喷灌洒水与施肥均匀性对冬小麦产量的影响

1、喷灌洒水与施肥均匀性对冬小麦产量的影响摘要：喷灌均匀系数是喷灌系统设计的重要参数， 而喷灌洒水与施肥的均匀性对 作物产量的影响是确定均匀系数设计值的重要依据。 19981999、1999 2000 两年的喷灌洒水与施肥均匀系数对冬小麦产量影响的田间试验结果表明， 当冠层 以上均匀系数小于 76%时，冠层以下喷灌均匀系数大于冠层以上喷灌均匀系数。 灌溉季节内， 累计灌水量均匀系数大于平均喷灌均匀系数， 因此用平均喷灌均匀 系数表示灌溉季节的灌水均匀程度会低估实际灌水的均匀性。 喷灌施肥的试验结 果表明， 化肥施入量与灌水量的分布都可以用正态分布来表示， 且它们的分布比 较接近。 田间试验还表明，

2、 对华北平原种植的冬小麦而言， 在试验的喷灌均匀系 数变化范围内 （62%82%），喷灌洒水及施肥的均匀性对产量的影响不明显。关键词：喷灌 施肥灌溉 均匀系数 华北平原 冬小麦 产量 喷灌洒水的均匀程度通常用克里斯琴森均匀系数 CU来定量描述 1 ，其定义为：喷灌均匀系数的选择在喷灌系统设计中的重要性主要体现在 2 个方面：第一，喷 灌系统田间设备的投资与喷灌均匀系数密切相关， 提高设计均匀系数会增大系统 投资；第二，降低喷灌均匀系数设计值可能会对作物产量和品质带来不利影响， 并有可能引起深层渗漏， 对浅层地下水的污染构成威胁。 设计均匀系数的选取除 了需要考虑喷头本身的水力性能以及环境因子

3、（ 温度、湿度、风速、风向 ） 外，还 必须考虑喷灌均匀系数对作物产量的影响。 有关喷头水力性能对喷灌均匀系数的 影响国内外已进行了大量而卓越的研究 2 9 ，在喷灌均匀系数对作物产量的影 响方面，也进行了一些田间试验 10 ，11和数学模拟 12 14 。随着作物的生长， 冠层对喷灌水量分布的潜在影响会逐渐增大， 研究冠层对喷灌水量分布的影响对 确定合理的喷灌均匀系数设计值是十分必要的。本文作者 15，16在 1999 年冬 小麦生育期内对不同喷灌均匀系数条件下土壤储水量空间分布进行了监测， 研究 了冬小麦冠层截留对喷灌水量分布的影响， 并初步分析了喷灌均匀系数对产量的 影响，本研究是前述论

4、文的继续。喷灌的一个重要特点是可以进行施肥灌溉， 但关于喷洒肥料溶液时喷灌洒水均匀 性与肥料在田间分布均匀性之间的关系以及肥料喷施均匀性对作物产量的影响 研究却很少。本研究的目的是： (1) 继续就喷灌均匀系数对冬小麦产量的影响进行田间试验研 究； (2) 分析冬小麦生育期内喷灌均匀系数的变化情况以及累计灌水量分布与各 次灌水量分布之间的关系，进一步探讨冠层截留对喷灌水量分布的影响； (3) 初 步分析喷灌施肥时化肥的分布与洒水分布之间的关系， 探讨喷灌施肥均匀性对冬 小麦产量的影响。1 材料与方法试验在中国农业科学院农业气象研究所气象试验站内进行。试验地块的土壤040cm深度为砂质粘壤土，

5、4060cm为壤质粘土， 19981999、19992000 两年 的供试小麦品种均为中麦 9 号，属矮秆抗倒伏品种。 1998 1999 年的试验布置 详见文献15 ，16 。19992000年冬小麦于 1999年10月5日播种，行距 25cm， 播种量为 12.75g/m2. 试验按喷灌均匀系数不同设置 3 个处理(以下记为东处理、 中处理和西处理 ) ，各处理之间的灌水量、 施肥量保持一致。 喷头间距 15m×15m， 选用 LEGO公司生产的喷头， 压力下的出水量为 0.8m3/h. 选取 4 只喷头包围区域 中心 12m× 12m的范围作为观测区，以避免相邻处理之

6、间的干扰。灌水时， 4 只 喷头以 90°的扇形角同时向观测区喷水。将 12m× 12m 的观测区划分为 3m×3m 的小区，在每一小区中心放置开口面积为 100cm2的圆柱形承雨筒，用来测试冠层以下（地面）的喷灌水量分布。 当小麦生长到对喷灌水量分布有影响 （4 月 13日 以后的各次灌水 ） 时，在冠层以上按 3m×3m的网格布设承雨筒 （ 承雨筒规格与冠 层以下相同 ）. 冠层以上的承雨筒放置在支架上， 支架的高度随作物高度的升高而 升高。通过选择不同的喷头工作压力获得需要的均匀系数。 距试验田块 80m处安装有自动气象站，可以连续观测气温、风速、

7、风向、辐射、降水等气象要素。试 验布置见图 1a、b. 冬小麦生育期内各处理的灌水日期、灌水量及喷灌均匀系数 列于表 1.表 1 冬小麦生育期内的灌水日期、灌水量及喷灌均匀系数 （冠层以上）为了分析喷灌水量分布对叶面积指数和株高的影响，在冬小麦生育期内测定了 次株高和叶面积指数，测定日期分别为： 4月30日和 5月31日。测定时，每个 处理在所划分的 3m×3m的小区内各取 1个样，共取 16个样。冬小麦 6月 12日 收获，每一小区取 0.75m2，对其有效穗数、无效穗数、穗粒数、千粒重、籽粒 总重等指标进行测定。冬小麦生育期内的土壤水分用 TDR和中子仪监测。 在每一处理的对角线

8、上埋设深 度为 1.1m的中子管 3根(图1).0 30m的土壤水分用 TDR测试，30100cm用中 子仪按 10cm的等间隔测试。正常情况下每周测试一次土壤水分，灌水前和灌水 后 24h 各加测一次，降雨后也加测一次。在 3月 30日和 4月 13日灌水时进行了喷灌施肥， 3月30日按 22.2g/m2 施入碳 酸铵，4月13日按 4.4g/m2 硫酸铵与 13.3g/m2 尿素混合施入。施肥程序按 1/4 1/2 1/4 的经验模式进行 (Burt 等， 1998) ，即首先喷洒设计灌水量的 1/4 的清 水，接着喷洒设计灌水量的 1/2 的肥料溶液， 最后喷洒 1/4 的清水以冲洗管道

9、和 附着在作物叶面上的肥液。 灌水前对化肥溶液浓度与电导率之间的关系进行了率 定，结果如下：碳酸铵溶液：C= (n=10 ， r2=(2)硫酸铵溶液：C=(n=9，r2=(3)式中：C为化肥溶液浓度 (mg/l) ，变化范围为 01800mg/l;EC 为电导率 ( S/cm)， 变化范围为 800100 S/cm;n 为样本数； r 为相关系数。(2) 、 (3)灌水结束后，测定各承雨筒内化肥溶液的电导率和体积，然后根据式和承雨筒代表的面积和实测的灌水深度，计算每一小区的化肥施入量。2 结果及分析作物冠层对喷灌水量分布的影响图 2 给出了冠层以上喷灌均匀系数 (CUabove)与冠层以下均匀

10、系数 (CUbelow) 的 关系， 19981999 年的试验数据 15 也绘于图中。对它们之间的关系进行回归 分析后得：CUbelow=+29 (n=22,r2=由图 2 和式 (4) 可以看出，冠层以下均匀系数随冠层以上均匀系数的增大而 增大，也就是说冠层以上喷灌均匀系数较高时， 经过冠层再分布后， 地面上的喷 灌水量分布仍较均匀；当冠层以上喷灌均匀系数小于 76%时，冠层以下均匀系数 大于冠层以上均匀系数， 即此时喷灌水量经冠层再分布后， 水量分布的均匀性得 到一定程度的改善，并且冠层以上水量分布越不均匀，改善程度越明显。 该结果 与 Ayars 等 18 就棉花冠层对喷灌水量分布影响

11、的研究所得结论相似。 当冠层以 上均匀系数大于 76%时，冠层以下均匀系数反而小于冠层以上均匀系数，这可能 是由于作物生长不均匀所致 15 。图 2 冠层上、下喷灌均匀系数的关系图 2 冠层上、下喷灌均匀系数的关系喷灌均匀系数在灌溉季节内的变化一般采用一次典型条件 （ 压力、风速、风向、温度、湿度 ）下测得的喷灌均匀 系数代表系统的性能。 实际运用中， 影响水量分布的环境因素在灌溉季节内是变 化的，因此典型条件下测得的喷灌均匀系数不一定能够反映系统在整个灌溉季节 内的情况。本文定义平均喷灌均匀系数为各次灌水喷灌均匀系数的算术平均值； 累计灌水量均匀系数为用各承雨筒位置的累计水量代入式 （1）

12、计算出的喷灌均匀 系数。图 3 比较了冠层以上各次灌水喷灌均匀系数、 平均喷灌均匀系数和累计灌 水量均匀系数在灌水季节内的变化。 从图中可以看出， 累计灌水量的均匀系数既 大于各次灌水的均匀系数， 又大于平均喷灌均匀系数， 并且生育期内累计灌水量 均匀系数与平均喷灌均匀系数的差随平均均匀系数的减小呈增大趋势。 例如，高 （ 东处理） 、中（ 中处理） 、低（西处理）3 个喷灌均匀系数处理生育期内累计灌水量 均匀系数与平均喷灌均匀系数的差值分别为 6%，11%和 9%.图 4 给出了整个灌水 季节累计灌水量均匀系数 （以下称为季节喷灌均匀系数， CU季节） 与平均均匀系 数（CU平均）的关系，回

13、归分析得出：图 3 冬小麦灌水季节内冠层以上累计灌水量均匀系数与平均系数的关系CU季节=平均+22 （n=5,r2=（5）由图 4和式（5） 可以得知，如果按传统的估算灌溉季节平均均匀系数的方法， 即用灌溉季节内各次灌水均匀系数的平均值作为整个生育期的灌水均匀系数， 则 会低估喷灌水量分布的均匀程度。式 (5) 可用以估算华北平原冬小麦喷灌的季节 均匀系数与平均喷灌均匀系数的关系。喷灌施肥分布的均匀性为了确定喷灌施肥时的化肥施入量与灌水量是否服从正态分布， 对 3月 30 日的测试数据进行了 Kolmogorov-Smirnov 检验。 Kolmogorov-Smirnov 检验的判 别指标为

14、：图 4 季节喷灌均匀系数 (CU季节)与平均喷灌均匀系数 (CU平均)的关系 Dn=max|Fn(x)-F(x)| (0 x xmax)(6)式中： Dn为累计分布与经验分布差值的最大值； Fn 为正态累计分布； F 为观测 值的经验分布， xmax为观测值中的最大值。表 3 列出了 Kolmogorov-Smirnov 的检验结果， 在 =的显着水平下， 施肥量和灌 水量都可以用正态分布来表示。图 5比较了 3月 30日喷灌施肥重量与喷灌水量 的累计频率曲线及其与正态分布的拟合情况。 图中的横坐标的标准化值是指实测 值与均值之比。 标准化灌水量与施肥量的标准差也示于图中。 比较灌水量与施肥

15、 量的标准差以及实测点与正态分布的拟合情况可以看出， 喷灌施肥时的化肥施入 量与灌水量的分布比较接近，并且施肥量的标准差一般小于灌水量的标准差。喷灌及施肥均匀性对产量的影响冬小麦生育期内累计灌水量和产量的 Kolmogorov-Smirnov 的检验结果也列 于表 2，类似地，在 =的显着水平下，它们都可以用正态分布来表示。为了了 解喷灌均匀系数对产量分布均匀程度的影响， 表 3 总结了不同均匀系数处理时产 量要素 （ 有效穗数、穗粒数、千粒重、产量 ）和累计灌水量的均值和均匀系数。分 析表中数据可以发现， 尽管不同处理的累计灌水量均匀系数之间有较大差别， 但 所有产量要素的均匀系数之间差别不

16、大，并且其均匀系数都在 91%以上，也就是 说，喷灌均匀系数对产量构成要素分布的均匀性影响不明显。图 5 喷灌施肥量与灌水量累计频率分布及其 与正态分布的拟合情况 （ 冠层以上测试结果 ）图 6 冬小麦产量与冠层以上平均喷灌均匀系数 (CU平均) 、季节喷灌均匀系数 (CU 季节)的关系图6(a) 、6(b) 分别绘出了由 1999年和 2000年田间试验得出的产量与平均喷灌均匀 系数及产量与季节喷灌均匀系数的关系。 两图均清楚地显示出喷灌均匀系数对产 量的影响不明显。将产量与喷灌均匀系数之间进行回归后得：Y=平均+ (r2=(6)Y=季节+ (r2=(7)式中： Y为产量 (t/hm2).喷

17、灌均匀系数对产量影响不明显的原因可以归结为： (1) 作物冠层的截留使喷灌 水量分布的均匀性得到一定程度改善； (2) 灌水季节内累计灌水量均匀系数大于 各次灌水的均匀系数平均值 (图 3) ，这也在一定程度上减轻了由于各次灌水量分 布不均匀对作物生长带来的影响； (3) 土层储水量在整个生育期内一直很均匀16 ，再加上灌水过程中一部分水会沿作物茎秆直接渗入根区满足作物的需水要 求；另外，作物根系的水平伸展， 使得作物都可以均匀地获得所需要的水量； (4) 生育期内的天然降水给灌水量小的区域的作物吸水提供了补充。 上述所有因素都 在一定程度上减轻了喷灌非均匀性对产量的影响。为了分析喷灌施肥均匀

18、性对产量的影响，图 7 绘出了 3 个处理的产量与 3 月 30 日各小区施入化肥量的关系。 由图可明显看出， 产量对喷灌施肥的均匀程度同样 也不敏感。图 7 冬小麦产量与 2000年 3月 30日喷灌施肥量之间的关系3 结论与讨论 作物从播种到形成经济产量是一个十分复杂的过程， 影响产量的因素除了本文讨 论的灌水均匀性与灌水量、施肥均匀性与施肥量外，还有土壤特性的空间变异、 田间管理措施、 病虫害的防治技术等， 包括上述所有因素的田间试验或数学模拟 将是一个庞大的系统工程， 在这一方面还需要进行长期研究。 本研究得出下述初 步结论：(1) 作物冠层的截留使喷灌水量分布的均匀性得到一定程度的改

19、善，改善的程度 随喷灌均匀系数的提高而减小； (2) 灌溉季节内累计灌水量的均匀系数大于平均 喷灌均匀系数， 也就是说， 用平均喷灌均匀系数表示灌溉季节的灌水均匀程度会 低估实际灌水的均匀性，这一结论对喷灌均匀系数设计值的选取具有参考价值；(3) 对华北平原种植的冬小麦而言，在试验的平均喷灌均匀系数变化范围(62%82%)内，喷灌均匀系数对作物产量及其要素均值和分布均匀程度的影响不明显， 并且产量对喷灌施肥的不均匀性也不敏感。因此， 喷灌工程技术规范 19 规 定的均匀系数设计值 (CU75%)对华北平原区种植的冬小麦是偏于安全的，在某 些情况下可以考虑适当减小，以降低喷灌系统的投资和运行费用

20、。参 考 文 献：1 Christiansen J uniformity of application of water by sprinkler systemsJ 。Agricultural Engineering,1941,22:89-92.2 Seginer I,M ,sprinkler patterns and system designJ。 Journal ofIrrigation and Drainage Division,ASCE,1975,101(IR4):251-264.3 Fukui Y, K Nakanishi,S evaluation of sprinkler irri

21、gation uniformityJ 。Irrigation Science,1980,2:23-32.4 Vories E D,R D von nozzle sprinkler performance in windJ Transactions of the ASAE,1986,29(5):1325-1330.5 Seginer I,R D von of wind distorted sprinkler patternsJ。Journalof Irrigation and Drainage Engineering,ASCE,1991,117(2):285-306.6 Nderitu S M,

22、D J uniformity as affected by riser characteristicsJ Applied Engineering in Agriculture,1993,9(6):515-521.7 Li J,H rotation nonuniformity and water distributionJ 。 Transactions of the ASAE,1996,39(6):2027-2031.8 陈大雕，林中卉。喷灌技术 （第 2 版）M 。北京：科学出版社， 1992，563.9 施钧亮，窦以松，朱尧洲。喷灌设备与喷灌系统规范设计 M 。北京：水利 电力出版社， 1979，444.10 Stern J,E sprinkler irrigation Science,1983,4:17-29.11 Mateos L,E C Mantovani,F J conventional sprinkler irrigationJand crop yieldJ 。 Irrigationresponse to non-uniformity of Irrigation Science,1997,17:47-52.by spatial variations of soil and12 Warrick A W,WR yield as affectedirrigati