不同灌溉方式下木薯根区水分空间分布及耗水动态变化研究

吴昌智，赵海雄，罗兴录

(1.桂林市农田灌溉试验中心站，广西 桂林541105；2.广西大学农学院，南宁 530005)

0 引 言

木薯是广西境内种植面积仅次于糖料蔗的经济作物，其产量和经济效益呈逐年增长的趋势[1]。由于受季风性气候的影响，木薯种植区域降雨时空分布不均[2]，导致木薯常因秋、冬旱而普遍减产，严重的甚至减产30%以上。因此，迫切需要开展木薯的灌溉试验，研究不同灌溉条件下木薯根区水分空间分布特征及其耗水变化规律，探讨适合木薯生长所需的灌溉技术，打破季节性干旱的制约瓶颈，促进木薯产业的可持续发展。关于不同灌溉方式对作物土壤水分迁移、耗水特性及生长发育的影响，前人已就玉米[3-5]、棉花[6]、马铃薯[7]、茄子[8]等进行相关试验，并取得大量的成果。在木薯方面，类似的研究较为滞后。张耀华等[9]分析不同灌溉处理对木薯株高、茎粗、直径生长率的影响，发现适量灌溉对木薯的农艺性状具有良好的促进作用。当灌水量达到1 300～1 500 m3/hm2时，木薯产量表现最佳[10]。王泽平等[11]研究不同供水条件下两个木薯品种净光合速率、叶片水势、叶绿素、丙二醛、脯氨酸、膜透性等指标的变化特征，结果显示，木薯需水特性与生理指标存在密切的关系，在各项生理指标拐点附近，木薯对水分需求量较大，易受到干旱胁迫的影响。目前，从节水灌溉角度开展木薯土壤水分分布特性及耗水动态变化的研究尚属空白。本试验设置滴灌、小管出流、微喷灌3种灌溉方式，探讨、分析不同灌溉方式对木薯根区土壤水分空间分布、耗水规律及水分利用效率的影响，为探索适合木薯生长所需的灌溉技术提供理论依据和数据参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以当前广西大面积推广种植的木薯品种新选“048”作供试材料。

1.2 试验地概况

试验于2013年3-12月在桂林市农田灌溉试验中心站木薯种植基地进行，试验区之前为水稻田，铺有混凝土防水层，耕作层深度1.8 m，土质为黏壤土，容重1.27 g/cm3，pH 6.1，田间持水量31.2%，周边地下水埋深2.6～3.1 m。试验期间主要受季风性气候的影响，夏季(5-9月)降雨丰富，秋、冬季(10-12月)及早春(2-3月)雨量偏低，易发生旱害。

1.3 试验设计

试验设置滴灌、小管出流、微喷灌3种灌溉方式，灌溉定额均为1 500 m3/hm2。木薯生长期间灌溉次数和灌水量见表1。

木薯于2013年3月19日起畦播种，每个处理种植3畦，每畦4行，行距100 cm，株距60 cm，畦面80 m2。在下种后安装灌溉设施，每条播种沟布置1条滴灌带，待薯苗长出后调整滴灌带位置，使之与根际平齐；小管出流输水管也沿播种沟铺设，并将支管出水孔放在根际附近；微喷带则安放在两条播种沟中间，确保灌溉时水往两边木薯根区均匀喷洒。

表1 木薯主要生育期灌溉次数和灌水定额Tab.1 The irrigation times and irrigation quota of cassava in main growth periods

1.4 测定项目与方法

1.4.1 根区剖面土壤含水量

在木薯苗期生长阶段，连续不降雨9 d后按试验要求灌水，分别在灌后2、3、4、5 d用土钻沿以根际为中心、左右两侧40 cm、纵深60 cm的剖面，每隔10 cm钻取土样，烘干测含水量，绘制木薯根区剖面土壤水分空间分布图。

1.4.2 木薯耗水量和棵间蒸发量

每隔5 d用土钻取木薯根区0～10、10～20、20～30、30～40 cm 4个层次的土样，烘干测其水分含量，再根据水量平衡公式计算耗水量(ET)[12]：

ET=P+I+G-R-D±ΔW

式中:ET为木薯某生育时段的耗水量，mm；P为同时段内降雨量，mm；I为灌水量，mm；R为地表径流量，mm，利用每个试区两端的径流收集池测量；G为地下水利用量，mm；D为深层渗漏量，mm，由于试验区以防水混凝土打底，故G、D可忽略；ΔW为同时段内土壤储水量的变化值，增加取负，相反取正，mm。

棵间蒸发量(E)：将棵间筒盛满原状土后放置在各试区木薯行间，筒面与地表平齐，每隔2～3 d换土称重，降雨或灌溉前后加测，两次称量之差为棵间蒸发量。

1.4.3 木薯产量及水分利用效率

于2013年12月11-12日收获木薯，各试验区分别测产，得到块根产量，再根据耗水量计算木薯水分利用效率(WUE)：

WUE=Y/ET

式中：Y为块根实际产量；ET为木薯的耗水量。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉方式下木薯根区水分空间分布规律分析

2.1.1 滴灌处理土壤水分动态分布

从图1可发现，滴灌条件下木薯根区土壤水分往水平、垂直两个方向迁移，呈现出以根际为中心、两侧近似对称的分布特征。灌水2 d后，土壤水分主要集中在表层10～20 cm的中心剖面，两侧行间的水分含量随距离而依次递减；随着土层的加深，土壤含水量逐渐降低；在深度20～30 cm的剖面上，中心区域水分含量为22%～25%，两侧为20%～24%；在40 cm土层以下，整个剖面土壤含水量差异不大。灌水3 d后，根际20～30 cm剖面的水分含量有所增加，同层次行间区域的含水量仍徘徊在20%～24%之间，土壤水分垂直迁移的态势非常明显。灌后4 d，土壤水分向下迁移的趋势开始减弱，往两侧扩散则明显增强。灌后第5 d，水分主要集中区域迁移至根区剖面30 cm处，此时土壤水分以侧向迁移为主，最终在30 cm以上的耕作层内形成沿根际对称分布的湿润带，从而为根系对水分的吸收和利用创造有利的环境条件。

2.1.2 小管出流处理土壤水分动态分布

小管出流通过主管道上的支管将输配水以细流的形式灌到作物根部[13]，由于出流量较大，容易在支管出口方向产生积水[14]。图2结果显示，小管出流灌溉水分侧向入渗比较明显，在根区剖面形成斜向下迁移的态势。在灌水第2天，根际附近开始出现向右侧迁移的湿润锋。灌水3 d后，土壤水分在根际至右侧20 cm、深度10～20 cm的剖面上存积，形成蛛网状湿润带。随着试验时间的延长，土壤水分继续往根区右下方向迁移，至灌水第5天后在根际右侧30 cm、土深20～40 cm的区域内形成范围更大的蛛网状湿润带。湿润带内土壤水分含量为21%～25%，而周边区域则较低，基本上在16%～20%之间变动。由此可见，小管出流由于自身特点使其灌出的水往单方向迁移，导致作物根区土壤水分空间分布不均衡。为保证水分能被集中利用，则需要为每蔸木薯沿根际挖环状沟，但此举将增加劳动量和人工费，经济上并不划算。

图1 滴灌处理木薯根区土壤水分动态分布图Fig.1 The dynamic distribution map of soil moisture in cassava root zone under drip irrigation

图2 小管出流处理木薯根区土壤水分动态分布图Fig.2 The dynamic distribution map of soil moisture in cassava root zone under small pipe outflow

2.1.3 微喷灌处理土壤水分动态分布

图3 微喷灌处理木薯根区土壤水分动态分布图Fig.3 The dynamic distribution map of soil moisture in cassava root zone under micro-sprinkler irrigation

与滴灌、小管出流不同，微喷灌灌溉面较大，喷水均匀，喷洒范围内土壤水分含量差别不大[15-16]。从图3可以看到，微喷灌下土壤水分在木薯根区剖面分布比较均匀，相同土层内根际和行间含水量没有很大的变化波动。灌水2 d后，根际10～20 cm剖面的土壤水分含量为24%～26%，两侧行间为24%～25.5%，两者相差不大；随着剖面深度的增加，土壤含水量逐渐降低，土层40 cm以下，土壤水分含量基本处在15%～16%的低水平。灌后3 d，根区20～30 cm剖面的土壤含水量均有所增加，根际区域比行间高1.2%～3.6%，但差异不显著。随着土壤水分的不断下渗，根区30～50 cm剖面的水分含量也逐渐升高，同层次之间也没有出现较大的波动。上述分析表明，微喷灌喷洒均匀，作物根际和周边土壤含水量相近。但由于湿润面大，将导致棵间蒸发量明显增加，进而降低作物的水分利用效率。

2.2 不同灌溉方式下木薯耗水动态变化分析

图4 不同灌溉方式木薯全生育期棵间蒸发量和耗水量动态变化Fig.4 The dynamic change of soil evaporation and water consumption in the whole growth period of cassava under different irrigation methods

图4显示不同灌溉方式下木薯全生育期内日均耗水量和棵间蒸发量的动态变化过程。从图4中可以看出，各处理木薯耗水量均呈现出较明显的“单峰”曲线变化趋势。3月下旬播种至4月间，木薯处于出苗阶段，耗水量较低，增幅也相对缓慢；进入5月份后，由于植株群体的生长，各处理的日均耗水量上升较快，在7月中、下旬之间达到峰值，之后开始呈波动下降的趋势；进入11月中旬至12月上旬的成熟期，由于气温降低和薯叶逐渐凋零，各处理日均耗水量降低至1.1～1.8 mm/d的水平。具体来看，微喷灌处理木薯全生育期内耗水量最高，达到1 013.0 mm，小管出流灌溉最低，为968.6 mm，滴灌略高于小管出流。棵间蒸发是表层土壤水分的散失，在木薯生长初期，由于地表裸露面积较大，各处理棵间蒸发量均呈显著上升的趋势，并在6月上、中旬达到峰值；随着薯叶的增大和田间荫蔽程度的增加，各处理棵间蒸发量逐渐降低，到12月份下降至0.7～1.2 mm/d的低水平。在木薯全生育期内，滴灌棵间蒸发量最低，为510.7 mm，小管出流灌溉最高，达到565.8 mm，微喷灌略低于小管出流。综上分析可发现，小管出流虽然耗水量最低，但棵间损耗多，导致其用于木薯叶面蒸腾的水量低于其他处理；滴灌棵间损失量最低，因而有更多的水分来促进木薯的生长发育，进而提高块根产量。

2.3 不同灌溉方式木薯产量和水分利用效率分析

图5 不同灌溉方式木薯产量和水分利用效率Fig.5 The yield and water use efficiency of cassava under different irrigation methods 注:小写字母不同，表示0.05差异显著水平，大写字母不同，表示0.01差异显著水平。

图5对比不同灌溉方式木薯的产量和水分利用效率。从中可发现，滴灌处理木薯块根产量最高，达到59 260.7 kg/hm2，微喷灌产量次之，小管出流最低；滴灌产量比小管出流高6.5%，差异达到显著水平(p<0.05，下同)，微喷灌比小管出流高5.0%，但差异不显著(p>0.05，下同)。在水分利用效率方面，滴灌>微喷灌>小管出流；滴灌水分利用效率为6.00 kg/m3，比小管出流高出4.2%，差异达到显著水平，微喷灌仅比小管出流高0.4%，差异不显著。综上可见，滴灌在降低木薯耗水量的同时能显著提高块根产量，在节本、增产、增效等方面比其他灌溉方式具有明显的优势。

3 讨 论

在进行灌溉试验时，掌握灌后水分在土壤中的迁移和分布规律，对设计合理的灌溉系统，提高水分利用效率具有重要的现实意义。据已有研究显示，土壤水分迁移及分布特征主要受灌溉方式的影响[17-20]。在滴灌条件下，灌水初期水分由于土壤吸力的驱动以水平扩散为主，随着灌水量的增加，土壤水分垂直迁移的趋势增强，最终沿滴头形成抛物状分布的饱和区域[21,22]。微喷灌横向灌水均匀度高，水分下渗缓慢[23]，但其水力特性比较复杂，对喷水带长度[24]、喷射角度[25]、流量[26]等的要求较高，容易出现灌溉面积大，外围水分损失过多的问题。小管出流灌水速度快，出流量大，需要配合挖蓄水沟或筑埂，以将水流分散控制在作物主要根区，否则容易出现跑水、积水的现象，导致水分渗漏和浪费[27]。本研究发现，滴灌水分主要集中在木薯根际区域，形成以根际为中心对称分布的湿润带，为根系的吸收和利用创造极其有利的环境条件。小管出流土壤水分入渗速度快，侧向迁移非常明显。说明小管出流灌溉水量较大，出现涌水、跑水现象，需要挖环沟将水分集中在木薯根部。但在平畦栽培的条件下，此举并不经济。微喷灌喷洒均匀，各层次土壤水分含量波动幅度不大。但由于湿润范围大，周边表层土壤含水量高，易增加棵间蒸发量，从而造成过多水分的无效散失。

在农业生产对水分的消耗当中，棵间蒸发不参与作物的生长过程，是无效的水分散失[28]。因此，抑制棵间蒸发，是提高作物水分利用效率的有效措施。有研究指出，棵间蒸发主要发生在0～20 cm的表土层，而20 cm以下土层的水分则主要被根系吸收用于植株生长和叶面蒸腾[29]。在本试验中，滴灌处理土壤水分沿根际对称分布，中心剖面20～30 cm区域的土壤含水量较高，有更多的水分供给根系吸收，促进植株生长发育，提高块根产量；根际两侧表层土壤含水量较低，有利于遏制棵间蒸发，降低水分消耗。因此，滴灌处理木薯棵间蒸发量最低，其水分利用效率最高。微喷灌根际表层和周边土壤含水量均较高，因而水分蒸发损失大，其耗水量比滴灌要高，水分利用效率也较低。小管出流水分斜向下迁移，湿润带逐渐远离根区，导致中心剖面能被根系吸收利用的土壤水分含量明显低于滴灌和微喷灌，因而其产量和水分利用效率最低。

4 结 语

研究结果表明，与其他灌溉方式相比，滴灌水分主要集中在木薯根区，形成沿根际为中心对称分布的湿润带，从而有利于根系的吸收和利用。同时，滴灌在抑制木薯棵间蒸发、提高块根产量及水分利用效率等方面比其他灌溉

方式具有较显著的优势。

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