滴灌灌溉量和频次对小麦-青贮玉米复播体系蒸发蒸腾量和作物系数的影响

张仔罗 文雯 曹硕

摘要：为了探索不同灌溉量和滴灌频次处理对北疆地区滴灌小麦—青贮玉米复播体系蒸发蒸腾量（ET值）和作物系数（K值）的影响，以新春6号和新饲玉13号为试验材料，整个复播体系设置3个灌溉量（660、520、320 mm）、3个滴灌频次（10次、8次、6次）互作条件下的9个滴灌处理，结合当地气象数据，对不同处理滴灌小麦—青贮玉米复播体系的ET值及K值进行分析。结果表明，滴灌小麦—青贮玉米复播体系4、5、9、10月份参考作物蒸发蒸腾量（ET0值）较小，6、7、8月份ET0值较大;灌溉量对滴灌小麦—青贮玉米复播体系ET值及K值影响显著，灌溉量越高，ET值和K值越大;灌溉频次对复播体系ET值和K值在不同灌溉量下的影响各不相同，在中灌溉量中频次下作物产量最高。建议北疆地区滴灌小麦—青贮玉米复播体系的灌溉方案以小麦灌溉量300 mm滴灌5次、青贮玉米灌溉量220 mm滴灌3次为宜。

关键词：复播体系;灌溉量;滴灌频次;作物系数;蒸发蒸腾量

中图分类号：S512.1.07;S274  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）13-0104-06

近些年來，随着农业结构的不断调整，滴灌小麦—青贮玉米复播体系在新疆北疆地区得以大范围推广[1-2]。该种植模式不仅提高了单位面积产量和效益，还提高了土地利用率，且充分利用光热资源，提高农民的种粮积极性，而且复播青贮玉米生物产量高、适口性好，可在不挤占现有粮食作物种植面积的前提下，很好地解决牲畜的冬季饲草问题，既促进了畜牧业的发展，同时还可以进行秸秆过腹还田，增加土壤有机质含量，降低化肥施用量，促进农业生产的良性循环[3-7]。而地处我国西北干旱半干旱地区的新疆，年降水量不足 200 mm，蒸发量极大，水资源严重短缺[8-9]，大量滴灌小麦—青贮玉米种植模式的开展势必增加农业用水压力，因此，水资源是制约滴灌小麦—青贮玉米复播体系发展的关键因素[10-11]。

为了进一步了解滴灌小麦—青贮玉米种植体系的耗水特性，以达到适时、适量给水，节约水资源，提高水资源利用效率的目的，本试验进行了灌溉量和滴灌频次2因子全区组试验设计，通过观测复播体系种植同期气象数据和2茬作物不同生育时期灌溉量及土壤水分变化情况，探讨滴灌小麦—青贮玉米复播体系在不同灌溉量和滴灌频次作用下蒸发蒸腾量（ET值）和作物系数（K值）的变化规律，从而为北疆地区滴灌小麦—青贮玉米复播体系灌溉制度的建立提供理论依据，降低该复播种植体系水资源总消耗量，提高水分利用效率，使有限的水资源得到节约和高效的利用。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017年3—10月在石河子天业集团试验地（85°94′E，43°20′N）进行，该试验地平均海拔为412 m，年平均日照时长为2 865 h，≥10 ℃积温为3 463.5 ℃，年平均降水量为 207 mm，无霜期为170 d，昼夜温差大，属于典型大陆性干旱气候。该地地下水位≥8 m，土质为中壤土，0～100 cm土层平均土壤密度为1.52 g/cm3。

1.2 试验设计

本试验供试小麦品种为新春6号，青贮玉米品种为新饲玉13号。该复播体系设置3个灌溉量处理，分别为高灌溉量660 mm（小麦360 mm、青贮玉米300 mm）、中灌溉量520 mm（小麦300 mm、青贮玉米220 mm）和低灌溉量380 mm（小麦240 mm、青贮玉米140 mm）;3个灌溉频次处理，分别为高频次（小麦6次、青贮玉米4次）、中频次（小麦5次、青贮玉米3次）、低频次（小麦4次、青贮玉米2次），共9个处理。其中，高灌溉量高频次，记作H10;高灌溉量中频次，记作H8;高灌溉量低频次，记作H6;中灌溉量高频次，记作M10;中灌溉量中频次，记作M8;中灌溉量低频次，记作M6;低灌溉量高频次，记作L10;低灌溉量中频次，记作L8;低灌溉量低频次，记作L6。每个处理3次重复，共计27个小区，小区面积为18 m2（3.6 m×5.0 m），具体灌溉量、滴灌频次和灌溉时期见表1和表2。小麦采用等行距条播，播量为330 kg/hm2，滴灌带布置为1管6行，行距为15 cm;复播青贮玉米滴灌带采用1管2行布置，行距为60 cm，株距为20 cm。其余栽培管理措施同大田。

1.3 数据测定和计算

1.3.1 土壤水含量的测定 使用土壤剖面水分仪PR2/6（北京哈维斯廷科技有限公司）进行10、20、30、40、60、100 cm土壤水含量的测定。每个小区安置1根探管，出苗后每4 d测1次数据，滴灌和下雨后加测1次。

1.3.2 气象数据的收集 气象数据来源于石河子大学小型气候观测站，其中有效降水量采用《灌溉排水工程学》中推荐的有效降水利用率0.8[12]进行计算。

1.3.3 参考作物蒸腾蒸发量ET0值的计算 参考作物腾发量指的是生长旺盛、高度整齐、不缺水而且地面完全被覆盖的低矮青草地（草高8～15 cm）的腾发量。

参考作物蒸腾蒸发量的计算方法很多，本研究采用标准化、统一化后的FAO（联合国粮食及农业组织）Penman-Monteith公式[13-14]：

ET0=0.408Δ（Rn-G）+γ900T+273u2（es-ea）Δ+γ（1+0.34u2）。

式中：ET0为参考作物蒸腾蒸发量，mm/d;Rn为作物表面的净辐射量，MJ/（m2·d）;G为土壤热通量，MJ/（m2·d）;T为平均气温，℃;u2为2 m高处的平均风速，m/s;es为饱和水汽压，kPa;ea为实际水汽压，kPa;Δ为饱和水汽压与温度曲线的斜率，kPa/℃;γ分为干湿表常数，kPa/℃。

1.3.4 土壤水分含量变化量（ΔSW值）的计算 ΔSW值为土壤水分消耗量（初期土壤含水量与末期土壤含水量的差）[15]。

1.3.5 作物蒸发蒸腾量ET的计算 作物蒸发蒸腾量是指作物实际的蒸发蒸腾量。作物蒸发蒸腾量ET值的计算采用水分平衡法[16]：

ET=I+P+U-R-F±ΔW

式中：I为一定时段内的灌水量，mm;P为一定时段内的有效降水量，mm;U为地下水通过毛管作用上移补给作物的水量，mm;R为地表径流量，mm;F为补给地下水量，mm;ΔW为一定时段内土壤储水变化量，即土壤贮水消耗量。本试验地地处干旱半干旱地区，降水频率和降水量均较少，很难产生地表径流或入渗补给地下水，可视地表径流和深层渗漏为0，且地下水埋深较深，地下水补给量也可视为0;故R、U和F值均可忽略不计。

1.3.6 作物系数（K值）的计算 FAO作物需水量专家咨询组推荐采用的作物系数Kc计算公式[13-14]如下：

ET=KcET0。

1.4 作物性状及产量统计

按生育期对作物的各个性状进行测量记录，待作物成熟后进行产量测定。

1.5 数据处理与分析方法

用SPSS 19.0对试验数据进行显著性检验和相关性分析，用Excel 2007绘制图表。

2 结果与分析

2.1 小麦—青贮玉米复播体系的ET0值

由图1可以看出，滴灌小麦—青贮玉米复播体系ET0值随时间的变化规律表现为先增加后减小，总体数值分布呈拱形。整个变化过程中出现多个峰值，峰值出现主要集中在5月15日至8月10日，峰值出现并无明显的时间间隔和变化规律。在4月25日之前和9月7日之后，其ET0值均小于趋势线。5月8日至 8月6日，绝大多数ET0值都高于趋势线，但也有部分时间ET0值突然变化，下降至趋势线以下。

小麦生育期内（4月7日至7月4日）ET0值之和为 420 mm，日均ET0值为4.67 mm/d，其中最大值为6.9 mm，出现在7月3日;最小值为1.6 mm，出现在4月7日。青贮玉米生育期内（7月15日至10月1日）ET0值之和为341 mm，日均值为4.32 mm/d，其中ET0的最大值为6.7 mm，出現在7月27日，最小值为1.1 mm，出现在10月1日（图中未显示）。

整个复播体系的ET0值为662.6 mm，变化范围为1.1～6.9 mm，日均ET0值为4.5 mm/d。

2.2 不同灌溉量处理下小麦、青贮玉米和复播体系的ΔSW、ET、K值

由表3可以看出，在高灌溉量下，小麦和复播体系的ΔSW绝对值、ET值、K值均呈现出低频次处理最大，而中频次和高频次处理差异不明显的特点。青贮玉米的ΔSW、ET值、K值在高、中灌溉量下各频次处理间并无显著差异;在中灌溉量下，小麦、青贮玉米和复播体系的ΔSW绝对值、ET值、K值均表现为中频次处理>低频次处理>高频次处理;在低灌溉量条件下，小麦、复播体系和青贮玉米的ΔSW绝对值、ET值、K值均为高频次处理下最小。

2.3 不同滴灌频次处理下小麦、玉米、青贮复播体系ΔSW、ET、K值的比较

由表4可知，除了青贮玉米在高频次下高灌溉量处理的ΔSW绝对值大于低灌溉量的之外（二者间差异不显著），其余各频次处理小麦、青贮玉米和整个复播体系的ΔSW绝对值均表现为高灌溉量处理的最小。小麦、青贮玉米、复播体系在中、高频次下中灌溉量处理的ΔSW绝对值最大，在低频次下青贮玉米和复播体系的ΔSW绝对值也呈现出中灌溉量处理最大，而小麦则是低灌溉量处理最大。

小麦、青贮玉米和整个复播体系的ET值、K值在各频次下均表现为高灌溉量>中灌溉量>低灌溉量，且差异显著，由此可以看出，灌溉量对小麦、复播青贮玉米和整个复播体系的ET值、K值均有显著影响，且灌溉量越大，ET、K值就越高。

2.4 灌溉量和滴灌频次互作对小麦、青贮玉米、复播体系ΔSW、ET、K值的影响

由图2可知，在灌溉量和滴灌频次的互作处理下，小麦的ΔSW值在-54.24～-14.93 mm间波动，其中最小的土壤水分变化为高灌溉量高频次处理，为-14.93 mm，最大的土壤水分变化为中灌溉量中频次处理，为 -54.24 mm;青贮玉米的ΔSW在-49.96 ～-30.56 mm间波动，其中最小的土壤水分变化为高频次低灌溉量处理，为-30.56 mm，最大的土壤水分变化为中灌溉量中频次处理，为-49.96;对于整个复播体系来说，其ΔSW在-104.2～-51.62 mm间波动，最小的土壤水分变化为高灌溉量高频次处理，为-51.62 mm，最大的土壤水分变化为中频次中灌溉量处理，为 -104.2 mm。

小麦的ET值和K值分别在354.10～471.58 mm、0.843 1～1.122 8间，最小值均出现在低灌溉量高频次处理下，最大值则出现在高灌溉量低频次处理下，ET值和K值除了低灌溉量中频次处理和低灌溉量高频次处理间差异不显著之外，其余各处理之间差异均显著;青贮玉米的蒸发蒸腾量ET值和作物系数K值分别在200.48～355.36 mm、0.587 9～1.042 1间，最小值均出现在低灌溉量高频次处理下，最大值则出现在高灌溉量低频次处理下，青贮玉米的ET值和K值在不同灌溉量间差异显著，但在高灌溉量和中灌溉量下各频次处理之间并无显著差异，只在低灌溉量下高频次灌溉和中、低频次灌溉有显著差异;复播体系的ET值和K值分别在554.58～826.93 mm、0.728 8～1.086 6间，最小值均出现在低灌溉量高频次处理下，最大值则出现在高灌溉量低频次处理下，复播体系的ET值和K值在不同灌溉量间差异显著，但在高灌溉量下低频次处理大于中、高频次处理，且与中、高频处理间差异显著，在中灌溉量下中频次处理大于低、高频次处理，且与低频次处理间差异显著，在低灌溉量下高频次处理小于中、低频次处理，且与中、低频次处理间差异显著。

在同一处理下，小麦、青贮玉米、复播体系的蒸发蒸腾量ET值排序为青贮玉米<小麦<复播体系，而作物系数K值的大小为青贮玉米<复播体系<小麦。

2.5 灌溉量和滴灌频次互作对小麦、青贮玉米产量的影响

由表5可以看出，小麦和青贮玉米的产量在中灌溉量中频次处理下最高，而在低灌溉量低频次处理下最低;低灌溉量条件下小麦和青贮玉米的产量明显低于高灌溉量和中灌溉量条件下;在高灌溉量处理下低频次灌溉处理小麦和青贮玉米的产量明显低于中高频次处理，而在低灌溉量下高频次灌溉处理小麦和青贮玉米的产量明显低于中低频次处理。

3 讨论与结论

3.1 讨论

参考作物蒸发蒸腾量主要受最高温度、最低温度、相对湿度、2 m处风速、日照时长的影响[17]，张瑞美等研究表明，参考作物蒸发蒸腾量与温度、日照时长、风速成呈正相关，与相对湿度呈负相关，其中温度对参考作物蒸发蒸腾量的影响最为显著，日照时长次之[18]。本试验结果表明，参考作物蒸发蒸腾量值随时间（4月7日至10月1日期间）的变化规律表现为先增加后减小，总体数值分布呈拱形，主要是由于在4、5、9、10月份温度较小和日照时间较短，而在6、7、8月份温度较高，日照时长较长，所以ET0值随时间分布呈中间高两边低的现象，这与张瑞美等的研究结果[18]一致。ET0值突然降低可能和当天的气象因素变化有关，由于阴天、降水导致日照时长变短、温度降低、相对湿度变大，从而导致ET0值突然变化[18]。

土壤水含量的变化量是由土壤水分的输入和输出造成的，土壤水分的输入包括降水、灌溉、地下水补给（本试验地下水位为地表下8 m左右，故不考虑地下水补给），输出则主要在于作物蒸发蒸腾[19]，本试验中各个处理降水量一致，地下水补给不计，所以土壤水含量变化的影响因子主要在于滴灌溉量和作物的蒸发蒸腾，而作物的蒸发蒸腾量在本试验中受滴灌溉量和滴灌频次的影响，因此，可以认为滴灌溉量影响土壤水分的输入和输出，而灌溉频次主要影响土壤水分的输出。本试验结果表明，滴灌小麦—青贮玉米的复播体系中土壤水含量的变化隨滴灌溉量的增加而减小，这主要是由于灌溉量越高，土壤水分含量就越高，作物的蒸发蒸腾对原土壤水分需求就越小，所以土壤水含量的变化量也就越小。

（3）本试验表明，各处理下小麦的蒸发蒸腾量和作物系数的变化范围分别在354.10～471.58 mm、0.843 1～1.122 8间，青贮玉米的蒸发蒸腾量和作物系数的变化范围分别在200.48～355.36 mm、0.587 9～1.042 1，这与翟超等的研究结果[20-21]一致，有研究表明，作物蒸发蒸腾量和作物系数与灌溉量呈正相关[22-23]，这与本试验研究结果一致。

不同灌溉频次处理对不同作物、不同灌溉量的蒸发蒸腾量和作物系数的影响不同。本研究表明，玉米在高灌溉量和中灌溉量滴灌条件下各滴灌频次间的ET值和K值并无显著差异，在低灌溉量条件下高频次灌溉显著低于中频次和低频次灌溉，而在小麦中在中灌溉量处理下各频次之间的蒸发蒸腾量和作物系数差异显著，在高灌溉量和低灌溉量下高频次处理的蒸发蒸腾量和作物系数显著低于低频次处理。灌溉频次主要通过影响作物的生长状况来影响作物蒸发蒸腾量和作物系数K值，而灌溉频次对作物生长的影响，在不同作物、不同灌溉量下又不相同，所以同频次处理对不同作物、不同灌溉量的蒸发蒸腾量和作物系数的影响并不同[24-26]。

（4）本试验结果表明，灌溉量和滴灌频次互作条件下小麦、玉米以及复播体系在各处理下的ΔSW绝对值，均是中灌溉量中频次处理最大，在中灌溉量中频次处理下，作物产量最高，因此在该处理下作物对水分的需求最大，但其水分补给量不足以维持水分需求，所以就要吸收更多的原土壤水分，造成土壤水分ΔSW绝对值最大[27-28];灌溉量和频次互作处理下青贮玉米、小麦蒸发蒸腾量和作物系数最大值均出现在高灌溉量低频次处理中，最小值均出现在低灌溉量高频次处理下，主要是由于在高灌溉量下随着灌溉频次的减少，作物后期干旱胁迫越提前[29]，这时作物的蒸发蒸腾量就会变大，所以蒸发蒸腾量和作物系数最大值均出现在高灌溉量低频次处理下，而在低灌溉量高频次处理下，原本低灌溉量处理的灌溉量就不足，随着灌溉频次的增加，作物单次灌溉量又会减少，从而导致作物一直处于水分亏缺状态，植株正常生长发育受损，分蘖减少[30]，进而导致蒸发蒸腾量减小，所以灌溉量和频次互作处理下小麦、青贮玉米蒸发蒸腾量和作物系数最小值均出现在低灌溉量高频次处理下。

3.2 结论

参考作物蒸发蒸腾量的大小受气象因子影响，在北疆地区小麦—青贮玉米复播体系中4、5、9、10月份ET0值较小，在6、7、8月份ET0值较大。因此在实际生产过程中，灌溉时期和灌溉量的确定不能只考虑生育时期，也应与气象因素相结合[31-32]，在持续高温、长日照的气象条件下应该对田间土壤水分进行及时补充。

北疆地区小麦的蒸发蒸腾量和作物系数的变化范围分别在354.10～471.58 mm、0.843 1～1.122 8间，青贮玉米的蒸发蒸腾量和作物系数的变化范围分别在 200.48～355.36 mm、0.587 9～1.042 1间。蒸发蒸腾量和作物系数，主要是受灌溉量的影响，随着灌溉量的增加蒸发蒸腾量和作物系数不断增加。

灌溉频次对蒸发蒸腾量和作物系数受不同灌溉量的影响各不相同，为了获得较高的产量，在高灌溉量条件下，应该适当增加灌溉频次，从而确保作物后期不受水分胁迫;低灌溉量条件下应选择低频次灌溉，从而确保作物在前中期能够正常生长。

本试验条件下中灌溉量中频次处理作物产量最高，相比较而言，北疆地区滴灌小麦—青贮玉米复播体系的灌溉方案以小麦300 mm灌溉量、滴灌5次与青贮玉米220 mm灌溉量、滴灌3次为宜。

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