微集水種植對土壤水分蒸散和作物需水量的影響

李　訪

(遼寧省朝陽市供排水管理處，遼寧 朝陽 122000)

?

微集水種植對土壤水分蒸散和作物需水量的影響

李訪

(遼寧省朝陽市供排水管理處，遼寧 朝陽 122000)

微集水種植技術(shù)能提高北方農(nóng)業(yè)旱區(qū)對降水資源的利用率，改善作物的生長環(huán)境，提高作物產(chǎn)量。本研究引入了農(nóng)田實際蒸散量、作物需水量兩個參數(shù)評價微集水種植技術(shù)的保水效果。研究結(jié)果表明：作物生育期內(nèi)，微集水種植的農(nóng)田實際蒸散量、農(nóng)田作物需水量小于傳統(tǒng)種植技術(shù)，其中壟上覆膜溝內(nèi)覆蓋秸稈種植的農(nóng)田實際蒸散量、作物需水量最小。

微集水；農(nóng)田實際蒸散量；作物需水量

微集水種植技術(shù)通過在田間修筑溝壟，重新構(gòu)建農(nóng)田地形，并利用薄膜覆蓋土壟，使得降雨盡可能由農(nóng)田壟面向壟溝內(nèi)匯集。這種技術(shù)能夠?qū)⒏珊档貐^(qū)有限的、時空分布不均的降雨盡可能集中匯集到地形改變后的蓄水區(qū)域內(nèi)，從而提高土壤水分含量。在以降雨為主要供水方式的干旱農(nóng)業(yè)區(qū)，利用微集水種植技術(shù)不但能夠減少土壤地表徑流損失，還能抑制農(nóng)田水分的無效蒸發(fā)，滿足作物生長對水分的需求。經(jīng)過多年的科學(xué)研究和生產(chǎn)實踐證明，微集水種植技術(shù)既可以顯著改善干旱地區(qū)土層水分環(huán)境，又能夠提升地表溫度，從而增加干旱地區(qū)農(nóng)作物產(chǎn)量，有效控制田間水土流失，直接提高水分利用效率，間接提高養(yǎng)分利用效率，微集水種植技術(shù)的核心功能為集雨、蓄水、保墑[1-3]。

土壤的農(nóng)田實際蒸散量包括耕地實際蒸發(fā)和作物植株間和蒸騰量，該參數(shù)與土壤內(nèi)的水分運動、植株水分傳輸，植株與大氣的水分交換有密切關(guān)聯(lián)，農(nóng)田實際蒸散量是聯(lián)系農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。作物需水量是指農(nóng)作物在水分、養(yǎng)分供給充足，生長正常的條件下，作物達到最佳生產(chǎn)潛力時，在整個作物生育周期內(nèi)，農(nóng)田植株對水分的真實需求[4-8]。作物需水量是研究農(nóng)田水分變化規(guī)律的重要依據(jù)，該參數(shù)還能分析水分資源開發(fā)利用，為農(nóng)田水利工程規(guī)劃和設(shè)計，分析和計算灌溉用水量提供重要依據(jù)。本文分析了整個作物生育期內(nèi)，微集水種植對農(nóng)田實際蒸散量和作物需水量的影響，量化了微集水種植對農(nóng)田水分調(diào)控效果，進而明確微集水種植如何對作物生長過程的水分產(chǎn)生影響，為干旱區(qū)利用微集水種植技術(shù)調(diào)控農(nóng)田水分、提高農(nóng)田水分保蓄率、提高農(nóng)田水分利用效率提供重要依據(jù)。

1　試驗設(shè)計和研究方法

1.1試驗地概況

本試驗區(qū)域位于遼寧省朝陽市干旱種植試驗區(qū)(東經(jīng)121°55′，北緯42°10′)，該處農(nóng)業(yè)試驗時間為5—9月份，日照時間(作物生長季節(jié))為1200～1300 h，年平均氣溫達到了7～8 ℃，其中10℃以上有效積溫達為2700～3400 ℃，氣候無霜期132～163 d。該地區(qū)年降水量僅為300～500 mm，降水變化較大，旱災(zāi)頻繁發(fā)生，該區(qū)土壤耕層的基本理化性質(zhì)見表1。

1.2試驗設(shè)計

本試驗供試作物為玉米，品種為先玉335號。試驗采用隨機區(qū)組方式進行，設(shè)計了4種微集水種植模式，分別為：CK處理——傳統(tǒng)平作種植，作物種植行距為50 cm，株距為35 cm；T1處理為壟上覆膜溝內(nèi)種植，耕地先進行壟溝處理，其中，溝寬為65 cm，壟寬為35 cm，壟高為15 cm，在土壟上方覆蓋薄膜(塑料薄膜采用厚度為0.08 mm的微薄膜)，溝內(nèi)種植兩行玉米，作物種植行距為50 cm，株距為35 cm，兩行植株距離兩側(cè)最近土壟距離均為7.5 cm，如圖1；T2處理為壟上覆膜溝內(nèi)覆膜種植，在T1處理的基礎(chǔ)上，在作物種植溝內(nèi)的中間地帶(蓄水帶)進行覆膜處理，覆膜寬度為35 cm，如圖2；T3處理為壟上覆膜溝內(nèi)覆蓋秸稈種植，在T1處理的基礎(chǔ)上，在溝內(nèi)蓄水地帶覆蓋秸稈，如圖2。試驗過程中，每個處理設(shè)置3次重復(fù)，每個重復(fù)種植區(qū)面積為100 m2，小區(qū)四周埋設(shè)1 m深的防水板，以防止小區(qū)水分互相滲透，并設(shè)置1 m隔離帶，以防止田間徑流和土壤水分的側(cè)向滲漏。該試驗于2013年、2014年和2015年進行，降雨量分別為461.1 mm，270.4 mm，393.9 mm。播種時施磷酸二銨和三元復(fù)合肥各150 kg/hm2作為種肥，播種后覆膜或秸稈，秸稈覆蓋量為6000 kg/hm2，覆膜栽培出苗后人工放苗，拔節(jié)期打孔追施尿素450 kg/hm2，其他管理正常。

表1　試驗區(qū)的土壤理化性質(zhì)

圖1　壟上覆膜溝內(nèi)種植示意圖

圖2　壟上覆膜溝內(nèi)覆膜或覆秸稈

1.3試驗測定項目及方法

1.3.1農(nóng)田實際蒸散量(ETa)

農(nóng)田實際蒸散量由式(1)計算：

ETa=I+P-RO-DP+CR±ΔSF±ΔSW

(1)

式中：I和P分別為不同時段灌水量和降雨量(本試驗沒用人工灌水，因此I可忽略)；RO為降雨和灌溉時土壤的表面徑流量(本試驗由于田間設(shè)有田埂，因此忽略)；DP為深層土壤滲漏量；CR為地下水由毛管上升到根區(qū)的水量(由于試驗田地下水位較低，因此忽略)；ΔSF為土壤水側(cè)向滲漏量(本試驗忽略)；ΔSW為作物收獲期和作物苗期時，土壤含水量變化值， 本公式單位均為mm。

1.3.2農(nóng)田作物需水量(ETc)

作物需水量由式(2)計算：

ETc=ETa/Ks

(2)

式中：Ks為土壤水分脅迫系數(shù)，在雨養(yǎng)供給充足條件下由式(3)計算：

(3)

式中：s為土壤耕層實際含水量，%；sw為土壤根系凋萎系數(shù)，%；s*為土壤田間持水量，%。

1.3.3試驗氣象數(shù)據(jù)

本試驗區(qū)內(nèi)設(shè)有自動氣象觀測站，日常太陽輻射、日照時長、最高和最低氣溫以及平均氣溫；平均風(fēng)速、實際水汽壓、相對濕度、氣壓、降雨量、蒸發(fā)量、土壤溫度等氣象要素都由自動氣象觀測站監(jiān)測。自動氣象觀測站型號為TRM-ZS2型。

2　結(jié)果與分析

2.1微集水種植對農(nóng)田實際蒸散量的影響

圖3　不同處理農(nóng)田蒸散量變化

圖3為各年份不同微集水種植技術(shù)對農(nóng)田實際蒸散量變化的影響。2013年為豐水年，微集水種植的農(nóng)田實際蒸散量小于CK處理，由于各微集水種植覆蓋方式不同，其實際蒸散量也存在一定的差異，統(tǒng)計表明：各處理平均日蒸散量由大到小的順序為：CK>T1>T3>T2，玉米生育周期內(nèi),T1、T2和T3農(nóng)田實際蒸散量相比CK處理下降低了4.78%，9.97%，9.07%。2014年為枯水年，微集水種植的實際蒸散量也小于CK處理，統(tǒng)計表明：各處理平均日蒸散量由大到小的順序為：CK>T1>T2>T3；T1、T2和T3農(nóng)田實際蒸散量相比CK下降了8.78%，17.97%，19.07%，CK處理的農(nóng)田實際蒸散量與T2和T3處理差異達到顯著。2015年為平水年，微集水種植在平水年的實際蒸散量也小于CK處理，生育周期內(nèi)，T1、T2和T3農(nóng)田實際蒸散量相比CK處理下降了5.52%，12.28%，13.35%，其中T2和T3處理的農(nóng)田實際蒸散量最低，與CK處理的差異達到顯著。

圖4　不同處理作物需水量變化

2.2微集水種植對作物需水量的影響

圖4為各年份不同微集水種植技術(shù)對作物需水量的影響。由圖可知，同一時期，不同微集水處理之間作物需水量存在差異。統(tǒng)計表明：2013年作物生育周期內(nèi)，各處理作物需水量由大到小的順序為：CK>T1>T2>T3，T1、T2和T3生育期內(nèi)需水量相比CK處理減少了48.45 mm、69.20 mm和81.66 mm，T2和T3處理的作物需水量與CK處理差異達到顯著。2014年作物生育周期內(nèi)，CK處理的作物需水量也大于微集水種植處理，各處理作物需水量由大到小的順序為：CK>T1>T2>T3，T1、T2和T3生育期內(nèi)需水量相比CK處理減少了54.98 mm，85.01 mm，89.01 mm，各微集水處理的作物需水量與CK處理的差異達到顯著。2015年玉米生育周期內(nèi)，作物需水量從大到小的順序為：CK>T1>T2>T3；相比CK處理，T1、T2和T3農(nóng)田作物需水量分別減少40.86 mm、75.09 mm、80.35 mm，T2和T3處理的作物需水量與CK處理差異達到顯著。

有研究表明：在作物生長前期，農(nóng)田水分蒸散主要是耕地表層土壤水分的散失，而作物生長后期，農(nóng)田水分蒸散主要是由于作物葉面的水分蒸騰散失[5-7]。因此，在作物生長前期，控制好耕地表層土壤水分的散失，將有效減少農(nóng)田實際蒸散量的水分消耗。農(nóng)田耕作時的作物需水量主要受氣象條件和作物自身條件影響，還會受到灌排水，耕作栽培技術(shù)，土壤條件等因素的影響[9-11]。

3　結(jié)　論

對于不同降雨年份，由于氣候條件、作物生長情況不同，各處理之間的蒸散規(guī)律也不盡相同。在作物生長發(fā)育周期內(nèi)，微集水種植條件下，農(nóng)田實際蒸散量要小于CK處理，這是由于微集水種植的覆蓋材料能夠在作物生長發(fā)育前期有效減少太陽輻射對土壤表面的影響，降低表層水分的散失。壟上覆膜溝內(nèi)覆秸稈處理的農(nóng)田實際蒸散量最小，這是由于秸稈覆蓋不但能有效減少太陽直接輻射作用，還能適當(dāng)降低土壤表層溫度，減少農(nóng)田水分損失。微集水種植能夠顯著改善土壤水環(huán)境，所以，微集水種植條件下，農(nóng)田作物需水量也小于CK處理，壟上覆膜溝內(nèi)覆秸稈處理的作物需水量最小。

[1]任小龍.模擬雨量下微集水種植農(nóng)田土壤水溫狀況及玉米生理生態(tài)效應(yīng)研究[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué),2008.

[2]于亞軍.北方旱作農(nóng)田水肥高效利用調(diào)控技術(shù)研究[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué),2005.

[3]韓娟.模擬降雨量下微集水種植對玉米光合生理特性的影響[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué),2008.

[4]上官周平,邵明安,薛增召.旱地作物需水量預(yù)報決策輔助系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2001,17(2)：42-46.

[5]趙聚寶,鐘兆站,薛軍紅,等.旱地春玉米田微集水保墑技術(shù)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,1996,12(2)：32-37.

[6]楊開寶.黃土丘陵區(qū)不同農(nóng)業(yè)技術(shù)措施的土壤水分效應(yīng)研究[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué),2010.

[7]孫占祥,馮良山,杜桂娟,等.玉米灌溉田土壤水分變化及其耗水規(guī)律研究[J].玉米科學(xué),2010(1)：107-110,115.

[8]王昕,賈志寬,韓清芳,等.半干旱區(qū)秸稈覆蓋量對土壤水分保蓄及作物水分利用效率的影響[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2009，29(4)：202-208.

[9]尹國麗.半干旱區(qū)苜蓿溝壟覆蓋種植對集水保墑和土壤環(huán)境影響的研究[D].蘭州：甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué),2009.

[10] 姚健,王丁,張顯松,等.不同地表覆蓋方式對土壤水分、溫度及幼苗生長的影響[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2009(5)：11-15.

[11] 徐振遠,徐振,邢尚軍,等.半干旱地區(qū)雨水高效收集利用技術(shù)研究綜述[J].山東林業(yè)科技,2012(5)：50,95-99.

Effect of micro-catchment cultivation on soil water evapotranspiration and crop water requirement

LI Fang

(WaterSupplyandDrainageManagementOfficeofChaoyang,Chaoyang122000,China)

Micro-catchment can improve precipitation resource utilization of arid agriculture regions in north, improve crop growth environment and crop yields. This study introduces the actual evapotranspiration farmland and crop water requirement to evaluate the retention effect of micro-catchment water. The results show that the actual evapotranspiration and crop water requirement with micro-catchment are less than traditional growing techniques in the crop growth period, in which the actual evapotranspiration and crop water requirements of farmland planting ridge covered trench and furrow covered straw is minimum.

micro-catchment; the evapotranspiration of farmland; crop water requirement

李訪(1981-),男，工程師，主要從事供水施工管理、節(jié)水灌溉設(shè)計等工作。

S513

A

2096-0506(2016)03-0015-04