不同灌水方式根層土壤水分動態及耗水規律試驗研究

汪順生，王康三，孟鵬濤，劉東鑫

(華北水利水電大學水利學院，鄭州 450045)

作物根層土壤水分的高低，是影響作物正常生長的重要因素。水分過高會導致作物根系供氧不足，發生對作物生長不利的無氧呼吸，導致根系腐爛；水分過低又會導致作物供水不足，影響作物的正常生長發育，導致欠收減產。土壤含水率低于作物的可利用水量的下限(凋萎系數)，則會造成作物的永久凋萎。關于土壤水分動態的研究，歷來是國內外學者關注的焦點。陳素英、金友前[1,2]研究了覆蓋小段玉米秸稈條件下冬小麥根層的土壤水分變化，研究發現采用秸稈覆蓋時，能夠有效地減少土層蒸發，小麥生育期內儲水量增加顯著；汪明霞[3]在交替隔溝灌夏玉米根層土壤水分實測值的數據支撐下確定相應參數，對其水分變化進行了動態模擬，獲得了較好的效果；張源沛[4]通過測坑試驗，分析了灌溉量對枸杞100 cm層深內土壤水分動態的影響，探明根層土壤水分波動受灌水量影響較大，并通過土壤水分動態變化趨勢確定了合理的灌溉制度；孫仕軍[5]通過多年的觀測資料，分析了井灌區較大地下水埋深時的土壤水分變化，得出干旱條件下，灌溉和降雨的水量主要儲蓄在100 cm土層內，而降雨雨量較大時，入滲水分主要積蓄在100～250 cm層深土壤中的結論。綜上所述，盡管國內外學者在土壤水分動態方面的研究取得了豐碩的成果，但是在冬小麥、夏玉米周年寬壟溝灌不同土層水分動態的研究鮮見報道。小麥、玉米周年連作溝灌作為新型的種植方式，打破了傳統的小麥和玉米各自種植的方法，逐漸受到人們的關注。近年來，一些學者開始探討冬小麥壟作種植的適用性，初步研究了壟作種植條件下冬小麥的土壤水分動態和生理生態效應，取得了一定成果[6-9]。分析小麥、玉米周年連作根層土壤水分動態變化對衡量該灌水種植模式是否合理十分重要，同時可以通過根層土壤水分動態變化來反推寬壟溝灌條件下冬小麥和夏玉米各生育階段以及整個生育周年的耗水量。本文通過開展冬小麥、夏玉米周年連作溝灌的根層不同深度土壤水分動態及耗水量的研究，對于制定合理灌溉制度，提高作物水分利用效率，具有重要技術參考價值。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2013年10月-2014年9月在華北水利水電大學河南省節水農業重點實驗室農水試驗場進行。地理位置為北緯34°47′，東經113°46′，試驗田塊長度為30 m，土壤為粉沙壤土，土壤密度1.35 g/cm3，田間持水率為24%，地勢平坦，灌排有序。

小麥、玉米周年連作寬壟溝灌模式(IFI)在前茬玉米收獲后整地滅茬并起壟做溝，溝斷面采用梯形形式，壟高20 cm溝底寬20 cm，溝寬及壟面寬分別為40 cm和70 cm ，相鄰兩溝中距離為1.1 m，壟上種植5行小麥(見圖1)和2行玉米(見圖2)。試驗設計對比的種植模式為常規平作畦灌種植(CFI)，設計3個灌水處理，即水分控制下限分別是田間持水量的60%、70%和80%(簡記為L-60、L-70、L-80，后同)，共設6個處理，隨機區組排列，重復3次。以各生育期計劃濕潤層土壤水分為標準，當其下降到水分控制下限時灌水， 灌水定額為45 mm，各處理灌水日期見表1和表2。主要測定不同種植模式及水分處理下冬小麥、夏玉米全生育期內土壤含水率變化動態、生長發育特性指標等。試驗過程中無遮雨措施，通過對2013年10月-2014年9月華北水利水電大學河南省節水農業重點實驗室的降雨資料的綜合分析，得出這段時間內的有效降雨量為495.3 mm。其中冬小麥全生育期總降雨量為221.3 mm，多集中于4-6月，夏玉米全生育期總降雨量274 mm，多集中于9月。

圖1 小麥、玉米周年連作溝灌模式小麥種植示意圖

圖2 小麥、玉米周年連作溝灌模式玉米種植示意圖

表1 冬小麥灌水日期及灌水量 mm

表2 夏玉米灌水日期及灌水量 mm

1.2 測試指標及方法

(1)土壤水分：包括播前、全生育期和收獲后都進行測定，在冬小麥、夏玉米生育周年內，測墑周期為5 d；其中周年連作溝灌在溝和壟上各取一個觀測點，畦灌取一個觀測點；采用土鉆取樣烘干法分層測定土壤含水率，測定深度為1 m,分5層(每層20 cm), 降雨和灌水前后加測一次。

(2)氣象因子：試驗場內設有自動氣象站，自動監測和記錄太陽輻射強度、降雨量、空氣溫度與濕度、風速、日照時長等相關數據。

2 結果與分析

2.1 小麥、玉米周年連作計劃濕潤層土壤水分動態

冬小麥和夏玉米生育期內的計劃濕潤層(層深1 m)的土壤水分變化主要受到灌溉、降雨和作物蒸騰蒸發量的影響，觀測2013年10月至2014年9月冬小麥、夏玉米生育期內土壤墑情，以畦灌為對照，研究小麥、玉米周年連作溝灌模式1 m層深內的土壤水分動態變化，兩種灌溉模式不同水分處理的水分變化情況見圖3。考慮以水分控制下限為基準的不同種植模式和水分處理的灌溉時間不一致，因此，圖3中6個處理1 m層深的土壤含水率變化未顯示灌水和降雨。

圖3 冬小麥、夏玉米生育期內計劃濕潤層土壤水分動態變化

從圖3中可以看出，3種水分處理條件下，計劃濕潤層的土壤水變化存在共同的變化規律：小麥生育期內土壤水分波動頻率相對較小，夏玉米生育期間的土壤含水率則變動極為頻繁，但相比于畦灌模式，溝灌的土壤含水率下降速度較畦灌有所減緩；相同水分處理條件下，夏玉米土壤含水率的最大值與最小值的差值更大，最高達到57.45%，而冬小麥的最大、最小值之差僅為33.62%。進一步分析圖3發現，隨著設計土壤水分控制下限的提高，小麥、玉米生育周年內的土壤含水率的波動頻率越快，原因是土壤水分控制下限越高，土壤表層越濕潤，水分蒸發越大；同時根層土壤水分供應充足，作物的蒸騰作用也隨著增強，導致作物耗水加快，體現在土壤水分變化上，即為計劃濕潤層內的土壤含水率的波動頻率越快。

2.2 小麥、玉米周年連作溝灌不同深度土壤水分動態

分析圖4可知，在小麥、玉米生育期內，0～20 cm土層內土壤含水率不但波動頻率大，波動幅度也較大，與土壤質量含水率的最低值相比，同一灌溉模式土壤含水率的最大值較其高出64.42%～104.83%，主要是由于0～20 cm范圍的土壤最接近位于地表層，受作物棵間蒸發、降雨、灌溉的影響較顯著。兩種灌溉模式土層越往下，土壤水含量波動越小，原因是隨著土壤埋深增大，降雨、灌溉或土面蒸發等外界因素對該層土壤水分影響越來越小，當降雨較小時，對深土層的土壤含水率幾乎沒有影響。兩種灌溉模式的土壤水分動態變化趨勢相近，仔細觀察依然能夠看出溝灌的土壤含水率下降速度較畦灌有所減緩。進一步對比不同土層土壤含水率的變化特征，容易發現：從60～80 cm土層開始，兩種灌溉模式的土壤含水率極為穩定，始終在70%田間持水量的上下小幅波動，且相同灌溉模式下土壤含水率的最高值較最低值僅高出11.36%～17.05%，即使在冬小麥和夏玉米生育最旺盛時期，該層的土壤含水率變化也不是很大，可知該層并不是兩種作物的根系主要活動區域。80～100 cm范圍內土壤水分動態平緩主要是由于該層土壤處于作物計劃濕潤層最底部，無論是灌溉、降雨，還是植株蒸騰，對該層的土壤水分影響都十分微小，棵間土面蒸發幾乎無法影響該層土壤水分變化。冬小麥和夏玉米不同生育階段根系活動層的活動范圍是不同的，一般情況下，冬小麥在生育前期的根系活動范圍主要在0～40 cm，生育中后期根系活動范圍主要是在0～80 cm，而夏玉米在生育初期的根系主要在0～40 cm范圍內活動，生育中后期主要是在0～100 cm范圍內活動。

圖4 小麥、玉米周年連作溝灌模式對不同土層土壤水分變化的影響

2.3 冬小麥、夏玉米不同生育階段耗水規律

根據作物生育期內土壤水分的觀測結果，利用水量平衡方程計算各處理作物階段耗水量，公式為：

(1)

式中:ET1-2為階段耗水量，mm；i為土層編號；n為土壤分層總數；γ為1 m內土層平均干密度，g/cm3；Hi為第i層土壤厚度，cm；θi2為第i層土壤時段末的含水率，%；θi1為第i層土壤時段初的含水率，%；M為時段內灌溉水量，mm；P為時段內有效降雨量，mm；K為地下水補給量，mm，由于試驗場內地下水埋深在5 m以下，且通過雨后測墑發現單次降雨量均未造成計劃濕潤層深層滲漏，故地下水補給量可視為0 mm。

根據冬小麥全生育期的生育狀況可劃分生育期為：播種-出苗期、出苗-越冬期、越冬-返青期、返青-拔節期、拔節-抽穗期、抽穗-灌漿期、灌漿-成熟期7個階段。由表3可知，在冬小麥各生育階段中的耗水量差異明顯，但各個處理表現規律相同：拔節-抽穗期階段耗水最突出，其次為抽穗-灌漿期，兩個生育階段耗水量之和占全生育期耗水量總量的45.58%～48.09%；越冬-返青期耗水量最少，僅占6.52%～7.71%。從全生育期來看，同一水分處理CFI的耗水量均表現為大于IFI耗水量，相比L-60、L-70、L-80耗水量分別增加26.26、26.51、31.92 mm。根據夏玉米全生育期的生育狀況可劃分生育期為：播種-出苗期、出苗-拔節期、拔節-抽雄期、抽雄-灌漿期、灌漿-成熟期5個階段。由表4可知，在夏玉米各生育階段中的耗水量差異明顯，但各個處理表現規律相同，灌漿-成熟期階段耗水最突出，再者是拔節-抽雄期，兩個生育階段耗水量之和占全生育期耗水量總量的50%左右；播種-出苗期階段的耗水量最少，僅占7.89%～9.54%。從全生育期來看，畦灌模式各水分處理的耗水量比溝灌模式增加38.15～44.13 mm，相同種植模式下，水分處理越高，耗水量越大。

表3 冬小麥不同生育階段耗水量 mm

表4 夏玉米不同生育階段耗水量 mm

2.4 小麥、玉米周年水分利用效率

衡量一種種植方式及灌水標準是否可行，最終體現在作物產量與灌溉水量的對應關系上，即看其是否滿足節水高產宗旨。從實驗數據可以看出，全年總產量和總產值受種植方式和水分處理影響較大。由表5可知，6個處理中，水分生產效率最高的為IFI-L-70，最低為CFI-L-80，分別為1.93和1.66 kg/m3。同一水分處理，IFI的水分生產效率均高于CFI，其中L-60、L-70處理較CFI的增長10%以上，同樣從表6中可以看出，6個處理中，水分生產效率最高的為IFI-L-70，最低為CFI-L-80，分別為1.99和1.43 kg/m3。3種水分處理中，L-70處理的平均水分生產效率最高， L-60處理次之， L-80處理最低。L-60處理雖然水分生產效率較高，卻比L-70減產803.87～1 342.61 kg/hm2，這種以降低夏玉米產量為代價的節水較不合理；L-80處理的產量占據優勢，但其耗水量過大，導致平均耗水量比L-70水分處理增加436.23 m3/hm2，平均水分生產效率比L-70水分處理低0.22 kg/m3，同一水分處理，IFI的增產率均遠高于CFI，其中L-70、L-80增產率高達11%以上，同時WUE增長率也達到22%以上，節水增產顯著，這體現了小麥、玉米一體化壟作種植模式的節水優越性，其在壟溝中進行灌水，水流推進迅速并沿溝向兩側壟體滲透，灌水速度快；再者主要有壟溝水面與大氣接觸蒸發，與常規處理相比減少土壤水面 蒸發。進而小麥、玉米一體化壟作種植模式降低冬小麥籽粒單位產出所消耗的水量。3種水分處理中，L-70處理的平均水分生產效率最高，L-60處理次之，L-80處理最低。綜合可知，L-70處理的產量較高，耗水量適度，水分生產效率最高，小麥、玉米分別平均達到1.84、1.81kg/m3。

表5 冬小麥的水分生產效率

表6 夏玉米的水分生產效率

3 結 論

本試驗通過對冬小麥和夏玉米全生育期的降雨觀測、灌溉記錄和定期的100 cm內不同層深的土壤含水率測定，以畦灌為對照，研究了小麥、玉米溝灌模式的計劃濕潤層總體土壤水分動態和不同層深的土壤水分變化，分析了冬小麥、夏玉米的耗水規律，取得了良好的效果，結論如下。

(1)無論是溝灌模式，還是畦灌模式，均表現為小麥生育期內土壤含水率波動頻率相對較小、夏玉米生育期間的土壤含水率波動頻率較大；相同水分處理條件下，夏玉米土壤含水率的最大值與最小值的差值更大，達到57.45%，而冬小麥的最大、最小值之差僅為33.62%。隨著土壤水分控制下限的提高，兩種灌溉模式的土壤水分變化頻率均增大。0～20 cm土層內土壤含水率不但波動頻率大，波動幅度也較大，兩種灌溉模式都是越往下，土壤水含量波動越小。

(2)冬小麥和夏玉米全生育期內各階段耗水量變化都較大，拔節-灌漿期達到耗水量的峰值。同時，水分控制下限越高的處理，耗水量越大。寬壟溝灌種植條件下的耗水量較畦灌模式發生了時間上的改變，但總體耗水量存在不同程度的下降，平均節水38.15～44.13 mm。L-80處理的產量最高，耗水量也最大， 致使L-80處理的水分利用效率最低；L-70處理的平均水分生產效率最高， L-60處理次之。L-70處理的產量較高，耗水量適度，水分生產效率最高，小麥、玉米分別平均達到1.84、1.81 kg/m3。

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