不同灌水方式根层土壤水分动态及耗水规律试验研究

汪顺生，王康三，孟鹏涛，刘东鑫

(华北水利水电大学水利学院，郑州 450045)

作物根层土壤水分的高低，是影响作物正常生长的重要因素。水分过高会导致作物根系供氧不足，发生对作物生长不利的无氧呼吸，导致根系腐烂；水分过低又会导致作物供水不足，影响作物的正常生长发育，导致欠收减产。土壤含水率低于作物的可利用水量的下限(凋萎系数)，则会造成作物的永久凋萎。关于土壤水分动态的研究，历来是国内外学者关注的焦点。陈素英、金友前[1,2]研究了覆盖小段玉米秸秆条件下冬小麦根层的土壤水分变化，研究发现采用秸秆覆盖时，能够有效地减少土层蒸发，小麦生育期内储水量增加显著；汪明霞[3]在交替隔沟灌夏玉米根层土壤水分实测值的数据支撑下确定相应参数，对其水分变化进行了动态模拟，获得了较好的效果；张源沛[4]通过测坑试验，分析了灌溉量对枸杞100 cm层深内土壤水分动态的影响，探明根层土壤水分波动受灌水量影响较大，并通过土壤水分动态变化趋势确定了合理的灌溉制度；孙仕军[5]通过多年的观测资料，分析了井灌区较大地下水埋深时的土壤水分变化，得出干旱条件下，灌溉和降雨的水量主要储蓄在100 cm土层内，而降雨雨量较大时，入渗水分主要积蓄在100～250 cm层深土壤中的结论。综上所述，尽管国内外学者在土壤水分动态方面的研究取得了丰硕的成果，但是在冬小麦、夏玉米周年宽垄沟灌不同土层水分动态的研究鲜见报道。小麦、玉米周年连作沟灌作为新型的种植方式，打破了传统的小麦和玉米各自种植的方法，逐渐受到人们的关注。近年来，一些学者开始探讨冬小麦垄作种植的适用性，初步研究了垄作种植条件下冬小麦的土壤水分动态和生理生态效应，取得了一定成果[6-9]。分析小麦、玉米周年连作根层土壤水分动态变化对衡量该灌水种植模式是否合理十分重要，同时可以通过根层土壤水分动态变化来反推宽垄沟灌条件下冬小麦和夏玉米各生育阶段以及整个生育周年的耗水量。本文通过开展冬小麦、夏玉米周年连作沟灌的根层不同深度土壤水分动态及耗水量的研究，对于制定合理灌溉制度，提高作物水分利用效率，具有重要技术参考价值。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2013年10月-2014年9月在华北水利水电大学河南省节水农业重点实验室农水试验场进行。地理位置为北纬34°47′，东经113°46′，试验田块长度为30 m，土壤为粉沙壤土，土壤密度1.35 g/cm3，田间持水率为24%，地势平坦，灌排有序。

小麦、玉米周年连作宽垄沟灌模式(IFI)在前茬玉米收获后整地灭茬并起垄做沟，沟断面采用梯形形式，垄高20 cm沟底宽20 cm，沟宽及垄面宽分别为40 cm和70 cm ，相邻两沟中距离为1.1 m，垄上种植5行小麦(见图1)和2行玉米(见图2)。试验设计对比的种植模式为常规平作畦灌种植(CFI)，设计3个灌水处理，即水分控制下限分别是田间持水量的60%、70%和80%(简记为L-60、L-70、L-80，后同)，共设6个处理，随机区组排列，重复3次。以各生育期计划湿润层土壤水分为标准，当其下降到水分控制下限时灌水， 灌水定额为45 mm，各处理灌水日期见表1和表2。主要测定不同种植模式及水分处理下冬小麦、夏玉米全生育期内土壤含水率变化动态、生长发育特性指标等。试验过程中无遮雨措施，通过对2013年10月-2014年9月华北水利水电大学河南省节水农业重点实验室的降雨资料的综合分析，得出这段时间内的有效降雨量为495.3 mm。其中冬小麦全生育期总降雨量为221.3 mm，多集中于4-6月，夏玉米全生育期总降雨量274 mm，多集中于9月。

图1 小麦、玉米周年连作沟灌模式小麦种植示意图

图2 小麦、玉米周年连作沟灌模式玉米种植示意图

表1 冬小麦灌水日期及灌水量 mm

表2 夏玉米灌水日期及灌水量 mm

1.2 测试指标及方法

(1)土壤水分：包括播前、全生育期和收获后都进行测定，在冬小麦、夏玉米生育周年内，测墒周期为5 d；其中周年连作沟灌在沟和垄上各取一个观测点，畦灌取一个观测点；采用土钻取样烘干法分层测定土壤含水率，测定深度为1 m,分5层(每层20 cm), 降雨和灌水前后加测一次。

(2)气象因子：试验场内设有自动气象站，自动监测和记录太阳辐射强度、降雨量、空气温度与湿度、风速、日照时长等相关数据。

2 结果与分析

2.1 小麦、玉米周年连作计划湿润层土壤水分动态

冬小麦和夏玉米生育期内的计划湿润层(层深1 m)的土壤水分变化主要受到灌溉、降雨和作物蒸腾蒸发量的影响，观测2013年10月至2014年9月冬小麦、夏玉米生育期内土壤墒情，以畦灌为对照，研究小麦、玉米周年连作沟灌模式1 m层深内的土壤水分动态变化，两种灌溉模式不同水分处理的水分变化情况见图3。考虑以水分控制下限为基准的不同种植模式和水分处理的灌溉时间不一致，因此，图3中6个处理1 m层深的土壤含水率变化未显示灌水和降雨。

图3 冬小麦、夏玉米生育期内计划湿润层土壤水分动态变化

从图3中可以看出，3种水分处理条件下，计划湿润层的土壤水变化存在共同的变化规律：小麦生育期内土壤水分波动频率相对较小，夏玉米生育期间的土壤含水率则变动极为频繁，但相比于畦灌模式，沟灌的土壤含水率下降速度较畦灌有所减缓；相同水分处理条件下，夏玉米土壤含水率的最大值与最小值的差值更大，最高达到57.45%，而冬小麦的最大、最小值之差仅为33.62%。进一步分析图3发现，随着设计土壤水分控制下限的提高，小麦、玉米生育周年内的土壤含水率的波动频率越快，原因是土壤水分控制下限越高，土壤表层越湿润，水分蒸发越大；同时根层土壤水分供应充足，作物的蒸腾作用也随着增强，导致作物耗水加快，体现在土壤水分变化上，即为计划湿润层内的土壤含水率的波动频率越快。

2.2 小麦、玉米周年连作沟灌不同深度土壤水分动态

分析图4可知，在小麦、玉米生育期内，0～20 cm土层内土壤含水率不但波动频率大，波动幅度也较大，与土壤质量含水率的最低值相比，同一灌溉模式土壤含水率的最大值较其高出64.42%～104.83%，主要是由于0～20 cm范围的土壤最接近位于地表层，受作物棵间蒸发、降雨、灌溉的影响较显著。两种灌溉模式土层越往下，土壤水含量波动越小，原因是随着土壤埋深增大，降雨、灌溉或土面蒸发等外界因素对该层土壤水分影响越来越小，当降雨较小时，对深土层的土壤含水率几乎没有影响。两种灌溉模式的土壤水分动态变化趋势相近，仔细观察依然能够看出沟灌的土壤含水率下降速度较畦灌有所减缓。进一步对比不同土层土壤含水率的变化特征，容易发现：从60～80 cm土层开始，两种灌溉模式的土壤含水率极为稳定，始终在70%田间持水量的上下小幅波动，且相同灌溉模式下土壤含水率的最高值较最低值仅高出11.36%～17.05%，即使在冬小麦和夏玉米生育最旺盛时期，该层的土壤含水率变化也不是很大，可知该层并不是两种作物的根系主要活动区域。80～100 cm范围内土壤水分动态平缓主要是由于该层土壤处于作物计划湿润层最底部，无论是灌溉、降雨，还是植株蒸腾，对该层的土壤水分影响都十分微小，棵间土面蒸发几乎无法影响该层土壤水分变化。冬小麦和夏玉米不同生育阶段根系活动层的活动范围是不同的，一般情况下，冬小麦在生育前期的根系活动范围主要在0～40 cm，生育中后期根系活动范围主要是在0～80 cm，而夏玉米在生育初期的根系主要在0～40 cm范围内活动，生育中后期主要是在0～100 cm范围内活动。

图4 小麦、玉米周年连作沟灌模式对不同土层土壤水分变化的影响

2.3 冬小麦、夏玉米不同生育阶段耗水规律

根据作物生育期内土壤水分的观测结果，利用水量平衡方程计算各处理作物阶段耗水量，公式为：

(1)

式中:ET1-2为阶段耗水量，mm；i为土层编号；n为土壤分层总数；γ为1 m内土层平均干密度，g/cm3；Hi为第i层土壤厚度，cm；θi2为第i层土壤时段末的含水率，%；θi1为第i层土壤时段初的含水率，%；M为时段内灌溉水量，mm；P为时段内有效降雨量，mm；K为地下水补给量，mm，由于试验场内地下水埋深在5 m以下，且通过雨后测墒发现单次降雨量均未造成计划湿润层深层渗漏，故地下水补给量可视为0 mm。

根据冬小麦全生育期的生育状况可划分生育期为：播种-出苗期、出苗-越冬期、越冬-返青期、返青-拔节期、拔节-抽穗期、抽穗-灌浆期、灌浆-成熟期7个阶段。由表3可知，在冬小麦各生育阶段中的耗水量差异明显，但各个处理表现规律相同：拔节-抽穗期阶段耗水最突出，其次为抽穗-灌浆期，两个生育阶段耗水量之和占全生育期耗水量总量的45.58%～48.09%；越冬-返青期耗水量最少，仅占6.52%～7.71%。从全生育期来看，同一水分处理CFI的耗水量均表现为大于IFI耗水量，相比L-60、L-70、L-80耗水量分别增加26.26、26.51、31.92 mm。根据夏玉米全生育期的生育状况可划分生育期为：播种-出苗期、出苗-拔节期、拔节-抽雄期、抽雄-灌浆期、灌浆-成熟期5个阶段。由表4可知，在夏玉米各生育阶段中的耗水量差异明显，但各个处理表现规律相同，灌浆-成熟期阶段耗水最突出，再者是拔节-抽雄期，两个生育阶段耗水量之和占全生育期耗水量总量的50%左右；播种-出苗期阶段的耗水量最少，仅占7.89%～9.54%。从全生育期来看，畦灌模式各水分处理的耗水量比沟灌模式增加38.15～44.13 mm，相同种植模式下，水分处理越高，耗水量越大。

表3 冬小麦不同生育阶段耗水量 mm

表4 夏玉米不同生育阶段耗水量 mm

2.4 小麦、玉米周年水分利用效率

衡量一种种植方式及灌水标准是否可行，最终体现在作物产量与灌溉水量的对应关系上，即看其是否满足节水高产宗旨。从实验数据可以看出，全年总产量和总产值受种植方式和水分处理影响较大。由表5可知，6个处理中，水分生产效率最高的为IFI-L-70，最低为CFI-L-80，分别为1.93和1.66 kg/m3。同一水分处理，IFI的水分生产效率均高于CFI，其中L-60、L-70处理较CFI的增长10%以上，同样从表6中可以看出，6个处理中，水分生产效率最高的为IFI-L-70，最低为CFI-L-80，分别为1.99和1.43 kg/m3。3种水分处理中，L-70处理的平均水分生产效率最高， L-60处理次之， L-80处理最低。L-60处理虽然水分生产效率较高，却比L-70减产803.87～1 342.61 kg/hm2，这种以降低夏玉米产量为代价的节水较不合理；L-80处理的产量占据优势，但其耗水量过大，导致平均耗水量比L-70水分处理增加436.23 m3/hm2，平均水分生产效率比L-70水分处理低0.22 kg/m3，同一水分处理，IFI的增产率均远高于CFI，其中L-70、L-80增产率高达11%以上，同时WUE增长率也达到22%以上，节水增产显著，这体现了小麦、玉米一体化垄作种植模式的节水优越性，其在垄沟中进行灌水，水流推进迅速并沿沟向两侧垄体渗透，灌水速度快；再者主要有垄沟水面与大气接触蒸发，与常规处理相比减少土壤水面 蒸发。进而小麦、玉米一体化垄作种植模式降低冬小麦籽粒单位产出所消耗的水量。3种水分处理中，L-70处理的平均水分生产效率最高，L-60处理次之，L-80处理最低。综合可知，L-70处理的产量较高，耗水量适度，水分生产效率最高，小麦、玉米分别平均达到1.84、1.81kg/m3。

表5 冬小麦的水分生产效率

表6 夏玉米的水分生产效率

3 结 论

本试验通过对冬小麦和夏玉米全生育期的降雨观测、灌溉记录和定期的100 cm内不同层深的土壤含水率测定，以畦灌为对照，研究了小麦、玉米沟灌模式的计划湿润层总体土壤水分动态和不同层深的土壤水分变化，分析了冬小麦、夏玉米的耗水规律，取得了良好的效果，结论如下。

(1)无论是沟灌模式，还是畦灌模式，均表现为小麦生育期内土壤含水率波动频率相对较小、夏玉米生育期间的土壤含水率波动频率较大；相同水分处理条件下，夏玉米土壤含水率的最大值与最小值的差值更大，达到57.45%，而冬小麦的最大、最小值之差仅为33.62%。随着土壤水分控制下限的提高，两种灌溉模式的土壤水分变化频率均增大。0～20 cm土层内土壤含水率不但波动频率大，波动幅度也较大，两种灌溉模式都是越往下，土壤水含量波动越小。

(2)冬小麦和夏玉米全生育期内各阶段耗水量变化都较大，拔节-灌浆期达到耗水量的峰值。同时，水分控制下限越高的处理，耗水量越大。宽垄沟灌种植条件下的耗水量较畦灌模式发生了时间上的改变，但总体耗水量存在不同程度的下降，平均节水38.15～44.13 mm。L-80处理的产量最高，耗水量也最大， 致使L-80处理的水分利用效率最低；L-70处理的平均水分生产效率最高， L-60处理次之。L-70处理的产量较高，耗水量适度，水分生产效率最高，小麦、玉米分别平均达到1.84、1.81 kg/m3。

□

[1] 陈素英, 张喜英, 刘孟雨. 玉米秸秆覆盖麦田下的土壤温度和土壤水分动态规律[J]. 中国农业气象, 2002,23(4):34-37.

[2] 金友前. 秸秆还田对土壤水分动态及小麦-玉米秸水分利用效率的影响[D]. 合肥：安徽农业大学, 2012.

[3] 汪明霞，陈晓飞，徐 鹏. 夏玉米控制性交替灌溉条件下土壤水分动态模拟[J]. 中国农村水利水电, 2010,(8):13-15.

[4] 张源沛，郑国保，孔德杰，等. 不同灌水量对枸杞土壤水分动态及蒸散耗水规律的影响[J].中国农学通报，2011,27(31):64-67.

[5] 孙仕军，丁跃文，马树文，等. 地下水埋深较大条件下井灌区土壤水分动态变化特征[J]. 农业工程学报，2003,19(2):70-74.

[6] 高传昌,李兴敏,汪顺生，等.垄作小麦产量及水分生产效率的试验研究[J].灌溉排水学报,2011,30(4):10-12.

[7] 汪顺生,费良军,高传昌，等.不同沟灌方式下夏玉米单作物系数试验研究[J].农业机械学报,2013,44(11):105-111.

[8] 高传昌,史 尚,王 兴，等.小麦、玉米一体化垄作沟灌对夏玉米生长特性的影响[J].灌溉排水学报,2013,32(6):84-86.

[9] 高传昌,赵 楠,汪顺生，等.小麦、玉米一体化垄作沟灌技术要素试验研究[J].灌溉排水学报,2013,32(2):23-25.