吳昌智，趙海雄，羅興錄

(1.桂林市農(nóng)田灌溉試驗(yàn)中心站，廣西 桂林541105；2.廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院，南寧 530005)

0 引 言

木薯是廣西境內(nèi)種植面積僅次于糖料蔗的經(jīng)濟(jì)作物，其產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益呈逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)[1]。由于受季風(fēng)性氣候的影響，木薯種植區(qū)域降雨時(shí)空分布不均[2]，導(dǎo)致木薯常因秋、冬旱而普遍減產(chǎn)，嚴(yán)重的甚至減產(chǎn)30%以上。因此，迫切需要開(kāi)展木薯的灌溉試驗(yàn)，研究不同灌溉條件下木薯根區(qū)水分空間分布特征及其耗水變化規(guī)律，探討適合木薯生長(zhǎng)所需的灌溉技術(shù)，打破季節(jié)性干旱的制約瓶頸，促進(jìn)木薯產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。關(guān)于不同灌溉方式對(duì)作物土壤水分遷移、耗水特性及生長(zhǎng)發(fā)育的影響，前人已就玉米[3-5]、棉花[6]、馬鈴薯[7]、茄子[8]等進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，并取得大量的成果。在木薯方面，類(lèi)似的研究較為滯后。張耀華等[9]分析不同灌溉處理對(duì)木薯株高、莖粗、直徑生長(zhǎng)率的影響，發(fā)現(xiàn)適量灌溉對(duì)木薯的農(nóng)藝性狀具有良好的促進(jìn)作用。當(dāng)灌水量達(dá)到1 300～1 500 m3/hm2時(shí)，木薯產(chǎn)量表現(xiàn)最佳[10]。王澤平等[11]研究不同供水條件下兩個(gè)木薯品種凈光合速率、葉片水勢(shì)、葉綠素、丙二醛、脯氨酸、膜透性等指標(biāo)的變化特征，結(jié)果顯示，木薯需水特性與生理指標(biāo)存在密切的關(guān)系，在各項(xiàng)生理指標(biāo)拐點(diǎn)附近，木薯對(duì)水分需求量較大，易受到干旱脅迫的影響。目前，從節(jié)水灌溉角度開(kāi)展木薯土壤水分分布特性及耗水動(dòng)態(tài)變化的研究尚屬空白。本試驗(yàn)設(shè)置滴灌、小管出流、微噴灌3種灌溉方式，探討、分析不同灌溉方式對(duì)木薯根區(qū)土壤水分空間分布、耗水規(guī)律及水分利用效率的影響，為探索適合木薯生長(zhǎng)所需的灌溉技術(shù)提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

以當(dāng)前廣西大面積推廣種植的木薯品種新選“048”作供試材料。

1.2 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2013年3-12月在桂林市農(nóng)田灌溉試驗(yàn)中心站木薯種植基地進(jìn)行，試驗(yàn)區(qū)之前為水稻田，鋪有混凝土防水層，耕作層深度1.8 m，土質(zhì)為黏壤土，容重1.27 g/cm3，pH 6.1，田間持水量31.2%，周邊地下水埋深2.6～3.1 m。試驗(yàn)期間主要受季風(fēng)性氣候的影響，夏季(5-9月)降雨豐富，秋、冬季(10-12月)及早春(2-3月)雨量偏低，易發(fā)生旱害。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置滴灌、小管出流、微噴灌3種灌溉方式，灌溉定額均為1 500 m3/hm2。木薯生長(zhǎng)期間灌溉次數(shù)和灌水量見(jiàn)表1。

木薯于2013年3月19日起畦播種，每個(gè)處理種植3畦，每畦4行，行距100 cm，株距60 cm，畦面80 m2。在下種后安裝灌溉設(shè)施，每條播種溝布置1條滴灌帶，待薯苗長(zhǎng)出后調(diào)整滴灌帶位置，使之與根際平齊；小管出流輸水管也沿播種溝鋪設(shè)，并將支管出水孔放在根際附近；微噴帶則安放在兩條播種溝中間，確保灌溉時(shí)水往兩邊木薯根區(qū)均勻噴灑。

表1 木薯主要生育期灌溉次數(shù)和灌水定額Tab.1 The irrigation times and irrigation quota of cassava in main growth periods

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.4.1 根區(qū)剖面土壤含水量

在木薯苗期生長(zhǎng)階段，連續(xù)不降雨9 d后按試驗(yàn)要求灌水，分別在灌后2、3、4、5 d用土鉆沿以根際為中心、左右兩側(cè)40 cm、縱深60 cm的剖面，每隔10 cm鉆取土樣，烘干測(cè)含水量，繪制木薯根區(qū)剖面土壤水分空間分布圖。

1.4.2 木薯耗水量和棵間蒸發(fā)量

每隔5 d用土鉆取木薯根區(qū)0～10、10～20、20～30、30～40 cm 4個(gè)層次的土樣，烘干測(cè)其水分含量，再根據(jù)水量平衡公式計(jì)算耗水量(ET)[12]：

ET=P+I+G-R-D±ΔW

式中:ET為木薯某生育時(shí)段的耗水量，mm；P為同時(shí)段內(nèi)降雨量，mm；I為灌水量，mm；R為地表徑流量，mm，利用每個(gè)試區(qū)兩端的徑流收集池測(cè)量；G為地下水利用量，mm；D為深層滲漏量，mm，由于試驗(yàn)區(qū)以防水混凝土打底，故G、D可忽略；ΔW為同時(shí)段內(nèi)土壤儲(chǔ)水量的變化值，增加取負(fù)，相反取正，mm。

棵間蒸發(fā)量(E)：將棵間筒盛滿原狀土后放置在各試區(qū)木薯行間，筒面與地表平齊，每隔2～3 d換土稱重，降雨或灌溉前后加測(cè)，兩次稱量之差為棵間蒸發(fā)量。

1.4.3 木薯產(chǎn)量及水分利用效率

于2013年12月11-12日收獲木薯，各試驗(yàn)區(qū)分別測(cè)產(chǎn)，得到塊根產(chǎn)量，再根據(jù)耗水量計(jì)算木薯水分利用效率(WUE)：

WUE=Y/ET

式中：Y為塊根實(shí)際產(chǎn)量；ET為木薯的耗水量。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉方式下木薯根區(qū)水分空間分布規(guī)律分析

2.1.1 滴灌處理土壤水分動(dòng)態(tài)分布

從圖1可發(fā)現(xiàn)，滴灌條件下木薯根區(qū)土壤水分往水平、垂直兩個(gè)方向遷移，呈現(xiàn)出以根際為中心、兩側(cè)近似對(duì)稱的分布特征。灌水2 d后，土壤水分主要集中在表層10～20 cm的中心剖面，兩側(cè)行間的水分含量隨距離而依次遞減；隨著土層的加深，土壤含水量逐漸降低；在深度20～30 cm的剖面上，中心區(qū)域水分含量為22%～25%，兩側(cè)為20%～24%；在40 cm土層以下，整個(gè)剖面土壤含水量差異不大。灌水3 d后，根際20～30 cm剖面的水分含量有所增加，同層次行間區(qū)域的含水量仍徘徊在20%～24%之間，土壤水分垂直遷移的態(tài)勢(shì)非常明顯。灌后4 d，土壤水分向下遷移的趨勢(shì)開(kāi)始減弱，往兩側(cè)擴(kuò)散則明顯增強(qiáng)。灌后第5 d，水分主要集中區(qū)域遷移至根區(qū)剖面30 cm處，此時(shí)土壤水分以側(cè)向遷移為主，最終在30 cm以上的耕作層內(nèi)形成沿根際對(duì)稱分布的濕潤(rùn)帶，從而為根系對(duì)水分的吸收和利用創(chuàng)造有利的環(huán)境條件。

2.1.2 小管出流處理土壤水分動(dòng)態(tài)分布

小管出流通過(guò)主管道上的支管將輸配水以細(xì)流的形式灌到作物根部[13]，由于出流量較大，容易在支管出口方向產(chǎn)生積水[14]。圖2結(jié)果顯示，小管出流灌溉水分側(cè)向入滲比較明顯，在根區(qū)剖面形成斜向下遷移的態(tài)勢(shì)。在灌水第2天，根際附近開(kāi)始出現(xiàn)向右側(cè)遷移的濕潤(rùn)鋒。灌水3 d后，土壤水分在根際至右側(cè)20 cm、深度10～20 cm的剖面上存積，形成蛛網(wǎng)狀濕潤(rùn)帶。隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤水分繼續(xù)往根區(qū)右下方向遷移，至灌水第5天后在根際右側(cè)30 cm、土深20～40 cm的區(qū)域內(nèi)形成范圍更大的蛛網(wǎng)狀濕潤(rùn)帶。濕潤(rùn)帶內(nèi)土壤水分含量為21%～25%，而周邊區(qū)域則較低，基本上在16%～20%之間變動(dòng)。由此可見(jiàn)，小管出流由于自身特點(diǎn)使其灌出的水往單方向遷移，導(dǎo)致作物根區(qū)土壤水分空間分布不均衡。為保證水分能被集中利用，則需要為每蔸木薯沿根際挖環(huán)狀溝，但此舉將增加勞動(dòng)量和人工費(fèi)，經(jīng)濟(jì)上并不劃算。

圖1 滴灌處理木薯根區(qū)土壤水分動(dòng)態(tài)分布圖Fig.1 The dynamic distribution map of soil moisture in cassava root zone under drip irrigation

圖2 小管出流處理木薯根區(qū)土壤水分動(dòng)態(tài)分布圖Fig.2 The dynamic distribution map of soil moisture in cassava root zone under small pipe outflow

2.1.3 微噴灌處理土壤水分動(dòng)態(tài)分布

圖3 微噴灌處理木薯根區(qū)土壤水分動(dòng)態(tài)分布圖Fig.3 The dynamic distribution map of soil moisture in cassava root zone under micro-sprinkler irrigation

與滴灌、小管出流不同，微噴灌灌溉面較大，噴水均勻，噴灑范圍內(nèi)土壤水分含量差別不大[15-16]。從圖3可以看到，微噴灌下土壤水分在木薯根區(qū)剖面分布比較均勻，相同土層內(nèi)根際和行間含水量沒(méi)有很大的變化波動(dòng)。灌水2 d后，根際10～20 cm剖面的土壤水分含量為24%～26%，兩側(cè)行間為24%～25.5%，兩者相差不大；隨著剖面深度的增加，土壤含水量逐漸降低，土層40 cm以下，土壤水分含量基本處在15%～16%的低水平。灌后3 d，根區(qū)20～30 cm剖面的土壤含水量均有所增加，根際區(qū)域比行間高1.2%～3.6%，但差異不顯著。隨著土壤水分的不斷下滲，根區(qū)30～50 cm剖面的水分含量也逐漸升高，同層次之間也沒(méi)有出現(xiàn)較大的波動(dòng)。上述分析表明，微噴灌噴灑均勻，作物根際和周邊土壤含水量相近。但由于濕潤(rùn)面大，將導(dǎo)致棵間蒸發(fā)量明顯增加，進(jìn)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動(dòng)態(tài)變化分析

圖4 不同灌溉方式木薯全生育期棵間蒸發(fā)量和耗水量動(dòng)態(tài)變化Fig.4 The dynamic change of soil evaporation and water consumption in the whole growth period of cassava under different irrigation methods

圖4顯示不同灌溉方式下木薯全生育期內(nèi)日均耗水量和棵間蒸發(fā)量的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。從圖4中可以看出，各處理木薯耗水量均呈現(xiàn)出較明顯的“單峰”曲線變化趨勢(shì)。3月下旬播種至4月間，木薯處于出苗階段，耗水量較低，增幅也相對(duì)緩慢；進(jìn)入5月份后，由于植株群體的生長(zhǎng)，各處理的日均耗水量上升較快，在7月中、下旬之間達(dá)到峰值，之后開(kāi)始呈波動(dòng)下降的趨勢(shì)；進(jìn)入11月中旬至12月上旬的成熟期，由于氣溫降低和薯葉逐漸凋零，各處理日均耗水量降低至1.1～1.8 mm/d的水平。具體來(lái)看，微噴灌處理木薯全生育期內(nèi)耗水量最高，達(dá)到1 013.0 mm，小管出流灌溉最低，為968.6 mm，滴灌略高于小管出流?？瞄g蒸發(fā)是表層土壤水分的散失，在木薯生長(zhǎng)初期，由于地表裸露面積較大，各處理棵間蒸發(fā)量均呈顯著上升的趨勢(shì)，并在6月上、中旬達(dá)到峰值；隨著薯葉的增大和田間蔭蔽程度的增加，各處理棵間蒸發(fā)量逐漸降低，到12月份下降至0.7～1.2 mm/d的低水平。在木薯全生育期內(nèi)，滴灌棵間蒸發(fā)量最低，為510.7 mm，小管出流灌溉最高，達(dá)到565.8 mm，微噴灌略低于小管出流。綜上分析可發(fā)現(xiàn)，小管出流雖然耗水量最低，但棵間損耗多，導(dǎo)致其用于木薯葉面蒸騰的水量低于其他處理；滴灌棵間損失量最低，因而有更多的水分來(lái)促進(jìn)木薯的生長(zhǎng)發(fā)育，進(jìn)而提高塊根產(chǎn)量。

2.3 不同灌溉方式木薯產(chǎn)量和水分利用效率分析

圖5 不同灌溉方式木薯產(chǎn)量和水分利用效率Fig.5 The yield and water use efficiency of cassava under different irrigation methods 注:小寫(xiě)字母不同，表示0.05差異顯著水平，大寫(xiě)字母不同，表示0.01差異顯著水平。

圖5對(duì)比不同灌溉方式木薯的產(chǎn)量和水分利用效率。從中可發(fā)現(xiàn)，滴灌處理木薯塊根產(chǎn)量最高，達(dá)到59 260.7 kg/hm2，微噴灌產(chǎn)量次之，小管出流最低；滴灌產(chǎn)量比小管出流高6.5%，差異達(dá)到顯著水平(p<0.05，下同)，微噴灌比小管出流高5.0%，但差異不顯著(p>0.05，下同)。在水分利用效率方面，滴灌>微噴灌>小管出流；滴灌水分利用效率為6.00 kg/m3，比小管出流高出4.2%，差異達(dá)到顯著水平，微噴灌僅比小管出流高0.4%，差異不顯著。綜上可見(jiàn)，滴灌在降低木薯耗水量的同時(shí)能顯著提高塊根產(chǎn)量，在節(jié)本、增產(chǎn)、增效等方面比其他灌溉方式具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

3 討 論

在進(jìn)行灌溉試驗(yàn)時(shí)，掌握灌后水分在土壤中的遷移和分布規(guī)律，對(duì)設(shè)計(jì)合理的灌溉系統(tǒng)，提高水分利用效率具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。據(jù)已有研究顯示，土壤水分遷移及分布特征主要受灌溉方式的影響[17-20]。在滴灌條件下，灌水初期水分由于土壤吸力的驅(qū)動(dòng)以水平擴(kuò)散為主，隨著灌水量的增加，土壤水分垂直遷移的趨勢(shì)增強(qiáng)，最終沿滴頭形成拋物狀分布的飽和區(qū)域[21,22]。微噴灌橫向灌水均勻度高，水分下滲緩慢[23]，但其水力特性比較復(fù)雜，對(duì)噴水帶長(zhǎng)度[24]、噴射角度[25]、流量[26]等的要求較高，容易出現(xiàn)灌溉面積大，外圍水分損失過(guò)多的問(wèn)題。小管出流灌水速度快，出流量大，需要配合挖蓄水溝或筑埂，以將水流分散控制在作物主要根區(qū)，否則容易出現(xiàn)跑水、積水的現(xiàn)象，導(dǎo)致水分滲漏和浪費(fèi)[27]。本研究發(fā)現(xiàn)，滴灌水分主要集中在木薯根際區(qū)域，形成以根際為中心對(duì)稱分布的濕潤(rùn)帶，為根系的吸收和利用創(chuàng)造極其有利的環(huán)境條件。小管出流土壤水分入滲速度快，側(cè)向遷移非常明顯。說(shuō)明小管出流灌溉水量較大，出現(xiàn)涌水、跑水現(xiàn)象，需要挖環(huán)溝將水分集中在木薯根部。但在平畦栽培的條件下，此舉并不經(jīng)濟(jì)。微噴灌噴灑均勻，各層次土壤水分含量波動(dòng)幅度不大。但由于濕潤(rùn)范圍大，周邊表層土壤含水量高，易增加棵間蒸發(fā)量，從而造成過(guò)多水分的無(wú)效散失。

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)水分的消耗當(dāng)中，棵間蒸發(fā)不參與作物的生長(zhǎng)過(guò)程，是無(wú)效的水分散失[28]。因此，抑制棵間蒸發(fā)，是提高作物水分利用效率的有效措施。有研究指出，棵間蒸發(fā)主要發(fā)生在0～20 cm的表土層，而20 cm以下土層的水分則主要被根系吸收用于植株生長(zhǎng)和葉面蒸騰[29]。在本試驗(yàn)中，滴灌處理土壤水分沿根際對(duì)稱分布，中心剖面20～30 cm區(qū)域的土壤含水量較高，有更多的水分供給根系吸收，促進(jìn)植株生長(zhǎng)發(fā)育，提高塊根產(chǎn)量；根際兩側(cè)表層土壤含水量較低，有利于遏制棵間蒸發(fā)，降低水分消耗。因此，滴灌處理木薯棵間蒸發(fā)量最低，其水分利用效率最高。微噴灌根際表層和周邊土壤含水量均較高，因而水分蒸發(fā)損失大，其耗水量比滴灌要高，水分利用效率也較低。小管出流水分斜向下遷移，濕潤(rùn)帶逐漸遠(yuǎn)離根區(qū)，導(dǎo)致中心剖面能被根系吸收利用的土壤水分含量明顯低于滴灌和微噴灌，因而其產(chǎn)量和水分利用效率最低。

4 結(jié) 語(yǔ)

研究結(jié)果表明，與其他灌溉方式相比，滴灌水分主要集中在木薯根區(qū)，形成沿根際為中心對(duì)稱分布的濕潤(rùn)帶，從而有利于根系的吸收和利用。同時(shí)，滴灌在抑制木薯棵間蒸發(fā)、提高塊根產(chǎn)量及水分利用效率等方面比其他灌溉

方式具有較顯著的優(yōu)勢(shì)。

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