滴灌灌溉量和頻次對小麥-青貯玉米復播體系蒸發蒸騰量和作物系數的影響

張仔羅 文雯 曹碩

摘要：為了探索不同灌溉量和滴灌頻次處理對北疆地區滴灌小麥—青貯玉米復播體系蒸發蒸騰量（ET值）和作物系數（K值）的影響，以新春6號和新飼玉13號為試驗材料，整個復播體系設置3個灌溉量（660、520、320 mm）、3個滴灌頻次（10次、8次、6次）互作條件下的9個滴灌處理，結合當地氣象數據，對不同處理滴灌小麥—青貯玉米復播體系的ET值及K值進行分析。結果表明，滴灌小麥—青貯玉米復播體系4、5、9、10月份參考作物蒸發蒸騰量（ET0值）較小，6、7、8月份ET0值較大;灌溉量對滴灌小麥—青貯玉米復播體系ET值及K值影響顯著，灌溉量越高，ET值和K值越大;灌溉頻次對復播體系ET值和K值在不同灌溉量下的影響各不相同，在中灌溉量中頻次下作物產量最高。建議北疆地區滴灌小麥—青貯玉米復播體系的灌溉方案以小麥灌溉量300 mm滴灌5次、青貯玉米灌溉量220 mm滴灌3次為宜。

關鍵詞：復播體系;灌溉量;滴灌頻次;作物系數;蒸發蒸騰量

中圖分類號：S512.1.07;S274 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）13-0104-06

近些年來，隨著農業結構的不斷調整，滴灌小麥—青貯玉米復播體系在新疆北疆地區得以大范圍推廣[1-2]。該種植模式不僅提高了單位面積產量和效益，還提高了土地利用率，且充分利用光熱資源，提高農民的種糧積極性，而且復播青貯玉米生物產量高、適口性好，可在不擠占現有糧食作物種植面積的前提下，很好地解決牲畜的冬季飼草問題，既促進了畜牧業的發展，同時還可以進行秸稈過腹還田，增加土壤有機質含量，降低化肥施用量，促進農業生產的良性循環[3-7]。而地處我國西北干旱半干旱地區的新疆，年降水量不足 200 mm，蒸發量極大，水資源嚴重短缺[8-9]，大量滴灌小麥—青貯玉米種植模式的開展勢必增加農業用水壓力，因此，水資源是制約滴灌小麥—青貯玉米復播體系發展的關鍵因素[10-11]。

為了進一步了解滴灌小麥—青貯玉米種植體系的耗水特性，以達到適時、適量給水，節約水資源，提高水資源利用效率的目的，本試驗進行了灌溉量和滴灌頻次2因子全區組試驗設計，通過觀測復播體系種植同期氣象數據和2茬作物不同生育時期灌溉量及土壤水分變化情況，探討滴灌小麥—青貯玉米復播體系在不同灌溉量和滴灌頻次作用下蒸發蒸騰量（ET值）和作物系數（K值）的變化規律，從而為北疆地區滴灌小麥—青貯玉米復播體系灌溉制度的建立提供理論依據，降低該復播種植體系水資源總消耗量，提高水分利用效率，使有限的水資源得到節約和高效的利用。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2017年3—10月在石河子天業集團試驗地（85°94′E，43°20′N）進行，該試驗地平均海拔為412 m，年平均日照時長為2 865 h，≥10 ℃積溫為3 463.5 ℃，年平均降水量為 207 mm，無霜期為170 d，晝夜溫差大，屬于典型大陸性干旱氣候。該地地下水位≥8 m，土質為中壤土，0～100 cm土層平均土壤密度為1.52 g/cm3。

1.2 試驗設計

本試驗供試小麥品種為新春6號，青貯玉米品種為新飼玉13號。該復播體系設置3個灌溉量處理，分別為高灌溉量660 mm（小麥360 mm、青貯玉米300 mm）、中灌溉量520 mm（小麥300 mm、青貯玉米220 mm）和低灌溉量380 mm（小麥240 mm、青貯玉米140 mm）;3個灌溉頻次處理，分別為高頻次（小麥6次、青貯玉米4次）、中頻次（小麥5次、青貯玉米3次）、低頻次（小麥4次、青貯玉米2次），共9個處理。其中，高灌溉量高頻次，記作H10;高灌溉量中頻次，記作H8;高灌溉量低頻次，記作H6;中灌溉量高頻次，記作M10;中灌溉量中頻次，記作M8;中灌溉量低頻次，記作M6;低灌溉量高頻次，記作L10;低灌溉量中頻次，記作L8;低灌溉量低頻次，記作L6。每個處理3次重復，共計27個小區，小區面積為18 m2（3.6 m×5.0 m），具體灌溉量、滴灌頻次和灌溉時期見表1和表2。小麥采用等行距條播，播量為330 kg/hm2，滴灌帶布置為1管6行，行距為15 cm;復播青貯玉米滴灌帶采用1管2行布置，行距為60 cm，株距為20 cm。其余栽培管理措施同大田。

1.3 數據測定和計算

1.3.1 土壤水含量的測定 使用土壤剖面水分儀PR2/6（北京哈維斯廷科技有限公司）進行10、20、30、40、60、100 cm土壤水含量的測定。每個小區安置1根探管，出苗后每4 d測1次數據，滴灌和下雨后加測1次。

1.3.2 氣象數據的收集 氣象數據來源于石河子大學小型氣候觀測站，其中有效降水量采用《灌溉排水工程學》中推薦的有效降水利用率0.8[12]進行計算。

1.3.3 參考作物蒸騰蒸發量ET0值的計算 參考作物騰發量指的是生長旺盛、高度整齊、不缺水而且地面完全被覆蓋的低矮青草地（草高8～15 cm）的騰發量。

參考作物蒸騰蒸發量的計算方法很多，本研究采用標準化、統一化后的FAO（聯合國糧食及農業組織）Penman-Monteith公式[13-14]：

ET0=0.408Δ（Rn-G）+γ900T+273u2（es-ea）Δ+γ（1+0.34u2）。

式中：ET0為參考作物蒸騰蒸發量，mm/d;Rn為作物表面的凈輻射量，MJ/（m2·d）;G為土壤熱通量，MJ/（m2·d）;T為平均氣溫，℃;u2為2 m高處的平均風速，m/s;es為飽和水汽壓，kPa;ea為實際水汽壓，kPa;Δ為飽和水汽壓與溫度曲線的斜率，kPa/℃;γ分為干濕表常數，kPa/℃。

1.3.4 土壤水分含量變化量（ΔSW值）的計算 ΔSW值為土壤水分消耗量（初期土壤含水量與末期土壤含水量的差）[15]。

1.3.5 作物蒸發蒸騰量ET的計算 作物蒸發蒸騰量是指作物實際的蒸發蒸騰量。作物蒸發蒸騰量ET值的計算采用水分平衡法[16]：

ET=I+P+U-R-F±ΔW

式中：I為一定時段內的灌水量，mm;P為一定時段內的有效降水量，mm;U為地下水通過毛管作用上移補給作物的水量，mm;R為地表徑流量，mm;F為補給地下水量，mm;ΔW為一定時段內土壤儲水變化量，即土壤貯水消耗量。本試驗地地處干旱半干旱地區，降水頻率和降水量均較少，很難產生地表徑流或入滲補給地下水，可視地表徑流和深層滲漏為0，且地下水埋深較深，地下水補給量也可視為0;故R、U和F值均可忽略不計。

1.3.6 作物系數（K值）的計算 FAO作物需水量專家咨詢組推薦采用的作物系數Kc計算公式[13-14]如下：

ET=KcET0。

1.4 作物性狀及產量統計

按生育期對作物的各個性狀進行測量記錄，待作物成熟后進行產量測定。

1.5 數據處理與分析方法

用SPSS 19.0對試驗數據進行顯著性檢驗和相關性分析，用Excel 2007繪制圖表。

2 結果與分析

2.1 小麥—青貯玉米復播體系的ET0值

由圖1可以看出，滴灌小麥—青貯玉米復播體系ET0值隨時間的變化規律表現為先增加后減小，總體數值分布呈拱形。整個變化過程中出現多個峰值，峰值出現主要集中在5月15日至8月10日，峰值出現并無明顯的時間間隔和變化規律。在4月25日之前和9月7日之后，其ET0值均小于趨勢線。5月8日至 8月6日，絕大多數ET0值都高于趨勢線，但也有部分時間ET0值突然變化，下降至趨勢線以下。

小麥生育期內（4月7日至7月4日）ET0值之和為 420 mm，日均ET0值為4.67 mm/d，其中最大值為6.9 mm，出現在7月3日;最小值為1.6 mm，出現在4月7日。青貯玉米生育期內（7月15日至10月1日）ET0值之和為341 mm，日均值為4.32 mm/d，其中ET0的最大值為6.7 mm，出現在7月27日，最小值為1.1 mm，出現在10月1日（圖中未顯示）。

整個復播體系的ET0值為662.6 mm，變化范圍為1.1～6.9 mm，日均ET0值為4.5 mm/d。

2.2 不同灌溉量處理下小麥、青貯玉米和復播體系的ΔSW、ET、K值

由表3可以看出，在高灌溉量下，小麥和復播體系的ΔSW絕對值、ET值、K值均呈現出低頻次處理最大，而中頻次和高頻次處理差異不明顯的特點。青貯玉米的ΔSW、ET值、K值在高、中灌溉量下各頻次處理間并無顯著差異;在中灌溉量下，小麥、青貯玉米和復播體系的ΔSW絕對值、ET值、K值均表現為中頻次處理>低頻次處理>高頻次處理;在低灌溉量條件下，小麥、復播體系和青貯玉米的ΔSW絕對值、ET值、K值均為高頻次處理下最小。

2.3 不同滴灌頻次處理下小麥、玉米、青貯復播體系ΔSW、ET、K值的比較

由表4可知，除了青貯玉米在高頻次下高灌溉量處理的ΔSW絕對值大于低灌溉量的之外（二者間差異不顯著），其余各頻次處理小麥、青貯玉米和整個復播體系的ΔSW絕對值均表現為高灌溉量處理的最小。小麥、青貯玉米、復播體系在中、高頻次下中灌溉量處理的ΔSW絕對值最大，在低頻次下青貯玉米和復播體系的ΔSW絕對值也呈現出中灌溉量處理最大，而小麥則是低灌溉量處理最大。

小麥、青貯玉米和整個復播體系的ET值、K值在各頻次下均表現為高灌溉量>中灌溉量>低灌溉量，且差異顯著，由此可以看出，灌溉量對小麥、復播青貯玉米和整個復播體系的ET值、K值均有顯著影響，且灌溉量越大，ET、K值就越高。

2.4 灌溉量和滴灌頻次互作對小麥、青貯玉米、復播體系ΔSW、ET、K值的影響

由圖2可知，在灌溉量和滴灌頻次的互作處理下，小麥的ΔSW值在-54.24～-14.93 mm間波動，其中最小的土壤水分變化為高灌溉量高頻次處理，為-14.93 mm，最大的土壤水分變化為中灌溉量中頻次處理，為 -54.24 mm;青貯玉米的ΔSW在-49.96 ～-30.56 mm間波動，其中最小的土壤水分變化為高頻次低灌溉量處理，為-30.56 mm，最大的土壤水分變化為中灌溉量中頻次處理，為-49.96;對于整個復播體系來說，其ΔSW在-104.2～-51.62 mm間波動，最小的土壤水分變化為高灌溉量高頻次處理，為-51.62 mm，最大的土壤水分變化為中頻次中灌溉量處理，為 -104.2 mm。

小麥的ET值和K值分別在354.10～471.58 mm、0.843 1～1.122 8間，最小值均出現在低灌溉量高頻次處理下，最大值則出現在高灌溉量低頻次處理下，ET值和K值除了低灌溉量中頻次處理和低灌溉量高頻次處理間差異不顯著之外，其余各處理之間差異均顯著;青貯玉米的蒸發蒸騰量ET值和作物系數K值分別在200.48～355.36 mm、0.587 9～1.042 1間，最小值均出現在低灌溉量高頻次處理下，最大值則出現在高灌溉量低頻次處理下，青貯玉米的ET值和K值在不同灌溉量間差異顯著，但在高灌溉量和中灌溉量下各頻次處理之間并無顯著差異，只在低灌溉量下高頻次灌溉和中、低頻次灌溉有顯著差異;復播體系的ET值和K值分別在554.58～826.93 mm、0.728 8～1.086 6間，最小值均出現在低灌溉量高頻次處理下，最大值則出現在高灌溉量低頻次處理下，復播體系的ET值和K值在不同灌溉量間差異顯著，但在高灌溉量下低頻次處理大于中、高頻次處理，且與中、高頻處理間差異顯著，在中灌溉量下中頻次處理大于低、高頻次處理，且與低頻次處理間差異顯著，在低灌溉量下高頻次處理小于中、低頻次處理，且與中、低頻次處理間差異顯著。

在同一處理下，小麥、青貯玉米、復播體系的蒸發蒸騰量ET值排序為青貯玉米<小麥<復播體系，而作物系數K值的大小為青貯玉米<復播體系<小麥。

2.5 灌溉量和滴灌頻次互作對小麥、青貯玉米產量的影響

由表5可以看出，小麥和青貯玉米的產量在中灌溉量中頻次處理下最高，而在低灌溉量低頻次處理下最低;低灌溉量條件下小麥和青貯玉米的產量明顯低于高灌溉量和中灌溉量條件下;在高灌溉量處理下低頻次灌溉處理小麥和青貯玉米的產量明顯低于中高頻次處理，而在低灌溉量下高頻次灌溉處理小麥和青貯玉米的產量明顯低于中低頻次處理。

3 討論與結論

3.1 討論

參考作物蒸發蒸騰量主要受最高溫度、最低溫度、相對濕度、2 m處風速、日照時長的影響[17]，張瑞美等研究表明，參考作物蒸發蒸騰量與溫度、日照時長、風速成呈正相關，與相對濕度呈負相關，其中溫度對參考作物蒸發蒸騰量的影響最為顯著，日照時長次之[18]。本試驗結果表明，參考作物蒸發蒸騰量值隨時間（4月7日至10月1日期間）的變化規律表現為先增加后減小，總體數值分布呈拱形，主要是由于在4、5、9、10月份溫度較小和日照時間較短，而在6、7、8月份溫度較高，日照時長較長，所以ET0值隨時間分布呈中間高兩邊低的現象，這與張瑞美等的研究結果[18]一致。ET0值突然降低可能和當天的氣象因素變化有關，由于陰天、降水導致日照時長變短、溫度降低、相對濕度變大，從而導致ET0值突然變化[18]。

土壤水含量的變化量是由土壤水分的輸入和輸出造成的，土壤水分的輸入包括降水、灌溉、地下水補給（本試驗地下水位為地表下8 m左右，故不考慮地下水補給），輸出則主要在于作物蒸發蒸騰[19]，本試驗中各個處理降水量一致，地下水補給不計，所以土壤水含量變化的影響因子主要在于滴灌溉量和作物的蒸發蒸騰，而作物的蒸發蒸騰量在本試驗中受滴灌溉量和滴灌頻次的影響，因此，可以認為滴灌溉量影響土壤水分的輸入和輸出，而灌溉頻次主要影響土壤水分的輸出。本試驗結果表明，滴灌小麥—青貯玉米的復播體系中土壤水含量的變化隨滴灌溉量的增加而減小，這主要是由于灌溉量越高，土壤水分含量就越高，作物的蒸發蒸騰對原土壤水分需求就越小，所以土壤水含量的變化量也就越小。

（3）本試驗表明，各處理下小麥的蒸發蒸騰量和作物系數的變化范圍分別在354.10～471.58 mm、0.843 1～1.122 8間，青貯玉米的蒸發蒸騰量和作物系數的變化范圍分別在200.48～355.36 mm、0.587 9～1.042 1，這與翟超等的研究結果[20-21]一致，有研究表明，作物蒸發蒸騰量和作物系數與灌溉量呈正相關[22-23]，這與本試驗研究結果一致。

不同灌溉頻次處理對不同作物、不同灌溉量的蒸發蒸騰量和作物系數的影響不同。本研究表明，玉米在高灌溉量和中灌溉量滴灌條件下各滴灌頻次間的ET值和K值并無顯著差異，在低灌溉量條件下高頻次灌溉顯著低于中頻次和低頻次灌溉，而在小麥中在中灌溉量處理下各頻次之間的蒸發蒸騰量和作物系數差異顯著，在高灌溉量和低灌溉量下高頻次處理的蒸發蒸騰量和作物系數顯著低于低頻次處理。灌溉頻次主要通過影響作物的生長狀況來影響作物蒸發蒸騰量和作物系數K值，而灌溉頻次對作物生長的影響，在不同作物、不同灌溉量下又不相同，所以同頻次處理對不同作物、不同灌溉量的蒸發蒸騰量和作物系數的影響并不同[24-26]。

（4）本試驗結果表明，灌溉量和滴灌頻次互作條件下小麥、玉米以及復播體系在各處理下的ΔSW絕對值，均是中灌溉量中頻次處理最大，在中灌溉量中頻次處理下，作物產量最高，因此在該處理下作物對水分的需求最大，但其水分補給量不足以維持水分需求，所以就要吸收更多的原土壤水分，造成土壤水分ΔSW絕對值最大[27-28];灌溉量和頻次互作處理下青貯玉米、小麥蒸發蒸騰量和作物系數最大值均出現在高灌溉量低頻次處理中，最小值均出現在低灌溉量高頻次處理下，主要是由于在高灌溉量下隨著灌溉頻次的減少，作物后期干旱脅迫越提前[29]，這時作物的蒸發蒸騰量就會變大，所以蒸發蒸騰量和作物系數最大值均出現在高灌溉量低頻次處理下，而在低灌溉量高頻次處理下，原本低灌溉量處理的灌溉量就不足，隨著灌溉頻次的增加，作物單次灌溉量又會減少，從而導致作物一直處于水分虧缺狀態，植株正常生長發育受損，分蘗減少[30]，進而導致蒸發蒸騰量減小，所以灌溉量和頻次互作處理下小麥、青貯玉米蒸發蒸騰量和作物系數最小值均出現在低灌溉量高頻次處理下。

3.2 結論

參考作物蒸發蒸騰量的大小受氣象因子影響，在北疆地區小麥—青貯玉米復播體系中4、5、9、10月份ET0值較小，在6、7、8月份ET0值較大。因此在實際生產過程中，灌溉時期和灌溉量的確定不能只考慮生育時期，也應與氣象因素相結合[31-32]，在持續高溫、長日照的氣象條件下應該對田間土壤水分進行及時補充。

北疆地區小麥的蒸發蒸騰量和作物系數的變化范圍分別在354.10～471.58 mm、0.843 1～1.122 8間，青貯玉米的蒸發蒸騰量和作物系數的變化范圍分別在 200.48～355.36 mm、0.587 9～1.042 1間。蒸發蒸騰量和作物系數，主要是受灌溉量的影響，隨著灌溉量的增加蒸發蒸騰量和作物系數不斷增加。

灌溉頻次對蒸發蒸騰量和作物系數受不同灌溉量的影響各不相同，為了獲得較高的產量，在高灌溉量條件下，應該適當增加灌溉頻次，從而確保作物后期不受水分脅迫;低灌溉量條件下應選擇低頻次灌溉，從而確保作物在前中期能夠正常生長。

本試驗條件下中灌溉量中頻次處理作物產量最高，相比較而言，北疆地區滴灌小麥—青貯玉米復播體系的灌溉方案以小麥300 mm灌溉量、滴灌5次與青貯玉米220 mm灌溉量、滴灌3次為宜。

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