礫石覆蓋量對夏玉米作物系數(shù)及水分利用效率的影響

劉曉青，左億球，馮　浩，3，李　毅

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院， 陜西 楊凌 712100；

2.西北農(nóng)林科技大學(xué)中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院， 陜西 楊凌 712100；

3.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所， 陜西 楊凌 712100)

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礫石覆蓋量對夏玉米作物系數(shù)及水分利用效率的影響

劉曉青1，2，左億球1，2，馮浩1，2，3，李毅1，2

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院， 陜西 楊凌 712100；

2.西北農(nóng)林科技大學(xué)中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院， 陜西 楊凌 712100；

3.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所， 陜西 楊凌 712100)

摘要：為評價(jià)半濕潤易旱地區(qū)礫石覆蓋對土壤貯水量、作物生長與產(chǎn)量及水分利用效率的影響，利用楊凌地區(qū)夏玉米2014年實(shí)測數(shù)據(jù)及氣象數(shù)據(jù)，基于Penman-Monteith公式計(jì)算了礫石不同覆蓋量下全生育期內(nèi)參考作物蒸發(fā)蒸騰量，并根據(jù)FAO推薦的分段單值平均法，計(jì)算夏玉米各生育期作物系數(shù)，以及礫石不同覆蓋量下作物水分利用效率。結(jié)果表明：礫石覆蓋的保水效果主要體現(xiàn)在作物生長初期，拔節(jié)期最大礫石覆蓋處理0～200 cm土壤貯水量較對照增大12.8%，后期由于冠層覆蓋影響其效果減弱；夏玉米全生育期作物系數(shù)與覆蓋量呈線性關(guān)系；覆蓋量越大，不同生育階段的作物系數(shù)也相應(yīng)增加；葉面積和株高與作物系數(shù)有著較好的回歸關(guān)系，可以對生育期內(nèi)的玉米蒸散量進(jìn)行預(yù)報(bào)；礫石覆蓋可以縮短夏玉米生育期的天數(shù)，最大可縮短19 d；礫石覆蓋能促進(jìn)作物生長，提高作物產(chǎn)量，且在該試驗(yàn)覆蓋量范圍內(nèi)，覆蓋量越大，增產(chǎn)增效越明顯，隨覆蓋量增加，各處理分別較對照提高4.65%～38.17%；作物水分利用效率隨覆蓋量的增大分別較對照提高2.94%～32.99%。

關(guān)鍵詞：夏玉米；礫石覆蓋；參考作物騰發(fā)量；作物系數(shù)；水分利用效率

農(nóng)田礫石覆蓋是我國一種傳統(tǒng)的抗旱栽培方式，至今已有300多年的歷史[1]。近年來，由于全球氣候變化和水資源匱乏，水分已經(jīng)成為限制旱區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要因素。國內(nèi)外學(xué)者對砂礫石覆蓋的增溫效應(yīng)[2-3]、水分入滲與蒸散[3-6]、補(bǔ)灌增產(chǎn)效果[7-8]等進(jìn)行了大量研究，結(jié)果表明礫石覆蓋可以保持土壤水分，減少土壤水分蒸發(fā)，增加土壤溫度，提高作物產(chǎn)量和水分利用效率[9]。因此，研究砂礫石覆蓋對夏玉米生長發(fā)育和耗水特性的影響，對砂礫石覆蓋在旱區(qū)農(nóng)業(yè)推廣應(yīng)用具有重要的意義。

作物系數(shù)(Kc)是作物的實(shí)際蒸發(fā)蒸騰量(ETc)與參考作物蒸發(fā)蒸騰量(ET0)的比值[10]。Kc反映了作物種類、作物本身的生物學(xué)特性、產(chǎn)量水平、田間管理水平及土壤水肥狀況對農(nóng)田ETc的影響[11]。目前，國內(nèi)外眾多學(xué)者對農(nóng)田作物系數(shù)給予了關(guān)注。Allen，Pereira，Smith[12-13]和Abolfazl等[14]對作物系數(shù)與土壤蒸發(fā)的關(guān)系進(jìn)行了較為細(xì)致的研究；雷志棟和劉鈺等根據(jù)田間實(shí)測資料，對FAO-56推薦的作物系數(shù)計(jì)算方法及相關(guān)參數(shù)在我國適用性進(jìn)行了驗(yàn)證并適當(dāng)修正[15-16]。利用聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)推薦的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下(白天平均最低相對濕度45%，平均風(fēng)速2 m·s-1，半濕潤氣候)的作物系數(shù)來估算作物ETc，是普遍使用的手段[17]。由于作物本身和外界條件不同，Kc有很大差異，因此有必要針對不同作物、不同的發(fā)育時(shí)期，確定適宜的作物系數(shù)。前人對不同作物系數(shù)和水分利用效率的研究較多[18-20]，但對礫石不同覆蓋量對于夏玉米作物系數(shù)和水分利用效率的影響鮮見報(bào)道，需要進(jìn)一步研究。

本研究基于楊凌地區(qū)礫石不同覆蓋量條件下夏玉米生長發(fā)育過程、土壤水分以及氣象觀測數(shù)據(jù)，計(jì)算夏玉米作物系數(shù)以及作物水分利用效率，研究不同礫石覆蓋量對夏玉米不同生育階段作物系數(shù)和水分利用效率的影響，為制定合理的礫石覆蓋措施，提高作物水分利用效率提供依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2014年布設(shè)在陜西楊凌西北農(nóng)林科技大學(xué)教育部農(nóng)業(yè)水土工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的灌溉試驗(yàn)站，楊凌地理位置處于東經(jīng)108°24′，北緯34°20′，海拔521 m，屬大陸暖溫帶濕潤季風(fēng)氣候。全年無霜期221 d，地形平整，土層深厚，土壤質(zhì)地為中壤土，1 m土層的平均田間持水量為24%，凋萎含水量為8.5%(均為質(zhì)量含水率)，平均干容重為1.44 g·cm-3。多年月平均氣溫為12.9℃，日照時(shí)數(shù)2 163.8 h，多年平均降雨量為635.1 mm(多集中在7—10月)，且降水變化率比較大，平均蒸發(fā)量為993.2 mm。地下水埋藏較深，其向上補(bǔ)給量可以忽略不計(jì)。站內(nèi)設(shè)有國家一般氣象觀測站，按照國家氣象局的地面氣象觀測規(guī)范可獲得每日的氣象資料(氣溫、濕度、降水、日照、水面蒸發(fā)、風(fēng)速、氣壓和地溫)。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試作物為夏玉米(品種為秦龍11)。試驗(yàn)設(shè)裸地和礫石覆蓋，其中礫石覆蓋量設(shè)4個(gè)梯度：2、4、6、8 kg·m-2，共5個(gè)處理，分別用CK、S2、S4、S6、S8表示，區(qū)組內(nèi)各處理隨機(jī)排列，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，小區(qū)面積為3 m×5 m，在各小區(qū)邊緣0～1 m土層豎直鋪一層塑料薄膜，避免各個(gè)小區(qū)土壤水分的側(cè)向滲漏。夏玉米種植行距為60 cm，株距為40 cm。打穴播種，播種深度為5 cm，按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)的覆蓋量均勻地把礫石鋪開，其礫石粒徑范圍為1～3 cm。每個(gè)處理除地表覆蓋量不同外，其他管理方式均一致，灌溉方式采用地表漫灌，在拔節(jié)期灌水50 mm。全生育期N、P2O5的施入量分別為150、100 kg·hm-2。播種前將基肥一次性施入到土壤中，生育期內(nèi)不追肥。

作物生育期內(nèi)部分氣象數(shù)據(jù)見圖1。由圖1可知，夏玉米整個(gè)生育期降水量為380.2 mm，主要集中在8—9月，其他數(shù)據(jù)較往年無較大差異，具有一定的代表性。

1.3測定項(xiàng)目和方法

土壤水分測定采用管式土壤水分測定系統(tǒng)Trime-IPH(TDR)，測量深度為200 cm，距地面0～40 cm深度,每隔10 cm測定一次，40 cm以下每隔20 cm測量一次。從播種到收獲期，測定時(shí)間間隔為10 d，灌溉后或雨后加測一次。有研究表明，當(dāng)土壤含水率高于田間持水率的60%時(shí)，土壤水分適宜，作物生長將不受水分脅迫[21]，本試驗(yàn)中，由測得的數(shù)據(jù)了解到在夏玉米整個(gè)生育期土壤的含水率均高于田間持水率的60%，尤其是在抽穗-灌漿期間，因此，本試驗(yàn)條件下作物生長不考慮水分脅迫的影響，測量的農(nóng)田蒸散量能夠代表無水分脅迫條件下作物的蒸散量水平。

圖1夏玉米生育期氣象數(shù)據(jù)

Fig.1Meteorological data during the growth period of summer corn

作物出苗后，記錄作物發(fā)育期(以50%為標(biāo)準(zhǔn))，每隔15 d進(jìn)行作物農(nóng)藝性狀測定，包括植株密度、株高、葉面積和各器官的干物質(zhì)重等。在每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取具有代表性的2株，利用鋼尺測定每片葉子長和寬的最大值及植株高度，然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式(1)計(jì)算葉面積指數(shù)，取其平均值。

LAI=ρ·∑a·b·0.75/10000

(1)

式中，ρ為每公頃株數(shù)，根據(jù)播種的株行距確定；a為葉片的長度，m；b為葉片的寬度，m。

根據(jù)播種的株行距及出苗率，計(jì)算單位面積內(nèi)的株數(shù)。在玉米生理成熟時(shí)，每個(gè)小區(qū)選取10株具有代表性的玉米進(jìn)行考種，按單株考種，單穗脫粒，籽粒均脫水至恒質(zhì)量后稱重，然后根據(jù)每公頃的株數(shù)計(jì)算每公頃的產(chǎn)量。

1.4指標(biāo)計(jì)算方法

1.4.1按生育階段計(jì)算作物系數(shù)(Kc)按照夏玉米整個(gè)生育期進(jìn)行階段劃分可分為播種～出苗、出苗～拔節(jié)、拔節(jié)～抽雄、抽雄～灌漿、灌漿～成熟5個(gè)階段，各階段歷時(shí)天數(shù)見表1，利用單作物系數(shù)法計(jì)算每個(gè)生育階段的作物系數(shù)。

1) 實(shí)際作物蒸發(fā)蒸騰量(ETc)的計(jì)算。

實(shí)際作物蒸發(fā)蒸騰量[22]采用農(nóng)田水量平衡方程計(jì)算：

ETc=P+I-R-D-ΔW

(2)

式中，P為時(shí)段內(nèi)降水量(mm)；I為時(shí)段內(nèi)灌溉量(mm)；R為地表徑流量(mm)，在平原地區(qū)可以忽略不計(jì)(mm)；D深層滲漏量(mm)，遠(yuǎn)大于計(jì)劃濕潤層，可以計(jì)為0；ΔW為相鄰兩次取土測定土壤水分時(shí)間間隔內(nèi)根層土壤貯水量的變化(mm)，其中土壤貯水深度(mm)的換算見式(3)。

(3)

式中，h為土層厚度(cm)；d為土壤容重；θ為土壤重量含水量。本試驗(yàn)在平原地區(qū)進(jìn)行，且土壤水分測定下邊界為200cm，遠(yuǎn)大于計(jì)劃濕潤層，因此地表徑流和深層滲漏可以忽略不計(jì)。

2) 參考作物蒸發(fā)蒸騰量(ET0)的計(jì)算。

大量研究表明，用Penman-Monteith公式計(jì)算的ET0與實(shí)測結(jié)果最為接近[23-24]，因此，本文的ET0采用FAO推薦的修訂后的Penman-Monteith公式計(jì)算：

(4)

式中，Rn為作物冠層的凈輻射(MJ·m-2·d-1)；G為土壤熱通量(MJ·m-1·d-1)，在逐日計(jì)算中G=0；T為平均氣溫(℃)；u2為2m高處的平均風(fēng)速(m·s-1)；es為飽和水汽壓(kPa)；ea為實(shí)際水汽壓(kPa)；Δ為飽和水汽壓與溫度曲線的斜率(kPa·℃-1)；γ為干濕表常數(shù)。

利用氣象站逐日氣象資料計(jì)算ET0(mm·d-1)，生育期內(nèi)逐日累加可求出時(shí)段ET0。

3) 作物系數(shù)(Kc)的計(jì)算。

作物系數(shù)Kc描述了實(shí)際作物在農(nóng)田下墊面反射率、作物冠層特性及空氣動力學(xué)阻力等方面(地表覆蓋均勻，土壤水分充足，生長旺盛，株高為12cm，具有下墊面反射率0.23和冠層阻力70s·m-1)與參考作物的不同[16]。Kc的計(jì)算公式為：

(5)

1.4.2分段單值平均法計(jì)算作物系數(shù)(Kc)為簡化計(jì)算，根據(jù)FAO推薦將作物的生育期劃分為初期、快速發(fā)育期、生育中期及后期4個(gè)階段[10]。初期作物系數(shù)記為Kcini；生育中期作物系數(shù)記為Kcmid；后期物系數(shù)記為Kcend。四個(gè)生育期的3個(gè)作物系數(shù)形成了一個(gè)折線圖，表示作物系數(shù)的變化過程。首先從FAO出版的《作物騰發(fā)量-作物需水量指南》查出夏玉米在特定標(biāo)準(zhǔn)條件下(即最小相對濕度約45%、2m高處日平均風(fēng)速約2m·s-1、供水充足、管理良好)各生育階段作物系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值分別為：Kcini(FAO)=0.50，Kcmid(FAO)=1.20，Kcend(FAO)=0.60[3]。然后根據(jù)試驗(yàn)區(qū)的氣象條件和作物的實(shí)際生長狀況，觀察并記錄各處理的各生育階段的起止時(shí)間，利用相關(guān)公式[16]計(jì)算4個(gè)階段的3個(gè)典型作物系數(shù)值。

1.4.3水分利用效率(WUE)的確定作物水分利用效率為作物消耗單位水量生產(chǎn)出的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量或生物產(chǎn)量，本文利用經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量進(jìn)行計(jì)算，其表達(dá)式為：

(6)

式中，Y為單位面積的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量(kg·hm-2)；WUE為作物水分利用效率(kg·mm-1·hm-2)；E為作物耗水量(mm)，本試驗(yàn)中E可以用作物蒸發(fā)蒸騰量來代替，因此可以利用公式(2)計(jì)算。

1.5統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Sigmaplot11.0和Excel處理和作圖，用DPS7.05軟件統(tǒng)計(jì)分析，并用LSD法檢驗(yàn)差異顯著性，顯著水平設(shè)定為α=0.05。

2結(jié)果與分析

2.1不同處理各土壤層貯水量的變化

根據(jù)測定水分的方法，將土壤土層分為0～40、40～100、100～200 cm三個(gè)層次，基于實(shí)測土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，結(jié)合式(2)分別計(jì)算各處理不同土層的貯水量變化，不同處理土壤儲水量的時(shí)間變化如圖2所示。

注(Note): *LSD, least significant difference at 5% level based on 0～200 cm soil layer.

圖2不同處理土壤各層貯水量變化

Fig.2Changes in soil water storage capacities by different treatments

土壤貯水量的變化與夏玉米的生長發(fā)育特點(diǎn)及研究區(qū)的降水條件相關(guān)，同時(shí)灌溉、溫度、土壤蒸發(fā)等的不同也會引起貯水量的變化。由于本試驗(yàn)中覆蓋量不同導(dǎo)致溫度、蒸發(fā)、玉米生長狀況等的不同，所以各處理不同階段的貯水量有著明顯的差異。由圖2中可以看出：① 對比不同土層，整個(gè)生育期內(nèi)，各處理表層0～40 cm貯水量變化最為明顯，受降雨、溫度、蒸發(fā)等的影響比較大，尤其是灌漿期、成熟期降水量較多，所以0～40 cm貯水量明顯高于其他生育期；而深層100～200 cm貯水量變化較小，不易受降雨等的影響。② 對比不同覆蓋量處理，各層貯水量基本都隨著覆蓋量的增加而增大，拔節(jié)期最為明顯，0～200 cm貯水量S8較CK處理增大12.8%，由于灌漿期、成熟期降水量較多，使得各處理之間貯水量相差較小，灌漿期S8較CK處理只增大6.82%。S4、S6、S8較CK、S2處理間差異顯著，S4、S6、S8處理之間差異不顯著，說明覆蓋量的增加能夠提高土壤貯水量，且貯水量的變化主要發(fā)生在0～40、40～100 cm。分析結(jié)果表明礫石覆蓋具有較好的保持土壤水分的作用，且覆蓋量越大，作物效果越顯著。③ 對比不同生育期，出苗～拔節(jié)期，隨著覆蓋量的增加，0～200 cm貯水量呈增加趨勢，且S4、S6、S8較CK、S2處理間差異顯著，這可能是由于在夏玉米生長初期(出苗～拔節(jié)期)，作物冠層覆蓋度較小，日照強(qiáng)度較大，礫石覆蓋阻礙了土壤水分向大氣逸散的通道，降低了土壤的無效蒸發(fā)；抽雄～成熟期，降雨較多，0～200 cm貯水量明顯增加，但其隨覆蓋量增加變化規(guī)律一致，增幅較對照減小，S4、S6、S8之間差異性不顯著。這可能是由于玉米快速生長，作物耗水量和冠層覆蓋度明顯增加，加之初期覆蓋量大的處理水分供應(yīng)充足，其玉米長勢較對照好，因此冠層覆蓋對貯水量影響較礫石覆蓋大，各處理之間差異不明顯。由此可知，礫石覆蓋的保水效果主要體現(xiàn)在作物生長初期，后期由于冠層覆蓋影響，其效果減弱。

2.2夏玉米作物系數(shù)

2.2.1各生育階段作物系數(shù)(Kc)基于實(shí)測土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)和氣象資料，分別計(jì)算夏玉米各生育期不同砂石覆蓋量下的ET0、ETc和Kc值，結(jié)果如表1所示。

由表1可以看出夏玉米參考作物蒸發(fā)蒸騰量表現(xiàn)以下特點(diǎn)：① 夏玉米試驗(yàn)期間8—9月的降雨量占了整個(gè)生育期的75%，因此，受溫度和陰雨天氣偏多的影響，全生育期內(nèi)的ET0比較小，主要在267.73～291.44 mm之間。② 整個(gè)生育期各處理ET0均呈先增大后減小的變化趨勢，在出苗～拔節(jié)期達(dá)到峰值，分別占了全生育期比例的32.63%、33.31%、32.60%、31.72%、31.47%；日均ET0同樣在出苗～拔節(jié)期達(dá)到峰值，然后隨生育期逐漸減小。③ 同一生育期ET0隨覆蓋量的增加基本呈減小趨勢，全生育期，S8較CK最大減小8.14%，其原因可能是覆蓋量的增加促進(jìn)了玉米生長，縮短了生育期，使得ET0隨覆蓋量的增加而減小。

由表2可以看出夏玉米實(shí)際蒸發(fā)蒸騰量具有以下特點(diǎn)：① 受溫度和陰雨天氣偏多的影響，夏玉米全生育期內(nèi)的ETc主要在244.81～254.34 mm之間；② 各處理ETc在整個(gè)生育期內(nèi)的變化規(guī)律與ET0基本一致，在拔節(jié)～抽雄期達(dá)到峰值，分別占了全生育期比例的27.38%、26.61%、26.64%、25.19%、27.87%；日均ET0同樣在拔節(jié)～抽穗期達(dá)到峰值；③ 全生育期ETc隨覆蓋量增加而增加，分析原因可能是冠層覆蓋度增加，使得作物蒸騰所占比例增大，而覆蓋量越大，作物長勢越好，因此作物蒸騰較CK增加，即ETc增大。

由表3可以看到：各個(gè)生育期Kc隨覆蓋量增加逐漸增大，CK最小，S8最大；其在整個(gè)生育期內(nèi)的變化規(guī)律均先增大后減小，在抽雄～灌漿期達(dá)到一個(gè)最大值，可見，此時(shí)期為夏玉米的水分敏感期，這個(gè)結(jié)論與其他人關(guān)于其他作物的作物系數(shù)研究結(jié)構(gòu)一致[25]。這可能是由于生長初期，作物系數(shù)比較小，隨著玉米出苗并開始生長，蒸騰開始占日耗水量的很大部分，作物系數(shù)也隨玉米植株冠層的發(fā)育逐漸增大上升。當(dāng)冠層得到充分發(fā)育時(shí)，作物系數(shù)也達(dá)到最大值，以后隨玉米逐漸成熟及葉片的衰老，呼吸作用不斷減弱，作物系數(shù)又開始下降。

表2　夏玉米不同處理各生育階段實(shí)際蒸發(fā)蒸騰量

表3　夏玉米不同處理各生育階段作物系數(shù)

用多項(xiàng)式對不同生育期的作物系數(shù)Y與覆蓋量x(kg·m-2)進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)二者可用線性方程表達(dá)：

Y=Ax+B

式中的A，B分別為線性回歸分析參數(shù)。將得出的回歸參數(shù)結(jié)果列于表4中。

表4　不同生育期作物系數(shù)與覆蓋量的回歸方程系數(shù)

由表4可以看出，出苗期擬合度R2較小，之后生育期R2均達(dá)到了0.94以上，說明作物系數(shù)與礫石覆蓋量擬合結(jié)果較好，擬合方程系數(shù)A代表了作物系數(shù)與覆蓋量變化之間的關(guān)系。地表覆蓋礫石在出苗期會影響出苗率，而且覆蓋量越大，對出苗需要的天數(shù)及出苗率的影響更明顯，因此播種～出苗期，作物系數(shù)與覆蓋量成反比。后期作物生長過程中，擬合系數(shù)大于零，說明覆蓋量越大，作物系數(shù)越大；而且，覆蓋量對作物生長的影響在出苗～灌漿期比較明顯，這與ET0，ETc和Kc的變化規(guī)律一致。因此可以在相似的氣象條件下，應(yīng)用表4中建立的不同生育期作物系數(shù)與礫石覆蓋量的回歸方程，粗略計(jì)算夏玉米不同覆蓋量條件下的作物系數(shù)。

2.2.2分段單值平均法計(jì)算作物系數(shù)(Kc)根據(jù)試驗(yàn)氣象數(shù)據(jù)及作物生長記錄情況，將夏玉米初始生長期的數(shù)據(jù)資料及生育中期和后期的實(shí)際氣象資料和作物株高代入相關(guān)公式[16]，可求得本試驗(yàn)各處理初期作物系數(shù)，范圍為0.61～0.80，經(jīng)計(jì)算并四舍五入得到各處理情況下夏玉米中后期作物系數(shù)，即Kcmid≈1.10，Kcend≈0.51。根據(jù)作物生長記錄情況及四個(gè)生育期的作物系數(shù)繪制折線圖3。

與FAO-56指南中提供的夏玉米在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的三個(gè)典型值(Kcini(FAO)=0.50，Kcmid(FAO)=1.20，Kcend(FAO)=0.60)相比，本試驗(yàn)中所求得的值與典型值都較接近。再與單作物系數(shù)法求得的Kc比較，各個(gè)生育期的Kc值基本上都在折線周圍，兩種方法求得的作物系數(shù)是比較接近的。由圖3生長天數(shù)可以看出，礫石覆蓋可以縮短夏玉米生育期的天數(shù)，且覆蓋量越大，生育期提前的越多，本試驗(yàn)S8較CK整個(gè)生育期提前了19 d。但由于受年份的影響，具體情況還需要利用當(dāng)?shù)囟嗄暝囼?yàn)資料驗(yàn)證。

圖3分階段作物系數(shù)折線圖

Fig.3The crop coefficient with phased line chart

2.3夏玉米作物系數(shù)(Kc)與葉面積(LAI)和株高(H)的關(guān)系

由表3可以看到，作物生長的初期，Kc是小于1.0的，表明ETc要小于ET0，這主要是由于初期玉米的葉面積指數(shù)較小，依靠作物蒸騰的水分較少；隨著葉面積指數(shù)的增大，農(nóng)田蒸散主要是作物的蒸騰耗水，因此ETc逐漸增大，并超過ET0，這時(shí)Kc大于1.0。前人對于冬小麥作物系數(shù)與葉面積和株高的關(guān)系已有研究，并建立了作物系數(shù)(Kc)與葉面積指數(shù)(LAI/LAImax)和株高(H/Hmax)的關(guān)系[26]。本文利用2014年實(shí)測數(shù)據(jù)建立作物系數(shù)(Kc)與葉面積指數(shù)(LAI/LAImax)和株高(H/Hmax)的關(guān)系(圖4)。

圖4作物系數(shù)(Kc)和葉面積指數(shù)(LAI/LAImax)以及株高(H/Hmax)的關(guān)系

Fig.4Relationships beween crop coefficient (Kc), and leaf area index (LAI/LAImax) and plant height (H/Hmax)

作物葉面積指數(shù)一般根據(jù)平均單株葉面積和平均單位面積上作物株數(shù)來確定。在夏玉米拔節(jié)～灌漿期，農(nóng)田蒸散量的增加主要是由于葉面積指數(shù)的增加，作物蒸騰量增大所致。從圖4a可以看出，Kc隨著LAI的增加而增加，而且隨著LAI/LAImax的增大Kc增加的越快。當(dāng)LAI達(dá)到最大值時(shí)，Kc也達(dá)到最大值。

葉面積增加的同時(shí)株高也在增加，二者有著很好的相關(guān)性。相對于葉面積的測量和葉面積指數(shù)的計(jì)算，作物的株高則非常容易測量，固定具有代表性的植株，直接用鋼尺測定即可，既不破壞植株體，且具有較好的連續(xù)性。因此建立株高和作物系數(shù)的回歸關(guān)系，如圖4b，作物系數(shù)與葉面積和株高有著相似的回歸關(guān)系。隨著株高的增加，Kc逐漸增大。

作物的蒸散量ETc可根據(jù)式(5)計(jì)算得到，本文可以利用葉面積指數(shù)和株高與作物系數(shù)的回歸方程，結(jié)合ET0對生育期內(nèi)的玉米蒸散量進(jìn)行預(yù)報(bào)，而且相關(guān)研究計(jì)算得到的農(nóng)田蒸散量差別不大，說明此方法是可行的[26]。但以葉面積指數(shù)計(jì)算作物系數(shù)主要考慮作物蒸騰在總蒸散量中的比例，因此以此建立的關(guān)系可能會低估實(shí)際的蒸散量。同時(shí)由于株高和葉面積密切相關(guān)，因此以株高建立的關(guān)系也會遇到同樣的問題。

2.4夏玉米各處理對作物產(chǎn)量和水分利用效率的影響

根據(jù)前人的研究可以知道， 礫石覆蓋可以減少土壤水分蒸發(fā)， 保持作物關(guān)鍵時(shí)期的需水， 為作物生長發(fā)育提供了有利的水分條件。 而且， 有關(guān)研究結(jié)果還表明， 礫石覆蓋還具有協(xié)調(diào)養(yǎng)分供應(yīng)， 提高作物產(chǎn)量， 進(jìn)而提高水分利用效率的作用[1，9]。表5列出了本實(shí)驗(yàn)各處理的產(chǎn)量、耗水量及水分利用效率。

表5　礫石覆蓋量對作物水分利用效率的影響

注：同列不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

Note: Different letters in same column indicate significant difference among treatments at 0.05 level.

由表5數(shù)據(jù)可以得到，S2、S4、S6、S8較CK產(chǎn)量分別提高了4.65%、13.96%、27.63%、38.17%，本文中耗水量用ETc代替，由表中數(shù)據(jù)計(jì)算得到，S2、S4、S6、S8耗水量較CK分別增加了1.65%，3.61%，4.42%，3.89%，各處理較CK具有顯著性差異，說明作物獲得較高產(chǎn)量需要消耗的水分也會相應(yīng)增加。由式(6)可以看出，作物水分利用效率與產(chǎn)量成正比，產(chǎn)量越高，作物水分利用效率越高。從表5可以看出，水分利用效率隨著覆蓋量的增加而增大，S2、S4、S6、S8較CK水分利用效率分別提高了2.94%、9.98%、22.23%、32.99%。因此，覆蓋量的增加，有效提高了水分利用效率，而且覆蓋量越大，WUE增加越明顯，說明礫石覆蓋量的增加可以促進(jìn)作物的生長，提高作物產(chǎn)量，進(jìn)而提高作物水分利用效率。

3討論

在干旱半干旱地區(qū)，作物增產(chǎn)主要依賴于生育期間的有效降水、土壤的蓄水和土壤蒸發(fā)[27-28]，因此，保持土壤水分，減少土壤無效蒸發(fā)，為后期作物生長提供充足的水分供應(yīng)是增加作物產(chǎn)量的首要任務(wù)。特別是在干旱年份，由于氣候干燥，降雨后，地表蒸發(fā)強(qiáng)烈，土壤含水率下降很快，難以滿足作物生長需要，因此對農(nóng)田采用保護(hù)性耕作措施，有利于將降雨貯存在深層土壤，以供作物生長需要[29]。礫石覆蓋措施對土壤水分的影響較大，其與作物生育期降水量及土壤蒸發(fā)關(guān)系密切，而且其密切程度與礫石覆蓋量又緊緊相關(guān)。有研究證明，礫石覆蓋可以保持土壤水分、減少土壤水分蒸發(fā)、提高作物產(chǎn)量和水分利用效率[9]，并在干旱地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用[1]。

本試驗(yàn)通過田間試驗(yàn)，觀察記錄整個(gè)生育期內(nèi)生長狀況，分析了礫石不同覆蓋量對土壤儲水量、作物生長、產(chǎn)量及耗水的影響，表明礫石覆蓋能夠較好的保持土壤水分，降低農(nóng)田蒸散量，而且其在作物生長初期表現(xiàn)較明顯，后期由于受冠層覆蓋增加的影響效果減弱；礫石覆蓋的保水抑蒸作用與覆蓋量密切相關(guān)，覆蓋量增加，其對土壤的保水抑蒸作用更明顯，特別是有降雨發(fā)生的時(shí)期。因此礫石覆蓋促進(jìn)了作物生長，縮短了作物生育期天數(shù)，提高作物產(chǎn)量，進(jìn)而提高作物水分利用效率，且在本試驗(yàn)范圍內(nèi)，隨覆蓋量的增加效果越明顯。

本試驗(yàn)就礫石覆蓋量對土壤貯水量、作物生長與產(chǎn)量及水分利用效率的影響展開研究，目的在于有效地蓄積降雨以增加土壤貯水量，提高作物水分利用效率，進(jìn)而達(dá)到增產(chǎn)的效果，并根據(jù)覆蓋量對研究指標(biāo)的影響程度，制定合理的礫石覆蓋量，為提高作物水分利用效率和增產(chǎn)提供依據(jù)。此研究結(jié)果對于干旱半干旱區(qū)域的玉米節(jié)水高產(chǎn)栽培具有一定的意義，并加以驗(yàn)證可推廣應(yīng)用于干旱半干旱地區(qū)，根據(jù)不同地區(qū)的降雨程度，采取不同覆蓋量措施，達(dá)到作物增產(chǎn)效果。

4結(jié)論

1) 各處理表層0～40 cm貯水量變化最為明顯，100～200 cm貯水量變化很??；各層貯水量基本都隨著覆蓋量的增加而增大，拔節(jié)期最為明顯，0～200 cm貯水量S8較CK處理增大12.8%。在作物生長后期，各處理0～200 cm貯水量均明顯增加，但與CK差異不顯著。礫石覆蓋能較好的保持土壤水分，且在作物生長初期效果明顯，在作物生長后期作用效果不明顯。

2) 各生育階段作物系數(shù)與覆蓋量有著較好的線性關(guān)系，覆蓋量越大，作物系數(shù)越大；各處理整個(gè)生育期內(nèi)，Kc先增大后減小，在抽雄～灌漿期達(dá)到最大；分階段計(jì)算得到的夏玉米作物系數(shù)Kcini、Kcmid、Kcend與FAO-56指南中提供三個(gè)典型值都較接近，且兩種方法計(jì)算得到的Kc在各生育階段是一致的。

3) 葉面積和株高與作物系數(shù)有著較好的回歸關(guān)系，可以對生育期內(nèi)的玉米蒸散量進(jìn)行預(yù)報(bào)。

4) 礫石覆蓋措施較對照能有效提高作物產(chǎn)量和水分利用效率，且隨著覆蓋量的增加，作用效果越明顯。其中，S8處理作用效果最為顯著，其夏玉米產(chǎn)量和水分利用效率為5 548.62 kg·hm-2和21.82，分別較CK提高了38.1%和32.99%。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1]Burns R G. Enzyme activity in soil:impation and a possible role in microbial ecology[J]. Soil Biology and Biochemistry，1982,12:423-427.

[2]胡恒覺.我國砂田免耕法[C]//耕作制度論文集.北京：農(nóng)業(yè)出版社，1981,206-217.

[3]賈登云，曾希琳，張永洋，等.籽用西瓜旱砂田覆膜栽培技術(shù)試驗(yàn)[J].中國西瓜甜瓜，1998,(1):20-21.

[4]Nachtergaele J, Poesen J W, Van Wesemael B. Gravel mulching in vineyards of southern Switzerland[J]. Soil and Tillage Research, 1998,46:51-59.

[5]Lamb J, Chapman J E. Effect of surface stones on erosion,evaporation,soil temperature and soil moisture[J]. Journal of the American Society of Agronomy, 1943,35:567-578.

[6]William J, Gale R W. Sandy fields traditional farming for water conservation in China[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 1993,48:474-477.

[7]Li X Y, Zhang R L, Gong J D, et al. Soil and water accumulation by gravel and sand mulches in western loess plateau of northwest China[C]//12th ISCO Conference Proceedings, 2002,192-197.

[8]王天送，蘇賀昌，楊世維.蘭州地區(qū)砂田土壤的水分特征[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，1991,(1):66-69.

[9]Li X Y. Gravel-sand mulch for soil and water conservation in the semiarid loess region of northwest China[J]. Catena, 2003,52(2):105-127.

[10]Allen R G, Pereira L S, Raes D, et al. Crop evapotranspiration．Guidelines or Computing Crop Water Requirements[R]. Irrigation and Drainage Paper No.56，F(xiàn)AO，Rome，1998．

[11]韋斯·沃倫德，唐·格蘭姆斯著．水利部國際合作司等編譯．美國國家灌溉工程手冊[M]．北京：中國水利水電出版社，1998．

[12]Allen R G. Using the FAO-56 dual crop coefficient method over an irrigated region as part of an evapotranspiration intercomparision study[J]. Journal of Hydrology, 2000，229(1-2)：27-41.

[13]Allen R G, Pereira L S, Smith M, et al. FAO-56 dual crop coefficient method for estimating evapotration from soil and application extensions[J]. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 2005，131(1)：2-13.

[14]Abolfazl M H, Ali A S, Amir H N, et al. Determination of single and dual crop coefficient and ratio of transpiration to evapotranspiration for canola[J]. Annals of Biological Research, 2012，3(4)：1885-1894.

[15]雷志棟，羅毅，楊詩秀，等.利用常規(guī)氣象資料模擬計(jì)算作物系數(shù)的探討[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1999，15(3)：119-122.

[16]劉鈺，L. S. Pereira. 對FAO推薦的作物系數(shù)計(jì)算方法的驗(yàn)證[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2000,16(5):26-30.

[17]紀(jì)瑞鵬,班顯秀，張淑杰.遼寧地區(qū)玉米作物系數(shù)的確定[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2004，20(3)：246-268.

[18]陳鳳，蔡煥杰，王健，等.楊凌地區(qū)冬小麥和夏玉米蒸發(fā)蒸騰和作物系數(shù)的確定[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2006，22(5)：191-193.

[19]梁文清，蔡煥杰，王健.陜西關(guān)中地區(qū)夏玉米作物系數(shù)試驗(yàn)研究[J].節(jié)水灌溉，2011，(12)：1-4.

[20]嚴(yán)菊芳，楊曉光.陜西關(guān)中地區(qū)大豆作物系數(shù)試驗(yàn)研究[J].中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào)，2010，12(2)：116-121.

[21]居輝，蘭霞，李建民，等.不同灌溉制度下冬小麥產(chǎn)量效應(yīng)與耗水特征研究[J].中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000,5(5)：23-29.

[22]Allen R G, Pereira L S, Raes D, et al. Crop Evapotranspiration:Guidelines for Computing Crop Water Requirements[M]. Rome:FAO,1998.

[23]Allen G, Jensen M E, Wright J L, et al. Operrational estimates of reference evapotranspiration[J]. Agron, 1989,81:650-662.

[24]杜堯東，劉作新，張運(yùn)福.參考作物蒸散計(jì)算方法及其評價(jià)[J].河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001,35(1):57-61.

[25]李彩霞，陳曉飛，韓國松，等.沈陽地區(qū)作物需水量的預(yù)測研究[J].中國農(nóng)村水利水電，2007,(5):61-67.

[26]劉海軍，康躍虎.冬小麥拔節(jié)抽穗期作物系數(shù)的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2006,22(10):52-56.

[27]解文艷，樊貴盛，周懷平，等.秸稈還田方式對旱地玉米產(chǎn)量和水分利用效率的影響[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2011,42(11):60-67.

[28]嚴(yán)昌榮，居輝，彭世琪，等.中國北方旱農(nóng)地區(qū)農(nóng)田水分動態(tài)變化特征[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2002,18(2):11-14.

[29]秦紅靈，高旺盛，馬月存，等.兩年后免耕后深松對土壤水分的影響[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué),2008,41(1):78-85.

Effects of gravel mulching level on crop coefficients and water use efficiency of summer corn

LIU Xiao-qing1,2, ZUO Yi-qiu1,2, FENG Hao1,2,3, LI Yi1,2

(1.CollegeofWaterResourcesandArchitecturalEngineering,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China;2.ChineseNationalAcademyofWater-savingAgricultureinAridRegion,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China;3.InstituteofWaterandSoilConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China)

Abstract：In order to evaluate the effects of gravel mulching in arid and semi-humid regions of China on soil water storage, crop growth, crop yield and water use efficiency, based on the measured data of summer corn grown at Yangling in 2014 and the meteorological data, evapotranspiration of the reference crop was calculated at various growth stages by adopting the formula of Penman-Monteith. The actual crop evapotranspiration was calculated by adopting the formula of field water balance equation, then the variation of the crop coefficient of different growing periods was analyzed, as well as the water use efficiency under different mulching levels. The results showed that gravel mulching could maintain water at the beginning of crop growth by 12.8%, reaching the maximum at the jointing stage, and then became decreased because of canopy. A linear relationship between gravel degree and crop coefficient was found. The larger the amount of coverage, the higher the increases of the corresponding crop coefficients at different growing stages. Leaf area and plant height had good regression relationships with crop coefficient, and thus corn evapotranspiration can be forecasted during the growth period. Gravel mulching made the growing period shortened, reaching a the maximum of nineteen days. Gravel mulching also preserved soil moisture better, and reduced soil evaporation, increased soil water storage and water retention capacity, thereby increasing crop water use efficiency and yield by 4.65%～38.17% and 2.94%～32.00%, respectively. The effects became enhanced when the mulching coverage was increased extensively within the extent of this research.

Keywords:summer corn；gravel mulching；reference crop evapotranspiration；crop coefficient；water use efficiency

中圖分類號：S152.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡介：劉曉青(1989—)，女，河北石家莊人，碩士研究生，研究方向?yàn)樗Y源利用與保護(hù)。 E-mail:601654829@qq.com。通信作者：馮浩(1970—)，男，陜西延安人，研究員，博導(dǎo)，研究方向?yàn)樗临Y源高效利用。 E-mail: nercwsi@vip.sina.com。

基金項(xiàng)目：國家高技術(shù)研究發(fā)展‘863’計(jì)劃(SS2013AA100904)；西北農(nóng)林科技大學(xué)基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(QN2009087)

收稿日期：2015-04-22

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.02.03

文章編號：1000-7601(2016)02-0015-09