喷灌对冬小麦生长的影响机理研究综述

2014-08-15赵德杰山西水利职业技术学院

河南水利与南水北调 2014年11期

□赵德杰（山西水利职业技术学院）

0 引言

在我国，农业是用水大户，2001年，农业用水为3826亿m3，占全国用水总量的68%。而目前我国农田灌溉存在的问题严重，主要表现在2个方面：水资源利用效率低，有限的灌溉水得不到充分利用；农业用水挤占生态用水。因此，发展节水型农业，不仅是缓解当前农业用水紧缺的重要途径，也是实现社会可持续发展的战略需求。

喷灌是一种将由水泵加压或自然落差形成的有压水通过喷头喷射到空中，形成细小水滴，进而均匀地洒落入作物冠层和土壤，补充土壤水分的一种先进的灌溉技术。与传统的地面灌溉相比，喷灌具有的优点：灌溉水利用系数高，可达0.72%～0.98%;改善田间小气候;喷灌灌水均匀度高，减少由于化肥农药的深层渗漏所带来的面源污染;喷灌自动化程度高，省时省工。

然而，喷灌过程中水滴蒸发和冠层截留蒸发使得一部分灌溉水不能进入土壤，进而引起了喷灌是否节水的争论。有些学者通过测量喷灌水到达地面时的电导率试验得到，喷灌的水滴蒸发量为2%～15%（Mcleanetal.,2000）。同时作物的冠层也会截留一部分灌溉水，有研究显示，小麦的冠层截留水量为灌溉水量的24%～30%(Li etal.,2000)，棉花冠层上下的水量差在2%～44%的范围内变化(Ayars,1991)。有些学者也认为，虽然喷灌对农田小气候产生了一定的影响，但是还不足以影响到作物的生长，喷灌并不增产。因此有关喷灌是否节水增产的分歧仍然存在。为此，笔者将着重讨论不同学者对喷灌土壤结构、土壤水分养分分布转化规律、冠层内温度、湿度变化规律对作物生长的研究综述，为回答喷灌节水增产的科学问题提供一定依据。

1 喷灌对土壤结构和土壤水分养分分布转化的影响

1.1 喷灌对土壤结构的影响

Lehrsch等在Portneuf粉沙壤土上进行了试验，结果表明，喷灌能减小水滴能量明显提高稳定入渗率，并能保持土壤表面粗糙程度减少团粒破碎。Agassi指出雨滴动能增加，稳定入渗率降低，入渗对雨滴动能降低非常敏感，此时的能量阈值为10J·mm-1·m-2。Thompson等在壤土上的试验结果表明，当动能强度＜0.04W/m2时，地表产生径流的灌溉水量对动能强度的变化非常敏感。

很多学者对减少喷灌的水土流失增加水分入渗进行了大量研究。地表覆盖物可以缓冲水滴打击地面的动能，从而减小喷灌动能对地面的破坏，增加水分入渗，减少水土流失。Mohammed等指出，覆盖与不覆盖相比，在同样动能水平下，土壤的入渗率要大得多。Bhardwa j和Singh也发现在100mm/h和200mm/h的雨强下，草地和耕地的入渗率高于裸地；草地的土壤损失在30 min内两种雨强比裸地和耕地分别低2.60倍和2.50倍。Bjorneberg等在Roza壤土上试验，结果表明70%秸秆覆盖对于3次灌溉减少累积径流75%～80%。Zhang等研究了喷洒5.00mg/hm2的磷灰石和喷洒1.00kg/m3的PAM（聚丙烯酰胺）3种处理对水土流失的作用。结果表明，喷洒磷石灰和与裸土相比，土壤流失量分别减少了16%和19%。

1.2 喷灌对土壤养分的影响

增加氮肥的施用量是提高农作物产量的重要措施。但是，施入农田的氮肥，被作物吸收利用的只占其施入时的30%～40%（朱兆良，1986）。土壤氮素的淋溶损失是农田氮肥进入地下水中的基本途径，农田氮肥的淋溶损失主要以NO3-－N形式进行，并且主要取决于土壤溶液中NO3-－N的含量和土壤水分的运动条件（张国梁等，1998）。对于农田氮肥来讲，研究的重点是如何有效地减少农田氮肥的径流和淋溶损失、提高氮肥的利用率。

关于喷灌对肥料的运移特性，不同学者有不同的观点。王小龙的试验结果表明，在沙土地上，氮、磷、钾3种速效养分，随着喷灌量增大和湿润深度增加作同步移动，但三者分布重心移动速度差异较大。而魏新平的研究表明，入渗结束后，K+浓度集中分布在土表0～20cm土层内，入渗方式对NO3-离子运移影响大。郭大应等试验证实喷灌50mm的水将土壤表层硝态氮和表施的尿素淋洗到5～20cm作物根系密集层，利于作物吸收，不产生深层渗漏。

从以上的综述与分析可看出，喷灌通过将水分喷洒到空中，类似降雨进行灌溉，但又不完全等同于降雨。喷灌有其独特的入渗特性和溶质运移规律，喷灌水滴对土壤结构的影响，尤其是表层土壤结构，也不同于传统的漫灌或沟灌。土壤结构的变化对土壤水分的入渗、土壤养分的分布有很重要的影响。而土壤水分和养分的分布转化不同则会引起作物生长的差异。

2 喷灌对农田小气候的影响

喷灌通过喷洒水滴和冠层截留水的蒸发，可以降低冠层的温度，提高冠层附近空气湿度，为作物的生长提供一个良好的外部环境。

2.1 喷灌对冠层温度的影响

Kohl研究发现，在喷灌的顺风侧，气温一般可以下降1℃，水汽压可以增加0.80 mb。Westerman等指出，当叶片上表面的湿润面积为20%，15%和7%时，10min后，叶片温度分别降低了4.80℃，4.40℃和4.00℃。杜尧东等研究春小麦田间喷灌对小气候的影响，发现喷灌使空气温度降低了3.70～4.90℃，实际的水汽压增加了2.60～6.40 mb，空气相对湿度增加了26%～33%。黄寿波指出，喷灌茶园空气温度比对照茶园空气温度日变幅小，这种情况以贴地气层最为明显。由于喷灌对田间小气候的影响，部分学者研究了喷灌条件下作物的光合和蒸腾。研究结果显示，喷灌条件下作物的蒸腾速率小。Kraus和杨晓光等认为，喷灌田中蒸腾量的减少是由于喷灌后水汽压差的减小，喷灌田间蒸腾水分驱动势要低于地面灌条件下的水分驱动势，喷灌条件下的气孔阻力大于地面灌条件下的气孔阻力。

2.2 喷灌对光合的影响

喷灌不仅影响作物的蒸腾，也会影响作物的光合和生长。大量试验结论显示，喷灌调节作物冠层的温度，使其处于光合作用的适宜范围内，陈志银观测到叶片光合速率提高7.09×10-3-1.24×10-2mg.cm-2.h-1，叶片在夜晚的呼吸速率下降6.92×10-3-1.60×10-2mg.cm-2.h-1。王跃生研究得到，在距离地面60～160cm的范围内，桔园喷灌条件下的气温要低于对照区的，最高可达9.50℃，温差在2.00℃以上的持续时间可达10h以上。康跃虎等认为喷灌调节农田小气候的主要原因是喷灌过程中水滴的蒸发、冠层截留蒸发和湿润表层土壤蒸发共同作用造成的，而喷灌对农田小气候要素的这些调节作用可能正是喷灌能够节水增产的主要原因。

3 喷灌对作物生长的影响

3.1 喷灌对根茎生长的影响

Bai等报道灌溉方式对紫花苜蓿根系的生物积累量影响显著，喷灌下的根重和根长均大于漫灌处理。Wright等对高粱在喷灌和沟灌下的氮素吸收和产量形成进行试验研究，发现喷灌下氮素的利用率高，耗水量少，而其地上部的干物质重和产量分别较沟灌下高16%和10%。Cock等报道，人工喷雾灌溉可增加木薯干的根生产（91%）和总生物量生产（27%）。