趙偉霞，李久生，楊汝苗，栗巖峰

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基于土壤水分空間變異的變量灌溉作物產(chǎn)量及節(jié)水效果

趙偉霞，李久生※，楊汝苗，栗巖峰

（中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048）

提高整個(gè)田塊作物生長指標(biāo)和產(chǎn)量的均勻性是實(shí)施變量灌溉水分管理的目標(biāo)之一。該研究基于土壤可利用水量（available water holding capacity，AWC）將試驗(yàn)區(qū)劃分為4個(gè)水分管理區(qū)，利用相同的灌水控制指標(biāo)（0.45AWC）進(jìn)行分區(qū)變量灌溉水分管理；作為對(duì)照，基于最小AWC區(qū)的土壤水分進(jìn)行均一灌溉水分管理。對(duì)比變量灌溉和均一灌溉條件下冬小麥、夏玉米生長指標(biāo)（株高、葉面積指數(shù)、地上部分干物質(zhì)質(zhì)量）、葉片相對(duì)葉綠素含量、產(chǎn)量及其均勻性，分析AWC對(duì)作物生長和產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明，與均一灌溉相比，夏玉米變量灌溉節(jié)水14.1%，冬小麥灌水量相同。與均一灌溉相比，變量灌溉對(duì)冬小麥、夏玉米生長指標(biāo)、葉片相對(duì)葉綠素含量和產(chǎn)量的影響均未達(dá)到顯著水平，而不同AWC管理區(qū)之間作物生長指標(biāo)和產(chǎn)量的差異均達(dá)到了顯著水平。為獲得更高的作物產(chǎn)量，建議不同AWC管理區(qū)內(nèi)采用不同的灌水控制指標(biāo)。研究可為大型噴灌機(jī)變量灌溉水分管理決策提供依據(jù)。

土壤；灌溉；作物；土壤可利用水量；管理分區(qū)；冬小麥；夏玉米；均勻性

0 引 言

精準(zhǔn)灌溉是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的重要組成部分，將效益-成本比最大化是精準(zhǔn)灌溉管理的主要目標(biāo)之一。在較大農(nóng)田尺度內(nèi)，精準(zhǔn)灌溉管理的實(shí)現(xiàn)主要通過實(shí)時(shí)、實(shí)地的提供適宜的灌溉水量，最大限度地優(yōu)化灌水量，以獲得最高產(chǎn)量和最大經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)保護(hù)生態(tài)環(huán)境[1-3]。大型噴灌機(jī)變量灌溉技術(shù)為精準(zhǔn)灌溉管理提供了有力工具[3]，而管理區(qū)劃分隨之成為決定沿噴灌機(jī)行走方向和沿噴灌機(jī)桁架方向?qū)嵤┳兞抗嗨那疤帷?/p>

土壤可利用水量（available water holding capacity，AWC）指田間持水率與凋萎含水率的差值，反映土壤的實(shí)際供水能力。因此，基于AWC的靜態(tài)分區(qū)是實(shí)施變量灌溉水分管理的一種重要方法[4-6]。與傳統(tǒng)的均一灌溉管理相比，獲得更均勻的作物生長和產(chǎn)量是評(píng)估變量灌溉效果的重要指標(biāo)之一[6]。然而，近期研究表明[7-9]，不同土壤結(jié)構(gòu)和AWC均會(huì)影響作物水分利用、產(chǎn)量和冠層溫度。對(duì)這種觀點(diǎn)的驗(yàn)證有助于提高變量灌溉水分管理水平。

因此，本文以傳統(tǒng)的均一灌溉水分管理為對(duì)照，在不同管理區(qū)內(nèi)基于相同的灌水指標(biāo)進(jìn)行變量灌溉水分管理，分析變量灌溉對(duì)冬小麥和夏玉米生長、產(chǎn)量及其空間均勻性的影響，并研究管理區(qū)之間作物生長指標(biāo)和產(chǎn)量的差異，為提高大型噴灌機(jī)變量灌溉技術(shù)水分管理水平提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在河北省涿州市東城坊鎮(zhèn)中國農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行。該試驗(yàn)場(chǎng)位于河北省中部（39°27′N，115°51′E，海拔42 m），屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)區(qū)，大陸性季風(fēng)氣候特點(diǎn)明顯。多年平均降雨量563.3 mm，年平均溫度11.6 ℃，多年平均凍土深度0.4 m，最長連續(xù)凍結(jié)122 d。試驗(yàn)場(chǎng)地質(zhì)構(gòu)造屬太行山山洪沖積扇。冬小麥-夏玉米輪作是該地區(qū)主要的種植模式。

1.2 圓形噴灌機(jī)變量灌溉系統(tǒng)

試驗(yàn)用圓形噴灌機(jī)變量灌溉系統(tǒng)由中國水利水電科學(xué)研究院研制，該系統(tǒng)通過對(duì)原有均一噴灑式圓形噴灌機(jī)的改造獲得，主要由電磁閥、壓力調(diào)節(jié)器、地緣識(shí)別器和控制系統(tǒng)組成（圖1），變量灌水通過調(diào)節(jié)電磁閥開閉狀態(tài)和噴灌機(jī)行走速度實(shí)現(xiàn)[10]。圓形噴灌機(jī)中心支軸距末端旋轉(zhuǎn)式噴頭的距離為139.93 m，末端噴頭的射程為6 m。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)噴灌機(jī)“有效半徑”的定義[11]，該變量灌溉系統(tǒng)控制的圓形面積為6.55 hm2。試驗(yàn)區(qū)為灌溉區(qū)域的1/4，面積1.64 hm2。

圖1 圓形噴灌機(jī)變量灌溉系統(tǒng)

1.3 變量灌溉管理分區(qū)

基于AWC對(duì)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行管理分區(qū)。確定AWC的直接方法是通過田間試驗(yàn)[12]或室內(nèi)試驗(yàn)[13]測(cè)量不同土層的田間持水量和凋萎含水量。但是直接測(cè)量法具有勞動(dòng)強(qiáng)度大、耗時(shí)長和投資高的缺點(diǎn)。因此，Rawls等[14]通過對(duì)大量文獻(xiàn)和數(shù)據(jù)的分析，提出了基于土壤粒級(jí)組成的田間持水率和凋萎含水率間接估算方法，并在變量灌溉管理分區(qū)中應(yīng)用[6]。為獲得AWC空間分布圖，將試驗(yàn)地塊按照12 m×12 m的網(wǎng)格劃分為110個(gè)單元（圖2），在每個(gè)單元內(nèi)分別以網(wǎng)格中心為圓心，在半徑1 m的圓周上用土鉆取4個(gè)剖面，分層混合后用MS2000激光粒度儀（英國馬爾文儀器有限公司）測(cè)量0～0.2、＞0.2～0.4、＞0.4～0.6、＞0.6～0.8 m土層的土壤砂粒、粉粒、黏粒體積百分?jǐn)?shù)，并根據(jù)美國農(nóng)業(yè)部推薦方法確定土壤質(zhì)地[15]。土壤質(zhì)地及其剖面分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。不同土層的砂粒、粉粒和黏粒含量變異系數(shù)（）、土壤質(zhì)地復(fù)雜程度均隨土壤深度增加呈增大趨勢(shì)，且黏粒變異系數(shù)大于砂粒。

圖2 試驗(yàn)區(qū)土壤可利用水量面狀分布圖

為獲得所有單元不同土層的田間持水量，共選取13個(gè)網(wǎng)格用環(huán)刀法進(jìn)行剖面取土，并采用威爾克斯法[13]測(cè)定13個(gè)網(wǎng)格中心不同土層（0～0.2、＞0.2～0.4、＞0.4～0.6、＞0.6～0.8 m）的田間持水量和容重。以田間持水量為因變量（，cm3/cm3）、以黏粒（1，%）、粉粒（2，%）、砂粒體積百分?jǐn)?shù)（3，%）為自變量利用二次多項(xiàng)式逐步回歸法擬合方程式（1）。

=2068.22-312.861-45.843+2.9212-0.2122+

0.2532+2.721·2+3.171·3+0.0452·3

2=0.72，=0.001 （1）

表1 試驗(yàn)區(qū)土壤顆粒體積分?jǐn)?shù)及質(zhì)地沿剖面分布

將其他單元不同土層的土壤粒級(jí)組成代入式（1）即可獲得所有單元的田間持水量。為獲得所有單元不同土層的凋萎含水量，利用ROSETTA軟件[16]和砂粒、粉粒、黏粒體積百分?jǐn)?shù)分別擬合110個(gè)取樣點(diǎn)0～0.2、＞0.2～0.4、＞0.4～0.6 m土層的van Genuchten模型方程（式（2）），將凋萎含水率對(duì)應(yīng)的土壤水勢(shì)=1500 kPa[17]代入式（2）即可計(jì)算凋萎含水量。

()=θ+(θ-θ)/[1+(·)]1-1/n（2）

式中()為土壤體積含水量，cm3/cm3；θ為土壤飽和含水量，cm3/cm3；為土壤殘余含水量，cm3/cm3；（cm-1）、為待定的特性參數(shù)。

利用上述方法獲得的田間持水量和凋萎含水量分別計(jì)算所有單元0～0.2、＞0.2～0.4、＞0.4～0.6 m土層的AWC，取0～0.6 m土層的AWC平均值代表作物主要根區(qū)的AWC，然后利用ArcGIS軟件中的克里格插值法和“Jenks”自然斷點(diǎn)法根據(jù)作物主要根區(qū)的AWC生成AWC面狀分布圖[6]，如圖2所示。由圖2可知，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)AWC變化范圍較大，表明在該試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行變量灌溉管理試驗(yàn)的可行性。

根據(jù)AWC分類等級(jí)將試驗(yàn)區(qū)劃分為4個(gè)管理區(qū)，1~4區(qū)AWC變化范圍分別為152.2～161.4、＞161.4～170.9、＞170.9～185.1、＞185.1～204.7 mm。因?yàn)閲姽鄼C(jī)第一跨控制面積較小，不做變量灌溉試驗(yàn)處理[18]。每個(gè)管理區(qū)對(duì)應(yīng)的面積分別為0.33、0.76、0.18和0.27 hm2（圖3）。

注：VRI和URI分別為變量灌溉和均一灌溉，下同。

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及過程

在管理區(qū)1、2、3、4內(nèi)，按照面積近似相等原則分別設(shè)置變量灌溉（V）和均一灌溉（U）2個(gè)灌水處理，分別記為1V、1U、2V、2U、3V、3U、4V和4U，共8個(gè)試驗(yàn)處理。在每個(gè)處理內(nèi)，將每個(gè)12 m×12 m的網(wǎng)格作為1個(gè)重復(fù)，1V、1U、2V、2U、3V、3U、4V和4U處理的重復(fù)數(shù)分別為6、6、17、19、3、3、4和4。

供試作物為冬小麥（濟(jì)麥22）和夏玉米（強(qiáng)生928）。冬小麥2013年10月16日播種，行距15 cm，播種量375 kg/hm2，2014年6月12日收獲，收獲時(shí)秸稈同時(shí)粉碎并覆蓋在土壤表面。夏玉米2014年6月13日播種，株距26 cm，行距55 cm，10月2日收獲。

根據(jù)土壤含水量下限值確定灌水時(shí)間。結(jié)合FAO-56關(guān)于冬小麥、夏玉米的推薦值[19]和試驗(yàn)區(qū)土壤含沙量較大的特點(diǎn)，土壤水消耗比率取為0.45，即當(dāng)土壤水分虧缺量達(dá)到0.45AWC時(shí)進(jìn)行灌溉。對(duì)于變量灌溉的4個(gè)管理區(qū)（1V、2V、3V和4V），進(jìn)行分區(qū)灌溉管理，即當(dāng)各處理內(nèi)0～0.6 m土層的土壤水分虧缺量達(dá)到0.45AWC時(shí)該區(qū)進(jìn)行灌溉。對(duì)于均一灌溉的4個(gè)管理區(qū)（1U、2U、3U和4U），灌溉進(jìn)行統(tǒng)一管理，即當(dāng)最小AWC區(qū)（1U）0～0.6 m土層的土壤水分虧缺量達(dá)到該區(qū)0.45AWC時(shí)4個(gè)管理區(qū)同時(shí)用噴灌機(jī)變量灌溉系統(tǒng)進(jìn)行灌溉，以保證所有管理區(qū)均不缺水，以期獲得最高產(chǎn)量[4,20]。變量灌溉處理和均一灌溉處理采用相同的灌水定額，拔節(jié)期結(jié)束前為20 mm，拔節(jié)期結(jié)束后為30 mm。為防止凍傷，所有處理均于2013年11月18日進(jìn)行冬灌，灌水量42 mm。

為判斷灌水時(shí)間并觀測(cè)作物生育期內(nèi)的土壤含水量動(dòng)態(tài)變化，在所有處理的每個(gè)重復(fù)內(nèi)分別埋設(shè)1根Trime-T3探管（德國IMKO公司），共53根，埋設(shè)位置在網(wǎng)格中心（圖3），埋設(shè)深度0.8 m，每隔7 d測(cè)量1次。同時(shí)，在1U、1V、2V、3V和4V處理分別埋設(shè)1組EM50土壤水分傳感器（美國Decagon Devices公司），埋設(shè)深度為0.12，0.24，0.36，0.48和0.6 m，每隔30 min采集1次土壤含水量數(shù)據(jù)，通過Trime-T3與EM50數(shù)據(jù)的對(duì)比精確判斷灌水時(shí)間。因?yàn)?V和4U區(qū)土壤為南水北調(diào)輸水管線鋪設(shè)后的回填土，0.4 m土層以下為較大礫石，Trime-T3探管和EM50土壤水分傳感器埋設(shè)深度為0.4 m，灌水時(shí)間由0～0.4 m土層的土壤含水量進(jìn)行判斷。

所有處理采用相同的施肥管理。根據(jù)測(cè)土配方施肥結(jié)果，冬小麥?zhǔn)㎞量為175 kg/hm2，P2O5為138 kg/hm2，K2O為90 kg/hm2。其中，54 kg/hm2N和全部的P2O5、K2O均以底肥施入土壤，所用肥料為磷酸二銨（N、P2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為18%、46%）和氯化鉀（K2O質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為60%），利用播種機(jī)播種的同時(shí)進(jìn)行施肥；剩余施N量分別在冬小麥返青期和拔節(jié)期用尿素進(jìn)行追施，追肥比例為返青期:拔節(jié)期=1:1.75，施肥方式為撒施。夏玉米施N量為228.6 kg/hm2，P2O5為55.2 kg/hm2，K2O為63.0 kg/hm2，其中21.6 kg/hm2N和全部的P2O5、K2O均以底肥施入土壤，所用肥料類型和施肥方式與冬小麥相同；剩余施N量分別在夏玉米拔節(jié)期和大喇叭口期用尿素進(jìn)行追施，追肥比例為拔節(jié)期：大喇叭口期=1:2。

1.5 指標(biāo)測(cè)定與計(jì)算

在冬小麥和夏玉米生育期內(nèi)，測(cè)量的作物生長指標(biāo)主要包括株高、葉面積指數(shù)（leaf area index，LAI）和地上部分干物質(zhì)質(zhì)量，測(cè)量的生理指標(biāo)為葉片相對(duì)葉綠素含量（soil and plant analyzer development，SPAD）。測(cè)量開始前，在每個(gè)處理的每個(gè)重復(fù)內(nèi)隨機(jī)選取長勢(shì)均勻的冬小麥4株和夏玉米3株進(jìn)行掛牌標(biāo)記。利用鋼卷尺和葉綠素儀（SPAD502，日本柯尼卡美能達(dá)公司）分別對(duì)標(biāo)記植株的株高和SPAD值進(jìn)行測(cè)量，每隔10 d測(cè)量1次。測(cè)量SPAD時(shí)，冬小麥生長前期測(cè)定新的完全展開葉，后期測(cè)定旗葉；夏玉米苗期至抽雄前測(cè)定最上部完全展開葉，抽雄后測(cè)定穗位葉。冬小麥LAI采用比葉重法[21]測(cè)量，然后將所有樣品烘干后測(cè)量地上部分干物質(zhì)質(zhì)量，每隔16 d左右測(cè)量1次。夏玉米LAI采用長寬系數(shù)法通過對(duì)標(biāo)記植株所有綠葉的長寬測(cè)量進(jìn)行計(jì)算，系數(shù)為0.75。夏玉米地上部分干物質(zhì)質(zhì)量測(cè)量時(shí)，在每個(gè)處理的所有重復(fù)內(nèi)隨機(jī)選取3個(gè)重復(fù)作為取樣點(diǎn)，然后在每個(gè)取樣點(diǎn)內(nèi)分別選取代表性植株3株，烘干后測(cè)量。

冬小麥和夏玉米收獲前進(jìn)行人工采樣測(cè)產(chǎn)。測(cè)量冬小麥產(chǎn)量時(shí)，分別在每個(gè)處理的每個(gè)重復(fù)內(nèi)選取具有代表性的長勢(shì)均勻的1 m×1.05 m的樣方1個(gè)，人工脫粒后烘干計(jì)產(chǎn)。夏玉米產(chǎn)量測(cè)量時(shí)，樣方為2行×1.56 m的區(qū)域，人工脫粒后烘干計(jì)產(chǎn)。

1.6 數(shù)據(jù)分析

冬小麥、夏玉米生長指標(biāo)（株高、LAI、地上部分干物質(zhì)質(zhì)量）、SPAD和產(chǎn)量的空間均勻性利用變異系數(shù)進(jìn)行定量描述，為樣本數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)差相對(duì)于平均數(shù)大小的相對(duì)量。為了分析變量灌溉水分管理和AWC對(duì)作物生長和產(chǎn)量的影響，利用SAS軟件中的PROC GLM方差分析過程進(jìn)行組內(nèi)觀察值數(shù)目不等的單向分組資料的方差分析[22]。

2 結(jié)果與分析

2.1 均一灌溉和變量灌溉處理灌溉制度差異

冬小麥、夏玉米生育期內(nèi)不同灌水處理的累積灌水量和降雨量如表2所示。冬小麥生育期內(nèi)總降雨量61.2 mm，小于冬小麥生育期內(nèi)的多年平均降雨量126 mm，屬于干旱年。夏玉米生育期內(nèi)總降雨量311.6 mm，小于有秸稈覆蓋條件下太行山山前平原夏玉米總耗水量350～360 mm[23]，說明試驗(yàn)?zāi)攴荻←満拖挠衩拙枰M(jìn)行灌溉。

為提高肥料利用效率，冬小麥和夏玉米進(jìn)行追肥后在沒有降雨時(shí)均進(jìn)行灌溉。4月3日和4月13日施冬小麥分蘗肥和拔節(jié)肥時(shí)，各處理分別灌水20和16 mm；在7月15日施夏玉米拔節(jié)期肥時(shí)各處理分別灌水20 mm，7月29日的抽穗肥隨降雨施入。冬小麥和夏玉米的土壤含水量分別在播種后6個(gè)月和1.5個(gè)月達(dá)到灌水下限。從4月22日到6月5日內(nèi)灌水，加上冬灌水和施肥水，冬小麥每個(gè)處理整個(gè)生育期總灌水量248 mm，均一灌溉處理和所有變量灌溉管理區(qū)的總灌水量相等。但是由于各處理土壤持水能力不同，土壤含水量達(dá)到灌水下限的時(shí)間不等，最大相差3 d，3V處理先進(jìn)行灌水，然后是均一灌溉處理進(jìn)行灌水。夏玉米均一灌溉總灌水量為70 mm，與變量灌溉2V和4V處理的灌水量相等，但灌水時(shí)期不盡相同；1V和3V處理只灌水2次，總灌水量40 mm。與冬小麥相比，由于降雨量增加，夏玉米各處理土壤含水量達(dá)到灌水下限的時(shí)間差異減小，最大相差1 d。按各處理面積與其總灌水量的乘積計(jì)算每個(gè)處理的灌水量，與均一灌溉管理相比，夏玉米生育期內(nèi)變量灌溉管理共節(jié)水14.1%。

表2 冬小麥和夏玉米不同灌水處理的灌水量

注：1V～4V分別表示1～4區(qū)的變量灌溉處理；U表示均一灌溉；下同。

Note: 1V-4V are variable rate irrigation management in zone 1, 2, 3, and 4, respectively; U is uniform rate irrigation management; Same as below.

2.2 作物生育期內(nèi)土壤含水量動(dòng)態(tài)變化

冬小麥和夏玉米生育期內(nèi)0～0.4和＞0.4～0.6 m土層各處理平均土壤含水量動(dòng)態(tài)變化如圖4所示。由于4區(qū)0.4 m以下土壤含水量無法測(cè)定，圖4b和圖4d只給出3個(gè)區(qū)土壤含水量測(cè)定結(jié)果。冬小麥生育期內(nèi)，0～0.4和＞0.4～0.6 m土層的土壤含水量變化趨勢(shì)相似，在冬小麥快速生長期，各處理土壤含水量較高且基本相等，進(jìn)入生長中期實(shí)施變量灌溉水分管理后，各處理土壤含水量差異增大，除成熟期因?yàn)榻涤晔雇寥篮砍霈F(xiàn)了明顯的增大外，各處理土壤含水量整體上處于下降趨勢(shì)。在所有均一灌溉處理（1U～4U）內(nèi)，雖然灌水時(shí)間相同，但因?yàn)橥寥莱炙芰Σ煌?U處理的土壤含水量一直處于最低水平，4U處理的土壤含水量則處于最高水平。進(jìn)行變量灌溉水分管理后，1V和3V處理的土壤含水量分別較1U和3U處理有所提高，2V和4V處理則分別較2U和4U處理有所降低。

夏玉米生育期內(nèi)由于降雨頻繁，0～0.4 m和＞0.4～0.6 m土層的土壤含水量均處于較高水平；0～0.4 m土層土壤含水量變化幅度較＞0.4～0.6 m土層大。進(jìn)行變量灌溉水分管理后，因?yàn)楣嗨肯鄬?duì)較少，所以由土壤持水能力不同造成的各管理區(qū)土壤含水量差異雖然存在，但均一灌溉和變量灌溉處理之間的土壤含水量差異較冬小麥明顯減小。說明作物生育期內(nèi)土壤剖面的含水量主要由其持水能力決定，變量灌溉水分管理對(duì)土壤剖面土壤含水量的調(diào)節(jié)作用與作物生育期內(nèi)的降水量有關(guān)。

2.3 變量灌溉水分管理對(duì)作物生長及其均勻性影響

冬小麥、夏玉米生育期內(nèi)均一灌溉和變量灌溉處理的作物株高、LAI、SPAD、地上部分干物質(zhì)質(zhì)量隨時(shí)間的變化曲線如圖5所示。冬小麥各處理作物生長過程相似，株高隨時(shí)間快速增加，并于5月13日達(dá)到最大值（56 cm），然后由于穗發(fā)育而稍微降低；從拔節(jié)期到抽穗期，冬小麥LAI呈緩慢增加趨勢(shì)（5.7～6.3），在成熟期快速減?。坏厣喜糠指晌镔|(zhì)質(zhì)量在冬小麥整個(gè)生育期內(nèi)一直呈增加趨勢(shì)；SPAD除了在成熟期因葉片變黃而降低外，其他時(shí)間基本保持恒定（52～61）。夏玉米株高、地上部分干物質(zhì)質(zhì)量和SPAD的變化過程與冬小麥相似，但LAI從拔節(jié)期到抽穗期呈快速增加趨勢(shì)（1.1～4.6）。由冬小麥和夏玉米生育期內(nèi)作物株高、LAI、SPAD、地上部分干物質(zhì)質(zhì)量在所有測(cè)量日期的平均值方差分析結(jié)果（表3）可知，均一灌溉和變量灌溉處理的冬小麥、夏玉米生長指標(biāo)和生理指標(biāo)均未產(chǎn)生顯著差異。

由冬小麥、夏玉米生育期內(nèi)作物株高、LAI、SPAD、地上部分干物質(zhì)質(zhì)量在所有測(cè)量日期的平均值（表3）可知，冬小麥和夏玉米株高的值均小于0.1，呈弱變異[16]，表現(xiàn)出較好的空間均勻性。冬小麥SPAD的值稍大于0.1，呈中等變異，而夏玉米SPAD的值小于0.1，呈弱變異。與株高和SPAD相比，LAI和地上部分干物質(zhì)質(zhì)量的值相對(duì)較大，空間均勻性較差，且夏玉米LAI和地上部分干物質(zhì)質(zhì)量的值小于冬小麥。這表明作物生長空間均勻性與作物類型有關(guān)，夏玉米生育期內(nèi)由于較多的降雨減輕了作物生長對(duì)灌溉的響應(yīng)，表現(xiàn)出比冬小麥更好的空間均勻性。與均一灌溉管理相比，變量灌溉處理的冬小麥株高、LAI、地上部分干物質(zhì)質(zhì)量和SPAD的值分別增加了0.02、0.04、0.04和0.02，而變量灌溉處理的夏玉米株高、LAI和SPAD的值與均一灌溉處理相等，地上部分干物質(zhì)質(zhì)量的值降低了0.05。與作物生長指標(biāo)和生理指標(biāo)的方差分析結(jié)果相似，均一灌溉和變量灌溉處理的冬小麥、夏玉米產(chǎn)量均無顯著差異（表3）。由值可知，夏玉米產(chǎn)量變異系數(shù)為0.16～0.18，小于冬小麥的0.23～0.27。與均一灌溉處理相比，冬小麥值增加了0.04，而夏玉米值降低了0.02。

表3 均一灌溉和變量灌溉處理冬小麥和夏玉米生長指標(biāo)均值和變異系數(shù)

注：不同小寫字母表示在0.05水平上處理間差異顯著，下同。

Note: Different letters after values indicate significant difference among treatments at 0.05 level; same as below.

由上述結(jié)果可知，與均一灌溉相比，變量灌溉對(duì)作物生長指標(biāo)、產(chǎn)量及其空間均勻性的影響較小，增產(chǎn)效益不明顯，這與其他研究者的結(jié)果[5,20,24-28]相似。因此，為了充分發(fā)揮變量灌溉技術(shù)潛在的節(jié)水、增產(chǎn)優(yōu)勢(shì)，需進(jìn)一步提高變量灌溉技術(shù)水分管理水平。

2.4 土壤可利用水量對(duì)作物生長的影響

因?yàn)榫还喔忍幚砗妥兞抗喔忍幚淼淖魑锷L指標(biāo)和產(chǎn)量之間無顯著差異（表3），因此，將同一AWC管理區(qū)所有樣本在所有測(cè)量日期的測(cè)量結(jié)果取平均值后分析AWC對(duì)作物生長和產(chǎn)量的影響（表4）。在冬小麥生育期內(nèi)，除SPAD外，與不同AWC管理區(qū)之間產(chǎn)量的顯著差異結(jié)果相一致，不同管理區(qū)之間的作物株高、LAI和地上部分干物質(zhì)質(zhì)量均存在顯著差異，且最小的冬小麥株高、LAI和地上部分干物質(zhì)質(zhì)量均在產(chǎn)量最小的1區(qū)和3區(qū)獲得。這與李久生等[29]關(guān)于干旱區(qū)春小麥的研究結(jié)果相同，即AWC的離散程度對(duì)小麥產(chǎn)量有明顯影響。在夏玉米生育期內(nèi)，除不同管理區(qū)之間的作物株高產(chǎn)生了顯著差異外，LAI、地上部分干物質(zhì)質(zhì)量、SPAD和產(chǎn)量均無顯著差異。但是在2015年夏玉米生育期內(nèi)的降雨量為286 mm時(shí)，不同管理區(qū)之間的夏玉米產(chǎn)量差異達(dá)到了顯著水平[30]。說明同一塊田內(nèi)土壤持水能力差異對(duì)作物生長和產(chǎn)量的影響依賴于作物生育期內(nèi)的降雨量。

表4 不同變量灌溉管理區(qū)間冬小麥和夏玉米生長指標(biāo)和產(chǎn)量

3 結(jié)論與討論

基于AWC進(jìn)行管理分區(qū)，并利用圓形噴灌機(jī)變量灌溉系統(tǒng)進(jìn)行變量灌溉水分管理后，以傳統(tǒng)的均一水分管理為對(duì)照，對(duì)比分析了變量灌溉水分管理對(duì)作物株高、LAI、SPAD、地上部分干物質(zhì)質(zhì)量、產(chǎn)量，及其空間均勻性的影響，并研究AWC對(duì)作物生長和產(chǎn)量的影響。主要結(jié)論如下：

1）當(dāng)不同AWC管理區(qū)采用相同的土壤水分下限值時(shí)，與均一灌溉相比，變量灌溉水分管理的節(jié)水效果與作物生育期內(nèi)的降雨量有關(guān)。在本試驗(yàn)的氣象條件下，冬小麥生育期內(nèi)變量灌溉與均一灌溉處理灌水量相等，夏玉米生育期內(nèi)變量灌溉處理節(jié)水14.1%。

2）變量灌溉水分管理對(duì)作物生長和產(chǎn)量均勻性的影響較小，與均一灌溉相比，冬小麥變異系數(shù)值增加了0.02～0.04，夏玉米除地上部分干物質(zhì)質(zhì)量和產(chǎn)量分別降低了0.05和0.02外，其他指標(biāo)的變異系數(shù)值相等。

3）與均一灌溉相比，變量灌溉水分管理對(duì)冬小麥和夏玉米株高、LAI、SPAD、地上部分干物質(zhì)質(zhì)量和產(chǎn)量的影響均未達(dá)到顯著水平。不同AWC管理區(qū)之間的作物生長指標(biāo)和產(chǎn)量差異達(dá)到了顯著水平，且這種差異在作物生育期內(nèi)降雨量較少時(shí)更為明顯。說明不同AWC管理區(qū)具有不同的水分生產(chǎn)潛力，為了充分發(fā)揮變量灌溉節(jié)水增產(chǎn)效益，需要進(jìn)一步研究不同管理區(qū)適宜的灌水下限值。

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Yields and water-saving effects of crops as affected by variable rate irrigation management based on soil water spatial variation

Zhao Weixia, Li Jiusheng※, Yang Rumiao, Li Yanfeng

(100048,)

Improving the uniformity of crop growth parameters and yield across the field is one of the objectives in utilizing the variable rate irrigation (VRI) technology. To improve the water management level of VRI, the crop growth parameters, including plant height, leaf area index (LAI), aboveground dry matter, leave relative chlorophyll content (SPAD), yield, and their spatial uniformity were compared between VRI and uniform rate irrigation (URI) managements, and the influences of soil available water holding capacity (AWC) on crop growth parameters and yield were also analyzed. This study was conducted at the experimental station of China Agricultural University in Zhuozhou, Hebei Province (39.45°N and 115.85°E) in 2014. This site belongs to the Taihang mountain alluvial flood plain and experiences a warm and semi-humid monsoon climate with an annual mean temperature of 11.6°C and an annual mean precipitation of 563.3 mm.One quadrant of the center-pivot controlled area (1.64 hm2) was used in the experiment. The main soil types were loam and sandy loam, and both the coefficients of variation for sand and clay percentiles increased with depth in the site. During the growing seasons of winter wheat and summer maize, the seasonal rainfall for winter wheat (61.2 mm) was substantially lower than the long-term average, while it (311.6 mm) was ample for summer maize. According to the relationships between field capacity, wilting point, and clay, silt, and sand percentiles measured from the upper 0.6 m of the profile, the experimental area was delineated into 4 management zones with AWC varying from 152.2 mm to 161.4 mm for zone 1, from 161.4 mm to 170.9 mm for zone 2, from 170.9 mm to 185.1 mm for zone 3, and from 185.1 to 204.7 mm for zone 4. Each zone was then equally divided into 2 sub-zones to represent the VRI and URI treatments. Each VRI treatment was individually managed with an equal irrigation trigger point of 0.45AWC. For the URI treatments, irrigation was triggered when soil water content in the management zone having minimum AWC values (zone 1) depleted to 0.45AWC. The soil water content was measured with Trime access tubes and Decagon soil moisture sensors. A center-pivot irrigation machine that had been modified to enable to apply variable rate in different plots was used to implement the experiments. The results indicated that the soil water content was different among management zones with different AWC values, and the difference increased during the growing season of winter wheat as the less rainfall than that for summer maize. Correspondently, the total irrigation amount was same for winter wheat between URI and VRI treatments, while it was 14.1% lower for summer maize than that for the URI treatment since the frequent precipitation decreased the dependence on irrigation. Compared with URI management, there was minor effect of VRI management on spatial uniformity of winter wheat and summer maize; the variation coefficient values for all parameters of winter wheat increased from 0.02 to 0.04, while it decreased by 0.05 and 0.02 for aboveground dry matter and yield of summer maize, respectively. No significant influences of VRI management on crop growth parameters and yield were detected, while their differences were significant among the management zones. The experimental results suggested that the management zones with different AWC should be managed individually with different irrigation trigger points to improve the uniformity of crop growth and to maximize the crop yield.

soils; irrigation; crops; soil available water holding capacity; management zone; winter wheat; summer maize; uniformity

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.001

S274.3; S275.5

A

1002-6819(2017)-02-0001-07

2016-07-07

2016-12-19

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51309251）；中國水科院科研專項(xiàng)（2016TS05）

趙偉霞，女，河南長葛人，高級(jí)工程師，博士，主要從事節(jié)水灌溉理論與技術(shù)研究。北京中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100048。Email：zhaowx@iwhr.com

李久生，男，河北邢臺(tái)人，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事節(jié)水灌溉理論與技術(shù)研究。北京中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100048。Email：lijs@iwhr.com

趙偉霞，李久生，楊汝苗，栗巖峰.基于土壤水分空間變異的變量灌溉作物產(chǎn)量及節(jié)水效果[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(2)：1－7. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.001 http://www.tcsae.org

Zhao Weixia, Li Jiusheng, Yang Rumiao, Li Yanfeng. Yields and water-saving effects of crops as affected by variable rate irrigation management based on soil water spatial variation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(2): 1－7. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.001 http://www.tcsae.org