壟作溝播噴灌條件下灌溉水的分配與利用機理

丁 林，王文娟，吳 婕

(甘肅省水利科學研究院，甘肅 蘭州 730000)

全膜壟作溝播栽培技術改變了地表形狀及作物種植模式，在保蓄灌溉水、收集天然降水及水分疊加利用方面取得了顯著成績[1-2]，已有不少專家學者在玉米[3-5]、小麥[6-7]、馬鈴薯[8]、牧草[9-10]、南瓜[11]等作物上開展了大量研究，主要研究內容大多集中在壟溝種植對作物產量、水分利用效率、作物生理生態(tài)變化、土壤性質變化等方面。還有學者就模擬降雨情況下壟溝的蓄水及集水效應進行了研究，認為壟溝對模擬降水具有保蓄作用，可提高產流效率[12-15]，該技術主要應用于降水量為250～500 mm的地區(qū)，其應用模式已在我國北方旱作農業(yè)區(qū)大量推廣應用[16]。壟作溝播噴灌技術是在結合了壟作溝播與噴灌技術優(yōu)點的基礎上提出的，主要應用于降水量小于250mm的北方灌溉農業(yè)區(qū)，目前已有學者就其可行性及其發(fā)展優(yōu)勢、土壤水分變化等方面開展了部分研究，認為壟作溝播噴灌技術可提高水分利用效率，改善農田小氣候與作物生長環(huán)境[17-19]。而針對壟作溝播噴灌條件下水分分配與利用等方面的研究較少，筆者結合甘肅河西走廊灌溉農業(yè)的特點，研究壟作溝播條件下噴灌水量的分配與利用，對充分利用有限水資源及提高糧食產量有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)地處甘肅民勤綠洲中部的大灘鄉(xiāng)，是綠洲和騰格里沙漠交界地帶，屬典型的大陸性荒漠氣候。該區(qū)域氣候干燥、降水稀少、蒸發(fā)量大、風沙多。研究區(qū)多年平均降水110mm，多年平均蒸發(fā)量2644mm，多年平均氣溫7.8℃。試驗區(qū)位于甘肅省水利科學研究院民勤灌溉試驗站，站內土質0～60cm為粘壤土，60cm以下逐漸由粘壤土變?yōu)樯橙劳粒寥榔骄葜貫?.54g·cm-3，灌溉水為地下水，礦化度0.91g/L。試驗于2018年4月—2019年9月連續(xù)2年進行。

1.2 試驗設計

試驗以油葵(品種為矮大頭)為研究作物，以不同灌水定額各設4個處理，以常規(guī)覆膜噴灌為對照，每個處理重復3次，各小區(qū)隨機布置，共計15個試驗小區(qū)。試驗區(qū)壟溝規(guī)格為大小壟，大壟寬70cm，小壟寬40cm，溝深15cm，用雙壟溝播機完成起壟覆膜，作物種植行距均為大小行，大行距70cm，小行距40cm。種子播在壟溝內，株距20cm。田間噴灌工程為半固定式噴灌，噴頭布置方式采用正方形布置，每個小區(qū)面積6.5m×6.5m，噴頭噴嘴流量為1.0m3/h，射程為6.5m，噴頭間距8.0m，噴頭工作壓力0.25MPa。試驗采用壟溝規(guī)格及作物種植模式如圖1所示，試驗小區(qū)生育期灌水技術參數(shù)設計見表1。

表1 各試驗處理灌水參數(shù)設計

圖1 壟溝規(guī)格及作物種植模式

1.3 測定指標與方法

(1)土壤含水率：用HD2土壤水分速測儀結合土鉆取土烘干法測定土壤含水率，深度為0～100cm，每20cm為一層測定，整個生育期內每隔8～10d測定1次，降水及灌水前后進行加測，每個處理分別在距離噴頭3～4m處的壟頂和壟溝內埋設測管，每個處理重復3次。

(2)灌水量：采用管道輸水，壓力固定，由灌溉系統(tǒng)首部變頻設備控制，每個試驗小區(qū)用獨立閘閥控制灌溉，灌水量由水表精確量測。

(3)壟溝集水：在離噴頭2、4、6m處壟溝內設集水槽，集水槽形狀與壟溝形狀一致，集水槽長度設為0.5m，順壟溝方向布置，由鍍鋅鐵皮制作，每次灌水后將槽內集水倒入量筒測量。

(4)莖干下流水量：選定固定5株油葵在植株底部用聚乙烯板彎曲折疊成漏斗狀將油葵莖稈裹住，漏斗下部設導管將莖稈下流水量收集于集水桶，根據單株油葵占據面積，折算莖桿下流水量。

(5)棵間蒸發(fā)：根據壟溝形狀用鍍鋅鐵皮制作2種微型蒸滲儀，一種模擬壟溝形狀制作，另一種為常規(guī)形狀。蒸滲儀安裝在壟面和壟溝內，沿溝長方向布置，每個試驗小區(qū)布置3個，每天早上8：00用電子稱稱重。

(6)氣象資料：通過TRM-ZS2全自動氣象站(錦州陽光氣象科技有限公司)觀測記載溫濕度、降水、蒸發(fā)、風速、日照等氣象因素。

1.4 數(shù)據分析及處理方法

用Excel2016進行數(shù)據處理和制圖，用DPS(v6.05)統(tǒng)計軟件做相關分析。

2 結果與分析

2.1 噴灌水量在冠層的截流特征

冠層截留水量是指在噴灌過程中，暫時停留在冠層內的水量，包括葉片和莖稈的表面及葉鞘中的截留水量，測定冠層截留常用擦拭法和水量平衡法。本研究采用水量平衡法計算，各生育期不同處理冠層截留特征見表2。由表2可知，各處理不同生育期冠層截留量隨葉面積變化而變化，葉面積增大則冠層截留增大，在作物生長旺盛期(開花期-灌漿期)，冠層截留達到最大值，此時油葵處于生長旺盛期，葉面積指數(shù)達到了最大值，冠層截留量占灌水量的比例達4%～6%，其中T1處理均為最大，占灌水量的比例分別為5.6%和5.83%。另外，冠層截留量還與灌水定額有關，灌水定額越大，冠層截留量占比就越小。就全生育期來看，油葵冠層截留量占灌水量的比例在3.05%～5.44%之間，不同處理隨葉面積指數(shù)和灌水定額不同有一定差異，其中T4最小，為3.05%和3.75%，T1最大為4.77%和5.44%。而與灌水定額相同的T4處理相比，CK處理略高一些。

表2 各生育期不同處理冠層截留特征 單位：%

2.2 噴灌水量通過作物莖稈的下流特征

各生育期不同處理莖干下流特征見表3。從表3可以看出，在1次噴灌過程中，莖稈下流水量隨灌水量的增大而增大。隨著灌水量的增加，莖稈下流水量占灌水量的比例逐漸增大。從表中可看出，油葵不同生育期莖稈下流水量占灌水量的比例呈小-大-小的變化規(guī)律。生育前期莖稈下流水量占灌水量的比例較小，各處理在9%～13%之間，且灌水定額越大，莖稈下流水量占比越大。在灌漿期莖稈下流水量占比達到最大，各處例均在21%以上，其中最大為T1處理，分別為26.56%和25.68%，較最小的T3分別增加4.66和3.73個百分點。在成熟期，隨著油葵葉片干枯，莖稈下流水量占比也逐漸減小，各處理占比在12%～16%之間。就全生育期來講，油葵莖稈下流水量與葉面積指數(shù)和灌水定額有關，葉面積指數(shù)大，莖稈下流水量小，灌水定額大，莖稈下流水量大，在上述因素影響下，各處理莖稈下流水量占比表現(xiàn)為T1>T4>CK>T2>T3。

表3 各生育期不同處理莖干下流特征 單位：%

2.3 噴灌水量飄移損失特征

對于噴灌系統(tǒng)來說，噴灌水的利用系數(shù)主要取決于蒸發(fā)漂移損失。有研究表明在平均風速為0～3.4m/s的范圍內，蒸發(fā)漂移損失為5.6%～15.6%，蒸發(fā)漂移損失達到10%，15%，20%時，對應的風速分別為1.1、3.2、4.7m/s，因此選擇平均風速4.7m/s以下的時間進行噴灌，能夠滿足作物的需水要求[20]。各生育期不同處理飄移損失特征見表4。由表4可知，在本試驗條件下，每次灌水時各處理氣溫及風速均在同一水平，只有灌水定額不同，在苗期由于作物植株矮小、覆蓋度低，灌水定額對飄移損失的影響較大，飄移損失最大可達到16%以上，隨著作物生長，灌水定額對飄移損失的影響逐漸減弱，到收獲期作物枯萎，灌水定額的影響逐漸明顯，飄移損失略有提高。

表4 各生育期不同處理飄移損失特征 單位：%

2.4 噴灌水量棵間蒸發(fā)特征

由于雙壟溝播系統(tǒng)幾乎處于全膜覆蓋，其棵間蒸發(fā)量極小，僅有膜縫銜接部分及種植膜孔有棵間蒸發(fā)?？瞄g蒸發(fā)還與灌水量及作物長勢有一定關系，作物長勢越好，棵間蒸發(fā)就小，但隨著灌水定額增加，棵間蒸發(fā)也增加。以拔節(jié)期為例計算各處理棵間蒸發(fā)量見表5。由表5可以看出，各壟溝處理中，棵間蒸發(fā)占灌水量的比例最大的為T1處理，2年分別為2.55%和3.00%，最小的為T3處理，2年分別為2.32%和2.11%，2年最大值與最小值分別相差0.23和0.89個百分點。對照處理由于存在通風行，無地膜覆蓋，蒸發(fā)量明顯高于壟溝處理，2年均在5.00%以上，在相同灌水定額下，土面蒸發(fā)是壟溝處理的2倍以上。

表5 全生育期不同處理壟溝土面蒸發(fā)特征

2.5 全生育期壟溝匯集水量特征

全生育期壟溝匯集水量特征見表6。由表6可知，各處理2年壟溝收集水分基本在灌溉水量的60%～70%左右，其他部分在30%～40%左右。T3處理壟溝收集水分占比較大，2年分別為64.76%和67.62%，較T1處理高2.84和3.92個百分點，而灌水定額最大的T4處理壟溝收集水分占比并不是最高，說明適宜的灌水定額條件下，可減少各種損失，對灌溉水能夠充分收集利用。雖然對照處理灌水定額與T4處理相同，但對照處理地面收集水分占比小于T4處理，說明壟溝處理對灌溉水可疊加充分收集，提高利用效率。

表6 全生育期不同處理壟溝收集水量占噴灌水量的百分比 單位：%

2.6 噴灌水量的利用效率與特征

水分利用效率可定義為單位水量消耗所生產的經濟產品數(shù)量。各處理灌溉水利用效率與生育期灌溉定額有一定關系，灌溉定額大，灌溉水利用效率相對較低。但相同灌溉定額下，壟溝處理水分利用效率較高。經調查，油葵產量及水分利用效率見表7，由表7可知，充分供水條件下(灌水定額900m3/hm2，灌水4次)，油葵產量在7500～9000kg/hm2左右，灌溉水分利用效率2.08～2.50 kg/m3左右，而本研究中各處理水分利用效率在3.29～4.64kg/m3，比常規(guī)種植條件下水分利用效率提高1.21～2.14 kg/m3。就壟溝處理和對照處理相比，壟溝處理水分利用效率也高于對照處理，說明壟作溝播噴灌可提高作物水分利用效率。

表7 油葵產量及水分利用效率

3 結論與討論

通過研究油葵在壟作溝播噴灌條件下灌溉水量在冠層截留、莖稈下流、飄移損失、棵間蒸發(fā)、壟溝收集及利用情況，相關結論如下：

(1)冠層截留水量與葉面積指數(shù)和灌水定額有關，葉面積增大則冠層截留增大，灌水定額越大，冠層截留量就越小。

(2)不同生育期莖稈下流水量占灌水量的比例呈小-大-小的變化規(guī)律，在灌漿期達到最大，各處理均在21%以上，莖稈下流水量與葉面積指數(shù)和灌水定額有關，葉面積指數(shù)大，莖稈下流水量小，灌水定額大，莖稈下流水量大。

(3)壟溝處理棵間蒸發(fā)占灌水量的比例明顯低于對照處理，在相同灌水定額下，對照處理棵間蒸發(fā)是壟溝處理的2倍以上。

(4)對照處理地面收集水分占比遠小于壟溝處理，并且在適宜的灌水定額條件下(T3)，對灌溉水可達到充分收集利用，較常規(guī)種植條件下水分利用效率提高1.21～2.14kg/m3。

由于本研究結合了壟作溝播與噴灌的優(yōu)點，以油葵為研究對象，在民勤綠洲開展相關試驗，部分研究結論與相關文獻的研究結論是一致的，認為在研究區(qū)及類似區(qū)域，選擇適宜時段(風速較小或晚間)進行噴灌，噴灑水利用系數(shù)能夠滿足作物的需水要求，可適當發(fā)展灌溉面積。在具體推廣過程中若能結合作物種植區(qū)水資源狀況、土壤和氣候特點，選擇適當?shù)膲抛鳒喜姽喽~并結合農藝、耕作等措施就可達到節(jié)水增產的目的。