水肥一體化下不同滴灌帶配置對玉米產(chǎn)量的影響

王 睿 李 鵬 王文娥

(1.西安理工大學(xué)旱區(qū)生態(tài)水文與災(zāi)害防治國家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710048; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西楊凌 712100)

0 引言

在滴灌系統(tǒng)設(shè)備中，滴灌帶是連接首部樞紐與作物的橋梁。灌水均勻系數(shù)是滴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)和衡量系統(tǒng)灌水質(zhì)量的重要指標(biāo)，影響灌水均勻系數(shù)的因素很多，如灌水器工作壓力變化、灌水器制造偏差、堵塞情況、水溫變化、微地形變化及滴灌帶長度等[1]。席奇亮等[2]比較了4種滴灌帶鋪設(shè)長度和4種進(jìn)水壓力交互作用下的灌水均勻度，認(rèn)為內(nèi)嵌式滴灌帶的灌水均勻度較薄壁式滴灌帶更好，且更適合于較長距離鋪設(shè)使用。馬曉鵬等[3]對滴灌帶灌水均勻系數(shù)影響規(guī)律進(jìn)行探究，認(rèn)為0°坡度低壓條件下、滴灌帶長度較短(60～120 m)時(shí)，隨著滴灌帶長度的增加，滴灌帶流量成為影響滴灌帶灌水均勻系數(shù)的主要因素。羅春艷[4]研究發(fā)現(xiàn)，滴灌帶進(jìn)水口的壓力對灌水均勻度產(chǎn)生一定影響，隨著進(jìn)口壓力的增加，滴頭灌水均勻度呈上升趨勢。提高灌水均勻度目的在于提高作物的品質(zhì)和產(chǎn)量，有學(xué)者從滴灌帶配置方式的角度研究對作物的影響。孔繁宇等[5]設(shè)置不同滴灌帶類型、不同鋪設(shè)長度進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，適合于鋪設(shè)100 m長的3種滴灌帶，即易潤、耐特菲姆(厚、薄)3種，其滴頭流量分別為1.24、1.65、1.25 L/h。李波[6]通過研究不同滴灌帶類型的流量變化情況、玉米的均值產(chǎn)量以及均勻系數(shù)對灌水均勻性的影響，發(fā)現(xiàn)滴灌均勻度對作物產(chǎn)量和均勻度系數(shù)影響不大，卻對作物的千粒質(zhì)量、百粒質(zhì)量影響較顯著。王雪苗等[7]研究了不同灌水處理、不同滴灌帶配置方式對玉米農(nóng)田生產(chǎn)力的影響，結(jié)果表明，全生育期內(nèi)對玉米葉面積、葉片光合勢影響顯著的是灌水處理，灌水定額為450 m3/hm2時(shí)，鋪設(shè)方式三行兩管更有利于玉米生長及產(chǎn)量的增加。

滴灌系統(tǒng)首部設(shè)備與滴灌帶的配合及運(yùn)行模式直接影響系統(tǒng)的灌水施肥均勻度和運(yùn)行成本。本文擬用比例式施肥泵配合兩種滴灌帶，采用3種不同施肥比例及3種首部壓力，在甘肅省石羊河流域進(jìn)行灌溉施肥試驗(yàn)，通過分析不同首部壓力下滴灌帶沿程流量、土壤含水率及玉米農(nóng)田生產(chǎn)力的差異，優(yōu)化滴灌系統(tǒng)設(shè)備配置。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本試驗(yàn)于2017年5—9月在甘肅省石羊河生態(tài)節(jié)水試驗(yàn)站進(jìn)行。該試驗(yàn)站地處騰格里沙漠邊緣，平均海拔1 581 m，干旱指數(shù)15～25。年平均降雨量160 mm，年平均蒸發(fā)量2 000 mm以上，屬于典型的干旱缺水地區(qū)。試驗(yàn)站水源為井水，經(jīng)砂石過濾器后通過管道輸送至試驗(yàn)地。水中主要含有碳酸氫根離子、硫酸氫根離子及氯離子等陰離子，鈣離子、鉀離子及鎂離子等陽離子。pH值8.0，礦化度510 g/L，總硬度0.25 g/L，為中性偏弱堿性淡水，水質(zhì)微硬。土壤類型屬于粉砂質(zhì)粘壤土，0～100 cm土層土壤容重1.52 g/cm3，平均田間持水率為19.3%。

1.2 大田試驗(yàn)布置

圖1 小區(qū)大田滴管設(shè)備布置圖Fig.1 Field experiment layout for drip irrigation system1.水泵 2.閥門 3.比例式施肥泵 4.取水口 5.精密壓力表6.水表 7.過濾器 8.流量計(jì) 9.滴灌帶

試驗(yàn)采用膜下滴灌水肥一體化灌溉技術(shù)，滴灌系統(tǒng)包括施肥裝置、過濾設(shè)備及灌水器等。其中施肥裝置采用比例式施肥泵，可調(diào)節(jié)施肥比例范圍1%～4%；采用網(wǎng)式、疊片式120目(0.13 μm)過濾器；滴頭采用內(nèi)鑲貼片式(N0.30，滴頭間距S=0.3 m)和側(cè)翼迷宮式滴灌帶(L0.15，滴頭間距S=0.15 m)，膜下滴灌鋪設(shè)方法采用一膜單管雙行種植方式，膜寬0.12 m。供試作物為“先玉335”玉米，采用穴播機(jī)進(jìn)行播種，株距0.25 m，行距0.4 m。將整套滴灌系統(tǒng)布置于長110 m、寬22 m(0.25 hm2)的大田中，將其劃分為4行2列共8個(gè)小區(qū)(50 m×3.6 m)，每個(gè)小區(qū)布設(shè)1條支管、3條毛管(長50 m)，其中2條毛管首部分別安裝網(wǎng)式、疊片式過濾器。為了防止側(cè)翼迷宮式滴灌帶因管壁較薄而發(fā)生破損，將鋪設(shè)L0.15的首部壓力設(shè)置為0.04、0.05、0.06 MPa，小區(qū)編號(hào)F、G、H；將鋪設(shè)N0.30的首部壓力設(shè)置為0.08、0.09、0.10 MPa，小區(qū)編號(hào)B、C、D。以上6個(gè)小區(qū)進(jìn)行施肥處理，其余2個(gè)小區(qū)分別鋪設(shè)N0.30、L0.15作為清水對照組，小區(qū)編號(hào)A及E。單個(gè)小區(qū)滴灌系統(tǒng)布置見圖1，管道上設(shè)有量程范圍為0～0.25 MPa的精密數(shù)顯壓力表(Y180型，杭州米科傳感技術(shù)有限公司)、毛管首部設(shè)有超聲波流量計(jì)(測量精度±1%)等。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為保證各小區(qū)灌水量一致，通過水表計(jì)量，達(dá)到灌溉水量時(shí)關(guān)閉小區(qū)首部閥門即可，而各條毛管流量由流量計(jì)計(jì)量；過濾器水頭損失(m)由其兩端壓力表差值換算(0.01 MPa換算為1 m)得到(圖1)。施肥泵施肥比例設(shè)置為2%、3%、4%。

根據(jù)當(dāng)?shù)毓喔戎贫?，?017年5月6日進(jìn)行播種，播種前將30%的尿素(N 280 kg/hm2)、全部硫酸鉀(K2O 90 kg/hm2)作基肥施入，全生育期內(nèi)充分灌溉，9月24日收獲，生育期共計(jì)142 d。在6月6日—9月9日期間，共進(jìn)行9次施肥(磷酸二胺(P2O5) 200 kg/hm2)且各小區(qū)灌溉制度相同，施加磷酸二胺量平均分配，則每次每個(gè)小區(qū)0.8 kg。按照施肥比例不同，每個(gè)小區(qū)各比例各進(jìn)行3次重復(fù)，共計(jì)9次。結(jié)合當(dāng)?shù)亟涤甑葘?shí)時(shí)情況，灌水周期為8～10 d；保證所施加的肥料均流入管道內(nèi)，設(shè)定每次灌水時(shí)間為20 min。各處理分別進(jìn)行施肥，施肥完畢后統(tǒng)一進(jìn)行清水灌溉，保證灌水量基本一致。

每次灌水前，采用干燥法進(jìn)行土壤含水率的測定(每20 cm裝袋)，選取每個(gè)小區(qū)首、中及尾部呈“s”形采樣；各生育期至少取一次植株樣本測定作物的干物質(zhì)積累量，每個(gè)小區(qū)沿滴灌帶首、尾部各取1株植株，105℃殺青后80℃干燥至恒定質(zhì)量，稱取干質(zhì)量；成熟后，每個(gè)小區(qū)沿滴灌帶長度方向選取首(5～15 m)、中(20～30 m)及尾部(35～45 m)各3個(gè)重復(fù)晾曬至含水率14%計(jì)產(chǎn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 滴灌系統(tǒng)滴灌帶水力性能

2.1.1水力特性曲線

滴灌帶灌水器流量取決于作用壓力，在一定壓力范圍內(nèi)，灌水器水力特性曲線可用流量-壓力關(guān)系式進(jìn)行描述[8]。根據(jù)兩種滴頭的水力性能試驗(yàn)結(jié)果，分析了一定壓力范圍內(nèi)滴頭的流量-壓力關(guān)系，繪制了滴灌管水力特性曲線，如圖2所示(圖中q為灌水器流量，h為灌溉壓力)。

圖2 滴灌帶灌水器壓力-流量關(guān)系曲線Fig.2 Relationship curves of drip emitter pressure and flow

2.1.2沿滴灌帶長度方向上的滴頭流量變化

滴灌帶屬于沿程泄流有壓管，由于沿程存在水頭損失，管道內(nèi)作用壓力沿程下降；同時(shí)隨著沿程流量逐漸減小，管徑不變，單位長度上的水頭損失逐漸減小，所以滴灌帶沿程壓力降低值逐漸減小，水力坡度逐漸變緩，作用壓力不同導(dǎo)致灌水器流量、均勻系數(shù)不同，進(jìn)一步影響到土壤的含水率及肥料分布，作物根區(qū)的土壤含水率直接影響作物對水分和肥料的吸收和利用。已知滴灌帶末端壓力，由圖2滴灌帶壓力-流量公式q=5.562h0.636(N0.30)、q=4.326h0.655(L0.15)得到該末端流量后，求得灌水器間管段水頭損失，依次類推，由末孔逆流向上游遞推求得沿程所有滴頭流量[9]，圖3為各小區(qū)在不同初始水頭下沿滴灌帶長度上的滴頭流量變化。可看到，N0.30沿程流量比L0.15沿程流量降低的趨勢緩。L0.15沿程前30 m的滴頭流量下降較快，后20 m趨于滴頭流量趨于水平；而N0.30滴頭流量在前15 m有明顯變化，后35 m趨于水平。原因是滴頭孔距越小，產(chǎn)生的沿程總摩阻損失越大[10]，則流量下降越大。由于L0.15滴頭間距是N0.30的0.5倍，L0.15沿程水頭損失耗損嚴(yán)重，流量降幅大。

圖3 不同首部壓力下滴灌帶沿程滴頭流量變化曲線Fig.3 Variation curves of drip flow along line of drip irrigation belt under different head pressures

表1為各小區(qū)滴灌帶灌水均勻度及滴頭平均流量的統(tǒng)計(jì)。由滴灌帶沿程灌水器流量，根據(jù)灌水均勻度公式

式中qi——第i個(gè)灌水器流量

n——滴頭數(shù)量

求得不同壓力下各小區(qū)(B～D、F～H)滴灌帶灌水均勻度為96.95%、96.74%、96.52%和94.71%、94.60%、94.53%?？梢钥闯?，隨著首部壓力的增大，灌水均勻度在逐漸降低，且關(guān)系顯著(P<0.05)。不同壓力下各小區(qū)滴頭平均流量(B～D、F～H)為1.50、1.63、1.76 L/h及1.09、1.25、1.37 L/h，小區(qū)滴頭平均流量關(guān)系也顯著(P<0.05)。因此，對兩種滴灌帶不同滴頭流量和灌水均勻度下土壤的含水率、作物的生長指標(biāo)及產(chǎn)量進(jìn)行了分析。

表1 各小區(qū)滴灌帶灌水均勻度及滴頭平均流量Tab.1 Statistics on uniformity of irrigation water and average drip flow rate of drip irrigation belt in each plot

注：同列不同小寫字母表示各處理差異顯著(P<0.05)。

2.2 膜下滴灌玉米各生育期內(nèi)相關(guān)指標(biāo)

2.2.1全生育期不同滴頭流量對土壤含水率的影響

試驗(yàn)過程中對各小區(qū)滴灌帶首、中、尾部的土壤含水率進(jìn)行全生育期觀測，圖4(圖中B～D、F～H表示小區(qū)編號(hào)，1、2、3分別表示滴灌帶的首、中、尾部，下同)為全生育期內(nèi)60 cm土層土壤的平均含水率動(dòng)態(tài)變化情況。滴灌帶類型差異使得土壤的平均含水率在生育期內(nèi)變化規(guī)律有所差異，N0.30土壤含水率變化規(guī)律均呈較明顯的先下降后上升趨勢，且隨著滴頭流量的增大其變異系數(shù)依次降低，分別為23.3%、18.8%、12.6%，滴頭流量越大，生育期土壤含水率變化越平穩(wěn)；L0.15土壤含水率變化趨勢平緩，且隨著隨著滴頭流量的增大其變異系數(shù)依次升高，分別為12.2%、12.5%、14.6%，滴頭流量越大，生育期土壤含水率變化越顯著。拔節(jié)期—抽雄期(6月6日—7月10日)、抽雄期—灌漿期(7月11日—8月12日)階段玉米需水量劇增，土壤含水率宜保持在田間持水率的80%左右[12]，即15.4%以上。得到全生育期N0.30土層(60 cm)平均含水率變化顯著且呈先下降后上升趨勢，作物需水時(shí)期含水率低于15.4%，因此不能為作物提供充足水分；全生育期L0.15土層(60 cm)平均含水率趨勢穩(wěn)定且保持在15%左右，認(rèn)為可以為作物提供充足水分。灌漿期—成熟期(8月13日—9月17日)，土壤含水率宜保持在田間持水率的60%[11]，即11.6%，N0.30、L0.15處理均滿足作物適宜的土壤水分條件。

圖4 玉米生育期內(nèi)各小區(qū)滴灌帶首、中、尾部土壤含水率動(dòng)態(tài)變化Fig.4 Dynamic changes of soil moisture content in head, middle and tail of drip irrigation belts of different plots during maize growth period

2.2.2不同生育期玉米干物質(zhì)質(zhì)量動(dòng)態(tài)變化

作物產(chǎn)量的形成與干物質(zhì)積累過程密切相關(guān)，產(chǎn)量與最大干物質(zhì)積累速率呈正相關(guān)，積累速率越大，產(chǎn)量越高[12]。定量分析作物生產(chǎn)過程中干物質(zhì)積累的動(dòng)態(tài)變化是揭示作物產(chǎn)量形成和掌握高產(chǎn)群體調(diào)控指標(biāo)的重要內(nèi)容。圖5(圖中柱狀表示干物質(zhì)積累量，折線表示干物質(zhì)積累速率)為玉米各生育期干物質(zhì)積累量及干物質(zhì)積累速率變化過程。

A、E小區(qū)為清水對照組，由圖5可知，施加肥料可提高作物干物質(zhì)積累量。由于滴灌帶灌水均勻系數(shù)均在90%以上，影響作物干物質(zhì)質(zhì)量差異的原因有可能是作物吸收養(yǎng)分的差異，通過解剖滴灌帶發(fā)現(xiàn)其管壁上附著有較多的白色粉末肥料，是由于施肥輸水過程中肥液中的肥料沉淀引起的。可以明顯觀測到附著在滴灌帶管壁上的白色粉末有所不同，按由多到少依次為D、C、B和H、G、F，說明流速越低，附著在管壁的肥料越多，則尾部作物的肥料利用率越低。

圖5 干物質(zhì)積累量和積累速率隨時(shí)間的變化Fig.5 Changes of dry matter accumulation amount and speed with time

兩種滴灌帶下的作物干物質(zhì)積累速率曲線也有較直觀差異，在灌漿期初(7月17日)L0.15的作物干物質(zhì)積累速率漲幅較明顯，此時(shí)正是玉米籽粒形成期(玉米灌漿期)，需要保證充足養(yǎng)分和水分，是決定產(chǎn)量高低的關(guān)鍵。相比于N0.30，灌水器流量較小的L0.15更有利于作物產(chǎn)量的提高。

2.2.3各小區(qū)產(chǎn)量沿滴灌帶長度變化規(guī)律

各小區(qū)沿滴灌帶長度上(首、中、尾部各取3個(gè)重復(fù)點(diǎn))的產(chǎn)量分布情況見圖6(圖中折線表示兩種滴灌帶下首、中、尾部產(chǎn)量均值)，并進(jìn)行顯著性分析得到各小區(qū)的作物產(chǎn)量均差異顯著，且滴灌帶尾部的作物產(chǎn)量較首、中部的作物產(chǎn)量來說總體呈下降趨勢。2.2.2節(jié)中分析原因在于滴灌帶越長，其滴頭流量越小，附著在管壁的肥料越多，則肥液利用率就越低，因此滴灌帶尾部的產(chǎn)量應(yīng)該較低。再分別對不同滴灌帶作物首、中、尾部的產(chǎn)量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差分析，由大到小依次為N0.30首、中、尾部和L0.15中、尾、首部，N0.30毛管的尾部產(chǎn)量標(biāo)準(zhǔn)差最低，說明不同滴頭流量下毛管尾部(大于30 m)的作物產(chǎn)量差異小，而L0.15毛管的中部產(chǎn)量標(biāo)準(zhǔn)差最高，說明不同滴頭流量下毛管中部產(chǎn)量差異性大。再對不同處理下毛管的首、中、尾部產(chǎn)量均勻性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)隨著滴灌帶長度的增加，N0.30的作物產(chǎn)量均勻性逐漸降低，L0.15的作物產(chǎn)量均勻性逐漸上升，故不同滴頭流量對沿滴灌帶長度方向的產(chǎn)量均勻性有一定影響。

圖6 各小區(qū)沿滴灌帶長度上的產(chǎn)量Fig.6 Yield along length of drip irrigation belt in each plot

3 討論

圖7 各小區(qū)全生育期內(nèi)每一層(60 cm)土壤平均含水率變化Fig.7 Changes of average soil water content of each plot in whole growth period

本文2.2.1節(jié)探討了各生育期60 cm土層的土壤含水率平均值的動(dòng)態(tài)變化，討論生育期內(nèi)土壤含水率變化對作物生長過程產(chǎn)生的影響。為進(jìn)一步分析土層土壤水分分布下滴灌帶首、中、尾部作物產(chǎn)量的差異，對各個(gè)生育期每層(10 cm)土壤含水率進(jìn)行平均，如圖7所示。發(fā)現(xiàn)隨著滴頭流量的增大，首、中、尾部的3條土壤平均含水率曲線逐漸重合，而其中N0.30的差異又比L0.15的差異小，分析原因，由于滴灌帶間距不同，致使水平濕潤半徑重疊面積的差異，導(dǎo)致滴頭下濕潤體體積及土壤含水率不同，黃綿土(粉質(zhì)壤土)的濕潤體水平擴(kuò)散距離R(t)、垂直入滲距離H(t)與入滲時(shí)間關(guān)系的表達(dá)式[12]為R(t,q)=2.409 1q0.348 2t-0.004 5q+0.376、H(t,q)=2.439 4q0.072 1t0.408 5q0.080 7。該試驗(yàn)選取土樣與本試驗(yàn)土質(zhì)相似，由此得到濕潤半徑R和濕潤體體積V的關(guān)系式為V=2nπR(t,q)2H(t,q)/3，見表2。當(dāng)L0.15滴頭的水平濕潤半徑為7.5 cm時(shí)，表層濕潤面積開始重疊(20 min)，此時(shí)N0.30滴頭水平濕潤半徑小于15 cm，濕潤面積未發(fā)生重疊；當(dāng)N0.30滴頭間水平濕潤半徑達(dá)到15 cm時(shí)，歷時(shí)100 min，此時(shí)L0.15滴頭水平濕潤半徑達(dá)到14 cm，表層重疊面積幾乎達(dá)到50%。在兩個(gè)點(diǎn)源擴(kuò)散下的濕潤體含水率相比在一個(gè)點(diǎn)源擴(kuò)散下的濕潤體含水率大，土壤含水率基數(shù)大，則蒸散發(fā)、降雨等相同環(huán)境下土壤含水率變化幅度相對較低。結(jié)合2.2.1節(jié)不同時(shí)期土壤含水率變化趨勢，解釋了N0.30的土壤含水率變異系數(shù)大，而L0.15的土壤含水率變異系數(shù)小的原因。

表2 滴頭不同平均流量下濕潤體半徑及體積Tab.2 Radius and volume of wetting body under different average flow rates of emitter

4 結(jié)論

(1)滴灌帶類型差異使得土壤的平均含水率在生育期內(nèi)變化規(guī)律有所差異，N0.30土壤含水率變化規(guī)律呈較明顯的先下降后上升趨勢，且隨著滴頭流量的增大，在全生育期土壤含水率變化越平緩；L0.15土壤含水率變化趨勢平緩，且隨著滴頭流量的增大，在全生育期土壤含水率變化越顯著。L0.15下全生育期土壤含水率均滿足作物生長的需求，可以為作物提供充足水分。

(2)流入滴灌帶的肥液流速越低、長度越長，附著在管壁的肥料質(zhì)量越多，尾部作物的肥料利用率越低，致使養(yǎng)分吸收少，作物產(chǎn)量降低。

(3)對不同處理下毛管的首、中、尾部產(chǎn)量均勻性進(jìn)行分析表明，隨著滴灌帶長度的增加，N0.30的作物產(chǎn)量均勻性逐漸降低，L0.15的作物產(chǎn)量均勻性逐漸上升，故不同滴頭流量對沿滴灌帶長度方向的產(chǎn)量均勻性有一定影響。