喷灌冬小麦冠层截留试验研究

1、喷灌冬小麦冠层截留试验研究王 迪1，李久生1，饶敏杰2（1中国水利水电科学研究院，北京 100044；2中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081）摘要:【目的】确定喷灌作物冠层截留量。【方法】采用称重法在无风条件下对喷灌冬小麦冠层存储能力进行了连续两年测定，并对其影响因素进行了分析。【结果】喷灌初始阶段冠层截留量随灌水量的增加而迅速增加，此后增速逐渐减缓直至达到冠层存储能力。冠层存储能力随冬小麦生长期的变化而变化。在正常植株密度条件下，冬小麦冠层截留变化范围为0.681.47 mm。【结论】冬小麦抽穗前，冠层存储能力与植株鲜重呈线性正相关关系；从拔节期开始，冠层存储能力随叶

2、面积指数（LAI）和株高的增大而线性增大。喷灌强度对冠层存储能力没有明显影响。关键词：喷灌；冬小麦；冠层截留；冠层存储能力Winter Wheat Canopy Interception Under Sprinkler IrrigationWANG Di1，LI Jiu-sheng1，RAO Min-jie2（1China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100044；2 Institnte of Environment and Sustainable Development in Agricultur

3、e, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081）Abstract: 【Objective】Indoor experiments were conducted to investigate canopy interception and its influence factors under sprinkler irrigation during two growing seasons of winter wheat (2003-2004 and 2004-2005). 【Method】 In the experiments

4、, canopy storage capacity (Cs) was measured using a weighing method. 【Result】The experimental results demonstrated that the amount of water intercepted by canopy rapidly increased with water application at the initial stage of an irrigation event, and then reached the canopy storage capacity gradual

5、ly. A varying canopy storage capacity was observed during the growing season, increasing linearly with fresh weight of winter wheat plants before the tasseling. Winter wheat canopy interception varied from 0.68 to 1.47 mm under normal plant intensity.【Conclusion】Cs increased linearly with leaf area

6、index (LAI) and plant height from the jointing to the mature of winter wheat. Sprinkler application rate had an insignificant effect on Cs.Key words: Sprinkler irrigation; Winter wheat; Canopy interception; Canopy storage capacity0 引言【本研究的重要意义】冠层截留量是指植物叶片、枝干等地上生理器官对落入其内水分的截留容纳值。植物冠层所能截留的最大水量即为冠层存储能力

7、。与传统地面灌溉相比，喷灌存在冠层截留损失，因此针对喷灌是否节水以及节水量方面一直存在争议，这种争议已经影响了喷灌技术在中国的进一步发展和应用。为了对上述问题作出定量回答，有必要对喷灌作物冠层截留过程中的一个重要控制因素冠层存储能力进行深入研究。【前人研究进展】作为林木冠层截留天然降雨的重要控制因素之一，冠层存储能力一直为森林水文研究者所关注15。测定冠层存储能力的方法大致可概括为3种：第1种为基于统计学原理的回归分析法68。通过对毛降雨量（冠层顶部雨量）与净降雨量（株间与树干下流雨量之和）进行回归分析，回归直线通过毛降雨量所在坐标轴的截距即为冠层存储能力。第2种为基于水量平衡原理的间接测定法

8、。通过测定冠层顶部雨量、株间和树干下流雨量来间接计算冠层存储能力，由于受限于上述各分量的测量精度，因此在测量结果上存在较大误差9。第3种是直接测定法。其基本思路是直接对冠层截留水量加以测定，基于观测原理不同，又分为称重法10、射线法11和应变传递法12等。与前两种方法相比，直接法具有观测值稳定、精度高的优点，因此一直为人们所广泛采用。【本研究的切入点】喷灌系统的灌水方式类似于天然降雨，同样存在作物冠层截留。以往对降雨条件下林木冠层存储能力的研究较为深入，但对喷灌作物冠层存储能力的研究却很少。虽有部分学者进行了一些相关研究，但受观测方法所限，研究对象多为类似于玉米那样的行播稀植作物1315，而对

9、密植小叶作物（冬小麦）的研究较少16,17。Wang18等基于田间试验，采用擦拭法对喷灌冬小麦冠层截留量进行了测定，但受观测方法以及风的影响，未能对小麦冠层存储能力加以明确界定。【拟解决关键问题】本文的研究目的是基于无风条件下的室内喷灌试验，采用称重法测定冬小麦各生育期冠层存储能力并对其影响因素进行分析，从而为评价喷灌水利用率提供参考依据。1 材料与方法1.1 2004年试验1.1.1 试验布置 试验在中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所气象试验站温室内进行。供试小麦品种为中麦9号，2003年10月8日播种，行距为30 cm。试验按间距2 m2 m布置4个旋转式微喷头（北京绿源公司生产），

10、喷头距地面1.4 m。1.1.2 试验方法与观测过程 （1）冬小麦盆栽试样的制作 喷灌前10 min，制作盆栽试样。具体做法是将田间小麦植株在近地面处剪断，迅速移至室内并将其逐株插入预先打好孔的高密度防水泡沫板上，泡沫板尺寸为40 cm30 cm（其中冬小麦占据面积为25 cm30 cm），厚度10 cm，其上孔口密度与小麦田间植株密度相同。为保证喷灌时产生的茎秆下流水量能够及时排除至试样外，将泡沫板上表面制成中间高两侧低的形状。泡沫板上表面孔口与植株接触处用凡士林密实，防止水分进入。试样装置见图1。（2）观测过程 试样制作完毕后，将泡沫板上下表面及四周淋水，注意不要将水分淋到小麦植株上，目的

11、在于保证泡沫板喷灌前后状态一致。使用精度为0.1 g的电子秤称量试样初重，然后将试样放置到微喷头构成的正方形中心地面。紧邻试样布置2个面积为200 cm2承雨筒，用以测量小麦试样顶部喷灌水量，筒口距地面1.2 m。开始喷灌时，每喷灌20 min后停喷1 min，用以称量和记录试样重量，喷灌历时为120 min。上述观测过程重复3次，每次均重新制作小麦试样。试验选择在冬小麦抽穗期（2004年5月17日）进行。图1 喷灌冬小麦冠层截留装置示意图Fig.1 Schamatic description of measurement device for winter wheat canopy inte

12、rception under sprinkler irrigation1.1.3 观测项目（1）喷灌水量和喷灌强度 各观测时刻小麦冠层顶部喷灌水量通过测定承雨筒内水量（取两筒的均值）得到。试验中通过调节系统工作压力来获得不同喷灌强度，工作压力分别为0.1、0.2和0.3 MPa。（2）冠层截留量 各观测时刻处的截留水深，以该时段末始小麦试样重量差除以植株占据面积（25 cm30 cm，其中30 cm为小麦行距，25 cm为沿垄向所取小麦长度）计算得到。（3）植株密度 本试验设置植株密度与大田冬小麦植株密度相同，为979株/m2。1.2 2005年试验1.2.1 试验布置 试验在中国水利水电科学

13、研究院喷微灌水力学实验大厅内进行。供试小麦品种为黑麦 1号，2004年9月22日播种，行距15 cm。试验采取单喷头扇形（90）喷灌，选用以色列LEGO公司生产的摇臂式喷头，0.3 MPa工作压力下流量为0.8 m3h-1，喷嘴距地面1.6 m。小麦试样沿呈90的2个半径方向布置，每个半径方向均布置3个试样，分别距喷头4、7和10 m。试样顶部各布置2个承雨筒，筒口面积200 cm2，筒高15 cm。承雨筒放置在高度可随小麦株高变化调整的支架上。在试样周围加布盆栽小麦以达到与田间相同的群体效应。试验布置见图2。1.2.2 试验过程 冬小麦全生育期共进行4次喷灌试验，分别为4月16日、5月2日、

14、18日和6月4日。试样的制作及观测过程同2004年。图2 试验平面布置示意图Fig.2 General layout for the experiments conducted in 20051.2.3 试验设计与观测项目（1）喷灌水量和喷灌强度 冠层上部喷灌水量仍通过测定承雨筒内水量（取两筒的均值）得到。本试验设置3个喷灌强度水平，以距喷头不同距离处（4、7和10 m）获得。（2）植株密度 试验所选植株密度与当年田间小麦植株密度相同，为640株/m2。（3）株高和叶面积 每次试验前测定田间小麦的叶面积和株高。（4）植株鲜重 冬小麦试样制作前称量每个试样上所有植株总鲜重（本次试验均在土壤水分供

15、应充足条件下进行）。2 结果与分析2.1 冠层截留量与灌水量的关系为了分析灌水量与冠层截留量两者间关系，图3绘出了2004、2005年试验的冠层截留量随灌水量的变化情况，图3-b为距喷头4 m处的2个小麦试样测试值的均值。从图3可以看出灌水初始阶段（灌水后20 min）冠层截留量随灌水量的增加而迅速增加，此后增加速度逐渐减缓直至达到冠层存储能力。两年相同时期（2004年5月17日和2005年5月18日）喷灌小麦冠层存储能力存在一定差异（分别为2.41 mm和1.47 mm），这主要是因为两年小麦的植株密度不同（2004年为979株/m2，2005年为640株/m2）所致。从图3-b中还可以看出

16、喷灌冬小麦各生育阶段的冠层存储能力各不相同，表现为生育初期较小（4月16日，0.68 mm），而后逐渐增加，抽穗期最大（5月18日，1.47 mm），进入生育后期又有所下降（6月4日，1.37 mm）。这是因为冬小麦生育初期茎秆短，叶面积指数小，相应地存储水量也较小，随着小麦的生长，株高和叶面积指数均在增大，直至抽穗期达到最大，此时植株存储能力也相应达到最大。进入生育后期，叶片老化、下垂，叶面积指数减小，从而导致存储能力略有下降。由于2004年试验中冬小麦的密度远远大于正常密度，而2005年的密度接近正常密度，由此可见正常密度条件下冬小麦冠层储存能力为1.47 mm。2.2 喷灌强度对冠层截留

17、量的影响 为了分析喷灌强度对冠层截留量的影响，图4绘图3 2004和2005年冬小麦冠层截留量随喷灌水量的变化趋势Fig.3 Variation of winter wheat canopy interception with water application depth for the experiments conducted in 2004 and 2005出了2004和2005年不同喷灌强度条件下小麦冠层截留量的变化趋势。从两年的观测结果可以看出：尽管喷灌强度不同，但小麦冠层存储能力基本相同，这说明喷灌强度对冠层存储能力没有明显影响。从图中还可以看出，喷灌强度小的处理，达到冠层存储能

18、力时所需时间较长。图4 2004和2005年不同喷灌强度下冬小麦冠层截留量随灌水时间的变化Fig.4 Variation of winter wheat canopy interception with time under different sprinkler application rate for the experiments conducted in 2004 and 20052.3 叶面积指数（LAI）和株高对冠层存储能力的影响叶面积指数和株高都是表征作物生理形态的主要指标。为了分析二者对冠层存储能力的影响，图5绘出了2005年冬小麦生长期间（4月16日至6月4日，拔节期至成熟期

19、）冠层存储能力与LAI和株高的关系。从图5可以看出喷灌冬小麦冠层存储能力与LAI和株高均呈线性正相关关系。对回归方程进行显著性检验（tLAI=4.75t0.025(2)=4.30；t株高=8.41t0.025(2)=4.30）知回归方程显著，这说明冠层存储能力随叶面积指数和株高的增大而线性增大。图5 2005年喷灌冬小麦冠层存储能力与叶面积指数和株高的关系Fig.5 Relationships between winter wheat canopy storage capacity and LAI and plant height for the experiments conducted i

20、n 20052.4 植株鲜重对冠层存储能力的影响作物存储喷灌水量的器官除叶片外，还包括植株茎秆和穗。为了全面、精确确定冠层存储能力的影响因素，有必要对上述三者加以综合分析。由于植株鲜重是由叶片、穗和茎秆三部分重量构成，因此可以作为一个表征上述三者的综合指标。图6绘出了在冬小麦生长期间（2005年4月16日至6月4日）冠层存储能力随植株鲜重的变化过程。从图6可以看出在冬小麦抽穗前，冠层存储能力与植株鲜重的变化趋势基本一致；抽穗后至成熟阶段，植株鲜重继续增大而冠层存储能力则有所下降。这是因为小麦抽穗后，生长方式由营养生长向生殖生长转变，自身吸收的营养物质主要用来促进穗部灌浆，表现为植株鲜重持续增大

21、，但随着营养物质向穗部的转移，叶片开始老化、下垂，由于叶片的这种空间结构的变化，使其不易于存储喷灌水，从而导致冠层存储能力有所下降。图7为冬小麦抽穗前（2005年4月16日至5月18日）冠层存储能力与植株鲜重的关系，由图7可以看出喷灌冬小麦冠层存储能力随植株鲜重的增大而线性增大。图6 2005年不同生长阶段冬小麦冠层存储能力随植株鲜重变化Fig. 6 Variation of winter wheat canopy storage capacity with fresh weight at different growing stages for the experiments conduct

22、ed in 2005图7 2005年冬小麦冠层存储能力与植株鲜重关系Fig. 7 Relationship between winter wheat canopy storage capacity and fresh weight for the experiments conducted in 20053 讨论为了定量确定喷灌作物冠层截留水量及其影响因素，为评价喷灌水利用率提供参考依据，对喷灌冬小麦冠层截留量进行了连续两年测定。试验结果指出喷灌冬小麦冠层截留存在一个截留上限，即冠层存储能力。本研究表明，随着冬小麦生育期的不同，正常密度条件下冬小麦的最大冠层存储能力为1.47 mm，高于王庆改

23、18在大田实际条件下测定的结果（1 mm）。冠层存储能力随叶面积指数（LAI）、株高及植株鲜重的增大而线性增大。该结果与Herwitz等天然降雨条件下的林木冠层截留量试验结果1,35,20，以及Burgy人工降雨条件下苜蓿冠层截留试验结果一致21。喷灌强度对冠层存储能力影响不明显以及株高和叶面积指数与冬小麦冠层截留量呈正线性相关关系的结果也与Wang18和Kang19的喷灌冬小麦冠层截留量田间试验结果一致。上述试验结果表明影响冠层存储能力大小的诸因素主要体现在冬小麦自身的生理指标上，如LAI、植株密度、株高和植株鲜重，而喷灌水量、强度等灌溉因子仅对截留过程产生一定影响，对截留存储能力的影响则不

24、明显。限于观测手段，本试验在室内无风条件下进行，未考虑田间喷灌过程中气象因子（如太阳辐射、空气温湿度、风速）对作物冠层截留的影响，也未能就喷灌强度结合喷灌水滴直径对作物冠层截留的影响开展专门研究，上述因素对冠层截留的影响还有待通过田间试验进一步研究。 4 结论4.1 喷灌初始阶段冠层截留量随灌水量的增加而迅速增加，此后增速逐渐减缓直至达到冠层存储能力。不同生长期的冬小麦冠层存储能力各不相同，在正常种植密度条件下，冬小麦冠层截留变化范围为0.681.47 mm。4.2 喷灌强度对冠层存储能力大小影响不明显。4.3 冬小麦拔节至成熟阶段，冠层存储能力随叶面积指数（LAI）和株高的增大而线性增大。4

25、.4 冬小麦抽穗前，冠层存储能力与植株鲜重呈正线性相关关系。 References1 Herwitz S R. Interception storage capacities of tropical rainforest canopy trees. Journal of Hydrology, 1985, 77: 237-252.2 Bouten W, Schaap M G, Aerts J, Vermetten A W M. Monitoring and modeling canopy water storage amounts in support of atmospheric deposi

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