噴灌灑水與施肥均勻性對冬小麥產(chǎn)量的影響

1、噴灌灑水與施肥均勻性對冬小麥產(chǎn)量的影響摘要：噴灌均勻系數(shù)是噴灌系統(tǒng)設(shè)計的重要參數(shù)， 而噴灌灑水與施肥的均勻性對 作物產(chǎn)量的影響是確定均勻系數(shù)設(shè)計值的重要依據(jù)。 19981999、1999 2000 兩年的噴灌灑水與施肥均勻系數(shù)對冬小麥產(chǎn)量影響的田間試驗結(jié)果表明， 當(dāng)冠層 以上均勻系數(shù)小于 76%時，冠層以下噴灌均勻系數(shù)大于冠層以上噴灌均勻系數(shù)。 灌溉季節(jié)內(nèi)， 累計灌水量均勻系數(shù)大于平均噴灌均勻系數(shù)， 因此用平均噴灌均勻 系數(shù)表示灌溉季節(jié)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(jié) 果表明， 化肥施入量與灌水量的分布都可以用正態(tài)分布來表示， 且它們的分布比 較接近。 田間試驗還表明，

2、 對華北平原種植的冬小麥而言， 在試驗的噴灌均勻系 數(shù)變化范圍內(nèi) （62%82%），噴灌灑水及施肥的均勻性對產(chǎn)量的影響不明顯。關(guān)鍵詞：噴灌 施肥灌溉 均勻系數(shù) 華北平原 冬小麥 產(chǎn)量 噴灌灑水的均勻程度通常用克里斯琴森均勻系數(shù) CU來定量描述 1 ，其定義為：噴灌均勻系數(shù)的選擇在噴灌系統(tǒng)設(shè)計中的重要性主要體現(xiàn)在 2 個方面：第一，噴 灌系統(tǒng)田間設(shè)備的投資與噴灌均勻系數(shù)密切相關(guān)， 提高設(shè)計均勻系數(shù)會增大系統(tǒng) 投資；第二，降低噴灌均勻系數(shù)設(shè)計值可能會對作物產(chǎn)量和品質(zhì)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(gòu)成威脅。 設(shè)計均勻系數(shù)的選取除 了需要考慮噴頭本身的水力性能以及環(huán)境因子

3、（ 溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向 ） 外，還 必須考慮噴灌均勻系數(shù)對作物產(chǎn)量的影響。 有關(guān)噴頭水力性能對噴灌均勻系數(shù)的 影響國內(nèi)外已進(jìn)行了大量而卓越的研究 2 9 ，在噴灌均勻系數(shù)對作物產(chǎn)量的影 響方面，也進(jìn)行了一些田間試驗 10 ，11和數(shù)學(xué)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(shù)設(shè)計值是十分必要的。本文作者 15，16在 1999 年冬 小麥生育期內(nèi)對不同噴灌均勻系數(shù)條件下土壤儲水量空間分布進(jìn)行了監(jiān)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(shù)對產(chǎn)量的 影響，本研究是前述論

4、文的繼續(xù)。噴灌的一個重要特點(diǎn)是可以進(jìn)行施肥灌溉， 但關(guān)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(guān)系以及肥料噴施均勻性對作物產(chǎn)量的影響 研究卻很少。本研究的目的是： (1) 繼續(xù)就噴灌均勻系數(shù)對冬小麥產(chǎn)量的影響進(jìn)行田間試驗研 究； (2) 分析冬小麥生育期內(nèi)噴灌均勻系數(shù)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(guān)系，進(jìn)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(guān)系， 探討噴灌施肥均勻性對冬 小麥產(chǎn)量的影響。1 材料與方法試驗在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)氣象研究所氣象試驗站內(nèi)進(jìn)行。試驗地塊的土壤040cm深度為砂質(zhì)粘壤土，

5、4060cm為壤質(zhì)粘土， 19981999、19992000 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(xiàn)15 ，16 。19992000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(shù)不同設(shè)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(chǎn)的噴頭， 壓力下的出水量為 0.8m3/h. 選取 4 只噴頭包圍區(qū)域 中心 12m× 12m的范圍作為觀測區(qū)，以避免相鄰處理之

6、間的干擾。灌水時， 4 只 噴頭以 90°的扇形角同時向觀測區(qū)噴水。將 12m× 12m 的觀測區(qū)劃分為 3m×3m 的小區(qū)，在每一小區(qū)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(dāng)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(wǎng)格布設(shè)承雨筒 （ 承雨筒規(guī)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(shù)。 距試驗田塊 80m處安裝有自動氣象站，可以連續(xù)觀測氣溫、風(fēng)速、

7、風(fēng)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(nèi)各處理的灌水日期、灌水量及噴灌均勻系數(shù) 列于表 1.表 1 冬小麥生育期內(nèi)的灌水日期、灌水量及噴灌均勻系數(shù) （冠層以上）為了分析噴灌水量分布對葉面積指數(shù)和株高的影響，在冬小麥生育期內(nèi)測定了 次株高和葉面積指數(shù)，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(qū)內(nèi)各取 1個樣，共取 16個樣。冬小麥 6月 12日 收獲，每一小區(qū)取 0.75m2，對其有效穗數(shù)、無效穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重、籽粒 總重等指標(biāo)進(jìn)行測定。冬小麥生育期內(nèi)的土壤水分用 TDR和中子儀監(jiān)測。 在每一處理的對角線

8、上埋設(shè)深 度為 1.1m的中子管 3根(圖1).0 30m的土壤水分用 TDR測試，30100cm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(jìn)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(jīng)驗?zāi)Ｊ竭M(jìn)行 (Burt 等， 1998) ，即首先噴灑設(shè)計灌水量的 1/4 的清 水，接著噴灑設(shè)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

9、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(dǎo)率之間的關(guān)系進(jìn)行了率 定，結(jié)果如下：碳酸銨溶液：C= (n=10 ， r2=(2)硫酸銨溶液：C=(n=9，r2=(3)式中：C為化肥溶液濃度 (mg/l) ，變化范圍為 01800mg/l;EC 為電導(dǎo)率 ( S/cm)， 變化范圍為 800100 S/cm;n 為樣本數(shù)； r 為相關(guān)系數(shù)。(2) 、 (3)灌水結(jié)束后，測定各承雨筒內(nèi)化肥溶液的電導(dǎo)率和體積，然后根據(jù)式和承雨筒代表的面積和實測的灌水深度，計算每一小區(qū)的化肥施入量。2 結(jié)果及分析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(shù) (CUabove)與冠層以下均勻

10、系數(shù) (CUbelow) 的 關(guān)系， 19981999 年的試驗數(shù)據(jù) 15 也繪于圖中。對它們之間的關(guān)系進(jìn)行回歸 分析后得：CUbelow=+29 (n=22,r2=由圖 2 和式 (4) 可以看出，冠層以下均勻系數(shù)隨冠層以上均勻系數(shù)的增大而 增大，也就是說冠層以上噴灌均勻系數(shù)較高時， 經(jīng)過冠層再分布后， 地面上的噴 灌水量分布仍較均勻；當(dāng)冠層以上噴灌均勻系數(shù)小于 76%時，冠層以下均勻系數(shù) 大于冠層以上均勻系數(shù)， 即此時噴灌水量經(jīng)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(jié)果 與 Ayars 等 18 就棉花冠層對噴灌水量分布影響

11、的研究所得結(jié)論相似。 當(dāng)冠層以 上均勻系數(shù)大于 76%時，冠層以下均勻系數(shù)反而小于冠層以上均勻系數(shù)，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(shù)的關(guān)系圖 2 冠層上、下噴灌均勻系數(shù)的關(guān)系噴灌均勻系數(shù)在灌溉季節(jié)內(nèi)的變化一般采用一次典型條件 （ 壓力、風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度 ）下測得的噴灌均勻 系數(shù)代表系統(tǒng)的性能。 實際運(yùn)用中， 影響水量分布的環(huán)境因素在灌溉季節(jié)內(nèi)是變 化的，因此典型條件下測得的噴灌均勻系數(shù)不一定能夠反映系統(tǒng)在整個灌溉季節(jié) 內(nèi)的情況。本文定義平均噴灌均勻系數(shù)為各次灌水噴灌均勻系數(shù)的算術(shù)平均值； 累計灌水量均勻系數(shù)為用各承雨筒位置的累計水量代入式 （1）

12、計算出的噴灌均勻 系數(shù)。圖 3 比較了冠層以上各次灌水噴灌均勻系數(shù)、 平均噴灌均勻系數(shù)和累計灌 水量均勻系數(shù)在灌水季節(jié)內(nèi)的變化。 從圖中可以看出， 累計灌水量的均勻系數(shù)既 大于各次灌水的均勻系數(shù)， 又大于平均噴灌均勻系數(shù)， 并且生育期內(nèi)累計灌水量 均勻系數(shù)與平均噴灌均勻系數(shù)的差隨平均均勻系數(shù)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(shù)處理生育期內(nèi)累計灌水量 均勻系數(shù)與平均噴灌均勻系數(shù)的差值分別為 6%，11%和 9%.圖 4 給出了整個灌水 季節(jié)累計灌水量均勻系數(shù) （以下稱為季節(jié)噴灌均勻系數(shù)， CU季節(jié)） 與平均均勻系 數(shù)（CU平均）的關(guān)系，回

13、歸分析得出：圖 3 冬小麥灌水季節(jié)內(nèi)冠層以上累計灌水量均勻系數(shù)與平均系數(shù)的關(guān)系CU季節(jié)=平均+22 （n=5,r2=（5）由圖 4和式（5） 可以得知，如果按傳統(tǒng)的估算灌溉季節(jié)平均均勻系數(shù)的方法， 即用灌溉季節(jié)內(nèi)各次灌水均勻系數(shù)的平均值作為整個生育期的灌水均勻系數(shù)， 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(jié) 均勻系數(shù)與平均噴灌均勻系數(shù)的關(guān)系。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(tài)分布， 對 3月 30 日的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了 Kolmogorov-Smirnov 檢驗。 Kolmogorov-Smirnov 檢驗的判 別指標(biāo)為

14、：圖 4 季節(jié)噴灌均勻系數(shù) (CU季節(jié))與平均噴灌均勻系數(shù) (CU平均)的關(guān)系 Dn=max|Fn(x)-F(x)| (0 x xmax)(6)式中： Dn為累計分布與經(jīng)驗分布差值的最大值； Fn 為正態(tài)累計分布； F 為觀測 值的經(jīng)驗分布， xmax為觀測值中的最大值。表 3 列出了 Kolmogorov-Smirnov 的檢驗結(jié)果， 在 =的顯著水平下， 施肥量和灌 水量都可以用正態(tài)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(tài)分布的擬合情況。 圖中的橫坐標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值是指實測 值與均值之比。 標(biāo)準(zhǔn)化灌水量與施肥量的標(biāo)準(zhǔn)差也示于圖中。 比較灌水量與施肥

15、 量的標(biāo)準(zhǔn)差以及實測點(diǎn)與正態(tài)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(biāo)準(zhǔn)差一般小于灌水量的標(biāo)準(zhǔn)差。噴灌及施肥均勻性對產(chǎn)量的影響冬小麥生育期內(nèi)累計灌水量和產(chǎn)量的 Kolmogorov-Smirnov 的檢驗結(jié)果也列 于表 2，類似地，在 =的顯著水平下，它們都可以用正態(tài)分布來表示。為了了 解噴灌均勻系數(shù)對產(chǎn)量分布均勻程度的影響， 表 3 總結(jié)了不同均勻系數(shù)處理時產(chǎn) 量要素 （ 有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重、產(chǎn)量 ）和累計灌水量的均值和均勻系數(shù)。分 析表中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)， 盡管不同處理的累計灌水量均勻系數(shù)之間有較大差別， 但 所有產(chǎn)量要素的均勻系數(shù)之間差別不

16、大，并且其均勻系數(shù)都在 91%以上，也就是 說，噴灌均勻系數(shù)對產(chǎn)量構(gòu)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(tài)分布的擬合情況 （ 冠層以上測試結(jié)果 ）圖 6 冬小麥產(chǎn)量與冠層以上平均噴灌均勻系數(shù) (CU平均) 、季節(jié)噴灌均勻系數(shù) (CU 季節(jié))的關(guān)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(chǎn)量與平均噴灌均勻 系數(shù)及產(chǎn)量與季節(jié)噴灌均勻系數(shù)的關(guān)系。 兩圖均清楚地顯示出噴灌均勻系數(shù)對產(chǎn) 量的影響不明顯。將產(chǎn)量與噴灌均勻系數(shù)之間進(jìn)行回歸后得：Y=平均+ (r2=(6)Y=季節(jié)+ (r2=(7)式中： Y為產(chǎn)量 (t/hm2).噴

17、灌均勻系數(shù)對產(chǎn)量影響不明顯的原因可以歸結(jié)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(jié)內(nèi)累計灌水量均勻系數(shù)大于 各次灌水的均勻系數(shù)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?qū)ψ魑锷L帶來的影響； (3) 土層儲水量在整個生育期內(nèi)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(qū)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(nèi)的天然降水給灌水量小的區(qū)域的作物吸水提供了補(bǔ)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(chǎn)量的影響。為了分析噴灌施肥均勻

18、性對產(chǎn)量的影響，圖 7 繪出了 3 個處理的產(chǎn)量與 3 月 30 日各小區(qū)施入化肥量的關(guān)系。 由圖可明顯看出， 產(chǎn)量對噴灌施肥的均勻程度同樣 也不敏感。圖 7 冬小麥產(chǎn)量與 2000年 3月 30日噴灌施肥量之間的關(guān)系3 結(jié)論與討論 作物從播種到形成經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量是一個十分復(fù)雜的過程， 影響產(chǎn)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、 田間管理措施、 病蟲害的防治技術(shù)等， 包括上述所有因素的田間試驗或數(shù)學(xué)模擬 將是一個龐大的系統(tǒng)工程， 在這一方面還需要進(jìn)行長期研究。 本研究得出下述初 步結(jié)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

19、善，改善的程度 隨噴灌均勻系數(shù)的提高而減??； (2) 灌溉季節(jié)內(nèi)累計灌水量的均勻系數(shù)大于平均 噴灌均勻系數(shù)， 也就是說， 用平均噴灌均勻系數(shù)表示灌溉季節(jié)的灌水均勻程度會 低估實際灌水的均勻性，這一結(jié)論對噴灌均勻系數(shù)設(shè)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(shù)變化范圍(62%82%)內(nèi)，噴灌均勻系數(shù)對作物產(chǎn)量及其要素均值和分布均勻程度的影響不明顯， 并且產(chǎn)量對噴灌施肥的不均勻性也不敏感。因此， 噴灌工程技術(shù)規(guī)范 19 規(guī) 定的均勻系數(shù)設(shè)計值 (CU75%)對華北平原區(qū)種植的冬小麥?zhǔn)瞧诎踩模谀?些情況下可以考慮適當(dāng)減小，以降低噴灌系統(tǒng)的投資和運(yùn)行費(fèi)用

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