姆(厚、薄)3种，其滴头流量分别为1.24、1.65、1.25 L/h。李波[6]通过研究不同滴灌带类型的流量变化情况、玉米的均值产量以及均匀系数对灌水均匀性的影响，发现滴灌均匀度对作物产量和均匀度系数影响不大，却对作物的千粒质量、百粒质量影响较显著。王雪苗等[7]研究了不同灌水处理、不同滴灌带配置方式对玉米农田生产力的影响，结果表明，全生育期内对玉米叶面积、叶片光合势影响显著的是灌水处理，灌水定额为450 m3/hm2时，铺设方式三行两管更有利于玉米生长及产量的增加。

滴灌系统首部设备与滴灌带的配合及运行模式直接影响系统的灌水施肥均匀度和运行成本。本文拟用比例式施肥泵配合两种滴灌带，采用3种不同施肥比例及3种首部压力，在甘肃省石羊河流域进行灌溉施肥试验，通过分析不同首部压力下滴灌带沿程流量、土壤含水率及玉米农田生产力的差异，优化滴灌系统设备配置。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本试验于2017年5—9月在甘肃省石羊河生态节水试验站进行。该试验站地处腾格里沙漠边缘，平均海拔1 581 m，干旱指数15～25。年平均降雨量160 mm，年平均蒸发量2 000 mm以上，属于典型的干旱缺水地区。试验站水源为井水，经砂石过滤器后通过管道输送至试验地。水中主要含有碳酸氢根离子、硫酸氢根离子及氯离子等阴离子，钙离子、钾离子及镁离子等阳离子。pH值8.0，矿化度510 g/L，总硬度0.25 g/L，为中性偏弱碱性淡水，水质微硬。土壤类型属于粉砂质粘壤土，0～100 cm土层土壤容重1.52 g/cm3，平均田间持水率为19.3%。

1.2 大田试验布置

图1 小区大田滴管设备布置图Fig.1 Field experiment layout for drip irrigation system1.水泵 2.阀门 3.比例式施肥泵 4.取水口 5.精密压力表6.水表 7.过滤器 8.流量计 9.滴灌带

试验采用膜下滴灌水肥一体化灌溉技术，滴灌系统包括施肥装置、过滤设备及灌水器等。其中施肥装置采用比例式施肥泵，可调节施肥比例范围1%～4%；采用网式、叠片式120目(0.13 μm)过滤器；滴头采用内镶贴片式(N0.30，滴头间距S=0.3 m)和侧翼迷宫式滴灌带(L0.15，滴头间距S=0.15 m)，膜下滴灌铺设方法采用一膜单管双行种植方式，膜宽0.12 m。供试作物为“先玉335”玉米，采用穴播机进行播种，株距0.25 m，行距0.4 m。将整套滴灌系统布置于长110 m、宽22 m(0.25 hm2)的大田中，将其划分为4行2列共8个小区(50 m×3.6 m)，每个小区布设1条支管、3条毛管(长50 m)，其中2条毛管首部分别安装网式、叠片式过滤器。为了防止侧翼迷宫式滴灌带因管壁较薄而发生破损，将铺设L0.15的首部压力设置为0.04、0.05、0.06 MPa，小区编号F、G、H；将铺设N0.30的首部压力设置为0.08、0.09、0.10 MPa，小区编号B、C、D。以上6个小区进行施肥处理，其余2个小区分别铺设N0.30、L0.15作为清水对照组，小区编号A及E。单个小区滴灌系统布置见图1，管道上设有量程范围为0～0.25 MPa的精密数显压力表(Y180型，杭州米科传感技术有限公司)、毛管首部设有超声波流量计(测量精度±1%)等。

1.3 试验设计

为保证各小区灌水量一致，通过水表计量，达到灌溉水量时关闭小区首部阀门即可，而各条毛管流量由流量计计量；过滤器水头损失(m)由其两端压力表差值换算(0.01 MPa换算为1 m)得到(图1)。施肥泵施肥比例设置为2%、3%、4%。

根据当地灌溉制度，于2017年5月6日进行播种，播种前将30%的尿素(N 280 kg/hm2)、全部硫酸钾(K2O 90 kg/hm2)作基肥施入，全生育期内充分灌溉，9月24日收获，生育期共计142 d。在6月6日—9月9日期间，共进行9次施肥(磷酸二胺(P2O5) 200 kg/hm2)且各小区灌溉制度相同，施加磷酸二胺量平均分配，则每次每个小区0.8 kg。按照施肥比例不同，每个小区各比例各进行3次重复，共计9次。结合当地降雨等实时情况，灌水周期为8～10 d；保证所施加的肥料均流入管道内，设定每次灌水时间为20 min。各处理分别进行施肥，施肥完毕后统一进行清水灌溉，保证灌水量基本一致。

每次灌水前，采用干燥法进行土壤含水率的测定(每20 cm装袋)，选取每个小区首、中及尾部呈“s”形采样；各生育期至少取一次植株样本测定作物的干物质积累量，每个小区沿滴灌带首、尾部各取1株植株，105℃杀青后80℃干燥至恒定质量，称取干质量；成熟后，每个小区沿滴灌带长度方向选取首(5～15 m)、中(20～30 m)及尾部(35～45 m)各3个重复晾晒至含水率14%计产。

2 结果与分析

2.1 滴灌系统滴灌带水力性能

2.1.1水力特性曲线

滴灌带灌水器流量取决于作用压力，在一定压力范围内，灌水器水力特性曲线可用流量-压力关系式进行描述[8]。根据两种滴头的水力性能试验结果，分析了一定压力范围内滴头的流量-压力关系，绘制了滴灌管水力特性曲线，如图2所示(图中q为灌水器流量，h为灌溉压力)。

图2 滴灌带灌水器压力-流量关系曲线Fig.2 Relationship curves of drip emitter pressure and flow

2.1.2沿滴灌带长度方向上的滴头流量变化

滴灌带属于沿程泄流有压管，由于沿程存在水头损失，管道内作用压力沿程下降；同时随着沿程流量逐渐减小，管径不变，单位长度上的水头损失逐渐减小，所以滴灌带沿程压力降低值逐渐减小，水力坡度逐渐变缓，作用压力不同导致灌水器流量、均匀系数不同，进一步影响到土壤的含水率及肥料分布，作物根区的土壤含水率直接影响作物对水分和肥料的吸收和利用。已知滴灌带末端压力，由图2滴灌带压力-流量公式q=5.562h0.636(N0.30)、q=4.326h0.655(L0.15)得到该末端流量后，求得灌水器间管段水头损失，依次类推，由末孔逆流向上游递推求得沿程所有滴头流量[9]，图3为各小区在不同初始水头下沿滴灌带长度上的滴头流量变化。可看到，N0.30沿程流量比L0.15沿程流量降低的趋势缓。L0.15沿程前30 m的滴头流量下降较快，后20 m趋于滴头流量趋于水平；而N0.30滴头流量在前15 m有明显变化，后35 m趋于水平。原因是滴头孔距越小，产生的沿程总摩阻损失越大[10]，则流量下降越大。由于L0.15滴头间距是N0.30的0.5倍，L0.15沿程水头损失耗损严重，流量降幅大。

图3 不同首部压力下滴灌带沿程滴头流量变化曲线Fig.3 Variation curves of drip flow along line of drip irrigation belt under different head pressures

表1为各小区滴灌带灌水均匀度及滴头平均流量的统计。由滴灌带沿程灌水器流量，根据灌水均匀度公式

式中qi——第i个灌水器流量

n——滴头数量

求得不同压力下各小区(B～D、F～H)滴灌带灌水均匀度为96.95%、96.74%、96.52%和94.71%、94.60%、94.53%。可以看出，随着首部压力的增大，灌水均匀度在逐渐降低，且关系显著(P<0.05)。不同压力下各小区滴头平均流量(B～D、F～H)为1.50、1.63、1.76 L/h及1.09、1.25、1.37 L/h，小区滴头平均流量关系也显著(P<0.05)。因此，对两种滴灌带不同滴头流量和灌水均匀度下土壤的含水率、作物的生长指标及产量进行了分析。

表1 各小区滴灌带灌水均匀度及滴头平均流量Tab.1 Statistics on uniformity of irrigation water and average drip flow rate of drip irrigation belt in each plot

注：同列不同小写字母表示各处理差异显著(P<0.05)。

2.2 膜下滴灌玉米各生育期内相关指标

2.2.1全生育期不同滴头流量对土壤含水率的影响

试验过程中对各小区滴灌带首、中、尾部的土壤含水率进行全生育期观测，图4(图中B～D、F～H表示小区编号，1、2、3分别表示滴灌带的首、中、尾部，下同)为全生育期内60 cm土层土壤的平均含水率动态变化情况。滴灌带类型差异使得土壤的平均含水率在生育期内变化规律有所差异，N0.30土壤含水率变化规律均呈较明显的先下降后上升趋势，且随着滴头流量的增大其变异系数依次降低，分别为23.3%、18.8%、12.6%，滴头流量越大，生育期土壤含水率变化越平稳；L0.15土壤含水率变化趋势平缓，且随着随着滴头流量的增大其变异系数依次升高，分别为12.2%、12.5%、14.6%，滴头流量越大，生育期土壤含水率变化越显著。拔节期—抽雄期(6月6日—7月10日)、抽雄期—灌浆期(7月11日—8月12日)阶段玉米需水量剧增，土壤含水率宜保持在田间持水率的80%左右[12]，即15.4%以上。得到全生育期N0.30土层(60 cm)平均含水率变化显著且呈先下降后上升趋势，作物需水时期含水率低于15.4%，因此不能为作物提供充足水分；全生育期L0.15土层(60 cm)平均含水率趋势稳定且保持在15%左右，认为可以为作物提供充足水分。灌浆期—成熟期(8月13日—9月17日)，土壤含水率宜保持在田间持水率的60%[11]，即11.6%，N0.30、L0.15处理均满足作物适宜的土壤水分条件。

图4 玉米生育期内各小区滴灌带首、中、尾部土壤含水率动态变化Fig.4 Dynamic changes of soil moisture content in head, middle and tail of drip irrigation belts of different plots during maize growth period

2.2.2不同生育期玉米干物质质量动态变化

作物产量的形成与干物质积累过程密切相关，产量与最大干物质积累速率呈正相关，积累速率越大，产量越高[12]。定量分析作物生产过程中干物质积累的动态变化是揭示作物产量形成和掌握高产群体调控指标的重要内容。图5(图中柱状表示干物质积累量，折线表示干物质积累速率)为玉米各生育期干物质积累量及干物质积累速率变化过程。

A、E小区为清水对照组，由图5可知，施加肥料可提高作物干物质积累量。由于滴灌带灌水均匀系数均在90%以上，影响作物干物质质量差异的原因有可能是作物吸收养分的差异，通过解剖滴灌带发现其管壁上附着有较多的白色粉末肥料，是由于施肥输水过程中肥液中的肥料沉淀引起的。可以明显观测到附着在滴灌带管壁上的白色粉末有所不同，按由多到少依次为D、C、B和H、G、F，说明流速越低，附着在管壁的肥料越多，则尾部作物的肥料利用率越低。

图5 干物质积累量和积累速率随时间的变化Fig.5 Changes of dry matter accumulation amount and speed with time

两种滴灌带下的作物干物质积累速率曲线也有较直观差异，在灌浆期初(7月17日)L0.15的作物干物质积累速率涨幅较明显，此时正是玉米籽粒形成期(玉米灌浆期)，需要保证充足养分和水分，是决定产量高低的关键。相比于N0.30，灌水器流量较小的L0.15更有利于作物产量的提高。

2.2.3各小区产量沿滴灌带长度变化规律

各小区沿滴灌带长度上(首、中、尾部各取3个重复点)的产量分布情况见图6(图中折线表示两种滴灌带下首、中、尾部产量均值)，并进行显著性分析得到各小区的作物产量均差异显著，且滴灌带尾部的作物产量较首、中部的作物产量来说总体呈下降趋势。2.2.2节中分析原因在于滴灌带越长，其滴头流量越小，附着在管壁的肥料越多，则肥液利用率就越低，因此滴灌带尾部的产量应该较低。再分别对不同滴灌带作物首、中、尾部的产量进行标准差分析，由大到小依次为N0.30首、中、尾部和L0.15中、尾、首部，N0.30毛管的尾部产量标准差最低，说明不同滴头流量下毛管尾部(大于30 m)的作物产量差异小，而L0.15毛管的中部产量标准差最高，说明不同滴头流量下毛管中部产量差异性大。再对不同处理下毛管的首、中、尾部产量均匀性进行分析，发现随着滴灌带长度的增加，N0.30的作物产量均匀性逐渐降低，L0.15的作物产量均匀性逐渐上升，故不同滴头流量对沿滴灌带长度方向的产量均匀性有一定影响。

图6 各小区沿滴灌带长度上的产量Fig.6 Yield along length of drip irrigation belt in each plot

3 讨论

图7 各小区全生育期内每一层(60 cm)土壤平均含水率变化Fig.7 Changes of average soil water content of each plot in whole growth period

本文2.2.1节探讨了各生育期60 cm土层的土壤含水率平均值的动态变化，讨论生育期内土壤含水率变化对作物生长过程产生的影响。为进一步分析土层土壤水分分布下滴灌带首、中、尾部作物产量的差异，对各个生育期每层(10 cm)土壤含水率进行平均，如图7所示。发现随着滴头流量的增大，首、中、尾部的3条土壤平均含水率曲线逐渐重合，而其中N0.30的差异又比L0.15的差异小，分析原因，由于滴灌带间距不同，致使水平湿润半径重叠面积的差异，导致滴头下湿润体体积及土壤含水率不同，黄绵土(粉质壤土)的湿润体水平扩散距离R(t)、垂直入渗距离H(t)与入渗时间关系的表达式[12]为R(t,q)=2.409 1q0.348 2t-0.004 5q+0.376、H(t,q)=2.439 4q0.072 1t0.408 5q0.080 7。该试验选取土样与本试验土质相似，由此得到湿润半径R和湿润体体积V的关系式为V=2nπR(t,q)2H(t,q)/3，见表2。当L0.15滴头的水平湿润半径为7.5 cm时，表层湿润面积开始重叠(20 min)，此时N0.30滴头水平湿润半径小于15 cm，湿润面积未发生重叠；当N0.30滴头间水平湿润半径达到15 cm时，历时100 min，此时L0.15滴头水平湿润半径达到14 cm，表层重叠面积几乎达到50%。在两个点源扩散下的湿润体含水率相比在一个点源扩散下的湿润体含水率大，土壤含水率基数大，则蒸散发、降雨等相同环境下土壤含水率变化幅度相对较低。结合2.2.1节不同时期土壤含水率变化趋势，解释了N0.30的土壤含水率变异系数大，而L0.15的土壤含水率变异系数小的原因。

表2 滴头不同平均流量下湿润体半径及体积Tab.2 Radius and volume of wetting body under different average flow rates of emitter

4 结论

(1)滴灌带类型差异使得土壤的平均含水率在生育期内变化规律有所差异，N0.30土壤含水率变化规律呈较明显的先下降后上升趋势，且随着滴头流量的增大，在全生育期土壤含水率变化越平缓；L0.15土壤含水率变化趋势平缓，且随着滴头流量的增大，在全生育期土壤含水率变化越显著。L0.15下全生育期土壤含水率均满足作物生长的需求，可以为作物提供充足水分。

(2)流入滴灌带的肥液流速越低、长度越长，附着在管壁的肥料质量越多，尾部作物的肥料利用率越低，致使养分吸收少，作物产量降低。

(3)对不同处理下毛管的首、中、尾部产量均匀性进行分析表明，随着滴灌带长度的增加，N0.30的作物产量均匀性逐渐降低，L0.15的作物产量均匀性逐渐上升，故不同滴头流量对沿滴灌带长度方向的产量均匀性有一定影响。