不同灌溉方式對(duì)大豆耗水和水分利用效率的影響

郭振宇，楊丹妮，楊曉琳*，李思恩，王春雨，張?jiān)栖?/p>

?作物水肥高效利用?

不同灌溉方式對(duì)大豆耗水和水分利用效率的影響

郭振宇1,2，楊丹妮1,2，楊曉琳1,2*，李思恩1,2，王春雨1,2，張?jiān)栖?,2

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，北京 100083；2.甘肅武威綠洲農(nóng)業(yè)高效用水國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，甘肅 武威 733009）

【目的】研究不同灌溉方式對(duì)大豆全生育期耗水量及水分利用效率的影響，為大豆節(jié)水栽培提供科學(xué)依據(jù)。【方法】于2021年在甘肅武威綠洲農(nóng)業(yè)高效用水國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站開(kāi)展試驗(yàn)，設(shè)置了膜下滴灌、無(wú)膜滴灌、覆膜畦灌和無(wú)膜畦灌4種灌溉方式，每塊試驗(yàn)田中心布設(shè)一臺(tái)波文比-能量平衡系統(tǒng)對(duì)大豆全生育期的水熱通量進(jìn)行連續(xù)定位觀測(cè)，研究了不同灌溉方式對(duì)大豆的農(nóng)田小氣候，生長(zhǎng)發(fā)育，耗水量（），產(chǎn)量以及水分利用效率（）的影響。【結(jié)果】①覆膜對(duì)比無(wú)膜提高大豆凈輻射（）6.58 W/m2，同時(shí)滴灌對(duì)比畦灌提高土壤溫度1.30 ℃。②覆膜和滴灌2種措施在不同程度上對(duì)大豆的生理指標(biāo)產(chǎn)生影響。與無(wú)膜相比，覆膜顯著提高葉面積指數(shù)（）18.29%；但畦灌比滴灌高5.45%。③覆膜和滴灌均可顯著降低大豆全生育期，膜下滴灌對(duì)比其他3種處理全生育期最小，僅為378.92 mm。④4種灌溉方式下，環(huán)境因子和生物因子中與正相關(guān)性最顯著的分別為和。⑤膜下滴灌比無(wú)膜滴灌、覆膜畦灌、無(wú)膜畦灌各增產(chǎn)18.07%、5.27%、11.17%。同種灌溉方式下覆膜使平均顯著提高25.93%；同種覆膜條件下滴灌使平均顯著提高34.62%，膜下滴灌的比無(wú)膜滴灌、覆膜畦灌、無(wú)膜畦灌分別顯著提高31.15%、42.86%、70.21%。【結(jié)論】膜下滴灌比無(wú)膜滴灌、覆膜畦灌、無(wú)膜畦灌的產(chǎn)量平均提高了11.51%，平均減少了24.13%，同時(shí)平均提高了48.07%，灌溉水利用效率平均提高了46.57%；綜合考慮作物的耗水、產(chǎn)量、，膜下滴灌對(duì)大豆生長(zhǎng)提供了更適宜的生長(zhǎng)環(huán)境并具有明顯的節(jié)水增產(chǎn)作用。

滴灌；覆膜；產(chǎn)量；水分利用效率；大豆

0 引言

【研究意義】我國(guó)大豆總產(chǎn)量低，進(jìn)口依存度高達(dá)84%，是糧食安全戰(zhàn)略中最為脆弱的一環(huán)[1-3]。2020年甘肅省大豆種植面積約4.7萬(wàn)hm2，不足全國(guó)大豆種植面積的0.5%[4]，但甘肅省光熱資源豐富，適宜大豆生長(zhǎng)，對(duì)提高大豆產(chǎn)能具有巨大潛力。然而西北地區(qū)水資源短缺，嚴(yán)重制約著當(dāng)?shù)刈魑锏漠a(chǎn)量提升及當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[5]。覆膜和滴灌等農(nóng)藝措施因其良好的節(jié)水增溫保墑效果在當(dāng)?shù)乇粡V泛應(yīng)用。然而目前對(duì)覆膜和滴灌的研究多集中在玉米和馬鈴薯等作物，對(duì)大豆的研究相對(duì)較少。【研究進(jìn)展】在玉米和馬鈴薯的研究中，Zhao等[6]研究表明與不覆膜玉米相比，覆膜玉米土壤蒸發(fā)和蒸散量分別降低了60.7%和10.1%，產(chǎn)量和水分利用效率（）分別提高了38.9%和54.3%；Wang等[7]發(fā)現(xiàn)滴灌與畦灌相比，玉米的可提高13.9%～39.2%；韓翠蓮等[8]發(fā)現(xiàn)膜下滴灌馬鈴薯產(chǎn)量分別較無(wú)膜滴灌、溝灌和漫灌處理增加了10.6%、29.8%和58.7%。有關(guān)大豆的研究，武淑娜等[9]得出地膜覆蓋對(duì)比露地?zé)o覆蓋可使大豆產(chǎn)量和分別提高27.45%和28.22%；周德錄等[10]報(bào)道地膜覆蓋在半濕潤(rùn)偏旱區(qū)效果最優(yōu)，大豆的產(chǎn)量和較露地?zé)o覆蓋可分別提高58.5%和65.9%；王立明等[11]研究認(rèn)為全膜覆蓋條件下采用溝播可提高大豆各生育階段株高、葉面積指數(shù)和干物質(zhì)積累量；同時(shí)連續(xù)4 a對(duì)比露地?zé)o覆蓋平播，全膜覆蓋可提高大豆產(chǎn)量和約40.9%和53.4%?！厩腥朦c(diǎn)】目前對(duì)大豆的相關(guān)研究主要集中在覆膜與無(wú)膜的對(duì)比研究中，對(duì)覆膜和滴灌這2種方式結(jié)合之后的膜下滴灌對(duì)大豆生長(zhǎng)發(fā)育及水分利用影響的研究相對(duì)較少，也未能很好地量化由于灌溉方式轉(zhuǎn)變對(duì)大豆生長(zhǎng)發(fā)育、耗水以及水分利用效率的影響；同時(shí)，前人的研究大都是小區(qū)傳統(tǒng)測(cè)定試驗(yàn)，鮮少有試驗(yàn)利用波文比-能量平衡系統(tǒng)對(duì)大豆生育期水熱通量進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。波文比系統(tǒng)可對(duì)田間作物進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)定位觀測(cè)，記錄10 min尺度的數(shù)據(jù)，更便于對(duì)不同處理的作物生育期內(nèi)不同時(shí)段的耗水情況進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)與對(duì)比分析。另外，波文比儀器還可對(duì)大豆試驗(yàn)地的輻射、空氣溫濕度、土壤溫濕度等農(nóng)田小氣候指標(biāo)進(jìn)行原位連續(xù)觀測(cè)，為更加深入的機(jī)理分析提供了條件?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究通過(guò)設(shè)置膜下滴灌、無(wú)膜滴灌、覆膜畦灌和無(wú)膜畦灌4種灌溉方式的大豆對(duì)比試驗(yàn)，利用波文比-能量平衡系統(tǒng)等進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，分析不同灌溉方式下大豆農(nóng)田小氣候、生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程、耗水量、產(chǎn)量、收獲指數(shù)以及水分利用參數(shù)的差異，探究不同灌溉方式下環(huán)境和生物因素對(duì)大豆耗水的影響機(jī)制，以期揭示膜下滴灌對(duì)大豆生產(chǎn)的作用，為提高農(nóng)業(yè)用水效率、實(shí)現(xiàn)大豆穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)于2021年在甘肅武威綠洲農(nóng)業(yè)高效用水國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)石羊河實(shí)驗(yàn)站，北緯37°49′，東經(jīng)102°52′，海拔1 586 m）進(jìn)行。試驗(yàn)站位于典型的大陸性溫帶干旱氣候區(qū)，年平均降水量164 mm，年平均氣溫8 ℃，年積溫（>0 ℃）約3 550 ℃，年蒸發(fā)量約2 000 mm，年日照時(shí)間3 000 h以上。該地區(qū)地下水位位于地面以下40～50 m[12]。試驗(yàn)區(qū)土質(zhì)為沙壤土，2021年全大豆生育期內(nèi)降水量為154.6 mm，試驗(yàn)地（0～40 cm）土壤理化參數(shù)和基礎(chǔ)無(wú)機(jī)氮量見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)地耕層（0～40 cm）土壤理化參數(shù)和基礎(chǔ)無(wú)機(jī)氮量

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)對(duì)象為春大豆（隴黃3號(hào)），本試驗(yàn)設(shè)置了膜下滴灌（）、無(wú)膜滴灌（）、覆膜畦灌（）、無(wú)膜畦灌（）4塊試驗(yàn)田，每塊試驗(yàn)田面積均為50 m×50 m，在每塊試驗(yàn)田的中心布設(shè)1臺(tái)波文比-能量平衡系統(tǒng)。畦灌處理的每塊試驗(yàn)田用田壟分為4等份，滴灌帶和地膜采用機(jī)械化作業(yè)且同時(shí)布設(shè)，之后利用穴播機(jī)將大豆進(jìn)行人工播種，每個(gè)穴中留3～5粒種子（具體因土壤質(zhì)地和穴播機(jī)性能情況略有差異）。播種后需灌出苗水，待大豆出苗后人工間苗使每個(gè)穴保留1株。播種前撒施底肥（NH4）2×HPO4（P46%、N18%）225 kg/hm2、復(fù)合肥（N18%、P18%、K18%）225 kg/hm2，之后不追肥。灌溉系統(tǒng)總干管為75 mm的PVC管，支干管50 mm的PVC管，支管為50 mm的PE管，毛管為滴灌帶，滴灌帶直徑1.6 cm，滴頭流量2 L/h，滴頭間距30 cm。膜下滴灌試驗(yàn)田的布置為1膜2管3行，膜寬1.2 m，滴灌帶的間距為0.5 m，膜間裸土寬度30 cm。大豆株距15 cm，行距50 cm，種植密度為13.3萬(wàn)株/hm2，其他3個(gè)處理的大豆種植間距與膜下滴灌處理保持一致。試驗(yàn)布置如圖1所示。滴灌由于灌水時(shí)水分可以直接到達(dá)大豆根系，且灌水時(shí)無(wú)需投入過(guò)多人力，因而采用“少量多次”的灌水方式，而畦灌由于灌水以面源下滲，無(wú)效蒸發(fā)較多需多于滴灌灌水量才能滿足作物需水，又加上灌水時(shí)需消耗大量人力，因而采用“多量少次”的灌水方式。試驗(yàn)中灌水時(shí)間主要分布在大豆快速生長(zhǎng)的花莢期和鼓粒期，灌水量是以滿足作物需水量為前提綜合考慮灌溉方式的特性后制定，這與王巧娟等[13]以及Zhang等[14]研究中的灌水時(shí)間和灌水量幾乎一致。此外西北地區(qū)降水較少，在2021年整個(gè)生育期日降水量超過(guò)10 mm的僅2 d，一般不會(huì)對(duì)灌溉計(jì)劃產(chǎn)生影響，而當(dāng)降水超過(guò)15 mm以及出現(xiàn)大風(fēng)等惡劣天氣時(shí)，會(huì)適當(dāng)推遲灌溉。2021年春大豆灌溉制度如表2所示。

注 點(diǎn)狀填充是地膜，在膜下滴灌進(jìn)行了標(biāo)注；十字黑線是田埂，在無(wú)膜畦灌進(jìn)行了標(biāo)注。

表2 不同灌溉方式下的灌水日期及灌水量

注 括號(hào)里的單次灌水量數(shù)值代表有橫線標(biāo)注的灌溉時(shí)間對(duì)應(yīng)的灌水量。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 波文比-能量平衡系統(tǒng)

每塊試驗(yàn)田的中心各安裝了1臺(tái)波文比-能量平衡系統(tǒng)（BREB），用以對(duì)大豆全生育期內(nèi)的水熱通量進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)定位觀測(cè)。儀器的各項(xiàng)觀測(cè)指標(biāo)所用到的探頭型號(hào)及布設(shè)位置見(jiàn)表3，4臺(tái)儀器安裝的探頭型號(hào)和位置完全一致。

表3 觀測(cè)儀器布設(shè)情況

由近地層梯度擴(kuò)散理論，單位時(shí)間內(nèi)因湍流交換產(chǎn)生的潛熱通量（）、感熱通量（）與垂直方向上的溫度和水汽壓相互關(guān)系為：

式中：Δ為不同高度的溫度差（℃）；Δ為不同高度的水汽壓差（kPa）；為濕度計(jì)常數(shù)（kPa/℃）。

由以上公式可得：

采用波文比與能量平衡系統(tǒng)觀測(cè)2個(gè)垂向不同位置的溫度、水汽壓，配合凈輻射通量及土壤熱通量觀測(cè)數(shù)據(jù)，帶入上述公式可計(jì)算得、和，耗水量（）則通過(guò)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)換公式為：

式中：為蒸散強(qiáng)度（mm/d）。

Perez等通過(guò)數(shù)學(xué)和物理分析研究發(fā)現(xiàn)Δ、Δ與及()之間存在相互制約的關(guān)系，并利用和能量傳輸方向存在的制約關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)的取舍[16]，然后對(duì)不合格的數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)，對(duì)于3 h以內(nèi)的缺失值，利用線性插值進(jìn)行插補(bǔ)，對(duì)于更長(zhǎng)序列的缺失數(shù)據(jù)，根據(jù)前后3天相應(yīng)時(shí)刻的平均值進(jìn)行插補(bǔ)[17]。

在獲取連續(xù)且完整的觀測(cè)數(shù)據(jù)之后，對(duì)儀器數(shù)據(jù)進(jìn)行了一致性和可比性檢驗(yàn)。圖2為休耕期及生育期內(nèi)的部分時(shí)間的凈輻射和向下短波隨時(shí)間變化的規(guī)律圖。因?yàn)椴ㄎ谋认到y(tǒng)屬于蓄電池供電，無(wú)膜畦灌田的波文比儀器因供電問(wèn)題導(dǎo)致休耕期數(shù)據(jù)部分缺失，故我們?cè)谛莞趦H對(duì)膜下滴灌、無(wú)膜滴灌、覆膜畦灌3個(gè)處理下的波文比數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果如圖2（a）所示。根據(jù)圖2（a）可以看出，休耕期內(nèi)3塊試驗(yàn)田中波文比系統(tǒng)觀測(cè)得到的凈輻射基本一致。進(jìn)一步對(duì)大豆生育期內(nèi)4塊試驗(yàn)田波文比系統(tǒng)觀測(cè)得到的向下短波輻射與試驗(yàn)站內(nèi)氣象站觀測(cè)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對(duì)，結(jié)果如圖2（b）所示。根據(jù)圖2（b）可以看出，生育期內(nèi)4塊試驗(yàn)田中波文比系統(tǒng)觀測(cè)到的向下短波輻射基本一致，并與氣象站數(shù)據(jù)吻合。綜上所述，4臺(tái)波文比系統(tǒng)具有良好的一致性和可比性。

圖2 波文比系統(tǒng)的一致性和可靠性驗(yàn)證

已有研究證明波文比-能量平衡法計(jì)算的可行性[18]，本試驗(yàn)所采用的波文比-能量平衡系統(tǒng)已進(jìn)行過(guò)可靠性驗(yàn)證[5]，在此基礎(chǔ)上本文利用水量平衡法計(jì)算了并與波文比-能量平衡法測(cè)定的進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。本研究將波文比-能量平衡法計(jì)算的10 d耗水之和（BREB）與相應(yīng)日期的水量平衡法計(jì)算的耗水之和（WB）進(jìn)行比較，結(jié)果如圖3所示。研究結(jié)果表明BREB與WB具有良好的一致性，因此波文比-能量平衡系統(tǒng)可以準(zhǔn)確估算大豆的。

評(píng)價(jià)指標(biāo)決定系數(shù)2、標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差和一致性指數(shù)計(jì)算式為：

圖3 4種處理波文比-能量平衡法與水量平衡法估算的10 d蒸散之和的對(duì)比

1.3.2 生長(zhǎng)指標(biāo)及產(chǎn)量的測(cè)定

春大豆測(cè)定的生長(zhǎng)指標(biāo)主要包括冠層高度、主莖節(jié)數(shù)、葉片數(shù)、葉長(zhǎng)、葉寬、根瘤數(shù)、葉綠素量，取樣間隔時(shí)間為10 d左右，并在每種處理的試驗(yàn)田取長(zhǎng)勢(shì)均勻的6株植株，使用卷尺測(cè)定地面以上至頂部生長(zhǎng)點(diǎn)位置的高度為冠層高度；采用人工計(jì)數(shù)的方法記錄主莖節(jié)、葉片以及根瘤的數(shù)量；在苗期和成熟期用卷尺測(cè)量所有葉片的葉長(zhǎng)和葉寬，生育中期取每一個(gè)三小葉中的一個(gè)葉片測(cè)量葉長(zhǎng)和葉寬，同時(shí)利用葉綠素儀（SPAD-502plus）測(cè)定葉綠素量。之后將每株大豆分根、莖、葉、果4個(gè)部分，分別裝入檔案袋，105 ℃殺青1 h，然后在85 ℃下烘干至恒質(zhì)量，用精度為0.01 g的天平稱量生物量。在收獲時(shí)，將每個(gè)處理取9個(gè)1 m2的樣方，并分別將樣方內(nèi)的大豆進(jìn)行脫粒晾曬，用精度為0.01 g的電子天平稱量大豆籽粒，以獲取各個(gè)處理的大豆產(chǎn)量數(shù)據(jù)。

葉面積指數(shù)（）[19]的計(jì)算式為：

冠層覆蓋度（）表示綠色冠層覆蓋地面土壤的面積的比例[13]，是由計(jì)算而來(lái)，計(jì)算式為：

收獲指數(shù)（）的計(jì)算式為：

式中：為產(chǎn)量（kg/hm2）；為地上部生物量（kg/hm2）；即莖、葉、果的生物量總和。

1.3.3 水分利用參數(shù)

水分利用效率（kg/m3）和灌溉水利用效率（kg/m3）計(jì)算式為：

式中：為產(chǎn)量（kg/hm2）；為耗水量（mm）；為灌水量（mm）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel和IBM SPSS Statistics 22進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和繪圖，采用Origin 2021進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 大豆田的農(nóng)田小氣候

4種處理大豆全生育期內(nèi)的平均凈輻射（）、地表反射率、平均上層空氣溫度（）、平均下層空氣溫度（）、平均上層飽和水汽壓差（）、平均下層飽和水汽壓差（）、0～40 cm平均土壤溫度（）以及0～40 cm平均土壤含水率（）如表4所示。覆膜處理下的比無(wú)膜處理平均高6.58 W/m2，滴灌處理下的比畦灌處理平均低4.00 W/m2，此時(shí)膜下滴灌的略低于覆膜畦灌但高于無(wú)膜畦灌和無(wú)膜滴灌，整個(gè)生育期內(nèi)呈先增大后減小的趨勢(shì)，并在花莢期達(dá)到最大。4個(gè)處理的地表反射率無(wú)明顯差異，原因可能是由于大豆苗期植株較小，地膜覆蓋以及土壤含水率均會(huì)對(duì)反射率產(chǎn)生影響，隨著大豆的生長(zhǎng)發(fā)育，枝葉掩蓋了地膜的影響，從而使得不同處理之間的反射率沒(méi)有明顯差異。膜下滴灌的全生育期和的平均值分別為18.83 ℃和19.13 ℃均低于另外3種處理，這與膜下滴灌頻繁的灌水和覆膜的保濕作用使大豆農(nóng)田小氣候的水汽量較高有關(guān)。滴灌處理下的和均高于畦灌處理，這與滴灌處理下灌水量較少有關(guān)，而無(wú)膜滴灌處理下和除了受到灌水量的影響外還因?yàn)闆](méi)有地膜的保濕作用，所以數(shù)值上均高于其他處理。滴灌的在大豆不同的生育期中均高于畦灌處理，這與滴灌少量多次的灌水方式有關(guān)，同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)在大豆生育前期（苗期和分枝期），覆膜處理的要高于無(wú)膜處理，原因主要是覆膜后土壤蒸發(fā)減少，空氣感熱與土壤熱通量增加，即為地膜覆蓋的“增溫效應(yīng)”[6]。然而，本文還發(fā)現(xiàn)，地膜覆蓋后大豆長(zhǎng)勢(shì)明顯優(yōu)于不覆膜處理，其葉面積指數(shù)增加15%～20%，因此在大豆生育中后期，地膜覆蓋的大豆蒸發(fā)耗水更多，冠層截光能力更強(qiáng)，使土壤獲取的輻射更少，因此，在大豆生育中后期覆膜處理土壤溫度較不覆膜處理偏低。由于滴灌灌水量遠(yuǎn)低于畦灌，因此，膜下滴灌和無(wú)膜滴灌處理的均低于覆膜畦灌、無(wú)膜畦灌處理。春大豆在不同灌溉方式下的農(nóng)田小氣候中的各生育時(shí)期情況如表5所示。結(jié)果表明4種處理生育期從長(zhǎng)到短分別是膜下滴灌、無(wú)膜滴灌、覆膜畦灌、無(wú)膜畦灌；滴灌和覆膜對(duì)生育期長(zhǎng)短的影響主要體現(xiàn)在大豆生育后期，這表明膜下滴灌下的農(nóng)田小氣候促進(jìn)了大豆的生長(zhǎng)發(fā)育，在一定程度上加速了大豆的生長(zhǎng)，縮短了大豆的生育期。

表4 大豆生育期各階段及全生育期農(nóng)田小氣候各指標(biāo)的平均值

表5 不同灌溉方式下大豆生育期起始日期及時(shí)間

2.2 大豆的生長(zhǎng)指標(biāo)及生長(zhǎng)過(guò)程

4種處理大豆的冠層高度（）、根瘤數(shù)、葉面積指數(shù)（）和冠層覆蓋度（）隨時(shí)間變化分別如圖4所示。4種處理下不同生長(zhǎng)指標(biāo)在全生育期的平均值見(jiàn)表6。通過(guò)觀察隨時(shí)間的變化圖（圖4（a）），4種處理下在生育前期從大到小的順序?yàn)槟は碌喂?、無(wú)膜滴灌、覆膜畦灌、無(wú)膜畦灌，造成這種差異的原因可能是膜下滴灌在大豆的生育前期提供了更適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，加速了大豆的生長(zhǎng)，這也使得膜下滴灌條件下大豆的根瘤數(shù)、以及在生育前期均高于其他處理。覆膜畦灌的在大豆生長(zhǎng)的中后期高于其他處理可能與覆膜畦灌的大豆在這個(gè)階段進(jìn)行了大量的灌水有關(guān)。滴灌對(duì)比畦灌增加了27個(gè)根瘤數(shù)（圖4（b）），而覆膜增加了滴灌條件下的根瘤數(shù)卻減少了畦灌條件下的根瘤數(shù)，使得膜下滴灌與覆膜畦灌的根瘤數(shù)具有顯著差異，這可能是因?yàn)槟は碌喂喙嗨梢灾苯拥竭_(dá)大豆根系，而覆膜進(jìn)一步給大豆的根系環(huán)境提供適宜的水分，更有利于大豆主根系上根瘤的生長(zhǎng)，覆膜畦灌的灌溉水主要是通過(guò)側(cè)向流動(dòng)來(lái)給大豆根系供水，會(huì)改變大豆的根系分布，使得大豆根系更長(zhǎng)更分散，則不利于根瘤的生長(zhǎng)。葉面積指數(shù)隨著植株生長(zhǎng)逐漸增大，后隨著植株衰老導(dǎo)致的葉片脫落、葉片數(shù)減少而降低，在花莢期達(dá)到最大值（圖4（c））。無(wú)膜畦灌處理的土壤溫度最低，植物生長(zhǎng)遲緩，葉面積指數(shù)達(dá)到最大值的時(shí)間最晚。覆膜條件下單片葉面積和葉片數(shù)均高于無(wú)膜，因而覆膜條件下的對(duì)比無(wú)膜提高了18.29%。畦灌對(duì)比滴灌高5.45%主要表現(xiàn)在單片葉面積的增大。滴灌與畦灌的差異主要體現(xiàn)在生育前期和生育后期（圖4（d）），在播種后，因?yàn)榈喂嗟耐寥罍囟雀哂谄韫嗲彝寥牢窗褰Y(jié)，有利于植株生長(zhǎng)，因此在大豆生育前期滴灌的冠層覆蓋度更大，同時(shí)因?yàn)榈喂嗫s短了大豆的生育期，使得大豆的葉片相比于畦灌率先脫落，所以生育后期滴灌的冠層覆蓋度更小，這與葉面積指數(shù)是一致的。

圖4 不同灌溉方式下大豆生長(zhǎng)指標(biāo)隨時(shí)間的變化

表6 不同灌溉方式下大豆生長(zhǎng)指標(biāo)平均值

注 上下兩部分同一列不同小寫(xiě)字母表示在0.05水平上差異顯著。

2.3 大豆耗水規(guī)律及影響因素

圖5是4種灌溉方式下大豆全生育期內(nèi)耗水量的日變化，可以看出在整個(gè)生育期內(nèi)先增大后減小，呈“倒V型”變化，不同灌溉方式下大豆各個(gè)生育時(shí)期的耗水量如表7所示，膜下滴灌、無(wú)膜滴灌、覆膜畦灌、無(wú)膜畦灌在花莢期和鼓粒期的總耗水量分別為237.78、268.92、330.62、370.57 mm，占總耗水的比例分別為62.75%、64.12%、65.15%、64.86%，這2個(gè)時(shí)期是大豆耗水量主要集中的時(shí)期，也是不同灌溉方式下耗水差異表現(xiàn)最明顯的時(shí)期。全生育期內(nèi)膜下滴灌、無(wú)膜滴灌、覆膜畦灌、無(wú)膜畦灌的總耗水量分別為378.92、419.38、507.48、571.38 mm，平均日耗水量分別為2.81、3.04、3.68、4.02 mm/d。從耗水總量上來(lái)看，覆膜比無(wú)膜的總耗水量減少52.18 mm，滴灌比畦灌的總耗水量顯著減少140.28 mm，而且膜下滴灌的節(jié)水效果表現(xiàn)出了覆膜和滴灌節(jié)水能力的疊加，總耗水量均低于其他3種處理。從耗水強(qiáng)度上來(lái)看，覆膜比無(wú)膜的耗水強(qiáng)度降低了0.29 mm/d，滴灌比畦灌的耗水強(qiáng)度降低了0.93 mm/d，膜下滴灌的耗水強(qiáng)度最低。

圖5 不同灌溉方式耗水量的日變化

表7 不同灌溉方式下不同生育期的耗水量

注 上下2部分同一列不同小寫(xiě)字母表示在0.05水平上差異顯著。

將不同灌溉方式下的凈輻射（）、上層空氣溫度（）、下層空氣溫度（）、平均空氣溫度（）、土壤溫度（）、土壤含水率（）、上層飽和水汽壓差（）、下層飽和水汽壓差（）、平均飽和水汽壓差（）、冠層高度（）、葉面積指數(shù)（）與耗水量（）進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如圖6所示。不同的環(huán)境因子之間以及環(huán)境因子與生長(zhǎng)指標(biāo)之間存在相關(guān)性。研究表明4種處理下，的影響因子中、、、、、、、均與具有顯著的正相關(guān)關(guān)系，且其中相關(guān)性最強(qiáng)的分別為和，這與前人的研究結(jié)果一致[20-22]。的增大有利于大豆的生長(zhǎng)發(fā)育，同時(shí)促進(jìn)了大豆的增大。大豆的增大意味著單位面積上可以參與蒸騰的葉片總表面積增大，促進(jìn)了大豆的蒸騰作用，盡管越大對(duì)土壤的遮陰作用可能更大，土壤蒸發(fā)量可能有所降低，但是蒸騰在耗水中的占比更大，因而大豆的也會(huì)隨之增大。不同的灌溉方式下各因子之間的相關(guān)性表現(xiàn)并不相同。和僅在滴灌條件下與具有顯著的正相關(guān)關(guān)系，而在畦灌中的正相關(guān)關(guān)系并不顯著。有研究發(fā)現(xiàn)土壤蒸發(fā)和植株蒸騰對(duì)變化的響應(yīng)可能不同步[23]，而畦灌和滴灌由于灌水的差異導(dǎo)致土壤蒸發(fā)和植株蒸騰存在差異，這種差異可能是滴灌與畦灌中與顯著性不同的原因。

注 *p<=0.05，**p<=0.01，***p<=0.001

2.4 不同灌溉方式下的產(chǎn)量、收獲指數(shù)及水分利用參數(shù)

表8列出了不同灌溉方式的大豆產(chǎn)量（）、地上干物質(zhì)量、耗水量（）、收獲指數(shù)（）、水分利用效率（）和灌溉水利用效率（）。覆膜比無(wú)膜處理的產(chǎn)量顯著提高306.89 kg/hm2，滴灌與畦灌處理的產(chǎn)量幾乎無(wú)差異；4個(gè)處理中，無(wú)膜滴灌的產(chǎn)量表現(xiàn)為最低。膜下滴灌比無(wú)膜滴灌、覆膜畦灌、無(wú)膜畦灌各增產(chǎn)18.07%、5.27%、11.17%，這表明覆膜和滴灌的結(jié)合會(huì)增加大豆的增產(chǎn)效果。覆膜處理的平均地上生物量高于無(wú)膜處理，滴灌處理也高于畦灌處理，膜下滴灌的地上生物量最高。覆膜處理的收獲指數(shù)高于無(wú)膜處理12.24%，滴灌處理低于畦灌處理7.41%，但均無(wú)顯著差異，可能的原因是不同處理下的干物質(zhì)在地上部分的分配并沒(méi)有明顯的改變，經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和地上生物量之間的比例比較穩(wěn)定；覆膜對(duì)比無(wú)膜的平均水分利用效率顯著提高25.93%，滴灌對(duì)比畦灌平均顯著提高34.62%，膜下滴灌比無(wú)膜滴灌、覆膜畦灌、無(wú)膜畦灌均顯著提高31.15%、42.86%、70.21%。從大到小依次為膜下滴灌、無(wú)膜滴灌、覆膜畦灌、無(wú)膜畦灌，其中覆膜和滴灌均可提高，且滴灌的灌溉水利用效率提高效果更顯著。

表8 不同灌溉方式的產(chǎn)量、收獲指數(shù)及水分利用參數(shù)

注 上下2部分同一列不同小寫(xiě)字母表示在0.05水平上差異顯著。

3 討論

膜下滴灌、無(wú)膜滴灌、覆膜畦灌、無(wú)膜畦灌處理下大豆生育期內(nèi)的耗水量分別為378.92、419.38、507.48、571.38 mm。整個(gè)生育期內(nèi)膜下滴灌的耗水量比無(wú)膜滴灌減少了40.46 mm，覆膜畦灌的耗水量比無(wú)膜畦灌顯著減少了63.90 mm。因此無(wú)論是滴灌還是畦灌，覆膜都具有一定的節(jié)水作用，這與前人[24-27]的研究結(jié)果一致。覆膜的節(jié)水作用在畦灌條件下更加明顯，原因可能在畦灌條件下，土壤含水率較高，土壤蒸發(fā)更強(qiáng)烈，因此覆膜在畦灌條件下減少的土壤蒸發(fā)更多，體現(xiàn)在上也就更加明顯；同時(shí)，膜下滴灌的耗水量比覆膜畦灌顯著減少了128.56 mm，無(wú)膜滴灌的耗水量比無(wú)膜畦灌顯著減少了152.00 mm，無(wú)膜滴灌的耗水量與覆膜畦灌相比也顯著減少了88.11 mm，通過(guò)這些數(shù)據(jù)對(duì)比說(shuō)明，滴灌具有更好的節(jié)水效果，而畦灌會(huì)大大增加大豆生育期內(nèi)的耗水量，即使是覆膜畦灌仍要比無(wú)膜滴灌的耗水量高，這說(shuō)明畦灌的高耗水已經(jīng)掩蓋了覆膜對(duì)于耗水的抑制作用，推測(cè)原因可能是畦灌的灌水方式為少次多量，土壤含水率相比滴灌較高，這會(huì)造成畦灌處理下的土壤蒸發(fā)較大，特別在畦灌灌水后土壤表面會(huì)有積水產(chǎn)生，這將會(huì)產(chǎn)生大量的無(wú)效蒸發(fā)直接增加畦灌耗水量[5]。

膜下滴灌在4種處理中全生育期的耗水最少除了會(huì)受到灌水方式，覆膜措施以及大豆長(zhǎng)勢(shì)的影響外，還會(huì)受到大豆生育期長(zhǎng)短的影響。本試驗(yàn)得到4種處理的大豆成熟時(shí)間不一致，其中膜下滴灌最先成熟，無(wú)膜滴灌與覆膜畦灌次之，最后是無(wú)膜畦灌。覆膜處理比無(wú)膜處理早成熟4 d左右，滴灌處理對(duì)比畦灌處理也早成熟4 d左右，這表明覆膜與滴灌的協(xié)同增溫效應(yīng)對(duì)大豆的生長(zhǎng)發(fā)育起到了促進(jìn)作用，因此膜下滴灌促進(jìn)了作物的生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程縮短了生育期，這也在一定程度上減少了膜下滴灌處理下大豆全生育期的耗水量[28-29]。

膜下滴灌產(chǎn)量高于無(wú)膜滴灌、覆膜畦灌產(chǎn)量高于無(wú)膜畦灌，這說(shuō)明了覆膜具有增產(chǎn)作用結(jié)果，與前人[24,29-31]的研究一致，膜下滴灌產(chǎn)量高于覆膜畦灌，這也說(shuō)明了滴灌的增產(chǎn)效果[32]，然而無(wú)膜滴灌的產(chǎn)量卻低于無(wú)膜畦灌，說(shuō)明在無(wú)膜的條件下，滴灌的增產(chǎn)效果沒(méi)有顯現(xiàn)出來(lái)，但并不能因此否定滴灌的增產(chǎn)效果。相比畦灌，滴灌的灌水量很小，在無(wú)膜情況下土壤含水率低，從而影響了作物的生長(zhǎng)。通常作物產(chǎn)量隨灌水量的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)[33-34]，本試驗(yàn)中滴灌處理的灌水量較低，在灌水量增加的條件下，滴灌處理的產(chǎn)量或有增加的可能，顯現(xiàn)滴灌增產(chǎn)的效果。

膜下滴灌產(chǎn)量對(duì)比其他3種灌溉方式產(chǎn)量平均增加了11.51%，耗水量減少了24.13%，這說(shuō)明膜下滴灌對(duì)減少作物的耗水量，提高水分利用效率具有促進(jìn)作用[30-32,35-36]。盡管畦灌對(duì)比滴灌在平均產(chǎn)量上沒(méi)有顯著降低，甚至略有升高，但由于畦灌條件下的耗水量遠(yuǎn)高于滴灌，導(dǎo)致畦灌條件下的水分利用效率顯著低于滴灌條件下的水分利用效率。2種滴灌方式下的灌水量相同、2種畦灌方式下的灌水量相同，灌溉水利用效率的差異主要在于各處理產(chǎn)量及滴灌和畦灌灌水量的差異，此時(shí)膜下滴灌的產(chǎn)量最高，灌水量相比畦灌少，所以其灌溉水利用效率最大，而無(wú)膜滴灌產(chǎn)量雖低，但灌水量比畦灌少35.20%，使得其灌溉水利用效率依然高于畦灌。

本研究中的大豆試驗(yàn)的灌溉時(shí)間和灌溉量是參考當(dāng)?shù)貙?shí)際生產(chǎn)制定的4種灌溉方式和灌溉制度。欲通過(guò)滴灌與畦灌對(duì)比，覆膜與無(wú)膜對(duì)比，揭示不同灌溉方式對(duì)大豆生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量及水分利用的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明膜下滴灌是促進(jìn)大豆生長(zhǎng)及水分利用較好的灌溉方式。在接下來(lái)的研究中可進(jìn)一步設(shè)置不同的灌溉梯度的水肥虧缺試驗(yàn)，探究膜下滴灌更高效的灌溉制度。

4 結(jié)論

與畦灌相比，滴灌使大豆生育期內(nèi)的總耗水量平均顯著減少26.01%；與無(wú)膜相比，覆膜使大豆生育期內(nèi)的總耗水量平均減少10.53%；對(duì)比膜下滴灌與無(wú)膜畦灌，覆膜和滴灌2種節(jié)水措施使大豆生育期耗水減少了33.68%。膜下滴灌綜合了覆膜和滴灌的節(jié)水增產(chǎn)作用，比其他處理大豆產(chǎn)量平均提高了11.51%，水分利用效率平均提高了48.07%，灌溉水利用效率平均提高了46.57%。綜合考慮作物的耗水、產(chǎn)量、水分利用效率，膜下滴灌對(duì)大豆生長(zhǎng)提供了更適宜的生長(zhǎng)環(huán)境并具有明顯的節(jié)水增產(chǎn)高效作用。膜下滴灌這一現(xiàn)代化節(jié)水措施可以在大豆生產(chǎn)中采用并被進(jìn)一步推廣。

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Water Consumption and Water Use Efficiency of Soybean Are Impacted by Irrigation Method

GUO Zhenyu1,2, YANG Danni1,2, YANG Xiaolin1,2*, LI Sien1,2, WANG Chunyu1,2, ZHANG Yunxuan1,2

(1. College of Water Resources and Civil Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China;2. National Field Scientific Observation and Research Station on Efficient Water Use of Oasis Agriculture in Wuwei of Gansu Province, Wuwei 733009, China)

【Objective】Irrigation modulates water movement in soil and its bioavailability to crop roots. This study is to investigate the effect of different irrigation methods on water consumption and water use efficiency of soybean during its whole growth period, with an aim to help develop water-saving irrigation. 【Method】The field experiment was conducted in 2021 in Wuwei, Gansu province. It compared four irrigation methods: drip irrigation under film mulching, drip irrigation without mulching, border irrigation with film mulching, and border irrigation without mulching. The Bowen ratio-energy balance system was used to continuously monitor the changes in microclimate, crop growth and yield, water consumption () and water use efficiency ().【Result】①Film mulching increased net radiation () of the soybean by 6.58 W/m2, compared to no mulching; Soil temperature increased by 1.30 ℃ relative to drip irrigation.②irrigation method and mulching affected physiological indexes of the soybean both at significant levels. Film mulching increased the leaf area index () significantly by 18.29%, compared to no mulching, while the border irrigation increased theby 5.45%, compared to drip irrigation. ③Film mulching and drip irrigation reduced thesignificantly over the whole growth period, with the mulched drip irrigation having the least- 378.92 mm, compared to other treatments. ④Among all environmental and biological factors,andare correlated withpositively and most significantly. ⑤The yield of soybean under mulched drip irrigation was 18.07%, 5.27% and 11.17% higher than that of non-mulched drip irrigation, film mulched border irrigation, and non-mulched border irrigation, respectively. Film mulching increasedby 25.93% compared to no mulching, and drip irrigation increasedby 34.62% compared to border irrigation. The mulched drip irrigation increasedby 31.15%, 42.86% and 70.21%, respectively, compared to non-film mulched drip irrigation, film-mulched border irrigation and non-film mulched border irrigation.【Conclusion】Compared to drip irrigation without film, border irrigation with film and border irrigation without film, the yield of drip irrigation under film increased by an average of 11.51%,decreased by 24.13%, andincreased by 48.07% and irrigation water use efficiency improved by 46.57%; Taking into account the water consumption, yield and water use efficiency of soybean, drip irrigation under film provided a more benefit growth environment for soybean growth and significantly reducedand increased yield.

drip irrigation; film; yield; water use efficiency; soybean

郭振宇, 楊丹妮, 楊曉琳, 等. 不同灌溉方式對(duì)大豆耗水和水分利用效率的影響[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2023, 42(3): 14-25.

GUO Zhenyu, YANG Danni, YANG Xiaolin, et al. Water Consumption and Water Use Efficiency of Soybean Are Impacted by Irrigation Method[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(3): 14-25.

S565.1；S274

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022445

1672 - 3317（2023）03 - 0014 - 12

2022-08-11

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（32071975，51879262）；甘肅武威綠洲農(nóng)業(yè)高效用水國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站開(kāi)放課題（KF2021002）；甘肅內(nèi)陸河區(qū)農(nóng)田水碳通量監(jiān)測(cè)與節(jié)水固碳減排潛力評(píng)估項(xiàng)目（21JR7RH897）

郭振宇（1999-），男。碩士研究生，主要從事農(nóng)田水熱通量研究。E-mail: guozhenyu@cau.edu.cn

楊曉琳（1986-），女。副教授，主要從事節(jié)水種植制度研究。E-mail:yangxiaolin429@cau.edu.cn

責(zé)任編輯：趙宇龍