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Research on the Irrigation Uniformity and Appropriate Irrigation Quota of Subsurface Drip Irrigation of Alfalfa

花匠小妙招
2024-12-30 00:49

0 引言

随着时间的推移，大城市人口迅速膨胀，气候变化的因素引发了人们对地下水资源的关注，人们对水资源的需求呈现爆发式增长，已经远远超过了当前水资源的承载能力［1， 2］，因此，人们开始关注节水灌溉技术。我国是农业大国，但灌溉水利用系数仅为0.4～0.6，因此，发展高效节水灌溉措施对于缓解我国水资源短缺问题十分必要，地下滴灌作为最为高效的节水灌溉技术之一，其通过少量多次灌溉的技术特点，在实现节水增产的基础上，能够有效提升灌溉水利用系数。此外，地下滴灌还具有高度自动化的特点，也因此被认为是国内外水资源匮乏地区重要的灌溉技术之一。长期以来，地下滴灌在干旱半干旱地区常被用于灌溉高价值果蔬等经济作物［3］，但在美国和加拿大的平原地区，越来越多的条播作物也开始采用地下滴灌［4］。当条播作物采用地下滴灌时，不可能将滴灌带的滴头与每颗作物一一对齐，因此人们担心地下滴灌的灌水均匀性不佳，可能导致远离滴头的作物出现缺水从而减产的现象［5］。因此有必要开展地下滴灌对紫花苜蓿灌水均匀性及生长发育的影响研究，为紫花苜蓿地下滴灌的广泛推广应用提供科学支撑。地下滴灌可提高作物根区土壤持水性和水肥利用效率［6-10］、优化作物根冠比、提高根系活力［11］，进一步有效提升产量［12-14］。周乾等［15］研究结果表明苜蓿灌溉最适宜的灌溉定额为3 150 m3/hm2，施肥量N、P2O5、K2O分别为90、126、108 kg/hm2。杜建民等［16， 17］对宁夏引黄灌区苜蓿草田灌溉制度研究得出苜蓿灌溉定额为4 600 m3/hm2。马铁成等［18］对准格尔盆地地区紫花苜蓿水分生产率与产量对灌水定额的响应进行了研究，结果表明苜蓿种植获取最高产量的灌水定额应为525 m3/hm2。PATEL N和刘玉春等研究表明浅层土壤（0~20 cm）水分含水率下降，深层土壤（20~70 cm）则相反［19， 20］。地下滴灌效果还受灌水量影响，灌水量适中的情况下才能充分发挥地下滴灌提高水分利用效率的显著效果［21，22］。张树振等［23］研究表明，随灌溉调亏程度的增加，前2茬苜蓿的株高与产量呈现降低的趋势，而第3茬苜蓿的变化不明显。薛瑞清等［24］通过研究丰乐河灌区喷灌条件下紫花苜蓿光合特性对灌水量的响应，结果表明随着灌水量的减少，紫花苜蓿光合特性和产量均降低。滴灌已经成为缓解我国西北干旱地区水资源短缺矛盾的重要灌溉方式，已在多种作物种植上得到了应用。根据已有的研究，地下滴灌已在水资源短缺地区的紫花苜蓿生产上得到了推广应用，并已经得到了较为显著的节水效果，国内外学者针对紫花苜蓿地下滴灌的研究主要集中在灌水量、肥料类型等因素对于作物的生长影响上，对于地下滴灌灌水均匀度变化影响因素还鲜见报道。本研究主要通过在鄂尔多斯鄂托克前旗进行紫花苜蓿地下田间地下滴灌试验，开展紫花苜蓿地下滴灌灌水均匀性与适宜灌溉定额研究，分析滴灌带滴头流量、滴灌带埋深、作物生育期对灌水均匀性的影响，灌水量对作物株高、产量的影响等，旨在为紫花苜蓿地下滴灌技术在鄂尔多斯地区的进一步推广应用提供理论依据与技术指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究主要在内蒙古鄂尔多斯市鄂托克前旗恒丰节水灌溉实验基地展开。该地气候类型属于中温带半干旱大陆性气候；常年平均气温为7.9 ℃左右；常年平均降水量为260.6 mm左右；常年平均蒸发量为2 497.9 mm左右；多年的平均风速为2.6 m/s左右；年平均日照时数平均为2 958 h；一年无霜期大概17 d，本试验地40 cm处的土壤为砂土，容重为1.62 g/cm。

1.2 试验材料及种植方法

滴灌材料：考虑滴灌带长期埋于地面以下与滴灌少量多次的灌水特性以及紫花苜蓿根系主要吸水区位置，本试验采用片式滴灌带，其壁厚为0.4 mm，滴灌带埋入地表以下10、20 cm位置，滴头流量为1.38、2.0 L/h，滴头间距为0.3 m，滴灌带间距为0.6 m。

苜蓿品种：根据试验区气候特性及当地牧民接受程度，将草原2号定为本试验采用的苜蓿品种，播种量30 kg/hm2。

种植方法：苜蓿采用人工条播的播种方式（行距15 cm），在初花期内适时进行刈割收贮处理。苜蓿于4月开始返青，全年内进行三次苜蓿收割，9月底进行最后一茬的收割。

1.3 试验设计

（1）灌水均匀性试验设计。由于每条滴管带控制4行紫花苜蓿，根据滴灌带和紫花苜蓿相对位置，在两条相邻滴灌带布设6个测点位，在每个测点埋设土壤含水率自动测定探头，按照5 cm梯度分别测定土层深度为5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60 cm的土壤含水率，得到6×12=72个测点土壤水分数据，测定时间间隔设置为5 min。为测定各试验处理灌水及灌水后12 h内土壤水的运动状况，对各测点进行土壤含水率连续测定。试验布置图如

图1

所示。

图1 灌水均匀性试验布置图

Fig.1 Irrigation uniformity test layout

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（2）地下滴灌试验设计。本研究主要设计3个处理试验与1个对照试验，试验区总面积1 900 m2，每个试验处理长50.0 m，宽8.0 m，每个试验处理布置为3个小区，作为本处理的3个重复，其中每个试验小区宽度设置为2 m，两个试验小区间间隔1 m；同时，在不同试验处理间设计2 m的隔离带，避免处理间的相互影响。本研究的试验处理均从小区土壤含水率降低到田间持水率的25%时开始，参考曹雪松等［25］对该地区地下滴灌紫花苜蓿研究成果，灌水定额分别为20、25、30 mm。紫花苜蓿第1、2、3茬时灌水次数分别为5、4、5次，总之，苜蓿在整个生育期内灌水共14次。

为保证试验结果的严谨性，试验设置了重复试验，并且除因变量随着自变量的变化而变化外，其他试验条件均相同。

1.4 试验观测指标

试验区气象要素利用小型农田气象站进行监测，其主要的监测指标为温度、风速、降雨量、风向等要素。

土壤含水率采用HOBO土壤水分自动测定仪（美国，±0.031 m3/m3）测定土壤含水率变化，每隔1个小时监测并记录1次土壤含水率。

在紫花苜蓿初花期（开花约30%，此时紫花苜蓿适口性较好）测量其株高，采用卡尺精确测量，每次测量3次取平均值；鲜草产量测定的方法为样方法（样方面积1 m2）。首先刈割后称重得到其鲜质量，随后在105 ℃高温进行杀青处理（30 min），其后将温度降低至65 ℃，在65 ℃恒温条件下进行4 8h低温干燥处理，随后通过称重得到其干质量。

1.5 灌水均匀性计算方法

Wilcox-Swailes均匀系数Us 计算公式为：

式中：Us 为均匀系数；s为标准离差；hi 为第i测点水分深度，mm；为平均水分深度，mm，n为测点数。

1.6 耗水量计算方法

（1）耗水量。紫花苜蓿耗水量的计算公式如下：

式中：为作物耗水量，mm；为有效降水量，mm；为灌水量，mm；为土壤贮水变化量，mm；为下边界水分通量，mm。

（2）土壤贮水变化量。土壤贮水变化量计算公式为：

式中：为初始土壤含水率，%；为末土壤含水率，%；为土壤容重，cm3/g；为计划湿润层深度，mm。

（3）下边界水分通量。下边界的水分通量计算公式为：

式中：，，其中，分别为断面，土壤负压值，由此可得至时段内流过的土壤水流量，同样由求得断面流量：

（4）水分生产率。作物水分生产率计算公式如下：

式中：为水分生产率，kg/m3；为作物产量，kg/hm2；其他符号同上。

1.7 数据分析

使用SPSS 19.0、SigmaPlot 14.0和Excel 2019软件进行数据的整理、分析和绘图。

2 结果与分析

2.1 滴头流量对灌水均匀性的影响

表1

为不同滴灌带滴头流量条件下滴灌标准离差和均匀系数。由

表1

可知，处理1.38 L/h滴灌灌水的水分深度的最大值为17.15 mm，最小值为7.56 mm，两者之间差异约为2.26倍；处理2.0 L/h滴灌灌水的水分深度的最大值为18.29 mm，最小值为9.58 mm，差异性相对较小。处理1.38 L/h和处理2.0 L/h中水分深度的平均值分别为13.03 mm和14.26 mm，两者仅仅相差1.23 mm。处理1.38 L/h和处理2.0 L/h的标准离差分别为2.27和1.48，处理1.38 L/h的标准离差比处理2.0 L/h高53.37%。处理1.38 L/h和处理2.0 L/h的均匀系数分别为0.83和0.90，两者相差0.07。

表1 不同滴头流量条件下滴灌均匀系数

Tab.1 Uniformity coefficient of drip irrigation under differentdrip head flow conditions

处理/（L·h-1）测点个数水分深最大值/mm 水分深最小值/mm 水分深平均值/mm 标准离差均匀系数 1.3 72 17.15 7.56 13.03 2.27 0.83 2.0 72 18.29 9.58 14.26 1.48 0.90

2.2 滴灌带埋设深度对灌水均匀性的影响

表2

为不同滴灌带埋设深度条件下标准离差和均匀系数。由

表2

可知，处理10 cm滴灌带埋深的水分深度的最大值为19.83 mm，最小值为6.27 mm，两者之间差异约为3.16倍；处理20 cm滴灌带埋深水分深度的最大值为19.95 mm，最小值为10.16 mm。处理10 cm和处理20 cm中水分深度的平均值分别为12.16 mm和13.83 mm，两者仅仅相差1.67 mm。说明当滴灌带埋深增加时能够增大土壤中水分深度平均值。处理10 cm和处理20 cm滴灌带埋深的标准离差分别为1.96和1.59，处理10 cm比处理20 cm滴灌带埋深理的标准离差高23.27%。处理10 cm和处理20 cm滴灌带埋深的均匀系数分别为0.84和0.89，两者仅相差0.05。滴灌带埋深较浅，滴灌水的湿润锋到达不了土壤较深的土层，滴灌带埋深较深，由于重力作用，灌溉水的湿润锋虽然可以湿润土层较深的土层，但是湿润锋却无法湿润滴灌带埋设深度以上的土层。处理10 cm和处理20 cm滴灌带埋深的均匀系数相差不大，说明滴灌带埋深10 cm和20 cm对地下滴灌灌水均匀性的影响相差不大。

表2 不同滴灌带埋设深度条件下滴灌均匀系数

Tab.2 Uniformity coefficient of drip irrigation underdifferent embedding depth of drip irrigation belt

处理/cm 测点个数水分深最大值/mm 水分深最小值/mm 水分深平均值/mm 标准离差均匀系数 10 72 19.83 6.27 12.16 1.96 0.84 20 72 19.95 10.16 13.83 1.59 0.89

2.3 紫花苜蓿生育期对灌水均匀性的影响

表3

为紫花苜蓿不同生育期滴灌标准离差和均匀系数。由

表3

可知，紫花苜蓿返青期的水分深度的最大值为19.83 mm，最小值为10.69 mm，两者相差9.14 mm，平均值为15.27 mm，标准离差为1.33，均匀系数为0.91；拔节期的水分深度平均值为14.31 mm，标准离差为2.63，均匀系数为0.82；分枝期的水分深度平均值为13.98 mm，标准离差为2.85，均匀系数为0.80；开花期的水分深度平均值为16.31 mm，标准离差为1.89，均匀系数为0.88。返青期和开花期的均匀系数相差0.03，拔节期和分枝期的均匀系数相差0.02，而返青期、开花期的均匀系数和拔节期、分枝期的均匀系数相差较大，最大相差0.11，说明不同生育期的水分深度最大值相差不大，最小值相差较大，从而导致标准离差相差较大，因此导致灌水的均匀系数相差较大。

表3 紫花苜蓿不同生育期滴灌均匀系数

Tab.3 Uniformity coefficient of drip irrigation indifferent growth stages of alfalfa

处理测点个数水分深最大值/mm 水分深最小值/mm 水分深平均值/mm 标准离差均匀系数返青期 72 19.83 10.69 15.27 1.33 0.91 拔节期 72 19.62 7.68 14.31 2.63 0.82 分枝期 72 19.47 7.18 13.98 2.85 0.80 开花期 72 20.16 12.07 16.31 1.89 0.88

2.4 不同水分处理对紫花苜蓿株高的影响

图2

为不同灌水两条件下第二茬苜蓿的株高变化趋势。由

图2

可知，灌水定额为20、25、30 mm处理的株高分别为47、52和55 cm，相对于对于20 mm，灌水定额增加到25 mm时，株高相对增加了10.63%；现对于25 mm的灌水定额，灌水定额为30 mm时，株高增加了5.77%。在不同灌水定额灌溉条件下，株高随时间的变化趋势基本是相同的均表现为前期快速增长后期增长放缓的趋势，其增长较快的区间主要为返青期到现蕾期，作物主要表现为营养生长。而现蕾期到刈割期株高增长逐渐变缓，作物此时主要表现为生殖生长。由此可见，本作物适宜的灌水定额为25 mm。

图2 不同灌水定额对第二茬紫花苜蓿株高的影响

Fig.2 Effects of different irrigation quota on plant heightof second crop alfalfa

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2.5 不同水分处理下紫花苜蓿耗水量与干草产量

图3

为不同水分处理下紫花苜蓿耗水量与干草产量。由

图3

可知，MX1处理条件下作物的耗水量最小，为434.41 mm，MX4处理条件下作物的耗水量最大，为470.32 mm，耗水量较处理MX1增加8.27%； MX1处理条件下干草产量最小，为11 280.64 kg/hm2，MX2处理条件下干草产量最大，为12 656.33 kg/hm2，干草产量较处理MX1相对增加12.20%。与处理MX2相比，对照处理MX4耗水量增加7.99 mm，干草产量减少2.57%。由此可见，本作物适宜的灌水定额为25 mm。

图3 不同水分处理下紫花苜蓿耗水量与干草产量

Fig.3 Water consumption and hay yield of alfalfa underdifferent water treatments

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图4

为紫花苜蓿干草产量与整个生育期总耗水量的关系曲线。拟合方程为：

式中：轴表示干草产量；轴表示总耗水量。

图4 紫花苜蓿干草产量与耗水量关系曲线

Fig.4 The relation curve of alfalfa yield with water consumption

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由

图4

可知，耗水量为456.69 mm时，干草产量最大，为 12 847.78 kg/hm2。

3 讨论

滴灌条件下，土壤质地、初始含水率、作物根系分布等因素均会改变土壤的平均势梯度变化改变土壤入渗能力，从而影响土壤灌水均匀性。滴灌带滴头流量、埋设深度均会对灌水均匀性产生影响。贾金良等［26］研究了鄂尔多斯地区紫花苜蓿地下滴灌对滴灌带滴头堵塞率的影响，结果表明运行2 a条件下，定期进行滴灌管道的毛管冲洗可有效减小滴头堵塞的风险。众多研究者通过对滴灌系统进行优化设计，很大程度上增加了滴灌系统灌水均匀性［27， 28］，奠定了滴灌系统性能提升的理论基础。MA MORENO［29］和BAIAMONTE G［30］研究均指出滴灌管网布置形式的优化可提高滴灌系统的灌水均匀性。张航等［31］研究发现，在相同的滴灌带滴头流量下，滴灌带埋设深度10 cm与20 cm对滴灌灌水均匀系数影响不显著；苜蓿返青期、开花期、拔节期、分枝期的均匀系数相差不大，但是返青期、开花期的均匀系数和拔节期、分枝期的均匀系数相差较大，最大值相差0.11，说明不同生育期的土壤水分深度的最大值相差不大，最小值相差较大，从而导致灌水均匀度差异较大［32，33］。

紫花苜蓿生长长势的优劣由其株高表观衡量，受作物品种和生长环境的双重影响。梁博惠等［34］研究表明，灌水均匀性对于番茄株高的增长量没有明显的影响（P＞0.05）。曹雪松等［25］研究表明：地下滴灌条件下，随着灌溉水量增加，苜蓿的耗水量、产量和水分利用效率呈现出显著增加的趋势（P＜0.01），同时，随着滴灌带埋深深度的增加，其效果呈现出初期增大后期减小（P＜0.05）的趋势。本试验当灌水定额为25mm时，处理MX2干草产量最大，为12 656.33 kg/hm2，这是因为在生长初期，土壤内可利用水分较高，紫花苜蓿充分利用了土壤中水分以满足用水需求。综合节水与产量的因素，建议鄂尔多斯鄂托克前旗地区紫花苜蓿地下滴灌采用25 mm的灌水定额。

4 结论

（1）滴头流量对滴灌灌水均匀性的影响相对较大，增加滴头流量能够提升灌水均匀性；滴灌带埋设深度在10 cm与20 cm下灌水均匀度差异不大；不同时期的紫花苜蓿下灌水均匀系数差异不大。

（2）随着灌水定额的增加，株高呈现增加的趋势，产量呈现先增大后减小的趋势，当灌水定额为25 mm时，处理MX2干草产量最大，为12 656.33 kg/hm2。苜蓿全生育期条件下总耗水量与产量之间呈现良好的二次曲线关系（），水分生产函数为，当耗水量为456.69 mm时，干草产量最大，为12 847.78 kg/hm2。

（3）综合节水、高产和高效等生产因素，建议鄂尔多斯鄂托克前旗地区紫花苜蓿地下滴灌灌水定额为25 mm，灌水12~14次。

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