楊明達，關小康，白田田，張鵬鈺，韓靜麗，王靜麗，王同朝

(河南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，河南鄭州450002)

發(fā)展節(jié)水灌溉是緩解水資源供需矛盾并實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關鍵。在目前所有的節(jié)水灌溉技術中，滴灌被認為是最為高效的節(jié)水灌溉技術之一［1］。地表滴灌和地下滴灌均屬于局部灌溉，由于僅濕潤部分土體，因此，可以減少土面蒸發(fā)，并且滴灌可以對灌水量、灌水時間及土壤濕潤范圍精確控制，這些優(yōu)點可以根據(jù)作物根系分布及作物耗水規(guī)律來調(diào)節(jié)土壤的水分及養(yǎng)分。地表滴灌作為一種比較成熟的節(jié)水灌溉技術，已經(jīng)得到了大面積的推廣應用。與地表滴灌相比，地下滴灌可以克服土壤表面水分含量較高、土面蒸發(fā)量較大的缺點，并能誘導根系下扎，增加蒸騰作用，具有提高水分利用效率的潛力，有更廣闊的應用前景［2－3］。灌水均勻性是評價滴灌系統(tǒng)的重要指標。地下滴灌的毛管被埋于地下一定深度，其灌水均勻性更易受土壤水力特性、土壤質(zhì)地等因素的影響而降低［4－5］。根系趨水性引起毛細根堵塞水孔以及系統(tǒng)停水后水分回流所致滴頭負壓而引起土壤顆粒內(nèi)吸堵塞滴頭是造成地下滴灌灌水均勻性差的重要原因。有關滴灌系統(tǒng)的灌水均勻性評價，國內(nèi)外許多學者都進行過研究［1，6－7］，CAMP 等［6］通過幾種均勻性檢驗方法，評價了系統(tǒng)運行8年的地下滴灌和地表滴灌的灌水均勻性，發(fā)現(xiàn)地下滴灌比地表滴灌均勻性有較大降低，主要原因是由于土壤顆粒堵塞滴頭造成的。但LEONOR等［1］研究認為，在勻質(zhì)壤土條件下，地表滴灌和地下滴灌的灌水均勻性均較好，兩者的差異可以忽略不計。就作物的有效性而言，真正意義上的灌水均勻度應是灌溉后土壤水分分布的均勻度。土壤水分分布的均勻度可以從灌水后土壤水分分布狀況及作物的長勢進行評估。滴灌帶的鋪設間距是滴灌系統(tǒng)設計的重要參數(shù)之一，決定著滴灌系統(tǒng)的投資效益。地表滴灌和地下滴灌屬于不同的灌水方式，兩者的土壤濕潤層次和濕潤體積存在較大差異。LEONOR等［1］研究認為，在灌水量相同的情況下，地下滴灌的濕潤土體積要大于地表滴灌。因此，必須按照兩種灌水方式下土壤水分的運動規(guī)律來確定適宜的滴灌帶間距，滴灌帶鋪設過密會造成投資成本增加，而滴灌帶間距過大，容易使兩滴灌帶中間作物發(fā)生水分虧缺而影響產(chǎn)量。根據(jù)不同灌水方式下實際入滲濕潤體特征值來確定滴灌帶間距是最為科學合理的手段。合理鋪設滴灌系統(tǒng)，優(yōu)化滴灌系統(tǒng)參數(shù)是提高滴灌系統(tǒng)效率，實現(xiàn)效益最大化的關鍵。前人對優(yōu)化滴灌參數(shù)的研究，以滴頭流量、管帶埋深、滴頭間距等參數(shù)的報道居多，對決定滴灌系統(tǒng)投資成本，并顯著影響滴灌系統(tǒng)均勻性——滴灌帶鋪設間距的研究較少，并且研究對象多為經(jīng)濟作物或蔬菜，對大田糧食作物的研究還不多見。為此，本研究通過開展大田試驗比較灌水后土壤的水分變化動態(tài)及夏玉米的生長狀況來評估地下滴灌和地表滴灌系統(tǒng)的運行狀況，并通過探究不同滴灌模式下土壤水分的空間分布特性，為本區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中優(yōu)化滴灌系統(tǒng)參數(shù)及推廣滴灌技術提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

本試驗于2014年在河南農(nóng)業(yè)大學科教園區(qū)(113°38'3″E，34°47'51″N)試驗田進行，地面平整，灌排方便。土壤0～100 cm土層的田間持水量、容重及機械組成如表1所示。0～80 cm土層土壤類型為沙質(zhì)壤土，80～100 cm土層土壤類型為黏質(zhì)壤土。

試驗設置2個處理，處理1為地下滴灌(SDI)，處理2為地表滴灌(DI)，均使用以色列Netafirm公司生產(chǎn)的滴管帶，2012年布設地下滴灌系統(tǒng)，系統(tǒng)運行2 a，滴頭距離0.30 m，流量1.38 L·h－1。地下滴管帶用鋪管機放置到距地表35～40 cm處，地表滴灌置于夏玉米行上，兩處理滴管帶間距均為60 cm。地下滴灌有6條滴灌帶(SDI1，SDI2，SDI3，SDI4，SDI5，SDI6)，地表滴灌有4條滴灌帶(DI1，DI2，DI3，DI4)。為了探究滴灌條件下密度對夏玉米生長及產(chǎn)量的影響，地下滴灌分別設置75 000，90 000和105 000株·hm－23個種植密度，地表滴灌設置9 000和105 000株·hm－22個種植密度，每2條滴灌帶上種植同一密度玉米。水源采用無塔供水系統(tǒng)，壓力恒定在0.08 MPa。夏玉米生長季節(jié)根據(jù)功能葉片中午是否萎蔫作為灌溉時間指標。用水表控制灌水總量，灌水時間和灌水量均相同，每次灌到田間持水量的80%(上限)。夏玉米全生育期共進行2次灌水，分別在2014－07－17和2014－08－16，每次灌水均為450 m3·hm－2。2014－06－07播種，2014－09－24收獲。

1.2 測定指標與方法

1.2.1 土壤分層容重、田間持水量和機械組成在播種前隨機調(diào)查0～100 cm每間隔20 cm土層的土壤容重、機械組成和田間持水量。

表1 0～100 cm土壤的物理性狀Table1 Soil physical characteristics and chemical properties in 0～100 cm soil

1.2.2 土壤水分運動模擬 測定滴水后距離滴管帶放置位置左側(cè)10，20，30，40 cm(DI處理水分探頭放置在距地表10 cm處)和土層垂直方向10，20，30，40，60，80，100 cm 土壤體積含水量(22 個傳感器，SDI和DI處理，watchdog測定);從灌溉開始每隔30 min測定1次土壤水分數(shù)據(jù)，連續(xù)監(jiān)測至灌溉結(jié)束。灌溉結(jié)束后每隔24 h測定1次，連續(xù)測定3 d，并在灌水結(jié)束土壤水分平衡后，每個處理隨機選取20個點用烘干法分別測定0～10，10～20和20～30 cm的土壤水分含量，并計算土壤水分均勻系數(shù)(用克里斯琴森均勻系數(shù)Cu表示)?？死锼骨偕鶆蛳禂?shù) Cu［7］(評估滴灌系統(tǒng)均勻性)計算如下:

式中:Cu為均勻系數(shù);θ為平均土壤含水率;Δ θ為每個取樣點的實際土壤含水率與平均值之差的絕對值的平均值，即平均差;θi為每個取樣點的實際土壤含水率;N為取樣點個數(shù)。

1.2.3 滴管帶流速 將壓力調(diào)至0.08 MPa設定壓力后，讓系統(tǒng)運行10 min左右，使系統(tǒng)工作壓力穩(wěn)定，然后將容積2 L的容器置于每個滴管帶滴灌口下方，用量筒測量單位時間內(nèi)每個容器中的水量，然后換算成滴頭流速。每次試驗在10條滴管帶間同時運行，重復測定3次。

1.2.4 變異系數(shù) 在成熟期，測定株高、穗位高、穗長計算不同滴灌條件夏玉米的株高、穗位高、穗長等的變異系數(shù)。

式中:SD為樣本的標準偏差;A為樣本平均數(shù)。

1.2.5 測產(chǎn)及考種 夏玉米收獲期，在每條滴管帶正上方，隨機連續(xù)取51株，每條滴管帶測定株距、行距，計算實有密度。每條滴灌帶取1組產(chǎn)量數(shù)據(jù)，SDI處理取6組產(chǎn)量數(shù)據(jù)(每組3次重復)，DI處理取4組產(chǎn)量數(shù)據(jù)(每組3次重復)。收獲后從每組取20個單株進行考種，按不同組號將穗部子粒脫粒曬干(含水量14%)用于測定產(chǎn)量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

使用Office 2010和Surfer 8.0對試驗數(shù)據(jù)進行處理分析與作圖，并用SAS V8.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。首先對不同處理間的指標進行方差分析。若差異顯著，再進行LSD多重比較(P≤0.05 顯著)。

2 結(jié)果與分析

2.1 滴灌方式對夏玉米植株性狀及其變異系數(shù)的影響

由表2看出，DI處理夏玉米株高和穗位高要高于SDI處理，但其穗長小于SDI。DI處理株高、穗位高和穗長的變異系數(shù)較SDI處理小，其變異系數(shù)的波動范圍也較SDI處理小。從密度和產(chǎn)量兩方面因素看，SDI5和DI2的密度相同，但SDI5的產(chǎn)量比DI2顯著提高了24%;SDI6和DI1的密度差異不大，但 SDI6的產(chǎn)量比 DI1顯著提高了18.4%。可見，在相似的密度下，SDI處理的產(chǎn)量要高于DI處理。對于DI處理，隨著密度的增大，夏玉米的產(chǎn)量呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢。

2.2 滴灌方式對灌水后土壤水分含量及其均勻系數(shù)的影響

由表3可以看出，第1次灌水SDI，DI處理不同土層的水分差異不大，可能是因為第1次灌水時(2014－07－18)有部分降雨所致。0～30 cm土層，SDI和DI處理的土壤含水量均較高，且差異不大，說明此時SDI和DI處理0～30 cm土層的土壤水分均達到飽和，SDI和DI處理不同土層深度的均勻系數(shù)相同也說明了這一點。從第2次灌水可以看出，在0～30 cm土層，SDI處理的均勻系數(shù)范圍為0.87 ～0.93，DI處理的均勻度范圍為0.96 ～0.97，DI處理的均勻度高于SDI處理，但兩者差異不大。SDI處理表層水分的含水量均小于DI處理，表層土壤含水量少，可以有效地減少土表的水分蒸散，達到節(jié)水的目的。

表2 滴灌方式對植株性狀及其變異系數(shù)影響Table 2 Effect of drip irrigation modes on plant trait and variation coefficient

表3 滴灌方式對灌水后土壤水分含量及其均勻系數(shù)的影響Table 3 Effect of drip irrigation on soil water content and its uniformity coefficient after irrigation

2.3 地下滴灌和地表滴灌灌水前后的土壤水分變化動態(tài)

圖1和圖2分別為(2014－08－16)SDI和DI處理在第2次灌水過程中和灌水后垂直和水平方向的土壤水分變化。由圖1－a可以看出，SDI處理灌水開始后垂直方向上水分最先發(fā)生變化的是40 cm土層，也就是滴灌帶埋深的土層。隨后由于土壤水分的重力作用及向上的土壤毛孔吸力，30和50 cm土層的土壤含水量開始增加。在灌水開始2 h后，20和30 cm土層的土壤含水量開始增加。60 cm土層的含水量在灌水開始3.5 h后有緩慢的上升趨勢。30，40和50 cm土層的含水量上升較快，在灌水3 h后基本土壤水分處于飽和狀態(tài)并維持恒定不變。在整個灌溉過程中，土壤水分波動較大的是 20～60 cm 土層，而 10，70，80，90和100 cm土層的土壤含水量基本沒有變化。在灌水結(jié)束后(圖1－b)第1天，70，80和90 cm土層都表現(xiàn)出了上升的趨勢，但上升的幅度有限，其中70和80 cm土層在灌水后第2天開始下降，而90 cm土層仍表現(xiàn)出上升的趨勢。30，40和50 cm土層由于水分下滲，灌水后都表現(xiàn)出了下降趨勢。在整個灌水過程后，10 cm土層的含水量均未發(fā)生變化，說明地下滴灌能夠保持地表土體干燥，有效降低土體蒸發(fā)。SDI處理距滴灌帶水平方向上，開始灌水后(圖1－c)，距滴灌帶橫向10 cm土層的土壤含水量迅速上升，并在灌水4.5 h后達到最大值，并保持恒定。隨后，距滴灌帶橫向20和30 cm處土層土壤含水量逐漸上升，其中距滴灌帶20 cm土層的土壤含水量上升的速率更快。距滴灌帶橫向40 cm土層的土壤含水量在整個灌溉過程中沒有變化。在灌水后(圖1－d)，距滴灌帶橫向10，20和30 cm土層的土壤含水量都表現(xiàn)出了逐漸降低趨勢，而距滴灌帶橫向40 cm土層的土壤含水量仍沒有變化，說明地下滴灌水分橫向滲透的半徑小于40 cm。

圖1 SDI處理灌水前后垂直方向0～100 cm和水平方向0～40 cm土壤水分動態(tài)變化Fig.1 Soil water distribution of 0 ～100 cm layer in vertical direction and 0 ～40 cm in horizontal direction during and after irrigating under subsurface drip irrigation condition

圖2 DI處理灌水前后垂直方向0～60 cm和水平方向0～40 cm土壤水分動態(tài)變化Fig.2 Soil water distribution of 0～60 cm layer in vertical direction and 0～40 cm in horizontal direction during and after irrigating under drip irrigation condition

由圖2－a可以看出，距滴灌帶垂直方向10 cm土層的土壤含水量在灌水開始后逐漸上升，在灌水2～4 h時迅速上升達到飽和狀態(tài)。隨后，距滴灌帶垂直方向20和30 cm處土層的土壤含水量開始逐漸上升，其中20 cm處土層的土壤含水量的上升幅度更大，距滴灌帶垂直方向40和60 cm處土層的土壤含水量在整個灌溉過程中基本沒有發(fā)生變化。灌溉結(jié)束后第1天到第3天(圖2－b)，距地灌溉垂直方向10，20和30 cm處土層的土壤含水量均表現(xiàn)出了下降趨勢，距滴灌帶垂直方向40 cm土層的土壤含水量表現(xiàn)出來小幅度的上升趨勢，而60 cm處土層的土壤含水量仍沒有發(fā)生變化，說明整個灌水過程水分縱向滲透范圍＜60 cm。距滴灌帶水平方向10 cm(圖2－c)土層土壤水分在灌水開始2 h后迅速上升，水平方向20和30 cm土層土壤含水量在開始灌溉3.5 h后迅速上升，水平方向40 cm土層土壤含水量在整個灌溉過程中沒有發(fā)生變化。灌溉結(jié)束后第1天到第3天(圖2－d)，橫向水平方向10，20，30和40 cm 土層的土壤含水量均表現(xiàn)出了逐漸降低趨勢。水平方向40 cm土層在灌溉結(jié)束后第1天測定的值高于灌水結(jié)束后測定的值，說明灌水結(jié)束后水分橫向擴散到40 cm土層。

綜上所述，SDI灌水過程中垂直于滴灌帶方向上濕潤的土層的范圍為20～60 cm，而整個灌溉過程濕潤土層的范圍為10～90 cm，水平方向上濕潤體半徑＜40 cm。DI灌水過程中垂直于滴灌帶方向上濕潤土層的范圍為0～30 cm，整個灌溉過程中濕潤土層的范圍為＜60 cm，水平方向上濕潤的土層半徑＞40 cm。SDI垂直方向上濕潤的土層范圍要大于DI，而水平方向上濕潤體半徑小于DI。

2.4 滴頭流速對夏玉米產(chǎn)量的影響

表4可知，SDI和DI處理滴頭流速的均勻度均不高，SDI處理滴頭流速及其均勻系數(shù)均小于DI處理。圖3可以看出，SDI和DI處理的產(chǎn)量均隨著滴頭流速的增加而呈增大趨勢。回歸分析表明，滴頭流速(X)與產(chǎn)量(Y)呈正線性相關，回歸方程為:SDI:Y=3 374.30 X+4 807.90，R=0.886 7*;DI:Y=11 222.00 X －625.60，R=0.959 3*。滴頭流速與產(chǎn)量存在顯著的正相關關系。水流速率越大，說明滴管帶灌水通暢性越好，單位時間內(nèi)流出的水量越多，土壤水分含量越高，可更多地供植株充分吸收利用，對產(chǎn)量的提高有利。因此，如何保證滴頭流量及提高其均勻性是提高滴灌產(chǎn)量的關鍵。

表4 滴頭流速對夏玉米產(chǎn)量的影響Table 4 Effect of emitter flow rate on yield of summer maize

3 結(jié)論與討論

測量灌溉后土壤水分的分布情況是評估灌溉系統(tǒng)灌水均勻度最為直接的方法［7］，也是評價灌溉質(zhì)量和灌溉工程的重要指標。有關灌水均勻度的研究，國內(nèi)大多數(shù)學者集中在同種灌水方式下不同灌溉參數(shù)間的對比研究。楊玫等［8］研究認為，畦灌的灌水均勻系數(shù)隨畦長、畦寬的增大而減小，隨單寬流量和坡度的增大而增大。韓文霆等［9］對噴灌的研究表明，三角形組合的噴灌方式具有較高的噴灌均勻系數(shù)，并且認為壓力顯著影響噴灌均勻系數(shù)。前人也對滴灌條件下不同灌溉參數(shù)的灌水均勻度進行了相關研究，包括灌水器的壓力、滴頭流量、滴灌帶間距及鋪設長度等。但國內(nèi)有關不同灌水方式間(地下滴灌和地表滴灌)灌水均勻度的對比性研究還不多見。本研究中，在土壤類型主要為沙質(zhì)壤土的條件下，地下滴灌和地表滴灌在灌水后土壤水分的均勻度均較高，均勻系數(shù)分別為0.87～0.93 和 0.96 ～0.97。另外，作物的生長狀況也可以間接地反映土壤水分的分布狀況，雖然地下滴灌的株高、穗位高、穗長的變異系數(shù)及變異系數(shù)的波動范圍較地表滴灌小，但兩者的差異不顯著?？梢?，本試驗條件下，地下滴灌和地表滴灌均具有良好的灌水均勻度。

滴灌屬于局部灌溉，滴頭所濕潤的范圍為根系吸收水分的區(qū)域，因此，必須了解滴頭濕潤土體的大小及范圍，從而選擇合適的滴灌參數(shù)，既能節(jié)水增產(chǎn)，又能降低投資成本。了解滴灌的實際入滲濕潤體特征值是確定滴灌系統(tǒng)參數(shù)的重要基礎。陳若男等［11］通過田間交匯試驗得出新疆沙礫地葡萄滴灌合理的滴頭間距為30 cm，滴灌帶水平間距為60 cm?？追庇畹龋?0］在新疆地區(qū)通過大田研究認為，壤土條件下地下滴灌帶的鋪設間距120 cm以內(nèi)為宜。本研究通過灌溉前后土壤水分的實測數(shù)據(jù)，對比分析了地下滴灌和地表滴灌的濕潤土體特征。在灌水量均為450 m3·hm－2的情況下，地下滴灌垂直方向上濕潤土體的范圍要大于地表滴灌;地下滴灌水平方向上濕潤體半徑小于40 cm，而地表滴灌水平方向上濕潤體半徑大于40 cm。另外，本試驗條件下，地下滴灌灌溉后垂直方向上濕潤體范圍為10～90 cm，既保持了地表土面干燥，又避免了深層滲漏的發(fā)生。這些對實際生產(chǎn)中不同滴灌模式下滴灌帶的鋪設間距及制訂灌溉制度具有一定的參考價值。地下滴灌的濕潤體范圍要大于地表滴灌，更有力于根系的下扎生長。保持地表干燥能有效降低地表耗散，具有更大提高水分利用及增產(chǎn)的潛力。本研究得出的在相似的密度下地下滴灌的產(chǎn)量要顯著高于地表滴灌的結(jié)論也印證了上述觀點。

研究表明，滴頭堵塞是導致地下滴灌灌水均勻性大幅降低的主要原因［6］。滴頭流速可以間接反映滴頭的堵塞狀況及滴灌系統(tǒng)的運行情況。本研究中，地下滴灌滴頭流速的均勻系數(shù)為0.65，地表滴灌為0.81，地表滴灌的滴頭流速的均勻系數(shù)要高于地下滴灌，但2種滴灌方式下滴灌帶均存在堵塞情況。2種滴灌系統(tǒng)在同時運行的情況下，地下滴灌的滴頭流速要小于地表滴灌，這主要是因為地下滴灌的滴灌帶受土壤壓力的影響。何華［11］研究認為，相同土壤質(zhì)地，灌水量一樣時，滴頭流量越大，水平方向的水分運移越快，運移距離也越大。本研究得出的在相同灌水量的情況下，地下滴灌的水平濕潤半徑小于地表滴灌的結(jié)論是對上述觀點很好的佐證。另外，本研究通過滴頭流速與產(chǎn)量的相關分析得出，滴頭流速與產(chǎn)量存在正相關關系。因此，如何保證滴頭流量及提高其均勻性是提高產(chǎn)量的關鍵。

數(shù)值模擬被廣泛用于土壤水分運動模擬［12－13］，它可以對試驗中各種情況進行對比分析，并能克服試驗研究費時耗力及存在觀察誤差等缺點［13］。在滴灌條件下土壤水分運動規(guī)律的研究中，HYDRUS軟件被認為模擬的土壤水分數(shù)值和實測值具有較好的一致性［14］。但國內(nèi)將HYDRUS軟件應用于實際田間，考慮作物的生長及根系吸水以指導生產(chǎn)實踐的研究尚不多見，因此，今后有必要加強此方面的探究，以期為更合理構建滴灌設計參數(shù)提供依據(jù)。

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