噴灌灑水與施肥均勻性對冬小麥產量的影響
摘要：噴灌均勻系數是噴灌系統設計的重要參數，而噴灌灑水與施肥的均勻性對作物產量的影響是確定均勻系數設計值的重要依據。1998～1999、1999～2000兩年的噴灌灑水與施肥均勻系數對冬小麥產量影響的田間試驗結果表明，當冠層以上均勻系數小于76%時，冠層以下噴灌均勻系數大于冠層以上噴灌均勻系數。灌溉季節內，累計灌水量均勻系數大于平均噴灌均勻系數，因此用平均噴灌均勻系數表示灌溉季節的灌水均勻程度會低估實際灌水的均勻性。噴灌施肥的試驗結果表明，化肥施入量與灌水量的分布都可以用正態分布來表示，且它們的分布比較接近。田間試驗還表明，對華北平原種植的冬小麥而言，在試驗的噴灌均勻系數變化范圍內(62%～82%)，噴灌灑水及施肥的均勻性對產量的影響不明顯。
關鍵詞：噴灌 施肥灌溉 均勻系數 華北平原 冬小麥 產量
噴灌灑水的均勻程度通常用克里斯琴森均勻系數CU來定量描述[1]，其定義為：
噴灌均勻系數的選擇在噴灌系統設計中的重要性主要體現在2個方面：第一，噴灌系統田間設備的與噴灌均勻系數密切相關，提高設計均勻系數會增大系統投資；第二，降低噴灌均勻系數設計值可能會對作物產量和品質帶來不利影響，并有可能引起深層滲漏，對淺層地下水的污染構成威脅。設計均勻系數的選取除了需要考慮噴頭本身的水力性能以及因子(溫度、濕度、風速、風向)外，還必須考慮噴灌均勻系數對作物產量的影響。有關噴頭水力性能對噴灌均勻系數的影響國內外已進行了大量而卓越的研究[2～9]，在噴灌均勻系數對作物產量的影響方面，也進行了一些田間試驗[10，11]和模擬[12～14]。隨著作物的生長，冠層對噴灌水量分布的潛在影響會逐漸增大，研究冠層對噴灌水量分布的影響對確定合理的噴灌均勻系數設計值是十分必要的。本文作者[15，16]在1999年冬小麥生育期內對不同噴灌均勻系數條件下土壤儲水量空間分布進行了監測，研究了冬小麥冠層截留對噴灌水量分布的影響，并初步分析了噴灌均勻系數對產量的影響，本研究是前述的繼續。
噴灌的一個重要特點是可以進行施肥灌溉，但關于噴灑肥料溶液時噴灌灑水均勻性與肥料在田間分布均勻性之間的關系以及肥料噴施均勻性對作物產量的影響研究卻很少。
本研究的目的是：(1)繼續就噴灌均勻系數對冬小麥產量的影響進行田間試驗研究；(2)分析冬小麥生育期內噴灌均勻系數的變化情況以及累計灌水量分布與各次灌水量分布之間的關系，進一步探討冠層截留對噴灌水量分布的影響；(3)初步分析噴灌施肥時化肥的分布與灑水分布之間的關系，探討噴灌施肥均勻性對冬小麥產量的影響。
1 與方法
試驗在中國科學院農業氣象研究所氣象試驗站內進行。試驗地塊的土壤0～40cm深度為砂質粘壤土，40～60cm為壤質粘土，1998～1999、1999～2000兩年的供試小麥品種均為中麥9號，屬矮稈抗倒伏品種。1998～1999年的試驗布置詳見文獻[15，16]。1999～2000年冬小麥于1999年10月5日播種，行距25cm，播種量為12.75g/m2.試驗按噴灌均勻系數不同設置3個處理(以下記為東處理、中處理和西處理)，各處理之間的灌水量、施肥量保持一致。噴頭間距15m×15m，選用LEGO公司生產的噴頭，0.3MPa壓力下的出水量為0.8m3/h.選取4只噴頭包圍區域中心12m×12m的范圍作為觀測區，以避免相鄰處理之間的干擾。灌水時，4只噴頭以90°的扇形角同時向觀測區噴水。將12m×12m的觀測區劃分為3m×3m的小區，在每一小區中心放置開口面積為100cm2的圓柱形承雨筒，用來測試冠層以下(地面)的噴灌水量分布。當小麥生長到對噴灌水量分布有影響(4月13日以后的各次灌水)時，在冠層以上按3m×3m的網格布設承雨筒(承雨筒規格與冠層以下相同).冠層以上的承雨筒放置在支架上，支架的高度隨作物高度的升高而升高。通過選擇不同的噴頭工作壓力獲得需要的均勻系數。距試驗田塊80m處安裝有自動氣象站，可以連續觀測氣溫、風速、風向、輻射、降水等氣象要素。試驗布置見圖1a、b.冬小麥生育期內各處理的灌水日期、灌水量及噴灌均勻系數列于表1.
表1 冬小麥生育期內的灌水日期、灌水量及噴灌均勻系數(冠層以上)
為了分析噴灌水量分布對葉面積指數和株高的影響，在冬小麥生育期內測定了2次株高和葉面積指數，測定日期分別為：4月30日和5月31日。測定時，每個處理在所劃分的3m×3m的小區內各取1個樣，共取16個樣。冬小麥6月12日收獲，每一小區取0.75m2，對其有效穗數、無效穗數、穗粒數、千粒重、籽粒總重等指標進行測定。
冬小麥生育期內的土壤水分用TDR和中子儀監測。在每一處理的對角線上埋設深度為1.1m的中子管3根(圖1).0～30m的土壤水分用TDR測試，30～100cm用中子儀按10cm的等間隔測試。正常情況下每周測試一次土壤水分，灌水前和灌水后24h各加測一次，降雨后也加測一次。
在3月30日和4月13日灌水時進行了噴灌施肥，3月30日按22.2g/m2施入碳酸銨，4月13日按4.4g/m2硫酸銨與13.3g/m2尿素混合施入。施肥程序按1/4～1/2～1/4的經驗模式進行(Burt等，1998)，即首先噴灑設計灌水量的1/4的清水，接著噴灑設計灌水量的1/2的肥料溶液，最后噴灑1/4的清水以沖洗管道和附著在作物葉面上的肥液。灌水前對化肥溶液濃度與電導率之間的關系進行了率定，結果如下：
碳酸銨溶液：
C=1.11EC-860 (n=10，r2=0.999) (2)
硫酸銨溶液：
C=0.45EC-443(n=9，r2=0.993) (3)
式中：C為化肥溶液濃度(mg/l)，變化范圍為0～1800mg/l;EC為電導率(μS/cm)，變化范圍為800～100μS/cm;n為數；r為相關系數。
灌水結束后，測定各承雨筒內化肥溶液的電導率和體積，然后根據式(2)、(3)和承雨筒代表的面積和實測的灌水深度，計算每一小區的化肥施入量。
2 結果及分析
2.1 作物冠層對噴灌水量分布的影響
圖2給出了冠層以上噴灌均勻系數(CUabove)與冠層以下均勻系數(CUbelow)的關系，1998～1999年的試驗數據[15]也繪于圖中。對它們之間的關系進行回歸分析后得：
CUbelow=0.62CUabove+29 (n=22,r2=0.75)
由圖2和式(4)可以看出，冠層以下均勻系數隨冠層以上均勻系數的增大而增大，也就是說冠層以上噴灌均勻系數較高時，經過冠層再分布后，地面上的噴灌水量分布仍較均勻；當冠層以上噴灌均勻系數小于76%時，冠層以下均勻系數大于冠層以上均勻系數，即此時噴灌水量經冠層再分布后，水量分布的均勻性得到一定程度的改善，并且冠層以上水量分布越不均勻，改善程度越明顯。該結果與Ayars等[18]就棉花冠層對噴灌水量分布影響的研究所得結論相似。當冠層以上均勻系數大于76%時，冠層以下均勻系數反而小于冠層以上均勻系數，這可能是由于作物生長不均勻所致[15]。
圖2 冠層上、下噴灌均勻系數的關系
2.2 噴灌均勻系數在灌溉季節內的變化
一般采用一次典型條件(壓力、風速、風向、溫度、濕度)下測得的噴灌均勻系數代表系統的性能。實際運用中，影響水量分布的環境因素在灌溉季節內是變化的，因此典型條件下測得的噴灌均勻系數不一定能夠反映系統在整個灌溉季節內的情況。本文定義平均噴灌均勻系數為各次灌水噴灌均勻系數的算術平均值；累計灌水量均勻系數為用各承雨筒位置的累計水量代入式(1)計算出的噴灌均勻系數。圖3比較了冠層以上各次灌水噴灌均勻系數、平均噴灌均勻系數和累計灌水量均勻系數在灌水季節內的變化。從圖中可以看出，累計灌水量的均勻系數既大于各次灌水的均勻系數，又大于平均噴灌均勻系數，并且生育期內累計灌水量均勻系數與平均噴灌均勻系數的差隨平均均勻系數的減小呈增大趨勢。例如，高(東處理)、中(中處理)、低(西處理)3個噴灌均勻系數處理生育期內累計灌水量均勻系數與平均噴灌均勻系數的差值分別為6%，11%和9%.圖4給出了整個灌水季節累計灌水量均勻系數(以下稱為季節噴灌均勻系數，CU季節)與平均均勻系數(CU平均)的關系，回歸分析得出：
圖3 冬小麥灌水季節內冠層以上累計灌水量均勻系數與平均系數的關系
CU季節=0.82CU平均+22 (n=5,r2=0.94) (5)
由圖4和式(5)可以得知，如果按傳統的估算灌溉季節平均均勻系數的方法，即用灌溉季節內各次灌水均勻系數的平均值作為整個生育期的灌水均勻系數，則會低估噴灌水量分布的均勻程度。式(5)可用以估算華北平原冬小麥噴灌的季節均勻系數與平均噴灌均勻系數的關系。
2.3 噴灌施肥分布的均勻性
為了確定噴灌施肥時的化肥施入量與灌水量是否服從正態分布，對3月30日的測試數據進行了Kolmogorov-Smirnov。Kolmogorov-Smirnov檢驗的判別指標為：
圖4 季節噴灌均勻系數(CU季節)與平均噴灌均勻系數(CU平均)的關系
Dn=max|Fn(x)-F(x)| (0≤x≤xmax) (6)
式中：Dn為累計分布與經驗分布差值的最大值；Fn為正態累計分布；F為觀測值的經驗分布，xmax為觀測值中的最大值。
表3列出了Kolmogorov-Smirnov的檢驗結果，在α=0.05的顯著水平下，施肥量和灌水量都可以用正態分布來表示。圖5比較了3月30日噴灌施肥重量與噴灌水量的累計頻率曲線及其與正態分布的擬合情況。圖中的橫坐標的標準化值是指實測值與均值之比。標準化灌水量與施肥量的標準差也示于圖中。比較灌水量與施肥量的標準差以及實測點與正態分布的擬合情況可以看出，噴灌施肥時的化肥施入量與灌水量的分布比較接近，并且施肥量的標準差一般小于灌水量的標準差。
2.4 噴灌及施肥均勻性對產量的影響
冬小麥生育期內累計灌水量和產量的Kolmogorov-Smirnov的檢驗結果也列于表2，類似地，在α=0.05的顯著水平下，它們都可以用正態分布來表示。為了了解噴灌均勻系數對產量分布均勻程度的影響，表3了不同均勻系數處理時產量要素(有效穗數、穗粒數、千粒重、產量)和累計灌水量的均值和均勻系數。分析表中數據可以發現，盡管不同處理的累計灌水量均勻系數之間有較大差別，但所有產量要素的均勻系數之間差別不大，并且其均勻系數都在91%以上，也就是說，噴灌均勻系數對產量構成要素分布的均勻性影響不明顯。
圖5 噴灌施肥量與灌水量累計頻率分布及其
與正態分布的擬合情況(冠層以上測試結果)
圖6 冬小麥產量與冠層以上平均噴灌均勻系數(CU平均)、季節噴灌均勻系數(CU季節)的關系圖
6(a)、6(b)分別繪出了由1999年和2000年田間試驗得出的產量與平均噴灌均勻系數及產量與季節噴灌均勻系數的關系。兩圖均清楚地顯示出噴灌均勻系數對產量的影響不明顯。將產量與噴灌均勻系數之間進行回歸后得：
Y=0.0043CU平均+6.6 (r2=0.015) (6)
Y=0.0039CU季節+6.6 (r2=0.001) (7)
式中：Y為產量(t/hm2).
噴灌均勻系數對產量影響不明顯的原因可以歸結為：(1)作物冠層的截留使噴灌水量分布的均勻性得到一定程度改善；(2)灌水季節內累計灌水量均勻系數大于各次灌水的均勻系數平均值(圖3)，這也在一定程度上減輕了由于各次灌水量分布不均勻對作物生長帶來的影響；(3)土層儲水量在整個生育期內一直很均勻[16]，再加上灌水過程中一部分水會沿作物莖稈直接滲入根區滿足作物的需水要求；另外，作物根系的水平伸展，使得作物都可以均勻地獲得所需要的水量；(4)生育期內的天然降水給灌水量小的區域的作物吸水提供了補充。上述所有因素都在一定程度上減輕了噴灌非均勻性對產量的影響。
為了分析噴灌施肥均勻性對產量的影響，圖7繪出了3個處理的產量與3月30日各小區施入化肥量的關系。由圖可明顯看出，產量對噴灌施肥的均勻程度同樣也不敏感。
圖7 冬小麥產量與2000年3月30日噴灌施肥量之間的關系
3 結論與討論
作物從播種到形成產量是一個十分復雜的過程，影響產量的因素除了本文討論的灌水均勻性與灌水量、施肥均勻性與施肥量外，還有土壤特性的空間變異、田間措施、病蟲害的防治技術等，包括上述所有因素的田間試驗或模擬將是一個龐大的系統工程，在這一方面還需要進行長期研究。本研究得出下述初步結論：
(1)作物冠層的截留使噴灌水量分布的均勻性得到一定程度的改善，改善的程度隨噴灌均勻系數的提高而減小；(2)灌溉季節內累計灌水量的均勻系數大于平均噴灌均勻系數，也就是說，用平均噴灌均勻系數表示灌溉季節的灌水均勻程度會低估實際灌水的均勻性，這一結論對噴灌均勻系數設計值的選取具有參考價值；(3)對華北平原種植的冬小麥而言，在試驗的平均噴灌均勻系數變化范圍(62%～82%)內，噴灌均勻系數對作物產量及其要素均值和分布均勻程度的影響不明顯，并且產量對噴灌施肥的不均勻性也不敏感。因此，《噴灌工程技術規范》[19]規定的均勻系數設計值(CU≥75%)對華北平原區種植的冬小麥是偏于安全的，在某些情況下可以考慮適當減小，以降低噴灌系統的和運行費用。
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