不同灌溉方式下木薯根區水分空間分布及耗水動態變化研究

吳昌智，趙海雄，羅興錄

(1.桂林市農田灌溉試驗中心站，廣西 桂林541105；2.廣西大學農學院，南寧 530005)

0 引 言

木薯是廣西境內種植面積僅次于糖料蔗的經濟作物，其產量和經濟效益呈逐年增長的趨勢[1]。由于受季風性氣候的影響，木薯種植區域降雨時空分布不均[2]，導致木薯常因秋、冬旱而普遍減產，嚴重的甚至減產30%以上。因此，迫切需要開展木薯的灌溉試驗，研究不同灌溉條件下木薯根區水分空間分布特征及其耗水變化規律，探討適合木薯生長所需的灌溉技術，打破季節性干旱的制約瓶頸，促進木薯產業的可持續發展。關于不同灌溉方式對作物土壤水分遷移、耗水特性及生長發育的影響，前人已就玉米[3-5]、棉花[6]、馬鈴薯[7]、茄子[8]等進行相關試驗，并取得大量的成果。在木薯方面，類似的研究較為滯后。張耀華等[9]分析不同灌溉處理對木薯株高、莖粗、直徑生長率的影響，發現適量灌溉對木薯的農藝性狀具有良好的促進作用。當灌水量達到1 300～1 500 m3/hm2時，木薯產量表現最佳[10]。王澤平等[11]研究不同供水條件下兩個木薯品種凈光合速率、葉片水勢、葉綠素、丙二醛、脯氨酸、膜透性等指標的變化特征，結果顯示，木薯需水特性與生理指標存在密切的關系，在各項生理指標拐點附近，木薯對水分需求量較大，易受到干旱脅迫的影響。目前，從節水灌溉角度開展木薯土壤水分分布特性及耗水動態變化的研究尚屬空白。本試驗設置滴灌、小管出流、微噴灌3種灌溉方式，探討、分析不同灌溉方式對木薯根區土壤水分空間分布、耗水規律及水分利用效率的影響，為探索適合木薯生長所需的灌溉技術提供理論依據和數據參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以當前廣西大面積推廣種植的木薯品種新選“048”作供試材料。

1.2 試驗地概況

試驗于2013年3-12月在桂林市農田灌溉試驗中心站木薯種植基地進行，試驗區之前為水稻田，鋪有混凝土防水層，耕作層深度1.8 m，土質為黏壤土，容重1.27 g/cm3，pH 6.1，田間持水量31.2%，周邊地下水埋深2.6～3.1 m。試驗期間主要受季風性氣候的影響，夏季(5-9月)降雨豐富，秋、冬季(10-12月)及早春(2-3月)雨量偏低，易發生旱害。

1.3 試驗設計

試驗設置滴灌、小管出流、微噴灌3種灌溉方式，灌溉定額均為1 500 m3/hm2。木薯生長期間灌溉次數和灌水量見表1。

木薯于2013年3月19日起畦播種，每個處理種植3畦，每畦4行，行距100 cm，株距60 cm，畦面80 m2。在下種后安裝灌溉設施，每條播種溝布置1條滴灌帶，待薯苗長出后調整滴灌帶位置，使之與根際平齊；小管出流輸水管也沿播種溝鋪設，并將支管出水孔放在根際附近；微噴帶則安放在兩條播種溝中間，確保灌溉時水往兩邊木薯根區均勻噴灑。

表1 木薯主要生育期灌溉次數和灌水定額Tab.1 The irrigation times and irrigation quota of cassava in main growth periods

1.4 測定項目與方法

1.4.1 根區剖面土壤含水量

在木薯苗期生長階段，連續不降雨9 d后按試驗要求灌水，分別在灌后2、3、4、5 d用土鉆沿以根際為中心、左右兩側40 cm、縱深60 cm的剖面，每隔10 cm鉆取土樣，烘干測含水量，繪制木薯根區剖面土壤水分空間分布圖。

1.4.2 木薯耗水量和棵間蒸發量

每隔5 d用土鉆取木薯根區0～10、10～20、20～30、30～40 cm 4個層次的土樣，烘干測其水分含量，再根據水量平衡公式計算耗水量(ET)[12]：

ET=P+I+G-R-D±ΔW

式中:ET為木薯某生育時段的耗水量，mm；P為同時段內降雨量，mm；I為灌水量，mm；R為地表徑流量，mm，利用每個試區兩端的徑流收集池測量；G為地下水利用量，mm；D為深層滲漏量，mm，由于試驗區以防水混凝土打底，故G、D可忽略；ΔW為同時段內土壤儲水量的變化值，增加取負，相反取正，mm。

棵間蒸發量(E)：將棵間筒盛滿原狀土后放置在各試區木薯行間，筒面與地表平齊，每隔2～3 d換土稱重，降雨或灌溉前后加測，兩次稱量之差為棵間蒸發量。

1.4.3 木薯產量及水分利用效率

于2013年12月11-12日收獲木薯，各試驗區分別測產，得到塊根產量，再根據耗水量計算木薯水分利用效率(WUE)：

WUE=Y/ET

式中：Y為塊根實際產量；ET為木薯的耗水量。

2 結果與分析

2.1 不同灌溉方式下木薯根區水分空間分布規律分析

2.1.1 滴灌處理土壤水分動態分布

從圖1可發現，滴灌條件下木薯根區土壤水分往水平、垂直兩個方向遷移，呈現出以根際為中心、兩側近似對稱的分布特征。灌水2 d后，土壤水分主要集中在表層10～20 cm的中心剖面，兩側行間的水分含量隨距離而依次遞減；隨著土層的加深，土壤含水量逐漸降低；在深度20～30 cm的剖面上，中心區域水分含量為22%～25%，兩側為20%～24%；在40 cm土層以下，整個剖面土壤含水量差異不大。灌水3 d后，根際20～30 cm剖面的水分含量有所增加，同層次行間區域的含水量仍徘徊在20%～24%之間，土壤水分垂直遷移的態勢非常明顯。灌后4 d，土壤水分向下遷移的趨勢開始減弱，往兩側擴散則明顯增強。灌后第5 d，水分主要集中區域遷移至根區剖面30 cm處，此時土壤水分以側向遷移為主，最終在30 cm以上的耕作層內形成沿根際對稱分布的濕潤帶，從而為根系對水分的吸收和利用創造有利的環境條件。

2.1.2 小管出流處理土壤水分動態分布

小管出流通過主管道上的支管將輸配水以細流的形式灌到作物根部[13]，由于出流量較大，容易在支管出口方向產生積水[14]。圖2結果顯示，小管出流灌溉水分側向入滲比較明顯，在根區剖面形成斜向下遷移的態勢。在灌水第2天，根際附近開始出現向右側遷移的濕潤鋒。灌水3 d后，土壤水分在根際至右側20 cm、深度10～20 cm的剖面上存積，形成蛛網狀濕潤帶。隨著試驗時間的延長，土壤水分繼續往根區右下方向遷移，至灌水第5天后在根際右側30 cm、土深20～40 cm的區域內形成范圍更大的蛛網狀濕潤帶。濕潤帶內土壤水分含量為21%～25%，而周邊區域則較低，基本上在16%～20%之間變動。由此可見，小管出流由于自身特點使其灌出的水往單方向遷移，導致作物根區土壤水分空間分布不均衡。為保證水分能被集中利用，則需要為每蔸木薯沿根際挖環狀溝，但此舉將增加勞動量和人工費，經濟上并不劃算。

圖1 滴灌處理木薯根區土壤水分動態分布圖Fig.1 The dynamic distribution map of soil moisture in cassava root zone under drip irrigation

圖2 小管出流處理木薯根區土壤水分動態分布圖Fig.2 The dynamic distribution map of soil moisture in cassava root zone under small pipe outflow

2.1.3 微噴灌處理土壤水分動態分布

圖3 微噴灌處理木薯根區土壤水分動態分布圖Fig.3 The dynamic distribution map of soil moisture in cassava root zone under micro-sprinkler irrigation

與滴灌、小管出流不同，微噴灌灌溉面較大，噴水均勻，噴灑范圍內土壤水分含量差別不大[15-16]。從圖3可以看到，微噴灌下土壤水分在木薯根區剖面分布比較均勻，相同土層內根際和行間含水量沒有很大的變化波動。灌水2 d后，根際10～20 cm剖面的土壤水分含量為24%～26%，兩側行間為24%～25.5%，兩者相差不大；隨著剖面深度的增加，土壤含水量逐漸降低，土層40 cm以下，土壤水分含量基本處在15%～16%的低水平。灌后3 d，根區20～30 cm剖面的土壤含水量均有所增加，根際區域比行間高1.2%～3.6%，但差異不顯著。隨著土壤水分的不斷下滲，根區30～50 cm剖面的水分含量也逐漸升高，同層次之間也沒有出現較大的波動。上述分析表明，微噴灌噴灑均勻，作物根際和周邊土壤含水量相近。但由于濕潤面大，將導致棵間蒸發量明顯增加，進而降低作物的水分利用效率。

2.2 不同灌溉方式下木薯耗水動態變化分析

圖4 不同灌溉方式木薯全生育期棵間蒸發量和耗水量動態變化Fig.4 The dynamic change of soil evaporation and water consumption in the whole growth period of cassava under different irrigation methods

圖4顯示不同灌溉方式下木薯全生育期內日均耗水量和棵間蒸發量的動態變化過程。從圖4中可以看出，各處理木薯耗水量均呈現出較明顯的“單峰”曲線變化趨勢。3月下旬播種至4月間，木薯處于出苗階段，耗水量較低，增幅也相對緩慢；進入5月份后，由于植株群體的生長，各處理的日均耗水量上升較快，在7月中、下旬之間達到峰值，之后開始呈波動下降的趨勢；進入11月中旬至12月上旬的成熟期，由于氣溫降低和薯葉逐漸凋零，各處理日均耗水量降低至1.1～1.8 mm/d的水平。具體來看，微噴灌處理木薯全生育期內耗水量最高，達到1 013.0 mm，小管出流灌溉最低，為968.6 mm，滴灌略高于小管出流。棵間蒸發是表層土壤水分的散失，在木薯生長初期，由于地表裸露面積較大，各處理棵間蒸發量均呈顯著上升的趨勢，并在6月上、中旬達到峰值；隨著薯葉的增大和田間蔭蔽程度的增加，各處理棵間蒸發量逐漸降低，到12月份下降至0.7～1.2 mm/d的低水平。在木薯全生育期內，滴灌棵間蒸發量最低，為510.7 mm，小管出流灌溉最高，達到565.8 mm，微噴灌略低于小管出流。綜上分析可發現，小管出流雖然耗水量最低，但棵間損耗多，導致其用于木薯葉面蒸騰的水量低于其他處理；滴灌棵間損失量最低，因而有更多的水分來促進木薯的生長發育，進而提高塊根產量。

2.3 不同灌溉方式木薯產量和水分利用效率分析

圖5 不同灌溉方式木薯產量和水分利用效率Fig.5 The yield and water use efficiency of cassava under different irrigation methods 注:小寫字母不同，表示0.05差異顯著水平，大寫字母不同，表示0.01差異顯著水平。

圖5對比不同灌溉方式木薯的產量和水分利用效率。從中可發現，滴灌處理木薯塊根產量最高，達到59 260.7 kg/hm2，微噴灌產量次之，小管出流最低；滴灌產量比小管出流高6.5%，差異達到顯著水平(p<0.05，下同)，微噴灌比小管出流高5.0%，但差異不顯著(p>0.05，下同)。在水分利用效率方面，滴灌>微噴灌>小管出流；滴灌水分利用效率為6.00 kg/m3，比小管出流高出4.2%，差異達到顯著水平，微噴灌僅比小管出流高0.4%，差異不顯著。綜上可見，滴灌在降低木薯耗水量的同時能顯著提高塊根產量，在節本、增產、增效等方面比其他灌溉方式具有明顯的優勢。

3 討 論

在進行灌溉試驗時，掌握灌后水分在土壤中的遷移和分布規律，對設計合理的灌溉系統，提高水分利用效率具有重要的現實意義。據已有研究顯示，土壤水分遷移及分布特征主要受灌溉方式的影響[17-20]。在滴灌條件下，灌水初期水分由于土壤吸力的驅動以水平擴散為主，隨著灌水量的增加，土壤水分垂直遷移的趨勢增強，最終沿滴頭形成拋物狀分布的飽和區域[21,22]。微噴灌橫向灌水均勻度高，水分下滲緩慢[23]，但其水力特性比較復雜，對噴水帶長度[24]、噴射角度[25]、流量[26]等的要求較高，容易出現灌溉面積大，外圍水分損失過多的問題。小管出流灌水速度快，出流量大，需要配合挖蓄水溝或筑埂，以將水流分散控制在作物主要根區，否則容易出現跑水、積水的現象，導致水分滲漏和浪費[27]。本研究發現，滴灌水分主要集中在木薯根際區域，形成以根際為中心對稱分布的濕潤帶，為根系的吸收和利用創造極其有利的環境條件。小管出流土壤水分入滲速度快，側向遷移非常明顯。說明小管出流灌溉水量較大，出現涌水、跑水現象，需要挖環溝將水分集中在木薯根部。但在平畦栽培的條件下，此舉并不經濟。微噴灌噴灑均勻，各層次土壤水分含量波動幅度不大。但由于濕潤范圍大，周邊表層土壤含水量高，易增加棵間蒸發量，從而造成過多水分的無效散失。

在農業生產對水分的消耗當中，棵間蒸發不參與作物的生長過程，是無效的水分散失[28]。因此，抑制棵間蒸發，是提高作物水分利用效率的有效措施。有研究指出，棵間蒸發主要發生在0～20 cm的表土層，而20 cm以下土層的水分則主要被根系吸收用于植株生長和葉面蒸騰[29]。在本試驗中，滴灌處理土壤水分沿根際對稱分布，中心剖面20～30 cm區域的土壤含水量較高，有更多的水分供給根系吸收，促進植株生長發育，提高塊根產量；根際兩側表層土壤含水量較低，有利于遏制棵間蒸發，降低水分消耗。因此，滴灌處理木薯棵間蒸發量最低，其水分利用效率最高。微噴灌根際表層和周邊土壤含水量均較高，因而水分蒸發損失大，其耗水量比滴灌要高，水分利用效率也較低。小管出流水分斜向下遷移，濕潤帶逐漸遠離根區，導致中心剖面能被根系吸收利用的土壤水分含量明顯低于滴灌和微噴灌，因而其產量和水分利用效率最低。

4 結 語

研究結果表明，與其他灌溉方式相比，滴灌水分主要集中在木薯根區，形成沿根際為中心對稱分布的濕潤帶，從而有利于根系的吸收和利用。同時，滴灌在抑制木薯棵間蒸發、提高塊根產量及水分利用效率等方面比其他灌溉

方式具有較顯著的優勢。

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