李 紅，郭 鑫，陳 瑞，王 劍

噴灌均勻性和灌水量對(duì)冬小麥冠層下水量分配的影響

李 紅，郭 鑫，陳 瑞，王 劍

（江蘇大學(xué)流體機(jī)械工程技術(shù)研究中心，鎮(zhèn)江 212013）

為研究冬小麥冠層對(duì)噴灌水量的再分配規(guī)律，探討不同灌水量下噴灌均勻性對(duì)土壤含水率空間分布、冬小麥生長(zhǎng)狀況及產(chǎn)量的影響，該研究于2020—2021年在常州市金壇區(qū)開(kāi)展了冬小麥田間噴灌試驗(yàn)。該試驗(yàn)依據(jù)作物需水量設(shè)置3個(gè)灌水量（充分灌溉、2/3需水量、1/3需水量）處理和2個(gè)噴灌均勻性（高：75%、低：55%）處理，通過(guò)冠層上、下雨量筒和自制的莖流收集器測(cè)量噴灌水量分布，并對(duì)噴灌后的土壤含水率（Soil Water Content，SWC）、冬小麥生長(zhǎng)狀況及產(chǎn)量的空間分布進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明，冠層上噴灌均勻性比冠層下高約1.5%。噴灌水經(jīng)冬小麥冠層再分配后所形成的棵間穿透流量、莖稈流量以及冠下噴灌損失分別占冠層上部水量的56.0%～73.9%、25.0%～37.0%和2.5%～12.7%。冠下穿透流率和莖稈流率與冬小麥的冠層特征（葉面積指數(shù)、株高）極顯著相關(guān)（0.01），而受?chē)姽嗑鶆蛐院凸嗨康挠绊戄^小。莖稈流率變異系數(shù)高于穿透流率變異系數(shù)。噴灌后24 h，0～20 cm深度土壤水分的變化與冬小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量變異系數(shù)顯著相關(guān)（<0.05）。低噴灌均勻性會(huì)導(dǎo)致區(qū)域性缺水（SWC<65%田間持水量），引發(fā)小范圍減產(chǎn)，產(chǎn)量變異系數(shù)增大，減少灌水量則會(huì)加劇這一現(xiàn)象，冬小麥顯著減產(chǎn)，灌水量對(duì)產(chǎn)量的影響占主導(dǎo)作用。研究結(jié)果可為冬小麥的噴灌設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

灌溉；作物；冠層；冬小麥；灌水量；土壤含水率

0 引 言

噴灌均勻性是衡量噴灑區(qū)域內(nèi)水量分布均勻程度的指標(biāo)，是噴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)[1-2]，常采用克里斯琴森均勻系數(shù)（Christiansen Uniformity，CU）[3]作為噴灌均勻性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。影響噴灌水量分布的因素包括風(fēng)速、風(fēng)向、地形、噴嘴、壓力等[4-8]，但目前關(guān)于噴灌水量分布的研究多針對(duì)于裸地噴灑條件，當(dāng)作物冠層對(duì)地表的遮蓋達(dá)到一定程度時(shí)，冠層亦成為影響噴灌水量分布的重要因素之一[9]。

天然降雨或噴灌降水經(jīng)過(guò)作物冠層的再分布后，通常被分為棵間穿透流量、莖稈流量、冠層截留量三部分，在忽略冠層蒸發(fā)損失的情況下，這三部分水量的總和等于冠上輸入的總水量，因此三者之間始終存在此消彼長(zhǎng)的關(guān)系[10-11]。王迪等[12]在無(wú)風(fēng)條件下采用稱(chēng)重法測(cè)得冬小麥冠層截留變化范圍為0.68～1.47 mm，從拔節(jié)期開(kāi)始，冠層存儲(chǔ)能力隨葉面積指數(shù)（Leaf Area Index，LAI）和株高的增大而線性增大。Li等[13]通過(guò)水量平衡法測(cè)得，在冬小麥的整個(gè)生育期內(nèi)，噴灌的冠層截留水量為24%～28%（包括從莖稈流到地面的水量），穿透水量為72%～76%。Zheng等[11]研究發(fā)現(xiàn)，穿透流量（莖稈流量）與總降雨量、降雨強(qiáng)度和葉面積指數(shù)顯著相關(guān)，并在此基礎(chǔ)上建立了多元線性回歸和非線性回歸模型，但模型對(duì)莖稈流量的預(yù)測(cè)精度較低。以往研究大多集中在株行距較大的高大作物（如玉米），對(duì)低矮密植類(lèi)作物（如小麥）冠層對(duì)噴灌水量再分配的研究甚少，且基本為室內(nèi)模擬試驗(yàn)或沒(méi)有在大田試驗(yàn)中直接測(cè)量截留損失量和冠層下莖稈流量。

經(jīng)過(guò)作物冠層再分布的噴灌水量進(jìn)入土壤后發(fā)生第二次再分布導(dǎo)致土壤含水率及其均勻性的變化，進(jìn)而影響作物生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量。Li等[13-15]采用半方差函數(shù)對(duì)噴灌水量、土壤水分及作物產(chǎn)量的空間結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)量的空間相關(guān)距離大于灌水量的相關(guān)距離，并利用Jensen連乘水分生產(chǎn)函數(shù)建立了均勻系數(shù)對(duì)產(chǎn)量影響的模型，結(jié)果表明，即使冠層上的噴灌均勻性低于60%，土壤含水率均勻性仍超過(guò)90%，噴灌均勻性對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響不大。Montazar等[16-17]研究發(fā)現(xiàn)，隨著噴灌均勻性的提高，苜蓿增產(chǎn)不顯著，而減少灌水量會(huì)提高苜蓿的灌溉水利用效率。饒敏杰[18]通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)量與有效水量之間的相關(guān)關(guān)系比與累計(jì)水量之間的關(guān)系更密切，土壤特性（有效水量）和灌水量離散程度的增大，均會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)量離散程度的增大。但以往的研究大多忽略噴灌水量在土壤中的再分布后的影響，不同灌水定額下噴灌均勻性對(duì)作物產(chǎn)量的影響也有待進(jìn)一步研究。

本文在已有研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)在不同噴灌均勻性和灌水量下的冬小麥田間噴灌試驗(yàn)，探討灌水量、噴灌均勻性、葉面積指數(shù)與冠層下水量分配的關(guān)系，構(gòu)建噴灌條件下冬小麥冠層下水量分布預(yù)測(cè)模型；分析不同灌水量下噴灌均勻性對(duì)土壤含水率空間分布、冬小麥生長(zhǎng)狀況及產(chǎn)量的影響，以期為冬小麥的噴灌設(shè)計(jì)提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在江蘇省常州市金壇區(qū)江蘇大學(xué)噴灌試驗(yàn)基地進(jìn)行，該試驗(yàn)場(chǎng)位于江蘇省南部（31°45′N(xiāo)，119°17′E，海拔7 m），屬亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明。多年平均降水量為1 063.5 mm，年平均蒸發(fā)量約為1 516 mm，平均氣溫15.3 ℃，日照充足。試驗(yàn)區(qū)土壤質(zhì)地為黏壤土，田間持水量為29%，容重為1.38 g/cm3。試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)設(shè)有氣象站，進(jìn)行風(fēng)速、濕度、降水、輻射、氣壓、地溫等氣象因素監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)冬小麥品種為楊麥13，冬小麥于2020年11月15日播種，2021年5月22日收獲，種植行距為20 cm，種植密度為601.5萬(wàn)株/hm2，其他管理措施同當(dāng)?shù)剞r(nóng)民栽培習(xí)慣一致。試驗(yàn)期間，該地區(qū)的雜草和蟲(chóng)害都進(jìn)行了較佳控制。

冬小麥進(jìn)入拔節(jié)期后，結(jié)合3月19日的降水進(jìn)行追肥。此后，為滿足作物的需水要求，并方便研究不同灌水量下噴灌均勻性對(duì)土壤含水率空間分布、冬小麥生長(zhǎng)狀況及產(chǎn)量的影響，當(dāng)蒸發(fā)蒸騰量（ETc）與有效降雨量的差值累積達(dá)到30 mm時(shí)進(jìn)行灌溉。ETc采用波文比-能量平衡法[19]計(jì)算，其準(zhǔn)確性已得到驗(yàn)證[20]。冬小麥生育期內(nèi)蒸發(fā)蒸騰量和降雨量見(jiàn)圖1。

為研究在不同虧缺灌溉條件下較低的噴灌均勻性對(duì)作物產(chǎn)量的影響，根據(jù)灌水量（充分灌溉：30 mm、2/3 需水量：20 mm、1/3需水量：10 mm，分別記作W1、W2、W3）和噴灌均勻性（高：75%、低：55%，分別記作J1、J2）的不同，試驗(yàn)共設(shè)置6個(gè)不同的處理，分別記作W1J1、W1J2、W2J1、W2J2、W3J1、W3J2，其中高均勻性處理采用規(guī)范（GB/T 50085—2007）[21]規(guī)定最小CU（75%），每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，隨機(jī)分配在18個(gè)灌溉小區(qū)中，試驗(yàn)小區(qū)布置見(jiàn)圖2a。試驗(yàn)區(qū)噴頭選用國(guó)產(chǎn)可調(diào)角度搖臂式噴頭（PY10，4 mm噴嘴），噴頭距地面為1.5 m，布置間距為10×10 m，每個(gè)噴頭都由單獨(dú)的調(diào)壓閥精準(zhǔn)控制壓力。由于噴頭在換向處的水量分布較集中，試驗(yàn)時(shí)噴頭以120°的扇形角向灌溉小區(qū)內(nèi)噴水，通過(guò)調(diào)整每個(gè)處理內(nèi)同時(shí)噴灑的噴頭數(shù)量（2～4個(gè)）和噴頭運(yùn)行壓力（150～300 kPa）來(lái)獲得設(shè)計(jì)要求的噴灌均勻性，通過(guò)改變灌水時(shí)間來(lái)獲得設(shè)計(jì)要求的灌水量。冬小麥生育期內(nèi)各處理的噴灌日期、噴灌時(shí)段的平均風(fēng)速、實(shí)測(cè)噴灌水量以及噴灌均勻性見(jiàn)表1。

1.2 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.2.1 株高、葉面積指數(shù)

在每次噴灌試驗(yàn)前測(cè)定冬小麥株高和葉面積指數(shù)。株高、葉面積測(cè)定采取量測(cè)法，葉面積采用長(zhǎng)寬比例法近似計(jì)算[22]，計(jì)算公式如下：

式中A為單株作物葉面積，cm2；L為第片葉片長(zhǎng)度，cm；W為第片葉片最寬處寬度，cm；為單株作物的葉片數(shù)。

注：圖中橫坐標(biāo)標(biāo)注日期從左至右依次為播種、補(bǔ)肥、3次噴灌試驗(yàn)、收獲日期。

Note: The dates marked with horizontal coordinates from left to right are the dates of sowing, fertilizer supplementation, three sprinkler irrigation trials, and harvest.

圖1 冬小麥生育期內(nèi)蒸發(fā)蒸騰量ETc與降雨量

Fig.1 Evapotranspiration(ETc) and precipitation during the fertility period of winter wheat

測(cè)定時(shí)，每個(gè)小區(qū)均勻設(shè)置9個(gè)測(cè)試點(diǎn)（圖2b），取測(cè)量值的平均值作為各小區(qū)的株高和單株葉面積。葉面積指數(shù)（LAI）為植株密度與單株葉面積的乘積。

1.2.2 冠層截留

噴灌前，隨機(jī)選取6個(gè)測(cè)點(diǎn)（測(cè)點(diǎn)處植株生長(zhǎng)良好）并做好標(biāo)記，在每個(gè)測(cè)點(diǎn)周?chē)x取5株長(zhǎng)勢(shì)均勻的小麥測(cè)量其鮮質(zhì)量；噴灌后，將標(biāo)記處的小麥沿根部緩慢割下并放入塑料袋中稱(chēng)質(zhì)量。為避免外界因素的影響，稱(chēng)量均在田間完成。冠層截留按照以下公式[23]計(jì)算：

式中I為冠層截留量，mm；0為植株鮮質(zhì)量，g；G為植株噴水后質(zhì)量，g；為植株密度，株/m2；ρ為水密度，g/cm3。

表1 冬小麥生育期內(nèi)的噴灌日期、噴灌水量和噴灌均勻性（冠層以上）

注：CU為克里斯琴森均勻系數(shù)，即衡量噴灌均勻性的指標(biāo)，%。

Note: CU is Christensen Uniformity coefficient, which is the index to measure the sprinkler uniformity, %.

1.2.3 作物冠層上、下噴灌水量空間分布

每個(gè)處理選取一個(gè)試驗(yàn)小區(qū)（圖2a），在10 m×10 m的小區(qū)內(nèi)，按照2 m×2 m的網(wǎng)格布設(shè)雨量筒（圖2b），測(cè)試作物冠層上噴灌水量分布，雨量筒為高14.5 cm，開(kāi)口直徑11.6 cm的塑料量杯（精度為5 mL），雨量筒開(kāi)口布置高度與作物株高一致。測(cè)量冠層下穿透流量分布的雨量筒置于作物冠層行間的地表（圖3a），位置與冠層上雨量筒一致（圖2b）。為避免冠層上雨量筒對(duì)冠層下穿透流量分布測(cè)定的影響，冠層上、下雨量筒相互交錯(cuò)。莖稈流量采用自制的莖流收集器測(cè)定（圖3b），它由帶有V型切割的小漏斗（開(kāi)口直徑為3 cm）、塑料軟管、50 mL（精度為1 mL）帶蓋塑料量杯組裝而成，采用防水膠帶固定在小麥莖稈上收集莖稈流量。噴灌完成后，讀取塑料量杯收集到的噴灌水量。作物冠層上、下噴灌水量按照以下公式計(jì)算：

式中P、、P分別為測(cè)點(diǎn)（圖2b）冠層上噴灌水量、冠層下穿透流量、莖稈流量、冠層下噴灌水量，mm；V、V、V分別為冠層上雨量筒、作物冠層行間雨量筒、莖稈流收集器測(cè)得的水量，mL；A為雨量筒的開(kāi)口面積，cm2。

測(cè)點(diǎn)穿透流量（）、莖稈流量（）分別與冠層上噴灌水量（P）的比率即為冬小麥的穿透流率、莖稈流率，冠層下的噴灌損失（Wind Drift and Evaporation Losses，WDEL）采用冠層上收集水量（P）均值與冠層下收集水量（P）均值的差值表示。采用克里斯琴森均勻系數(shù)[4]表示冠層上、下的噴灌均勻性，分別記為CU、CU。通過(guò)累積3次噴灌試驗(yàn)的冠層上噴灌水量分布數(shù)據(jù)獲得冬小麥生育期內(nèi)的噴灌水量分布，進(jìn)而得到生育期內(nèi)的灌水均勻性，記為CUseason。

1.2.4 土壤含水率測(cè)量

采用烘干法測(cè)定土壤含水率（Soil Water Content，SWC），用土鉆取0～30 cm 土層土樣，取土間隔為10 cm。每次噴灌試驗(yàn)前1 h、噴灌后24、48 h分別在各小區(qū)取土測(cè)量SWC的空間分布，用CU表示各小區(qū)的土壤含水率均勻性，取土點(diǎn)與水量分布測(cè)量點(diǎn)一致（圖2b）。

1.2.5 產(chǎn)量測(cè)定

每個(gè)噴灌小區(qū)均勻地設(shè)置9個(gè)測(cè)產(chǎn)點(diǎn)（圖2b），大小均為1 m×1 m，以其代表整個(gè)噴灌小區(qū)的產(chǎn)量分布情況（采用變異系數(shù)CV表示），測(cè)量冬小麥成熟后的穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量、含水率12.5%時(shí)的籽粒產(chǎn)量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2020對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)處理和簡(jiǎn)單分析；運(yùn)用SPSS 25.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和相關(guān)性分析；采用MATLAB軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬小麥株高和葉面積指數(shù)

冬小麥拔節(jié)-成熟期內(nèi)共進(jìn)行了3次噴灌試驗(yàn)，試驗(yàn)均在低風(fēng)速條件下進(jìn)行。表2為不同噴灌處理下冬小麥葉面積指數(shù)和株高。從表2可見(jiàn)，試驗(yàn)前（4月4日），各處理的株高和葉面積指數(shù)（LAI）無(wú)顯著差異；冬小麥抽穗后（4月20日），LAI開(kāi)始減小，W3J2處理的LAI和株高顯著低于其余處理（0.05）；灌漿中后期（5月8日），隨著葉片枯萎，LAI明顯下降，株高達(dá)到峰值，各處理的株高無(wú)顯著差異，W3J2處理的LAI顯著低于其他處理（0.05）。由此說(shuō)明，在灌水量不低于W2的條件下，較低的噴灌均勻性并不會(huì)對(duì)作物的LAI和株高產(chǎn)生顯著影響。

表2 不同噴灌處理冬小麥葉面積指數(shù)和株高

注：根據(jù)Duncan多重比較，同一行中不同小寫(xiě)字母表示在0.05水平上差異顯著。表3同。

Note: According to Duncan multiple comparisons, values in the same column with different lowercase letters are significantly different at a probability level of0.05. Table 3 is the same.

2.2 冬小麥冠層下噴灌水量空間分布

噴灌水經(jīng)過(guò)冠層再分配后的有效水量包括穿透流量和莖稈流量，表3給出了不同噴灌處理下噴灌水量經(jīng)冬小麥冠層再分配后的穿透流量和莖稈流量占比情況。從表3可以看出，穿透流率和莖稈流率從拔節(jié)期（4月4日）至灌漿中后期（5月8日）的變化范圍分別為56.0%～73.9%和25.0%～37.0%，不同處理之間基本不存在顯著性差異，可見(jiàn)，噴灌均勻性和灌水量對(duì)莖稈流率的影響較小。3次噴灌試驗(yàn)的莖稈流率變異系數(shù)分別為49%、59%、61%，高于穿透流率變異系數(shù)（30%左右）。

表3 不同噴灌處理冬小麥冠下穿透流率、莖稈流率

為進(jìn)一步研究冬小麥冠層下噴灌水量的再分配，分析了冬小麥冠層下水量分配與其影響因素之間的相關(guān)性（表4）。相關(guān)性分析表示，冠下穿透流量、莖稈流量和灌水量呈正相關(guān)（0.01）；冠下穿透流率和莖稈流率分別與LAI呈負(fù)相關(guān)（0.01）和正相關(guān)（0.01），與株高呈負(fù)相關(guān)（0.01）和正相關(guān)（0.01），而與CU和灌水量均無(wú)顯著相關(guān)性。由此說(shuō)明冬小麥冠下穿透流率和莖稈流率在其冠層特征（LAI、株高）影響下此消彼長(zhǎng)，改變 CU和灌水量（噴灌強(qiáng)度和噴灌水深）對(duì)冠層下水量分配的影響較小。莖稈流率變異系數(shù)與各影響因素均無(wú)顯著相關(guān)性，穿透流率變異系數(shù)與CU顯著負(fù)相關(guān)（0.05）。這是因?yàn)榇┩噶髁繛閲姽嘟邓?jīng)過(guò)冠層后直接到達(dá)地面的水量，受外界因素影響較小，噴灌均勻性的增加有效地避免了因灌水深度變化而引起的穿透流率變異，而莖稈流量受作物形態(tài)、枝葉強(qiáng)度、葉片韌性、葉片傾角等不確定因素影響較大。

對(duì)于多因素的交互作用，基于多元回歸的結(jié)果可以更好地解釋影響因子對(duì)噴灌水量分配的影響[24]。因此本文將冠層下的水量分配與灌水量、LAI兩個(gè)影響因子通過(guò)多元線性或非線性回歸分析得到其回歸方程（表5）?；貧w方程對(duì)于穿透流量和莖稈流量的2均在0.95以上，對(duì)于穿透流率和莖稈流率的2分別為0.758、0.652，這說(shuō)明回歸方程可以較好地預(yù)測(cè)冠層下噴灌水量分配。

表4 冠層下水量分配指標(biāo)與其影響因素之間的相關(guān)性（r (P)；n=18）

注：為皮爾遜相關(guān)系數(shù)，為顯著值，為樣本量；*表示在0.05水平上顯著，**表示在0.01水平上顯著；CV為變異系數(shù)；CU為冠層上的噴灌均勻性；LAI為葉面積指數(shù)。下同。

Note:is the Pearson correlation coefficient,is the significant value, andis the sample size; * means significant at the0.05 level, and **means significant at the0.01 level; CV is the coefficient of variation; CUis the sprinkler uniformity above the canopy; LAI is the leaf area index. Same as below.

表5 冠層下水量分配指標(biāo)多元線性/非線性回歸分析

注：：穿透流量，mm；：莖稈流量，mm；TR：穿透流率，%；SR：莖稈流率，%；P：冠層上噴灌水量，mm。下同。

Note:: throughfall, mm;: stemflow, mm; TR: throughfall ratio, %; SR: stemflow ratio, %;P: amount of sprinkler irrigation above the canopy, mm. Same as below.

圖4為4月4日W1J1處理冬小麥冠層上、下水量分布的空間變異圖。從圖4可以明顯看出，冠層上、下水量分布空間變異存在一致性，冠層下水量（P）峰值比冠層上水量（P）峰值略有減小。4月20日、5月8日試驗(yàn)也獲得了類(lèi)似的結(jié)果。為分析冠層上、下水量的關(guān)系，對(duì)3次噴灌試驗(yàn)各噴灌處理下測(cè)得的水量分布數(shù)據(jù)（P、P）進(jìn)行回歸分析（圖5）可知，生育期內(nèi)3次噴灌試驗(yàn)冠層上、下水量均呈線性相關(guān)（0.01），且由于冬小麥拔節(jié)-成熟期冠下穿透流量和莖稈流量在冠層影響下此消彼長(zhǎng)，P無(wú)顯著變化，3次噴灌試驗(yàn)冠層下水量的線性回歸方程相差不大，相關(guān)系數(shù)2分別為0.810、0.831、0.796。

圖5 冬小麥冠層上和冠層下水量的回歸分析

為確定冬小麥冠層對(duì)噴灌水量分布均勻性的影響，圖6給出了冬小麥生育期內(nèi)不同噴灌處理冠層上、下噴灌均勻性的關(guān)系。由圖6可以看出，在冬小麥拔節(jié)-成熟期內(nèi)CU略高于CU，平均差異為1.5%，CU與CU線性相關(guān)（2=0.945）。這表明，冬小麥冠層對(duì)噴灌水量分布均勻性的影響較小。

2.3 冬小麥冠層截留與冠層下噴灌損失

表6為冬小麥在不同噴灌強(qiáng)度、灌水深度下的冠層截留量，由表6可見(jiàn)，4月4日（LAI=6.19～6.26）、4 月20日（LAI=5.48～5.78）和5月8日（LAI=4.31～4.62）噴灌試驗(yàn)測(cè)得冬小麥冠層截留變化范圍分別為0.59～1.33、0.63～1.30和0.64～1.28 mm，冠層存儲(chǔ)能力隨LAI的減小而略有降低。大多數(shù)測(cè)點(diǎn)的冠層截留量隨灌水量的增加而增加，直至達(dá)到其冠層存儲(chǔ)能力，而受?chē)姽鄰?qiáng)度影響較小。但由于冠層特征、風(fēng)（風(fēng)速、風(fēng)向）等不確定因素的影響，這種相關(guān)關(guān)系并不穩(wěn)定，未能得到冠層截留量的回歸方程。

表7為3次噴灌試驗(yàn)不同噴灌處理下的冠下噴灌損失（WDEL）。從表7可以看出，WDEL隨灌水量的增加和噴灌均勻性的提高呈增加趨勢(shì)，在灌水量增加至W2時(shí)WDEL首次高于冬小麥的冠層存儲(chǔ)能力（1.33 mm），灌水量增加至W1時(shí)各處理的WDEL均高于2 mm，在4月4日W1J1處理下的WDEL更是達(dá)到了灌水量（冠層上）的12.7%（3.82 mm），這說(shuō)明冠層下的蒸發(fā)漂移損失不可忽略。4月4日實(shí)測(cè)WDEL明顯高于另外兩次試驗(yàn)，這可能是因?yàn)樵摯卧囼?yàn)平均風(fēng)速（1.44 m/s）略高于另外兩次試驗(yàn)（分別為0.84和1.17 m/s），蒸發(fā)漂移損失較高。

表6 冬小麥冠層截留量

Fig.7 Below-canopy Wind Drift and Evaporation Losses (WDEL) of winter wheat with different sprinkler treatments

表7 不同噴灌處理冬小麥冠下噴灌損失

2.4 土壤含水率空間分布

3次噴灌試驗(yàn)前均有降雨事件發(fā)生，灌水前各土層的初始土壤含水率均勻性CU均在95%以上。噴灌水經(jīng)過(guò)冠層的再分布滲入土壤，在土壤中經(jīng)過(guò)復(fù)雜的運(yùn)移過(guò)程后會(huì)影響CU，而土壤含水率均勻性是影響作物產(chǎn)量的一個(gè)重要因素。為分析噴灌后CU的變化，表8給出了灌后24和48 h不同處理不同土層的CU。從表8可以看出，雖然各處理的CU在80%以下，甚至在4月4日的噴灌試驗(yàn)中W2J2處理的CU僅為51%，但各處理土壤表面以下0～30 cm的CU均在90%左右，這說(shuō)明土壤自身的入滲會(huì)在一定程度上抑制土壤含水率的不均勻性。灌后24 h土壤表面以下0～10 cm的CU相較于更深層土壤敏感性更高，灌后48 h不同處理不同土層的CU基本保持在91%～92%之間，差異較小。

為進(jìn)一步研究噴灌完成后土壤含水率的空間分布，圖7繪出了4月4日噴灌后10～20 cm深度土壤含水率的空間變異圖。由7a和7d（或7b、7e；7c、7f）可以看出，灌水后24 h的SWC較灌水前1 h明顯增大，經(jīng)土壤自身水分運(yùn)移后，灌水前后SWC的空間分布差異較大；7d、7e和7f對(duì)比可見(jiàn)，雖然噴灌后CU始終保持在較高水平（(90±2)%），但在低噴灌均勻性（J2）條件下，處理內(nèi)一些區(qū)域的SWC卻遠(yuǎn)低于19%（田間持水量的65%），且在灌水量降低為W3時(shí)，這些區(qū)域（SWC<19%）約占處理面積的1/3，4月20日、5月8日試驗(yàn)也獲得了類(lèi)似的結(jié)果。

表8 噴灌后各處理0～30 cm土層土壤含水率均勻性

注：CU10cm、CU20cm、CU30cm分別為0～10、0～20、0～30 cm深度的土壤含水率均勻性。

Note: CU10cm, CU20cm, and CU30cmare the soil moisture uniformity at the depths of 0-10, 0-20, and 0-30 cm, respectively.

圖7 10～20 cm深度土壤含水率空間分布

2.5 冬小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素

表9為不同噴灌處理下冬小麥產(chǎn)量方差分析結(jié)果。從表9可知，在冬小麥生育期內(nèi)，各處理的生育期內(nèi)灌水均勻性CUseason在65%～85%之間，高于歷次噴灌均勻性。方差分析結(jié)果表明，灌水量由W3增加至W1，冬小麥籽粒產(chǎn)量表現(xiàn)出顯著差異（0.01）：W1處理的籽粒產(chǎn)量顯著高于W2J2和W3處理，W2處理的籽粒產(chǎn)量顯著高于W3J2處理，但對(duì)于3個(gè)灌水量水平，J1、J2處理之間均無(wú)顯著差異。低噴灌均勻性和虧缺灌溉均會(huì)引起產(chǎn)量變異系數(shù)（CV）的增大，最大產(chǎn)量CV達(dá)到0.17，但噴灌均勻性和灌水量的交互作用對(duì)冬小麥籽粒產(chǎn)量和產(chǎn)量CV的影響均不顯著。對(duì)于高（J1）、低（J2）兩個(gè)噴灌均勻性水平，穗數(shù)、千粒質(zhì)量都有隨灌水量增加而增加的趨勢(shì)，但各處理穗粒數(shù)基本相同，這表示本研究冬小麥產(chǎn)量的差異主要表現(xiàn)在穗數(shù)和千粒質(zhì)量。

表9 不同噴灌處理下冬小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素

注：根據(jù)Duncan多重比較，同一列中不同小寫(xiě)字母的值在0.05水平上顯著不同；NS表示差異不顯著；CUseason為生育期內(nèi)的灌水均勻性。

Note: According to Duncan multiple comparisons, values in the same column with different lowercase letters are significantly different at a probability level of0.05; NS means not significant; CUseasonis the irrigation uniformity during the fertility period.

噴灌水量經(jīng)過(guò)冠層再分配和土壤水分運(yùn)移后被作物吸收，土壤含水率及其均勻性是影響作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的重要因素之一。為了進(jìn)一步分析土壤含水率空間變異對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響，定義新的土壤含水率及其變異性指標(biāo)：以田間持水量的65%為灌水下限[25]，噴灌后SWC與灌水下限的差值記為SWCFC，其變異程度采用變異系數(shù)表示，記為CVSFC。圖8為4月4日各處理20 cm深度SWCFC空間分布圖，可以明顯看出，各處理的SWCFC空間分布有明顯差異，且隨著灌水量的減少和噴灌均勻性的降低，CVSFC呈增加趨勢(shì)。為了進(jìn)一步探究產(chǎn)量與CVSFC的關(guān)系，分析了冬小麥籽粒產(chǎn)量、產(chǎn)量變異系數(shù)與CVSFC的相關(guān)性（表 10）?？梢钥闯?，在作物需水關(guān)鍵期（拔節(jié)-灌漿期：03-15—05-10），冬小麥產(chǎn)量與3次噴灌試驗(yàn)灌后24 h 0～10和>10～20 cm深度的CVSFC、灌后48 h 0～10 cm深度的CVSFC顯著負(fù)相關(guān)（<0.01），冬小麥產(chǎn)量變異系數(shù)與灌后24 h 0～10和>10～20 cm深度的CVSFC、灌后48 h 0～10 cm深度的CVSFC顯著正相關(guān)（<0.05），而受>20～30 cm深度土壤水分變異影響較小。這可能是因?yàn)槎←湼L(zhǎng)密度的最大值在>10～20 cm深度，作物吸水受表層土壤水分的影響較大[26]，其次，可能由于單次噴灌水量較少，較深層土壤所受影響較小。

注：SWCFC為噴灌后SWC與灌水下限的差值，%；CVSFC為SWCFC的變異程度。下同。

表10 不同噴灌日期和土層深度冬小麥籽粒產(chǎn)量、產(chǎn)量變異系數(shù)與CVSFC的相關(guān)性（r (P)；n=6）

3 討 論

3.1 冬小麥冠層對(duì)噴灌水量空間分布的影響

本文對(duì)冬小麥冠下噴灌水量分配的研究結(jié)果表明，冠下穿透流率（56.0%～73.9%）高于莖稈流率（25.0%～37.0%），這與Li等[13,27]的研究結(jié)果相似，這是因?yàn)樾←湹娜~片較小，且較難濕潤(rùn)，相較于玉米等作物，噴灌水滴不易隨著葉片匯集到莖稈形成莖稈流。此外，莖稈流率的變異系數(shù)遠(yuǎn)高于穿透流率變異系數(shù)，這主要是因?yàn)榍o稈流受外界因素（作物形態(tài)、枝葉強(qiáng)度、葉片韌性、葉片傾角等）的影響較大，且莖流收集器的測(cè)量結(jié)果可能會(huì)受到相鄰莖稈干擾和冠層阻擋破碎后的液滴飛濺的影響[28]。這表明，本文采用自制莖流收集器測(cè)量冬小麥莖稈流量的方法是可行的，但在測(cè)點(diǎn)處（圖 2b）選擇測(cè)量對(duì)象時(shí)應(yīng)更加謹(jǐn)慎。

本試驗(yàn)測(cè)得冬小麥拔節(jié)-成熟期冠層截留范圍為0.59～1.33 mm，略低于王迪等[12]在無(wú)風(fēng)條件下的試驗(yàn)結(jié)果，這可能是因?yàn)轱L(fēng)速、種植密度等因素導(dǎo)致截留測(cè)定結(jié)果差異[29]。冬小麥WDEL通常被近似為冠層下的截留水量[9-10]，但本文的結(jié)果發(fā)現(xiàn)WDEL隨噴灌水量和均勻性的增加而呈上升趨勢(shì)，占灌水量的2.5%～12.7%，最高達(dá)到實(shí)測(cè)冬小麥冠層存儲(chǔ)能力的約3倍。這可能是因?yàn)閲姽嘁旱卧诠趯拥臄r截下發(fā)生再次破碎，在風(fēng)的影響下產(chǎn)生漂移損失，而J2處理的設(shè)計(jì)均勻性較低，為達(dá)到設(shè)計(jì)的均勻性，噴頭運(yùn)行壓力較低，霧化效果較差，噴灑液滴受外界因素影響較??；其次噴灌水量從W3增加到W1，灌水時(shí)間增加，噴灌過(guò)程中蒸發(fā)損失也隨之增加。Zapata等[30]研究也發(fā)現(xiàn)，玉米在低壓和標(biāo)準(zhǔn)壓力噴灌下，平均冠下噴灌損失率分別為16%和24.7%。但本試驗(yàn)噴灌次數(shù)較少，指標(biāo)測(cè)量次數(shù)有限，作物冠層特性、風(fēng)等氣象因素對(duì)冠層截留和蒸發(fā)漂移損失的影響還需進(jìn)行深入研究。

冬小麥拔節(jié)-成熟期內(nèi)，CU大多與CU相近或略低于CU，這與Li等[13]的研究結(jié)果不同，但與Hui等[31]在玉米冠層對(duì)低壓噴灌水量分布影響的研究結(jié)果一致。這可能是由于本研究實(shí)際測(cè)量了冬小麥冠層下噴灌水量（穿透流量和莖稈流量）空間分布，而不是將穿透流量作為冠層下噴灌水量空間分布；其次噴頭的水力性能、工作壓力，試驗(yàn)作物的冠層特征等也會(huì)導(dǎo)致冠層下水量空間分布的差異[12,30,32-33]。本研究中3次噴灌試驗(yàn)冠層上雨量筒的布置高度不同（隨著株高的增加而增加），CU存在測(cè)量差異[34]，這可能是3次試驗(yàn)結(jié)果存在差異的原因。

3.2 噴灌均勻性和灌水量對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響

本文對(duì)冬小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的研究結(jié)果表明，J1和J2處理的產(chǎn)量無(wú)顯著差異，原因可能是噴灌水經(jīng)冬小麥冠層再分布后，噴灌水量集中區(qū)域的峰值在冠層截留和再分配的影響下大幅減小，當(dāng)噴灌水量進(jìn)入土壤發(fā)生第二次再分布后，盡管CU在51%～82%之間，CU均高于86%，其次，CUseason高于各次CU，也在一定程度上削弱了噴灌均勻性對(duì)冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育帶來(lái)的影響，這與Li等[14,16]的研究結(jié)果一致。

本文對(duì)土壤含水率空間變異對(duì)冬小麥產(chǎn)量影響的進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，在灌前初始SWC（>95%）及CU的影響下，灌后CU始終保持在較高水平，這與Zapata等[30-31,35]的研究結(jié)果相似，但在J2處理下，一些區(qū)域的SWC卻遠(yuǎn)低于19%（田間持水量的65%），其中W3J2處理下缺水區(qū)域（SWC<19%）更是占到約1/3。而冬小麥拔節(jié)-成熟期是需水關(guān)鍵期[36]，尤其在拔節(jié)-抽穗期即使輕度虧缺灌溉（60%～65%田間持水量）也可能造成顯著減產(chǎn)[25]，即使降雨量對(duì)缺水區(qū)域的作物吸水有一定補(bǔ)充[37-38]，缺水區(qū)域在長(zhǎng)期水分脅迫作用下，其作物株高、LAI和產(chǎn)量均仍會(huì)受到不同程度的影響。這表明，噴灌的不均勻性導(dǎo)致區(qū)域性缺水，作物小范圍減產(chǎn)，產(chǎn)量變異系數(shù)增大；而灌水量的減少加劇了這一現(xiàn)象，作物顯著減產(chǎn)。Sanchez等[39]對(duì)玉米的研究也表明，灌溉對(duì)作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響取決于灌水量、灌水均勻性和灌水日期，尤其在玉米生育初期和開(kāi)花期，噴灌均勻性對(duì)玉米生長(zhǎng)的影響在水分脅迫作用下顯著增強(qiáng)。為表述缺水區(qū)域?qū)Χ←湲a(chǎn)量的影響，引入噴灌后SWC與灌水下限的差值（SWCFC）和SWCFC的變異系數(shù)（CVSFC）兩個(gè)指標(biāo)，結(jié)果顯示，灌后24 h 0～20 cm深度CVSFC與冬小麥籽粒產(chǎn)量、產(chǎn)量CV顯著相關(guān)，與分析結(jié)果一致。但本文僅有1 a的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，指標(biāo)的準(zhǔn)確性和代表性還有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

1）冬小麥冠層上、下水量分布極顯著相關(guān)（0.01），冠層上噴灌均勻性比冠層下高約1.5%。冬小麥拔節(jié)-成熟期，噴灌水經(jīng)過(guò)冠層再分配后所形成的棵間穿透流量、莖稈流量以及冠下噴灌損失分別占冠層上部水量的56.0%～73.9%、25.0%～37.0%和2.5%～12.7%。冠下穿透流率和莖稈流率在其冠層特征（葉面積指數(shù)、株高）影響下此消彼長(zhǎng)：隨葉面積指數(shù)的增大（或株高減?。┐┩噶髀食手饾u減小趨勢(shì)，莖稈流率變化則相反，而受?chē)姽嗑鶆蛐院凸嗨康挠绊戄^小。莖稈流率變異系數(shù)高于穿透流率變異系數(shù)。

2）噴灌后各小區(qū)的土壤含水率均勻性（CU）受?chē)姽嗑鶆蛐杂绊戄^小，而受?chē)姽嗲俺跏纪寥篮实挠绊戄^大，即使噴灌均勻性降低到51%，噴灌后的CU仍能保持在90%左右，但J2處理會(huì)導(dǎo)致噴灑區(qū)域內(nèi)某些位置的土壤含水率低于作物灌水下限（田間持水量的65%），在水分脅迫作用下引發(fā)小范圍減產(chǎn)，產(chǎn)量變異系數(shù)增大，而灌水量減少加劇了這一現(xiàn)象，導(dǎo)致作物大范圍顯著（<0.05）減產(chǎn)。灌水量與噴灌均勻性組合對(duì)產(chǎn)量的效應(yīng)中，灌水量起主導(dǎo)作用。

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Effects of sprinkler uniformity and irrigation volume on the water distribution below the canopy of winter wheat

Li Hong, Guo Xin, Chen Rui, Wang Jian

(,,212013,)

Sprinkler uniformity has posed a great challenge to the crop yield and water use efficiency in an irrigation system. A sprinkler is required to evenly deliver the water over the canopy and ground during and after the irrigation, where the crop canopy covers the surface. This study aims to explore the effect of sprinkler uniformity on the spatial distribution of soil water content, growth condition, and crop yield below different irrigation systems. The redistribution of sprinkler water was also considered below the crop canopy. A field test was conducted at the sprinkler irrigation experimental field of the Jiangsu University in Jintan District, Changzhou City, Jiangsu Province, in China (31。45′N(xiāo), 119。17′E). Three treatments of irrigation (full irrigation, 2/3, and 1/3 water demand) and two levels of sprinkler uniformity (high: 75%, low: 55%) were set, according to the water demand for the winter wheat. Specifically, the sprinkler uniformity was obtained to adjust the sprinkler operating pressure (150-300 kPa) or the number of sprinklers simultaneously within each treatment (2-4). The irrigation volume was also evaluated, as the irrigation time changed. The distribution of sprinkler water was measured by the rain cans above and below the canopy, and a homemade stem-flow collector. Some parameters were also monitored, including the spatial distribution of soil water content, the growth and yield of winter wheat after sprinkler irrigation. The results showed that the interplant throughfall, stemflow, and below-canopy sprinkler losses (resulting from the redistribution of sprinkler water through the canopy) were ranged from 56.0%-73.9%, 25.0%-37.0%, and 2.5%-12.7% of the water above the canopy, respectively. There was a linear correlation (<0.01) between the amount of water above and below the canopy in three sprinkler irrigations during the growing period. There was no significant change in the total amount of water below the canopy, due to the penetration and stalk flow in the canopy during the pulling-maturity period of winter wheat. The sprinkler irrigation performed uniformly higher above the canopy than that below by about 1.5%. The rates of below-canopy throughfall and stemflow depended on the canopy characteristics (Leaf Area Index (LAI), and plant height). The throughfall rate tended to decrease, as the LAI increased (or the plant height decreased), whereas, the stemflow rate varied in the opposite, indicating less influence from the sprinkler uniformity and irrigation volume. The coefficient of variation of the stemflow rate (49%-61%) was also higher than that of the throughfall rate (about 30%). Furthermore, the Content Uniformity (CU) of soil water was dependent on the initial Soil Water Content (SWC) before the sprinkler irrigation, whereas, less affected by the sprinkler uniformity after the sprinkler irrigation. The CU was still maintained at about 90% after the sprinkler irrigation, even if the sprinkler uniformity was reduced to 51%. But the low uniformity of sprinkler resulted in the SWC below the lower limit of crop irrigation (65% of field water holding capacity) at some locations within the sprinkler area, where the water stress triggered a small yield reduction. The yield differences were mainly presented in the spike number and thousand-grain quality. Consequently, there was a decreasing trend in the yield, whereas, an increasing trend in the yield coefficient of variation for the winter wheat, with the decrease of sprinkler uniformity and irrigation water volume. But there was a dominant effect of irrigation water volume on the yield. This finding can provide a theoretical basis to design sprinkler irrigation for the winter wheat.

irrigation; crop; canopy; winter wheat; irrigation volume; soil water content

2021-10-12

2021-12-12

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（51939005）；江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金項(xiàng)目（CX（21）3078）

李紅，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)精準(zhǔn)灌溉技術(shù)。Email：hli@ujs.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.24.012

S275.5

A

1002-6819(2021)-24-0102-10

李紅，郭鑫，陳瑞，等. 噴灌均勻性和灌水量對(duì)冬小麥冠層下水量分配的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37(24)：102-111. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.24.012 http://www.tcsae.org

Li Hong, Guo Xin, Chen Rui, et al. Effects of sprinkler uniformity and irrigation volume on the water distribution below the canopy of winter wheat[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(24): 102-111. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.24.012 http://www.tcsae.org