垄作沟播喷灌条件下灌溉水的分配与利用机理

丁 林，王文娟，吴 婕

(甘肃省水利科学研究院，甘肃 兰州 730000)

全膜垄作沟播栽培技术改变了地表形状及作物种植模式，在保蓄灌溉水、收集天然降水及水分叠加利用方面取得了显著成绩[1-2]，已有不少专家学者在玉米[3-5]、小麦[6-7]、马铃薯[8]、牧草[9-10]、南瓜[11]等作物上开展了大量研究，主要研究内容大多集中在垄沟种植对作物产量、水分利用效率、作物生理生态变化、土壤性质变化等方面。还有学者就模拟降雨情况下垄沟的蓄水及集水效应进行了研究，认为垄沟对模拟降水具有保蓄作用，可提高产流效率[12-15]，该技术主要应用于降水量为250～500 mm的地区，其应用模式已在我国北方旱作农业区大量推广应用[16]。垄作沟播喷灌技术是在结合了垄作沟播与喷灌技术优点的基础上提出的，主要应用于降水量小于250mm的北方灌溉农业区，目前已有学者就其可行性及其发展优势、土壤水分变化等方面开展了部分研究，认为垄作沟播喷灌技术可提高水分利用效率，改善农田小气候与作物生长环境[17-19]。而针对垄作沟播喷灌条件下水分分配与利用等方面的研究较少，笔者结合甘肃河西走廊灌溉农业的特点，研究垄作沟播条件下喷灌水量的分配与利用，对充分利用有限水资源及提高粮食产量有重要的意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区地处甘肃民勤绿洲中部的大滩乡，是绿洲和腾格里沙漠交界地带，属典型的大陆性荒漠气候。该区域气候干燥、降水稀少、蒸发量大、风沙多。研究区多年平均降水110mm，多年平均蒸发量2644mm，多年平均气温7.8℃。试验区位于甘肃省水利科学研究院民勤灌溉试验站，站内土质0～60cm为粘壤土，60cm以下逐渐由粘壤土变为沙壤土，土壤平均容重为1.54g·cm-3，灌溉水为地下水，矿化度0.91g/L。试验于2018年4月—2019年9月连续2年进行。

1.2 试验设计

试验以油葵(品种为矮大头)为研究作物，以不同灌水定额各设4个处理，以常规覆膜喷灌为对照，每个处理重复3次，各小区随机布置，共计15个试验小区。试验区垄沟规格为大小垄，大垄宽70cm，小垄宽40cm，沟深15cm，用双垄沟播机完成起垄覆膜，作物种植行距均为大小行，大行距70cm，小行距40cm。种子播在垄沟内，株距20cm。田间喷灌工程为半固定式喷灌，喷头布置方式采用正方形布置，每个小区面积6.5m×6.5m，喷头喷嘴流量为1.0m3/h，射程为6.5m，喷头间距8.0m，喷头工作压力0.25MPa。试验采用垄沟规格及作物种植模式如图1所示，试验小区生育期灌水技术参数设计见表1。

表1 各试验处理灌水参数设计

图1 垄沟规格及作物种植模式

1.3 测定指标与方法

(1)土壤含水率：用HD2土壤水分速测仪结合土钻取土烘干法测定土壤含水率，深度为0～100cm，每20cm为一层测定，整个生育期内每隔8～10d测定1次，降水及灌水前后进行加测，每个处理分别在距离喷头3～4m处的垄顶和垄沟内埋设测管，每个处理重复3次。

(2)灌水量：采用管道输水，压力固定，由灌溉系统首部变频设备控制，每个试验小区用独立闸阀控制灌溉，灌水量由水表精确量测。

(3)垄沟集水：在离喷头2、4、6m处垄沟内设集水槽，集水槽形状与垄沟形状一致，集水槽长度设为0.5m，顺垄沟方向布置，由镀锌铁皮制作，每次灌水后将槽内集水倒入量筒测量。

(4)茎干下流水量：选定固定5株油葵在植株底部用聚乙烯板弯曲折叠成漏斗状将油葵茎秆裹住，漏斗下部设导管将茎秆下流水量收集于集水桶，根据单株油葵占据面积，折算茎杆下流水量。

(5)棵间蒸发：根据垄沟形状用镀锌铁皮制作2种微型蒸渗仪，一种模拟垄沟形状制作，另一种为常规形状。蒸渗仪安装在垄面和垄沟内，沿沟长方向布置，每个试验小区布置3个，每天早上8：00用电子称称重。

(6)气象资料：通过TRM-ZS2全自动气象站(锦州阳光气象科技有限公司)观测记载温湿度、降水、蒸发、风速、日照等气象因素。

1.4 数据分析及处理方法

用Excel2016进行数据处理和制图，用DPS(v6.05)统计软件做相关分析。

2 结果与分析

2.1 喷灌水量在冠层的截流特征

冠层截留水量是指在喷灌过程中，暂时停留在冠层内的水量，包括叶片和茎秆的表面及叶鞘中的截留水量，测定冠层截留常用擦拭法和水量平衡法。本研究采用水量平衡法计算，各生育期不同处理冠层截留特征见表2。由表2可知，各处理不同生育期冠层截留量随叶面积变化而变化，叶面积增大则冠层截留增大，在作物生长旺盛期(开花期-灌浆期)，冠层截留达到最大值，此时油葵处于生长旺盛期，叶面积指数达到了最大值，冠层截留量占灌水量的比例达4%～6%，其中T1处理均为最大，占灌水量的比例分别为5.6%和5.83%。另外，冠层截留量还与灌水定额有关，灌水定额越大，冠层截留量占比就越小。就全生育期来看，油葵冠层截留量占灌水量的比例在3.05%～5.44%之间，不同处理随叶面积指数和灌水定额不同有一定差异，其中T4最小，为3.05%和3.75%，T1最大为4.77%和5.44%。而与灌水定额相同的T4处理相比，CK处理略高一些。

表2 各生育期不同处理冠层截留特征 单位：%

2.2 喷灌水量通过作物茎秆的下流特征

各生育期不同处理茎干下流特征见表3。从表3可以看出，在1次喷灌过程中，茎秆下流水量随灌水量的增大而增大。随着灌水量的增加，茎秆下流水量占灌水量的比例逐渐增大。从表中可看出，油葵不同生育期茎秆下流水量占灌水量的比例呈小-大-小的变化规律。生育前期茎秆下流水量占灌水量的比例较小，各处理在9%～13%之间，且灌水定额越大，茎秆下流水量占比越大。在灌浆期茎秆下流水量占比达到最大，各处例均在21%以上，其中最大为T1处理，分别为26.56%和25.68%，较最小的T3分别增加4.66和3.73个百分点。在成熟期，随着油葵叶片干枯，茎秆下流水量占比也逐渐减小，各处理占比在12%～16%之间。就全生育期来讲，油葵茎秆下流水量与叶面积指数和灌水定额有关，叶面积指数大，茎秆下流水量小，灌水定额大，茎秆下流水量大，在上述因素影响下，各处理茎秆下流水量占比表现为T1>T4>CK>T2>T3。

表3 各生育期不同处理茎干下流特征 单位：%

2.3 喷灌水量飘移损失特征

对于喷灌系统来说，喷灌水的利用系数主要取决于蒸发漂移损失。有研究表明在平均风速为0～3.4m/s的范围内，蒸发漂移损失为5.6%～15.6%，蒸发漂移损失达到10%，15%，20%时，对应的风速分别为1.1、3.2、4.7m/s，因此选择平均风速4.7m/s以下的时间进行喷灌，能够满足作物的需水要求[20]。各生育期不同处理飘移损失特征见表4。由表4可知，在本试验条件下，每次灌水时各处理气温及风速均在同一水平，只有灌水定额不同，在苗期由于作物植株矮小、覆盖度低，灌水定额对飘移损失的影响较大，飘移损失最大可达到16%以上，随着作物生长，灌水定额对飘移损失的影响逐渐减弱，到收获期作物枯萎，灌水定额的影响逐渐明显，飘移损失略有提高。

表4 各生育期不同处理飘移损失特征 单位：%

2.4 喷灌水量棵间蒸发特征

由于双垄沟播系统几乎处于全膜覆盖，其棵间蒸发量极小，仅有膜缝衔接部分及种植膜孔有棵间蒸发。棵间蒸发还与灌水量及作物长势有一定关系，作物长势越好，棵间蒸发就小，但随着灌水定额增加，棵间蒸发也增加。以拔节期为例计算各处理棵间蒸发量见表5。由表5可以看出，各垄沟处理中，棵间蒸发占灌水量的比例最大的为T1处理，2年分别为2.55%和3.00%，最小的为T3处理，2年分别为2.32%和2.11%，2年最大值与最小值分别相差0.23和0.89个百分点。对照处理由于存在通风行，无地膜覆盖，蒸发量明显高于垄沟处理，2年均在5.00%以上，在相同灌水定额下，土面蒸发是垄沟处理的2倍以上。

表5 全生育期不同处理垄沟土面蒸发特征

2.5 全生育期垄沟汇集水量特征

全生育期垄沟汇集水量特征见表6。由表6可知，各处理2年垄沟收集水分基本在灌溉水量的60%～70%左右，其他部分在30%～40%左右。T3处理垄沟收集水分占比较大，2年分别为64.76%和67.62%，较T1处理高2.84和3.92个百分点，而灌水定额最大的T4处理垄沟收集水分占比并不是最高，说明适宜的灌水定额条件下，可减少各种损失，对灌溉水能够充分收集利用。虽然对照处理灌水定额与T4处理相同，但对照处理地面收集水分占比小于T4处理，说明垄沟处理对灌溉水可叠加充分收集，提高利用效率。

表6 全生育期不同处理垄沟收集水量占喷灌水量的百分比 单位：%

2.6 喷灌水量的利用效率与特征

水分利用效率可定义为单位水量消耗所生产的经济产品数量。各处理灌溉水利用效率与生育期灌溉定额有一定关系，灌溉定额大，灌溉水利用效率相对较低。但相同灌溉定额下，垄沟处理水分利用效率较高。经调查，油葵产量及水分利用效率见表7，由表7可知，充分供水条件下(灌水定额900m3/hm2，灌水4次)，油葵产量在7500～9000kg/hm2左右，灌溉水分利用效率2.08～2.50 kg/m3左右，而本研究中各处理水分利用效率在3.29～4.64kg/m3，比常规种植条件下水分利用效率提高1.21～2.14 kg/m3。就垄沟处理和对照处理相比，垄沟处理水分利用效率也高于对照处理，说明垄作沟播喷灌可提高作物水分利用效率。

表7 油葵产量及水分利用效率

3 结论与讨论

通过研究油葵在垄作沟播喷灌条件下灌溉水量在冠层截留、茎秆下流、飘移损失、棵间蒸发、垄沟收集及利用情况，相关结论如下：

(1)冠层截留水量与叶面积指数和灌水定额有关，叶面积增大则冠层截留增大，灌水定额越大，冠层截留量就越小。

(2)不同生育期茎秆下流水量占灌水量的比例呈小-大-小的变化规律，在灌浆期达到最大，各处理均在21%以上，茎秆下流水量与叶面积指数和灌水定额有关，叶面积指数大，茎秆下流水量小，灌水定额大，茎秆下流水量大。

(3)垄沟处理棵间蒸发占灌水量的比例明显低于对照处理，在相同灌水定额下，对照处理棵间蒸发是垄沟处理的2倍以上。

(4)对照处理地面收集水分占比远小于垄沟处理，并且在适宜的灌水定额条件下(T3)，对灌溉水可达到充分收集利用，较常规种植条件下水分利用效率提高1.21～2.14kg/m3。

由于本研究结合了垄作沟播与喷灌的优点，以油葵为研究对象，在民勤绿洲开展相关试验，部分研究结论与相关文献的研究结论是一致的，认为在研究区及类似区域，选择适宜时段(风速较小或晚间)进行喷灌，喷洒水利用系数能够满足作物的需水要求，可适当发展灌溉面积。在具体推广过程中若能结合作物种植区水资源状况、土壤和气候特点，选择适当的垄作沟播喷灌定额并结合农艺、耕作等措施就可达到节水增产的目的。