喷灌均匀性和灌水量对冬小麦冠层下水量分配的影响

李 红，郭 鑫，陈 瑞，王 剑

喷灌均匀性和灌水量对冬小麦冠层下水量分配的影响

李 红，郭 鑫，陈 瑞，王 剑

（江苏大学流体机械工程技术研究中心，镇江 212013）

为研究冬小麦冠层对喷灌水量的再分配规律，探讨不同灌水量下喷灌均匀性对土壤含水率空间分布、冬小麦生长状况及产量的影响，该研究于2020—2021年在常州市金坛区开展了冬小麦田间喷灌试验。该试验依据作物需水量设置3个灌水量（充分灌溉、2/3需水量、1/3需水量）处理和2个喷灌均匀性（高：75%、低：55%）处理，通过冠层上、下雨量筒和自制的茎流收集器测量喷灌水量分布，并对喷灌后的土壤含水率（Soil Water Content，SWC）、冬小麦生长状况及产量的空间分布进行了监测。结果表明，冠层上喷灌均匀性比冠层下高约1.5%。喷灌水经冬小麦冠层再分配后所形成的棵间穿透流量、茎秆流量以及冠下喷灌损失分别占冠层上部水量的56.0%～73.9%、25.0%～37.0%和2.5%～12.7%。冠下穿透流率和茎秆流率与冬小麦的冠层特征（叶面积指数、株高）极显著相关（0.01），而受喷灌均匀性和灌水量的影响较小。茎秆流率变异系数高于穿透流率变异系数。喷灌后24 h，0～20 cm深度土壤水分的变化与冬小麦产量及产量变异系数显著相关（<0.05）。低喷灌均匀性会导致区域性缺水（SWC<65%田间持水量），引发小范围减产，产量变异系数增大，减少灌水量则会加剧这一现象，冬小麦显著减产，灌水量对产量的影响占主导作用。研究结果可为冬小麦的喷灌设计提供理论依据。

灌溉；作物；冠层；冬小麦；灌水量；土壤含水率

0 引 言

喷灌均匀性是衡量喷洒区域内水量分布均匀程度的指标，是喷灌系统设计的一个重要参数[1-2]，常采用克里斯琴森均匀系数（Christiansen Uniformity，CU）[3]作为喷灌均匀性的评价指标。影响喷灌水量分布的因素包括风速、风向、地形、喷嘴、压力等[4-8]，但目前关于喷灌水量分布的研究多针对于裸地喷洒条件，当作物冠层对地表的遮盖达到一定程度时，冠层亦成为影响喷灌水量分布的重要因素之一[9]。

天然降雨或喷灌降水经过作物冠层的再分布后，通常被分为棵间穿透流量、茎秆流量、冠层截留量三部分，在忽略冠层蒸发损失的情况下，这三部分水量的总和等于冠上输入的总水量，因此三者之间始终存在此消彼长的关系[10-11]。王迪等[12]在无风条件下采用称重法测得冬小麦冠层截留变化范围为0.68～1.47 mm，从拔节期开始，冠层存储能力随叶面积指数（Leaf Area Index，LAI）和株高的增大而线性增大。Li等[13]通过水量平衡法测得，在冬小麦的整个生育期内，喷灌的冠层截留水量为24%～28%（包括从茎秆流到地面的水量），穿透水量为72%～76%。Zheng等[11]研究发现，穿透流量（茎秆流量）与总降雨量、降雨强度和叶面积指数显著相关，并在此基础上建立了多元线性回归和非线性回归模型，但模型对茎秆流量的预测精度较低。以往研究大多集中在株行距较大的高大作物（如玉米），对低矮密植类作物（如小麦）冠层对喷灌水量再分配的研究甚少，且基本为室内模拟试验或没有在大田试验中直接测量截留损失量和冠层下茎秆流量。

经过作物冠层再分布的喷灌水量进入土壤后发生第二次再分布导致土壤含水率及其均匀性的变化，进而影响作物生长发育及产量。Li等[13-15]采用半方差函数对喷灌水量、土壤水分及作物产量的空间结构分析发现，产量的空间相关距离大于灌水量的相关距离，并利用Jensen连乘水分生产函数建立了均匀系数对产量影响的模型，结果表明，即使冠层上的喷灌均匀性低于60%，土壤含水率均匀性仍超过90%，喷灌均匀性对冬小麦产量的影响不大。Montazar等[16-17]研究发现，随着喷灌均匀性的提高，苜蓿增产不显著，而减少灌水量会提高苜蓿的灌溉水利用效率。饶敏杰[18]通过试验研究发现，产量与有效水量之间的相关关系比与累计水量之间的关系更密切，土壤特性（有效水量）和灌水量离散程度的增大，均会导致产量离散程度的增大。但以往的研究大多忽略喷灌水量在土壤中的再分布后的影响，不同灌水定额下喷灌均匀性对作物产量的影响也有待进一步研究。

本文在已有研究的基础上，通过在不同喷灌均匀性和灌水量下的冬小麦田间喷灌试验，探讨灌水量、喷灌均匀性、叶面积指数与冠层下水量分配的关系，构建喷灌条件下冬小麦冠层下水量分布预测模型；分析不同灌水量下喷灌均匀性对土壤含水率空间分布、冬小麦生长状况及产量的影响，以期为冬小麦的喷灌设计提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况与试验设计

试验在江苏省常州市金坛区江苏大学喷灌试验基地进行，该试验场位于江苏省南部（31°45′N，119°17′E，海拔7 m），属亚热带季风气候，四季分明。多年平均降水量为1 063.5 mm，年平均蒸发量约为1 516 mm，平均气温15.3 ℃，日照充足。试验区土壤质地为黏壤土，田间持水量为29%，容重为1.38 g/cm3。试验场内设有气象站，进行风速、湿度、降水、辐射、气压、地温等气象因素监测。试验冬小麦品种为杨麦13，冬小麦于2020年11月15日播种，2021年5月22日收获，种植行距为20 cm，种植密度为601.5万株/hm2，其他管理措施同当地农民栽培习惯一致。试验期间，该地区的杂草和虫害都进行了较佳控制。

冬小麦进入拔节期后，结合3月19日的降水进行追肥。此后，为满足作物的需水要求，并方便研究不同灌水量下喷灌均匀性对土壤含水率空间分布、冬小麦生长状况及产量的影响，当蒸发蒸腾量（ETc）与有效降雨量的差值累积达到30 mm时进行灌溉。ETc采用波文比-能量平衡法[19]计算，其准确性已得到验证[20]。冬小麦生育期内蒸发蒸腾量和降雨量见图1。

为研究在不同亏缺灌溉条件下较低的喷灌均匀性对作物产量的影响，根据灌水量（充分灌溉：30 mm、2/3 需水量：20 mm、1/3需水量：10 mm，分别记作W1、W2、W3）和喷灌均匀性（高：75%、低：55%，分别记作J1、J2）的不同，试验共设置6个不同的处理，分别记作W1J1、W1J2、W2J1、W2J2、W3J1、W3J2，其中高均匀性处理采用规范（GB/T 50085—2007）[21]规定最小CU（75%），每个处理3个重复，随机分配在18个灌溉小区中，试验小区布置见图2a。试验区喷头选用国产可调角度摇臂式喷头（PY10，4 mm喷嘴），喷头距地面为1.5 m，布置间距为10×10 m，每个喷头都由单独的调压阀精准控制压力。由于喷头在换向处的水量分布较集中，试验时喷头以120°的扇形角向灌溉小区内喷水，通过调整每个处理内同时喷洒的喷头数量（2～4个）和喷头运行压力（150～300 kPa）来获得设计要求的喷灌均匀性，通过改变灌水时间来获得设计要求的灌水量。冬小麦生育期内各处理的喷灌日期、喷灌时段的平均风速、实测喷灌水量以及喷灌均匀性见表1。

1.2 测定指标与方法

1.2.1 株高、叶面积指数

在每次喷灌试验前测定冬小麦株高和叶面积指数。株高、叶面积测定采取量测法，叶面积采用长宽比例法近似计算[22]，计算公式如下：

式中A为单株作物叶面积，cm2；L为第片叶片长度，cm；W为第片叶片最宽处宽度，cm；为单株作物的叶片数。

注：图中横坐标标注日期从左至右依次为播种、补肥、3次喷灌试验、收获日期。

Note: The dates marked with horizontal coordinates from left to right are the dates of sowing, fertilizer supplementation, three sprinkler irrigation trials, and harvest.

图1 冬小麦生育期内蒸发蒸腾量ETc与降雨量

Fig.1 Evapotranspiration(ETc) and precipitation during the fertility period of winter wheat

测定时，每个小区均匀设置9个测试点（图2b），取测量值的平均值作为各小区的株高和单株叶面积。叶面积指数（LAI）为植株密度与单株叶面积的乘积。

1.2.2 冠层截留

喷灌前，随机选取6个测点（测点处植株生长良好）并做好标记，在每个测点周围选取5株长势均匀的小麦测量其鲜质量；喷灌后，将标记处的小麦沿根部缓慢割下并放入塑料袋中称质量。为避免外界因素的影响，称量均在田间完成。冠层截留按照以下公式[23]计算：

式中I为冠层截留量，mm；0为植株鲜质量，g；G为植株喷水后质量，g；为植株密度，株/m2；ρ为水密度，g/cm3。

表1 冬小麦生育期内的喷灌日期、喷灌水量和喷灌均匀性（冠层以上）

注：CU为克里斯琴森均匀系数，即衡量喷灌均匀性的指标，%。

Note: CU is Christensen Uniformity coefficient, which is the index to measure the sprinkler uniformity, %.

1.2.3 作物冠层上、下喷灌水量空间分布

每个处理选取一个试验小区（图2a），在10 m×10 m的小区内，按照2 m×2 m的网格布设雨量筒（图2b），测试作物冠层上喷灌水量分布，雨量筒为高14.5 cm，开口直径11.6 cm的塑料量杯（精度为5 mL），雨量筒开口布置高度与作物株高一致。测量冠层下穿透流量分布的雨量筒置于作物冠层行间的地表（图3a），位置与冠层上雨量筒一致（图2b）。为避免冠层上雨量筒对冠层下穿透流量分布测定的影响，冠层上、下雨量筒相互交错。茎秆流量采用自制的茎流收集器测定（图3b），它由带有V型切割的小漏斗（开口直径为3 cm）、塑料软管、50 mL（精度为1 mL）带盖塑料量杯组装而成，采用防水胶带固定在小麦茎秆上收集茎秆流量。喷灌完成后，读取塑料量杯收集到的喷灌水量。作物冠层上、下喷灌水量按照以下公式计算：

式中P、、P分别为测点（图2b）冠层上喷灌水量、冠层下穿透流量、茎秆流量、冠层下喷灌水量，mm；V、V、V分别为冠层上雨量筒、作物冠层行间雨量筒、茎秆流收集器测得的水量，mL；A为雨量筒的开口面积，cm2。

测点穿透流量（）、茎秆流量（）分别与冠层上喷灌水量（P）的比率即为冬小麦的穿透流率、茎秆流率，冠层下的喷灌损失（Wind Drift and Evaporation Losses，WDEL）采用冠层上收集水量（P）均值与冠层下收集水量（P）均值的差值表示。采用克里斯琴森均匀系数[4]表示冠层上、下的喷灌均匀性，分别记为CU、CU。通过累积3次喷灌试验的冠层上喷灌水量分布数据获得冬小麦生育期内的喷灌水量分布，进而得到生育期内的灌水均匀性，记为CUseason。

1.2.4 土壤含水率测量

采用烘干法测定土壤含水率（Soil Water Content，SWC），用土钻取0～30 cm 土层土样，取土间隔为10 cm。每次喷灌试验前1 h、喷灌后24、48 h分别在各小区取土测量SWC的空间分布，用CU表示各小区的土壤含水率均匀性，取土点与水量分布测量点一致（图2b）。

1.2.5 产量测定

每个喷灌小区均匀地设置9个测产点（图2b），大小均为1 m×1 m，以其代表整个喷灌小区的产量分布情况（采用变异系数CV表示），测量冬小麦成熟后的穗数、穗粒数、千粒质量、含水率12.5%时的籽粒产量。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2020对试验数据进行分类处理和简单分析；运用SPSS 25.0统计分析软件对试验数据进行方差分析和相关性分析；采用MATLAB软件进行数据计算和绘图。

2 结果与分析

2.1 冬小麦株高和叶面积指数

冬小麦拔节-成熟期内共进行了3次喷灌试验，试验均在低风速条件下进行。表2为不同喷灌处理下冬小麦叶面积指数和株高。从表2可见，试验前（4月4日），各处理的株高和叶面积指数（LAI）无显著差异；冬小麦抽穗后（4月20日），LAI开始减小，W3J2处理的LAI和株高显著低于其余处理（0.05）；灌浆中后期（5月8日），随着叶片枯萎，LAI明显下降，株高达到峰值，各处理的株高无显著差异，W3J2处理的LAI显著低于其他处理（0.05）。由此说明，在灌水量不低于W2的条件下，较低的喷灌均匀性并不会对作物的LAI和株高产生显著影响。

表2 不同喷灌处理冬小麦叶面积指数和株高

注：根据Duncan多重比较，同一行中不同小写字母表示在0.05水平上差异显著。表3同。

Note: According to Duncan multiple comparisons, values in the same column with different lowercase letters are significantly different at a probability level of0.05. Table 3 is the same.

2.2 冬小麦冠层下喷灌水量空间分布

喷灌水经过冠层再分配后的有效水量包括穿透流量和茎秆流量，表3给出了不同喷灌处理下喷灌水量经冬小麦冠层再分配后的穿透流量和茎秆流量占比情况。从表3可以看出，穿透流率和茎秆流率从拔节期（4月4日）至灌浆中后期（5月8日）的变化范围分别为56.0%～73.9%和25.0%～37.0%，不同处理之间基本不存在显著性差异，可见，喷灌均匀性和灌水量对茎秆流率的影响较小。3次喷灌试验的茎秆流率变异系数分别为49%、59%、61%，高于穿透流率变异系数（30%左右）。

表3 不同喷灌处理冬小麦冠下穿透流率、茎秆流率

为进一步研究冬小麦冠层下喷灌水量的再分配，分析了冬小麦冠层下水量分配与其影响因素之间的相关性（表4）。相关性分析表示，冠下穿透流量、茎秆流量和灌水量呈正相关（0.01）；冠下穿透流率和茎秆流率分别与LAI呈负相关（0.01）和正相关（0.01），与株高呈负相关（0.01）和正相关（0.01），而与CU和灌水量均无显著相关性。由此说明冬小麦冠下穿透流率和茎秆流率在其冠层特征（LAI、株高）影响下此消彼长，改变 CU和灌水量（喷灌强度和喷灌水深）对冠层下水量分配的影响较小。茎秆流率变异系数与各影响因素均无显著相关性，穿透流率变异系数与CU显著负相关（0.05）。这是因为穿透流量为喷灌降水经过冠层后直接到达地面的水量，受外界因素影响较小，喷灌均匀性的增加有效地避免了因灌水深度变化而引起的穿透流率变异，而茎秆流量受作物形态、枝叶强度、叶片韧性、叶片倾角等不确定因素影响较大。

对于多因素的交互作用，基于多元回归的结果可以更好地解释影响因子对喷灌水量分配的影响[24]。因此本文将冠层下的水量分配与灌水量、LAI两个影响因子通过多元线性或非线性回归分析得到其回归方程（表5）。回归方程对于穿透流量和茎秆流量的2均在0.95以上，对于穿透流率和茎秆流率的2分别为0.758、0.652，这说明回归方程可以较好地预测冠层下喷灌水量分配。

表4 冠层下水量分配指标与其影响因素之间的相关性（r (P)；n=18）

注：为皮尔逊相关系数，为显著值，为样本量；*表示在0.05水平上显著，**表示在0.01水平上显著；CV为变异系数；CU为冠层上的喷灌均匀性；LAI为叶面积指数。下同。

Note:is the Pearson correlation coefficient,is the significant value, andis the sample size; * means significant at the0.05 level, and **means significant at the0.01 level; CV is the coefficient of variation; CUis the sprinkler uniformity above the canopy; LAI is the leaf area index. Same as below.

表5 冠层下水量分配指标多元线性/非线性回归分析

注：：穿透流量，mm；：茎秆流量，mm；TR：穿透流率，%；SR：茎秆流率，%；P：冠层上喷灌水量，mm。下同。

Note:: throughfall, mm;: stemflow, mm; TR: throughfall ratio, %; SR: stemflow ratio, %;P: amount of sprinkler irrigation above the canopy, mm. Same as below.

图4为4月4日W1J1处理冬小麦冠层上、下水量分布的空间变异图。从图4可以明显看出，冠层上、下水量分布空间变异存在一致性，冠层下水量（P）峰值比冠层上水量（P）峰值略有减小。4月20日、5月8日试验也获得了类似的结果。为分析冠层上、下水量的关系，对3次喷灌试验各喷灌处理下测得的水量分布数据（P、P）进行回归分析（图5）可知，生育期内3次喷灌试验冠层上、下水量均呈线性相关（0.01），且由于冬小麦拔节-成熟期冠下穿透流量和茎秆流量在冠层影响下此消彼长，P无显著变化，3次喷灌试验冠层下水量的线性回归方程相差不大，相关系数2分别为0.810、0.831、0.796。

图5 冬小麦冠层上和冠层下水量的回归分析

为确定冬小麦冠层对喷灌水量分布均匀性的影响，图6给出了冬小麦生育期内不同喷灌处理冠层上、下喷灌均匀性的关系。由图6可以看出，在冬小麦拔节-成熟期内CU略高于CU，平均差异为1.5%，CU与CU线性相关（2=0.945）。这表明，冬小麦冠层对喷灌水量分布均匀性的影响较小。

2.3 冬小麦冠层截留与冠层下喷灌损失

表6为冬小麦在不同喷灌强度、灌水深度下的冠层截留量，由表6可见，4月4日（LAI=6.19～6.26）、4 月20日（LAI=5.48～5.78）和5月8日（LAI=4.31～4.62）喷灌试验测得冬小麦冠层截留变化范围分别为0.59～1.33、0.63～1.30和0.64～1.28 mm，冠层存储能力随LAI的减小而略有降低。大多数测点的冠层截留量随灌水量的增加而增加，直至达到其冠层存储能力，而受喷灌强度影响较小。但由于冠层特征、风（风速、风向）等不确定因素的影响，这种相关关系并不稳定，未能得到冠层截留量的回归方程。

表7为3次喷灌试验不同喷灌处理下的冠下喷灌损失（WDEL）。从表7可以看出，WDEL随灌水量的增加和喷灌均匀性的提高呈增加趋势，在灌水量增加至W2时WDEL首次高于冬小麦的冠层存储能力（1.33 mm），灌水量增加至W1时各处理的WDEL均高于2 mm，在4月4日W1J1处理下的WDEL更是达到了灌水量（冠层上）的12.7%（3.82 mm），这说明冠层下的蒸发漂移损失不可忽略。4月4日实测WDEL明显高于另外两次试验，这可能是因为该次试验平均风速（1.44 m/s）略高于另外两次试验（分别为0.84和1.17 m/s），蒸发漂移损失较高。

表6 冬小麦冠层截留量

Fig.7 Below-canopy Wind Drift and Evaporation Losses (WDEL) of winter wheat with different sprinkler treatments

表7 不同喷灌处理冬小麦冠下喷灌损失

2.4 土壤含水率空间分布

3次喷灌试验前均有降雨事件发生，灌水前各土层的初始土壤含水率均匀性CU均在95%以上。喷灌水经过冠层的再分布渗入土壤，在土壤中经过复杂的运移过程后会影响CU，而土壤含水率均匀性是影响作物产量的一个重要因素。为分析喷灌后CU的变化，表8给出了灌后24和48 h不同处理不同土层的CU。从表8可以看出，虽然各处理的CU在80%以下，甚至在4月4日的喷灌试验中W2J2处理的CU仅为51%，但各处理土壤表面以下0～30 cm的CU均在90%左右，这说明土壤自身的入渗会在一定程度上抑制土壤含水率的不均匀性。灌后24 h土壤表面以下0～10 cm的CU相较于更深层土壤敏感性更高，灌后48 h不同处理不同土层的CU基本保持在91%～92%之间，差异较小。

为进一步研究喷灌完成后土壤含水率的空间分布，图7绘出了4月4日喷灌后10～20 cm深度土壤含水率的空间变异图。由7a和7d（或7b、7e；7c、7f）可以看出，灌水后24 h的SWC较灌水前1 h明显增大，经土壤自身水分运移后，灌水前后SWC的空间分布差异较大；7d、7e和7f对比可见，虽然喷灌后CU始终保持在较高水平（(90±2)%），但在低喷灌均匀性（J2）条件下，处理内一些区域的SWC却远低于19%（田间持水量的65%），且在灌水量降低为W3时，这些区域（SWC<19%）约占处理面积的1/3，4月20日、5月8日试验也获得了类似的结果。

表8 喷灌后各处理0～30 cm土层土壤含水率均匀性

注：CU10cm、CU20cm、CU30cm分别为0～10、0～20、0～30 cm深度的土壤含水率均匀性。

Note: CU10cm, CU20cm, and CU30cmare the soil moisture uniformity at the depths of 0-10, 0-20, and 0-30 cm, respectively.

图7 10～20 cm深度土壤含水率空间分布

2.5 冬小麦产量及产量构成因素

表9为不同喷灌处理下冬小麦产量方差分析结果。从表9可知，在冬小麦生育期内，各处理的生育期内灌水均匀性CUseason在65%～85%之间，高于历次喷灌均匀性。方差分析结果表明，灌水量由W3增加至W1，冬小麦籽粒产量表现出显著差异（0.01）：W1处理的籽粒产量显著高于W2J2和W3处理，W2处理的籽粒产量显著高于W3J2处理，但对于3个灌水量水平，J1、J2处理之间均无显著差异。低喷灌均匀性和亏缺灌溉均会引起产量变异系数（CV）的增大，最大产量CV达到0.17，但喷灌均匀性和灌水量的交互作用对冬小麦籽粒产量和产量CV的影响均不显著。对于高（J1）、低（J2）两个喷灌均匀性水平，穗数、千粒质量都有随灌水量增加而增加的趋势，但各处理穗粒数基本相同，这表示本研究冬小麦产量的差异主要表现在穗数和千粒质量。

表9 不同喷灌处理下冬小麦产量及产量构成因素

注：根据Duncan多重比较，同一列中不同小写字母的值在0.05水平上显著不同；NS表示差异不显著；CUseason为生育期内的灌水均匀性。

Note: According to Duncan multiple comparisons, values in the same column with different lowercase letters are significantly different at a probability level of0.05; NS means not significant; CUseasonis the irrigation uniformity during the fertility period.

喷灌水量经过冠层再分配和土壤水分运移后被作物吸收，土壤含水率及其均匀性是影响作物生长和产量的重要因素之一。为了进一步分析土壤含水率空间变异对冬小麦产量的影响，定义新的土壤含水率及其变异性指标：以田间持水量的65%为灌水下限[25]，喷灌后SWC与灌水下限的差值记为SWCFC，其变异程度采用变异系数表示，记为CVSFC。图8为4月4日各处理20 cm深度SWCFC空间分布图，可以明显看出，各处理的SWCFC空间分布有明显差异，且随着灌水量的减少和喷灌均匀性的降低，CVSFC呈增加趋势。为了进一步探究产量与CVSFC的关系，分析了冬小麦籽粒产量、产量变异系数与CVSFC的相关性（表 10）。可以看出，在作物需水关键期（拔节-灌浆期：03-15—05-10），冬小麦产量与3次喷灌试验灌后24 h 0～10和>10～20 cm深度的CVSFC、灌后48 h 0～10 cm深度的CVSFC显著负相关（<0.01），冬小麦产量变异系数与灌后24 h 0～10和>10～20 cm深度的CVSFC、灌后48 h 0～10 cm深度的CVSFC显著正相关（<0.05），而受>20～30 cm深度土壤水分变异影响较小。这可能是因为冬小麦根长密度的最大值在>10～20 cm深度，作物吸水受表层土壤水分的影响较大[26]，其次，可能由于单次喷灌水量较少，较深层土壤所受影响较小。

注：SWCFC为喷灌后SWC与灌水下限的差值，%；CVSFC为SWCFC的变异程度。下同。

表10 不同喷灌日期和土层深度冬小麦籽粒产量、产量变异系数与CVSFC的相关性（r (P)；n=6）

3 讨 论

3.1 冬小麦冠层对喷灌水量空间分布的影响

本文对冬小麦冠下喷灌水量分配的研究结果表明，冠下穿透流率（56.0%～73.9%）高于茎秆流率（25.0%～37.0%），这与Li等[13,27]的研究结果相似，这是因为小麦的叶片较小，且较难湿润，相较于玉米等作物，喷灌水滴不易随着叶片汇集到茎秆形成茎秆流。此外，茎秆流率的变异系数远高于穿透流率变异系数，这主要是因为茎秆流受外界因素（作物形态、枝叶强度、叶片韧性、叶片倾角等）的影响较大，且茎流收集器的测量结果可能会受到相邻茎秆干扰和冠层阻挡破碎后的液滴飞溅的影响[28]。这表明，本文采用自制茎流收集器测量冬小麦茎秆流量的方法是可行的，但在测点处（图 2b）选择测量对象时应更加谨慎。

本试验测得冬小麦拔节-成熟期冠层截留范围为0.59～1.33 mm，略低于王迪等[12]在无风条件下的试验结果，这可能是因为风速、种植密度等因素导致截留测定结果差异[29]。冬小麦WDEL通常被近似为冠层下的截留水量[9-10]，但本文的结果发现WDEL随喷灌水量和均匀性的增加而呈上升趋势，占灌水量的2.5%～12.7%，最高达到实测冬小麦冠层存储能力的约3倍。这可能是因为喷灌液滴在冠层的拦截下发生再次破碎，在风的影响下产生漂移损失，而J2处理的设计均匀性较低，为达到设计的均匀性，喷头运行压力较低，雾化效果较差，喷洒液滴受外界因素影响较小；其次喷灌水量从W3增加到W1，灌水时间增加，喷灌过程中蒸发损失也随之增加。Zapata等[30]研究也发现，玉米在低压和标准压力喷灌下，平均冠下喷灌损失率分别为16%和24.7%。但本试验喷灌次数较少，指标测量次数有限，作物冠层特性、风等气象因素对冠层截留和蒸发漂移损失的影响还需进行深入研究。

冬小麦拔节-成熟期内，CU大多与CU相近或略低于CU，这与Li等[13]的研究结果不同，但与Hui等[31]在玉米冠层对低压喷灌水量分布影响的研究结果一致。这可能是由于本研究实际测量了冬小麦冠层下喷灌水量（穿透流量和茎秆流量）空间分布，而不是将穿透流量作为冠层下喷灌水量空间分布；其次喷头的水力性能、工作压力，试验作物的冠层特征等也会导致冠层下水量空间分布的差异[12,30,32-33]。本研究中3次喷灌试验冠层上雨量筒的布置高度不同（随着株高的增加而增加），CU存在测量差异[34]，这可能是3次试验结果存在差异的原因。

3.2 喷灌均匀性和灌水量对冬小麦产量的影响

本文对冬小麦产量及产量构成因素的研究结果表明，J1和J2处理的产量无显著差异，原因可能是喷灌水经冬小麦冠层再分布后，喷灌水量集中区域的峰值在冠层截留和再分配的影响下大幅减小，当喷灌水量进入土壤发生第二次再分布后，尽管CU在51%～82%之间，CU均高于86%，其次，CUseason高于各次CU，也在一定程度上削弱了喷灌均匀性对冬小麦生长发育带来的影响，这与Li等[14,16]的研究结果一致。

本文对土壤含水率空间变异对冬小麦产量影响的进一步分析发现，在灌前初始SWC（>95%）及CU的影响下，灌后CU始终保持在较高水平，这与Zapata等[30-31,35]的研究结果相似，但在J2处理下，一些区域的SWC却远低于19%（田间持水量的65%），其中W3J2处理下缺水区域（SWC<19%）更是占到约1/3。而冬小麦拔节-成熟期是需水关键期[36]，尤其在拔节-抽穗期即使轻度亏缺灌溉（60%～65%田间持水量）也可能造成显著减产[25]，即使降雨量对缺水区域的作物吸水有一定补充[37-38]，缺水区域在长期水分胁迫作用下，其作物株高、LAI和产量均仍会受到不同程度的影响。这表明，喷灌的不均匀性导致区域性缺水，作物小范围减产，产量变异系数增大；而灌水量的减少加剧了这一现象，作物显著减产。Sanchez等[39]对玉米的研究也表明，灌溉对作物生长和产量的影响取决于灌水量、灌水均匀性和灌水日期，尤其在玉米生育初期和开花期，喷灌均匀性对玉米生长的影响在水分胁迫作用下显著增强。为表述缺水区域对冬小麦产量的影响，引入喷灌后SWC与灌水下限的差值（SWCFC）和SWCFC的变异系数（CVSFC）两个指标，结果显示，灌后24 h 0～20 cm深度CVSFC与冬小麦籽粒产量、产量CV显著相关，与分析结果一致。但本文仅有1 a的试验数据，指标的准确性和代表性还有待进一步研究。

4 结 论

1）冬小麦冠层上、下水量分布极显著相关（0.01），冠层上喷灌均匀性比冠层下高约1.5%。冬小麦拔节-成熟期，喷灌水经过冠层再分配后所形成的棵间穿透流量、茎秆流量以及冠下喷灌损失分别占冠层上部水量的56.0%～73.9%、25.0%～37.0%和2.5%～12.7%。冠下穿透流率和茎秆流率在其冠层特征（叶面积指数、株高）影响下此消彼长：随叶面积指数的增大（或株高减小）穿透流率呈逐渐减小趋势，茎秆流率变化则相反，而受喷灌均匀性和灌水量的影响较小。茎秆流率变异系数高于穿透流率变异系数。

2）喷灌后各小区的土壤含水率均匀性（CU）受喷灌均匀性影响较小，而受喷灌前初始土壤含水率的影响较大，即使喷灌均匀性降低到51%，喷灌后的CU仍能保持在90%左右，但J2处理会导致喷洒区域内某些位置的土壤含水率低于作物灌水下限（田间持水量的65%），在水分胁迫作用下引发小范围减产，产量变异系数增大，而灌水量减少加剧了这一现象，导致作物大范围显著（<0.05）减产。灌水量与喷灌均匀性组合对产量的效应中，灌水量起主导作用。

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Effects of sprinkler uniformity and irrigation volume on the water distribution below the canopy of winter wheat

Li Hong, Guo Xin, Chen Rui, Wang Jian

(,,212013,)

Sprinkler uniformity has posed a great challenge to the crop yield and water use efficiency in an irrigation system. A sprinkler is required to evenly deliver the water over the canopy and ground during and after the irrigation, where the crop canopy covers the surface. This study aims to explore the effect of sprinkler uniformity on the spatial distribution of soil water content, growth condition, and crop yield below different irrigation systems. The redistribution of sprinkler water was also considered below the crop canopy. A field test was conducted at the sprinkler irrigation experimental field of the Jiangsu University in Jintan District, Changzhou City, Jiangsu Province, in China (31。45′N, 119。17′E). Three treatments of irrigation (full irrigation, 2/3, and 1/3 water demand) and two levels of sprinkler uniformity (high: 75%, low: 55%) were set, according to the water demand for the winter wheat. Specifically, the sprinkler uniformity was obtained to adjust the sprinkler operating pressure (150-300 kPa) or the number of sprinklers simultaneously within each treatment (2-4). The irrigation volume was also evaluated, as the irrigation time changed. The distribution of sprinkler water was measured by the rain cans above and below the canopy, and a homemade stem-flow collector. Some parameters were also monitored, including the spatial distribution of soil water content, the growth and yield of winter wheat after sprinkler irrigation. The results showed that the interplant throughfall, stemflow, and below-canopy sprinkler losses (resulting from the redistribution of sprinkler water through the canopy) were ranged from 56.0%-73.9%, 25.0%-37.0%, and 2.5%-12.7% of the water above the canopy, respectively. There was a linear correlation (<0.01) between the amount of water above and below the canopy in three sprinkler irrigations during the growing period. There was no significant change in the total amount of water below the canopy, due to the penetration and stalk flow in the canopy during the pulling-maturity period of winter wheat. The sprinkler irrigation performed uniformly higher above the canopy than that below by about 1.5%. The rates of below-canopy throughfall and stemflow depended on the canopy characteristics (Leaf Area Index (LAI), and plant height). The throughfall rate tended to decrease, as the LAI increased (or the plant height decreased), whereas, the stemflow rate varied in the opposite, indicating less influence from the sprinkler uniformity and irrigation volume. The coefficient of variation of the stemflow rate (49%-61%) was also higher than that of the throughfall rate (about 30%). Furthermore, the Content Uniformity (CU) of soil water was dependent on the initial Soil Water Content (SWC) before the sprinkler irrigation, whereas, less affected by the sprinkler uniformity after the sprinkler irrigation. The CU was still maintained at about 90% after the sprinkler irrigation, even if the sprinkler uniformity was reduced to 51%. But the low uniformity of sprinkler resulted in the SWC below the lower limit of crop irrigation (65% of field water holding capacity) at some locations within the sprinkler area, where the water stress triggered a small yield reduction. The yield differences were mainly presented in the spike number and thousand-grain quality. Consequently, there was a decreasing trend in the yield, whereas, an increasing trend in the yield coefficient of variation for the winter wheat, with the decrease of sprinkler uniformity and irrigation water volume. But there was a dominant effect of irrigation water volume on the yield. This finding can provide a theoretical basis to design sprinkler irrigation for the winter wheat.

irrigation; crop; canopy; winter wheat; irrigation volume; soil water content

2021-10-12

2021-12-12

国家自然科学基金重点项目（51939005）；江苏省农业科技自主创新资金项目（CX（21）3078）

李红，博士，研究员，博士生导师，研究方向为农业精准灌溉技术。Email：hli@ujs.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.24.012

S275.5

A

1002-6819(2021)-24-0102-10

李红，郭鑫，陈瑞，等. 喷灌均匀性和灌水量对冬小麦冠层下水量分配的影响[J]. 农业工程学报，2021，37(24)：102-111. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.24.012 http://www.tcsae.org

Li Hong, Guo Xin, Chen Rui, et al. Effects of sprinkler uniformity and irrigation volume on the water distribution below the canopy of winter wheat[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(24): 102-111. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.24.012 http://www.tcsae.org