滴灌铺管间距对冬小麦水分动态及耗水特性的影响

商　健,张玉梅,林　琪,刘义国

(青岛农业大学农学与植物保护学院，山东省旱作农业技术重点实验室， 山东 青岛 266109)



滴灌铺管间距对冬小麦水分动态及耗水特性的影响

商健,张玉梅,林琪,刘义国

(青岛农业大学农学与植物保护学院，山东省旱作农业技术重点实验室， 山东 青岛 266109)

摘要：为明确胶东地区适宜小麦滴灌铺管间距，在大田试验设置了4种滴灌处理：一管三行(T3，间距54 cm)、一管四行(T4，间距72 cm)、一管五行(T5，间距90 cm)、一管六行(T6，间距108 cm)，以无灌水处理(CK)为对照，研究了不同滴灌铺管间距对冬小麦耗水及水分利用效率的影响。结果表明，滴灌对0～60 cm土层土壤含水量影响显著，可显著降低土壤水的消耗。不同滴灌处理冬小麦总耗水量和土壤水消耗量表现为T6>T3>T5>T4，两年T6处理总耗水分别为407.5 mm和451.2 mm，显著高于T4处理。在枯水年，各处理WUE表现为T5>T4>T6>T3>CK；平水年，各处理WUE为T5>T4>CK>T6>T3，两年度T5和T4处理的WUE均显著高于其它处理，其中T5的WUE分别为24.3 kg·hm-2·mm-1和19.4 kg·hm-2·mm-1。适宜的滴灌管配置方式能显著提高冬小麦有效穗数和子粒千粒重，T5处理两年产量最高，综合考虑T5经济效益最大，两年的经济效益分别达到10 976.35元·hm-2和9 802.56元·hm-2。一管五行间距90 cm是胶东地区最佳滴灌铺管间距配置。

关键词：滴灌；铺管间距；冬小麦；耗水特性；产量

作为我国粮食主产区之一的华北平原，是我国北方水资源严重匮乏的地区。冬小麦是华北平原主要的粮食作物之一，其播种面积约占耕地面积的40%，小麦用水约占北方农业用水的70%[1-2]。受季风气候的影响，生育期内降雨仅能满足冬小麦总耗水的25%～30%[3]，干旱已成为冬小麦生产的主要限制因素。冬小麦要获得高产就必须依靠灌溉水的补充，灌溉是冬小麦高产稳产的重要保证。但是华北地区冬小麦生产中灌溉用水存在着用水量过大、地下水超采严重、农业用水效率低下等问题[4]。滴灌是当今世界上最先进的节水灌溉技术之一，它是利用滴灌系统设备，按照作物需水要求，通过低压管道系统和滴头，以较小的流量均匀、准确地将作物生长所需的水分和养分直接输送到作物根部附近的土壤中，使作物主要根系活动区的土壤始终保持在最优含水状态，达到节约灌溉用水量、促进作物生长、提高产量和改善品质的一种局部灌水技术[5-7]。目前滴灌主要应用在大田棉花、温室大棚、果园及绿化带等方面[5]。前人对滴灌技术的研究也主要集中在棉花、果树、蔬菜等宽幅种植的作物，而麦田滴灌技术是对密植作物灌溉的一次改革[8]。当前滴灌技术在小麦上的应用也主要集中在新疆地区，成为新疆春小麦大面积高产的典型。滴灌技术在冬小麦上的研究和应用相对较少，而且滴灌铺管参数的设置受当地气候、土壤质地、容重等因素的影响很大。鉴于此，本试验在前人研究的基础上，进一步探讨了滴灌铺管间距对胶东地区冬小麦水分分布及水分利用的影响，以期为滴灌冬小麦高产高效栽培提供理论依据。

1材料与方法

1.1供试品种与试验地概况

试验于2011—2012年度和2012—2013年度在山东省胶州市青岛农业大学科技示范园(36°03′N,120°07′E)进行。试验地年平均气温11℃～14℃，土壤为砂姜黑土，属于温带大陆季风气候。耕作层含全氮0.11%，有效氮87.9 mg·kg-1，速效磷17.28 mg·kg-1，速效钾109.46 mg·kg-1，有机质1.45%，pH为6.78。2011—2012年度小麦生育期降雨量为164.7 mm(图1)，为枯水年，降雨严重不足。2012—2013年度，小麦生育期总降雨量为277.6 mm(图1)，为平水年。供试品种为“青麦7号”，2011年播种日期为10月17日，2012年为10月15日，基本苗180万·hm-2。

图12011—2013年试验地小麦生长季各月份降雨情况

Fig.1The rainfall situation in each month of

the wheat growing period in 2011 to 2013

1.2试验设计

试验为滴灌管铺管方式单因素试验，小麦行距18 cm。根据铺管间距的不同，试验设4个滴灌处理：一管三行(T3，两带间3行小麦)、一管四行(T4)、一管五行(T5)、一管六行(T6)(图2)，同时以无灌溉作对照(CK)。各小区面积为180 m2(6 m×30 m)，采用随机区组设计，重复三次。各处理间留1.5 m的隔离带，防止小区间水分侧渗。滴灌处理采用北京水润佳禾灌溉技术有限公司生产的内嵌式滴灌管(Φ=16 mm) 进行灌溉，滴头间距为30 cm，滴头流量为2.7 L·h-1。滴灌处理分别于起身期、拔节期、开花期、灌浆期灌水，每次灌水30 mm，T3、T4、T5、T6各小区每次滴灌时间为1.8、2.5、2.86 h和3.3 h，在每个小区滴灌管进水口处设水表计量灌水量。两个生长季试验处理一致，播种前灌溉底墒水，使土壤墒情一致。试验小区均施N：225 kg·hm-2，其中底肥为复合肥 375 kg·hm-2(N∶P∶K为18∶18∶8)，追肥尿素(含氮量46.2%)341 kg·hm-2，基施有机肥。

图2不同滴灌模式示意图

Fig.2The sketch map for different drip irrigation model

1.3测定项目与方法

1.3.1土壤含水量的测定利用TDR土壤水分测定系统，每20 cm一层进行土壤水分测定。测定深度为1 m。每隔6 d测定一次，在每次灌水前一天傍晚及灌水后12 h加测，降雨后加测。在各小区铺管行、相邻行及次邻行中间位置埋下深1.4 m的PVC水分测定管(如1管6行处理铺管行、相邻行、次邻行位置所测定水分表示为T61、T62、T63)。同时利用烘干法测定土壤含水率，利用土钻在冬小麦各生育时期每20 cm取土一次，取土深度1 m。放于铝盒中，在105℃利用烘干法测定土壤含水量。

1.3.2作物耗水量根据土壤含水量计算农田耗水量：

式中，ET1-2为阶段耗水量(mm); i为土层编号; n为总土层数；γi为第i层土壤干容重(g·cm-3)； Hi为第i层土壤厚度(cm)；θi1和θi2分别为第i层土壤时段初和时段末的含水率, 以占干土质量的百分数计；M为时段内的灌水量(mm)；P为有效降水量(mm); K为时段内的地下水补给量(mm)，当地下水埋深大于2.5m时，K值可以忽略不计。

1.4测 产

成熟期各小区选取完整的3个1 m行，检查成穗数，折算有效穗数。各小区选取10株完整代表植株，收获后室内考种获得株高、穗粒数、有效分蘖数，脱粒风干后测定千粒重。收获时每小区取2.0 m2的完整植株测定产量，最后折算公顷产量。

1.5统计分析方法

试验数据采用统计分析软件DPS 7.05分析处理，采用LSD法对处理间差异显著性进行分析比较。

2结果与分析

2.1不同滴灌处理对土壤水分动态分布的影响

不同滴管布置模式下小麦不同时期土壤水分分布见图3。由图3(图中水分为相同深度不同行小麦水分的平均值)可知，灌水前不同土层土壤水分含量基本接近，灌起身水后滴灌处理各时期土壤含水量均高于CK，拔节后各处理土壤含水量差异开始变大。滴灌对0～60 cm土壤水分含量影响比较明显，0～40 cm 土层土壤水分含量整个生育时期变化最为剧烈，80～100 cm各滴灌处理土壤水分含量差异较小。不同土层滴灌处理间土壤水分含量变化趋势不一致，0～40 cm土层基本表现为T3>T4>T5>T6；40～60 cm土层为T5>T4>T3>T6；60～100 cm土层开花前为T5>T4>T3>T6，花后为T5>T4>T6>T3。T3处理对0～40 cm土壤水分含量影响显著，而不利于深层土壤的供水。T5处理40～100 cm水分均匀度高于其它处理，T5处理能保证较深层土壤的供水。

2.2滴灌铺管间距对冬小麦产量的影响

由表1分析可知，不同处理间滴灌处理的冬小麦千粒重、穗粒数、穗数及产量均显著高于CK，表明滴灌能显著改善冬小麦的产量构成，提高产量。不同滴灌处理间，滴灌铺管间距对冬小麦千粒重、穗数的影响差异显著，对穗粒数的影响差异不显著，表明滴灌管铺管间距适宜能显著提高冬小麦子粒千粒重和有效穗数。不同处理间两年的大田试验产量均表现为T5>T4>T6>T3>CK，2011—2012年产量差异显著，2012—2013年度T3与T6差异不显著，T5产量显著高于T3、T6。2011—2012年度，T5处理的产量为8 878.3 kg·hm-2，分别比CK、T3、T4、T6高出61.1%、17.8%、2.4%和10.2%；2012—2013年度T5处理的产量为8 344.80 kg·hm-2，分别比CK、T3、T4、T6高出42.74%、21.12%、8.91%和20.28%，表明不同滴灌铺管间距对冬小麦产量影响不同，适宜的滴灌铺管间距条件下，可以显著提高冬小麦的千粒重和有效穗数，从而实现高产。由两个生长季的产量对比发现，2011—2012年度各滴灌处理的产量均高于2012—2013年度，主要是因为第二年度5月降雨过于密集，影响了小麦的开花和灌浆，导致千粒重和有效穗数群体的降低，从而减产。而CK产量第二年度却高于第一年，第二年度的降雨有效缓解了干旱胁迫，提高群体穗数，提高产量。

图3不同滴灌处理下各土层土壤含水量的变化(2012—2013)

Fig.3Changes of soil water content in each layer under different drip irrigation treatments(2012—2013)

2.3不同滴灌处理对水分利用效率的影响

由表2可知，2011—2012年和2012—2013年度生长季子粒产量均为T5>T4>T6>T3>CK。两年滴灌处理总耗水量均显著高于CK，滴灌处理间耗水量表现为T6>T3>T5>T4，2011—2012年度T6与T4、T5差异显著，2012—2013年度T6与T4差异显著，相同处理第二年耗水量均高于第一年。CK土壤水消耗量显著高于滴灌处理，但2011—2012年CK与T6差异不显著，相同处理第二年土壤水耗水量均低于第一年。表明灌水后显著降低了土壤水消耗，滴灌处理T6、T3耗水量高于T4、T5，不同铺管间距下灌水后水分分布均匀度不同，T4和T5处理的水分分布均匀，导致耗水降低。2011—2012年度水分利用效率为T5>T4>T6>T3>CK，T5与T4处理WUE差异不显著，但显著高于其它处理；2012-2013年度水分利用效率为T5>T4>CK>T6>T3，T5与T4处理WUE差异不显著，CK、T6、T3处理间差异不显著。相同处理第二年水分利用效率均低于第一年。

2.4滴灌铺管间距对冬小麦经济效益的影响

通过对滴灌冬小麦成本和效益分析(表3)可以看出，滴灌耗材成本依次为T3>T4>T5>T6，不同处理因铺管间距不同滴灌管耗材也不同，铺管间距越窄使用毛管越多。灌溉相同面积所需时间不同消耗水电费用也不同，T3处理所用时间最短，使用水电费最少，T6最多，但总成本的差异主要是滴灌耗材造成的。相同处理CK总效益第二年高于第一年，是因为第二年产量升高，而滴灌处理由于第二年产量降低效益也小于第一年。由2012—2013年效益可以看出，CK的效益高于T3和T6处理，滴灌铺管间距过大或过小均不能获得高的效益，T5模式下经济效益最高。

3讨论

已有的研究表明，滴灌条件下水分主要分布在0～60 cm土层，土壤水分含量变化在此土层也较为剧烈[3,9]。在本研究条件下，滴灌对0～60 cm土层土壤含水量影响显著，整个生育期0～40 cm土层土壤水分变化最为剧烈，主要是因为该层土壤受灌溉和降雨的影响比较大，同时土壤蒸发强度较大，根系分布密度大，耗水量也大。不同滴灌铺管间距处理对水分分布的影响存在差异，T3处理对0～40 cm土层水分动态影响显著，60～100 cm土壤含水量低于其它滴灌处理，这主要是相同的滴头流量和灌溉量条件下水分在水平方向和垂直方向入渗距离不同造成的。对同一滴头流量而言，入渗距离受滴灌时间的影响。王全九等[10]认为滴灌水分进入土壤后，水分运移分三个阶段，第一阶段为等速移动阶段，水平和垂直两个方向水分运移速度基本相同；第二阶段为不等速阶段，水分垂直方向扩散速度大于水平方向；第三阶段为水分的垂直扩散阶段，此阶段水平方向的水分移动远低于垂直方向。本研究中由于滴灌带数的差异，灌溉量相同所需灌溉时间不同，T3灌溉时间最短，T6灌溉时间最长，灌溉时间越长越利于垂直方向的水分移动，而滴灌间距过大则不能保证水平方向的水分供应。

注：I: 灌水量；P: 降水量；SWCA: 土壤水消耗量；WUE: 水分利用效率。

Note：I: Irrigation amount; P: Precipitation; SWCA: Soil water consumption amount; WUE: Water use efficiency.

注：价格计算参照当地市场价，滴灌材料价格按照使用5 a折算，小麦价格按照市场价2.2元·kg-1计算。

Note： The price references the local market price, drip material price converted by five years use, wheat price is according to the market price as 2.2 yuan·kg-1.

张德奇等[11]研究表明，约50%的冬小麦根系主要分布在0～40 cm土层范围内。滴灌对0～60 cm土壤含水量影响显著，T4、T5处理40～60 cm土壤含水量高于T3，有利于根系的下扎，促进深层吸水。T6处理间距过大，远边行供水不足，出现不同行间的生长差异，远边行的产量显著降低。适宜的滴灌铺管方式能显著提高冬小麦子粒千粒重和有效穗数。两年的大田试验产量均表现为T5>T4>T6>T3>CK。提高自然降水和灌溉水的利用效率是节水农业需要解决的关键问题[12-13]。本研究中不同滴灌处理对冬小麦总耗水量影响存在差异，表现为T6>T3>T5>T4，由于T6处理毛管间距过大，对距离毛管最远行的小麦供水不足，造成表层土壤的水分消耗加剧，而T3处理则加剧了深层土壤的水分消耗。冬小麦的水分利用受降雨的影响显著，王淑芬等[14]认为，华北地区冬小麦最佳的灌水方式是丰水年不灌水、平水年灌一次拔节水、枯水年灌拔节水和抽穗水。仵峰[15]研究表明地下滴灌的毛管铺设间距为90 cm时，灌水后相邻两条滴灌带之间的水分能够充分搭接，可在地下形成一个完整的湿润层，可满足作物需水均匀供水的要求。本研究中，2011—2012年度为枯水年，各滴灌处理WUE表现为T5>T4>CK>T6>T3；2012—2013年度为平水年，但降雨主要集中在冬小麦开花期后，严重影响了子粒灌浆，千粒重和有效穗数显著降低，造成滴灌处理第二年度的产量均低于第一年度，使得水分利用效率均低于第一年度。

4结论

科学合理的配置滴灌铺管间距是滴灌冬小麦获得高产和灌溉效益的重要前提条件。本试验条件下，1管5行处理(滴管间距90 cm)作物需水层水分分布均一性最高，有效减少土壤水消耗，提高了水分利用效率，显著提高了子粒产量(两年度分别为8 878.3 kg·hm-2和8 344.80 kg·hm-2)，提高了滴灌经济效益，是胶东地区适宜的滴灌铺管间距配置。

致谢:感谢山东省旱作农业技术重点实验室和青岛农业大学现代农业科技示范园对本研究的支持；感谢林琪教授为试验设计和实施进行的指导和监督。

参 考 文 献：

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Effects of the distance to drip pipe on moisture dynamics and water consumption characteristics of winter wheat

SHANG Jian, ZHANG Yu-mei, LIN Qi, LIU Yi-guo

(ShandongKeyLaboratoryofDryFarmingTechnology,CollegeofAgronomyandPlantProtection,QindaoAgriculturalUniversity,Qingdao,Shandong266109,China)

Keywords:drip irrigation; distance of drip irrigation pipe; winter wheat; water consumption characteristics; yield

Abstract：In order to clear the suitble distance of drip pipe for wheat in the Jiaodong Area, set up 4 drip irrigation treatments in the field experiment, such as 1 pipe with 3 rows (T3, the distance of 54 cm), 1 pipe with 4 rows (T4, the distance of 72 cm), 1 pipe with 5 rows (T5, the distance of 90 cm), 1 pipe with 6 rows (T6, the distance of 108 cm), and using no irrigation as control (CK), researched the effects of different distance of drip pipe on water consumption and water use efficiecy(WUE) of winter wheat. The results indicated that: The drip irrigation was notable influences on soil moisture in 0～60 cm depth, can be notably reduced the consumption of soil water. For different drip treatments, the whole water consumption of winter wheat and soil water consumption expressed as T6>T3>T5>T4，the whole water consumption of T6 in two years were 407.5 mm and 451.2 mm, respectively, notatble high than T4 treatment. In the dry year, the WUE of each treatment can be expressed as T5>T4>T6>T3>CK. In the normal year, the WUE of each treatment can be expressed as T5>T4>CK>T6>T3. The WUEs of T5 and T4 were total notable high than other treatments in two years, among them the WUE of T5 were 24.3 kg·hm-2·mm-1and 19.2 kg·hm-2·mm-1, respectively. The suitable layout mode of the drip pipes can notably increase the effective spike numbers and 1000-grain weight of winter wheat. For the T5 treatment, the yield and economic benefit total were maximum in two years, the economic benefits in two years was reached 10976.35 yuan·hm-2and 9802.56 yuan·hm-2, respectively. So the 1 pipe with 5 rows, the distance of 90 cm was the optimal layout distance of the drip pipes in Jiaodong Areas.

文章编号：1000-7601(2016)03-0060-06

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.03.09

收稿日期：2015-06-15

基金项目：山东省旱地作物水分高效利用高校优秀科研创新团队资金；山东省小麦/玉米周年高产高效协同创新中心资金；国家粮食丰产科技工程项目“鲁东丘陵区小麦/玉米稳产增效技术集成研究与示范”(2011BAD16B09-03)、“鲁东丘陵区小麦/玉米水肥自然资源高效利用综合技术集成与示范研究”(2013BAD07B06-3)；山东省农业重大应用技术创新课题“小麦滴灌水肥一体化栽培技术研究与示范”

作者简介：商健(1987—)，男，山东临沂人，硕士研究生，研究方向为小麦旱作高产生理。E-mail:903368638@qq.com。 通信作者：刘义国(1979—)，男，山东临朐人，博士，讲师，主要从事小麦栽培理论与技术研究。E-mail：yiguoliu@163.com。

中图分类号：S275.6; S512.1+1

文献标志码：A