基于作物耗水特性的夾砂地膜下滴灌模式優(yōu)選

周立峰 吳淑芳 齊智娟 張?bào)w彬

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院， 陜西楊凌712100； 2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所， 陜西楊凌 712100)

基于作物耗水特性的夾砂地膜下滴灌模式優(yōu)選

周立峰1吳淑芳1齊智娟2張?bào)w彬2

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院， 陜西楊凌712100； 2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所， 陜西楊凌 712100)

在2個(gè)灌水水平下(I1：高水，I2：低水)以不同滴灌帶間距(A1：1 m，A2：0.5 m)與覆膜方式(M1：全膜覆蓋，M2：半膜覆蓋)進(jìn)行2 a田間試驗(yàn)，結(jié)合作物產(chǎn)量、作物水分利用效率(WUE)以及產(chǎn)投比篩選適宜的膜下滴灌模式，并利用產(chǎn)量水分敏感系數(shù)(ky)確定最優(yōu)的膜下滴灌模式。結(jié)果表明：在低頻灌溉模式下，部分覆膜處理的蒸騰(ET)高于全覆膜處理，而產(chǎn)量和WUE低于全覆膜處理。盡管滴灌帶間距對(duì)ET的影響不明顯，然而在高水處理下，“一管單行”作物的產(chǎn)量與WUE高于“一管雙行”。高頻灌溉模式下，作物產(chǎn)量及WUE對(duì)灌溉量、覆膜方式、滴灌帶間距的響應(yīng)呈現(xiàn)耦合性。低頻灌溉條件下，ky對(duì)灌溉量及滴灌帶間距的響應(yīng)均不顯著，而部分覆蓋處理WUE低，ky高，對(duì)水分脅迫的響應(yīng)敏感。高頻灌溉條件下，覆膜方式、灌溉量以及滴灌帶間距均對(duì)ky產(chǎn)生影響。高頻灌溉條件下，ky能對(duì)經(jīng)WUE篩選出的膜下滴灌處理進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)選。基于ky的結(jié)果，結(jié)合產(chǎn)量、水分利用效率與產(chǎn)投比，建議在高頻灌溉條件下采取“全膜低水+一管雙行”模式或“半膜高水+一管單行”模式，在低頻灌溉條件下采取全膜高水模式。

耗水； 灌溉頻率； 滴灌帶間距； 水分利用效率； 作物水分生產(chǎn)函數(shù)； 膜下滴灌

引言

膜下滴灌研究目前大多圍繞滴灌帶間距、滴頭流量以及灌水頻率[1-3]對(duì)土壤濕潤(rùn)體及作物根系水分的供給而展開[4-5]。然而，作物生長(zhǎng)前期土壤水分的充分供給可能會(huì)造成作物冠根比過高，導(dǎo)致根冠水分供需矛盾[6]。因此，膜下滴灌方式下的作物耗水研究也應(yīng)當(dāng)引起關(guān)注。

作物水分利用效率(WUE)是評(píng)價(jià)作物耗水與產(chǎn)量關(guān)系常用的指標(biāo)[7]。然而，大量試驗(yàn)表明WUE 高值一般不是在供水充足、產(chǎn)量(Y)最高時(shí)獲得，蒸散量(ET)與產(chǎn)量乃至WUE的關(guān)系并非總是呈線性關(guān)系[2,8-9]。作物水分生產(chǎn)函數(shù)(CWPF)可以較充分揭示W(wǎng)UE-Y-ET間的內(nèi)在聯(lián)系并對(duì)WUE-ET間的邊際效應(yīng)關(guān)系進(jìn)行描述[10]。CWPF有多種表達(dá)形式：作物產(chǎn)量可表示為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量或干物質(zhì)量，水量可以用作物蒸發(fā)蒸騰量、作物蒸騰量、灌溉水量及可利用水量等表達(dá)，目前研究多以Y-ET曲線為主[11]。Y-ET型CWPF可以分為2類: 一類是產(chǎn)量與全生育期騰發(fā)量的關(guān)系，如Steward函數(shù)[12]；一類是產(chǎn)量與全生育期各階段騰發(fā)量之間的關(guān)系，如Jensen函數(shù)[13]、Bras and Corodova 函數(shù)[14]。第一類函數(shù)主要描述農(nóng)田供水狀況與作物產(chǎn)量的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，稱為最終產(chǎn)量型CWPF，適用于灌溉規(guī)劃優(yōu)選；第二類函數(shù)著重分析作物生長(zhǎng)與水分供應(yīng)的關(guān)系，具有機(jī)理性及連續(xù)動(dòng)態(tài)特征，稱為動(dòng)態(tài)產(chǎn)量型CWPF，在農(nóng)業(yè)用水管理過程中被廣泛運(yùn)用[15]。

當(dāng)前的CWPF研究多見于動(dòng)態(tài)產(chǎn)量型CWPF，用于在非充分灌溉控制試驗(yàn)中確定高效的農(nóng)業(yè)水管理方案[16-17]，并且聯(lián)合各生育期水分虧缺敏感指數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)作物產(chǎn)量的預(yù)測(cè)[18]。近年來，EL-HENDAWY等[2]使用最終產(chǎn)量型CWPF確定了砂地滴灌玉米最佳滴灌頻率與灌水量的組合，在一定程度上拓展了最終產(chǎn)量型CWPF的使用。本文在內(nèi)蒙古河套地區(qū)設(shè)置了2種覆膜方式下的膜下滴灌模式(不同滴灌帶間距及灌水量)，研究不同膜下滴灌模式下的WUE以及CWPF的產(chǎn)量反應(yīng)系數(shù)(ky，又稱產(chǎn)量水分敏感系數(shù))，旨在通過比較不同膜下滴灌模式下產(chǎn)量對(duì)灌水量的響應(yīng)敏感度，并結(jié)合產(chǎn)投比最終選擇出適合當(dāng)?shù)氐哪は碌喂嗄Ｊ健?/p>

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地基本情況

試驗(yàn)于2014—2015年在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)曙光試驗(yàn)站進(jìn)行(107°13′E、40°43′N, 海拔高度1 042 m)。該地區(qū)屬中溫帶干旱氣候，多年平均降水量135 mm，蒸發(fā)量超過2 306.5 mm，年均氣溫9.1℃。該地區(qū)降水集中在6—9月份，無霜期135～150 d，年日照時(shí)數(shù)3 100～3 300 h。2 a試驗(yàn)期間春玉米全生育期平均溫度分別為19.91℃和20.22℃；總降水量分別為84 mm和14.62 mm。試驗(yàn)地土壤基本理化性質(zhì)見表1。

表1 試驗(yàn)地土壤(0～120 cm)基本理化性質(zhì)Tab.1 Physical and chemical properties of soil (0～120 cm) in experimental site

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方法

試驗(yàn)設(shè)置全膜(M1)與半膜(M2)2種覆膜方式。每種覆膜方式下設(shè)2個(gè)灌水水平(I1、I2)與2個(gè)滴灌帶間距(A1、A2)，共計(jì)8個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)。小區(qū)尺寸4 m×8 m，各小區(qū)隨機(jī)排列。I2的灌水量為I1的60%。A1 處理滴灌帶間距為1 m, A2 處理滴灌帶間距為0.5 m。A1處理采取寬窄行種植, 寬行70 cm，窄行30 cm，滴灌帶位于2行玉米中間，為“一管雙行”控制；A2處理采取等行距種植，行距0.5 m，為“一管單行”控制?！耙还茈p行”與“一管單行”的半膜處理覆蓋度(地膜覆蓋面積與試驗(yàn)區(qū)之比)均為0.6，地膜寬度分別為60 cm與30 cm。各小區(qū)裝有水表、壓力計(jì)以控制灌水量及滴頭流量，試驗(yàn)所用貼片式滴灌帶(φ=16 mm)滴頭間距為30 cm，設(shè)計(jì)滴頭流量1.4 L/h。

2014年采取低頻灌溉模式[19]，作物發(fā)生較嚴(yán)重的水分脅迫?；诖?，本研究在2015年采取了高頻灌溉模式。播后灌水及施肥措施見表2。2014年為低頻節(jié)水灌溉模式：I1的灌水量為180 mm(當(dāng)?shù)仄韫喙嗨康?0%)，灌溉時(shí)間與當(dāng)?shù)仄韫喙喔葧r(shí)間保持一致；2015年為高頻充分灌溉：自拔節(jié)期開始依據(jù)20 cm 直徑蒸發(fā)皿(E20)日蒸發(fā)數(shù)據(jù)確定單次灌水量[20]，每3 d灌水一次，整個(gè)生育期灌水量為346.1 mm。2年的施肥水平均為N 300 kg/hm2和P2O5420 kg/hm2。P2O5(磷酸氫二銨)以底肥的形式全部施入土壤。N(尿素與磷酸氫二銨)按照N 150 kg/hm2的水平于播種前施入，其余N(150 kg/hm2)以尿素的形式于玉米6葉期后以滴灌施肥的形式多次施入。

表2 膜下滴灌各處理灌水量和施肥量Tab.2 Application amount of water and nitrogen of mulched drip irrigation

小區(qū)分別于2014年4月22日、2015年4月26日覆膜，覆膜2 d后播種。供試春玉米品種為“西蒙6號(hào)”。播種方式為人工點(diǎn)播，播種深度為5 cm，播種密度為66 600 株/hm2。作物生長(zhǎng)期采取除草、噴藥等其他常規(guī)管理措施。

1.3 取樣及測(cè)定方法

1.3.1土壤含水率

采用烘干法測(cè)量土壤質(zhì)量含水率。水平方向上，取樣點(diǎn)分別設(shè)置在滴頭處，相鄰滴頭間 1/4 處及1/2處；垂直取樣深度為 10、30、50 cm處。此外，為了判斷是否在灌水或降水后發(fā)生土壤水分的深層滲漏，在高水處理(I1)采用 ECH2O-5TE型(Decagon Devices, Inc., USA)土壤水熱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行土壤水分的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，使用烘干法的土壤含水率數(shù)據(jù)對(duì)探頭進(jìn)行校準(zhǔn)。土壤含水率的監(jiān)測(cè)貫穿春玉米整個(gè)生育期，數(shù)據(jù)采集時(shí)間步長(zhǎng)為1 h。

1.3.2產(chǎn)量

蠟熟期后選取各小區(qū)中間2行玉米進(jìn)行測(cè)產(chǎn)。玉米脫粒后數(shù)取粒數(shù)，放置室外曬4～5 d，稱取質(zhì)量并換算成每公頃產(chǎn)量，產(chǎn)量依照稱取質(zhì)量的15%扣除水分。

1.3.3玉米耗水量

采用水量平衡法計(jì)算玉米耗水量ET(mm)

ET=ΔW+P+I+G+R+D

(1)

式中 ΔW——播種期與收獲期根區(qū)土壤儲(chǔ)水量變化量，mm

P——生育期有效降水量，mm

I——玉米生育期灌水量，mm

R——生育期地表徑流量，mm

D——生育期根區(qū)深層滲漏量，mm

G——生育期地下水對(duì)作物根系補(bǔ)給量，mm

本研究砂層出現(xiàn)在60 cm 處，故根區(qū)土壤選取土表至 60 cm 深度處，運(yùn)移至 60 cm 以下的水分視為深層滲漏。本試驗(yàn)各處理均為膜下滴灌且試驗(yàn)區(qū)地勢(shì)平坦，故無地表徑流產(chǎn)生。根據(jù) FAO 56分冊(cè)中提供的方法計(jì)算，假定降水或灌溉補(bǔ)給根層土壤水分至田間持水量，多余的水分即為深層滲漏損失量[21]。當(dāng)細(xì)沙的層位(砂層下表面高于地下水位的距離)大于 35 cm 后，毛管水會(huì)停留在砂層中無法上升從而阻斷沙層上下土層的水力聯(lián)系，本研究砂層的層位為 1 m,故忽略地下水補(bǔ)給。

1.3.4作物水分利用效率及水分生產(chǎn)函數(shù)

春玉米水分利用效率(Water use efficiency，WUE，kg/(hm2·mm))計(jì)算公式為

(2)

式中Y——單位面積玉米產(chǎn)量，kg/hm2

作物水分生產(chǎn)函數(shù)[2]表達(dá)式為

(3)

式中ETa——作物實(shí)際蒸發(fā)蒸騰量ETm——作物最大蒸發(fā)蒸騰量Ya——作物實(shí)際產(chǎn)量Ym——作物最高產(chǎn)量ky——作物產(chǎn)量反應(yīng)系數(shù)

1.3.5經(jīng)濟(jì)效益

本研究以產(chǎn)投比作為經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)指標(biāo)。膜下滴灌春玉米的生產(chǎn)投入主要包括：貼片式滴灌帶、地膜、種子、化肥、農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料費(fèi)用以及水、電費(fèi)和人工費(fèi)等。農(nóng)資及水電成本根據(jù)單價(jià)與使用量計(jì)算，人工成本主要包括播前整地、布置滴灌設(shè)備、覆膜、播種、噴施農(nóng)藥、收獲及移除滴灌設(shè)備等。收入主要來源于玉米籽粒收入。單位面積籽粒銷售收入與生產(chǎn)投入之比即為產(chǎn)投比。

利用LSD法進(jìn)行處理間多重比較，P<0.05 則視為存在明顯差異。分析工具采用 SPSS 15.0。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同膜下滴灌方式對(duì)春玉米蒸騰量的影響

根據(jù)EM50連續(xù)監(jiān)測(cè)的土壤含水率數(shù)據(jù)可知，砂層上的含水率未出現(xiàn)整體超過田間持水量的情況，可以認(rèn)為2 a試驗(yàn)過程中均未發(fā)生土壤水分向沙層下滲漏。各處理的ET見表3。2014年采用低頻灌溉模式，滴灌帶間距對(duì)ET影響不顯著，而灌溉量與覆膜方式是影響該年ET的主要因素。這主要是因?yàn)楣喔阮l率低削弱了滴灌帶間距對(duì)土壤水分的影響。高水處理下，覆膜方式對(duì)ET無明顯影響。全膜覆蓋處理雖然減少了土面蒸發(fā)，然而其作物生長(zhǎng)相比較半膜更加旺盛，造成其作物蒸騰強(qiáng)度更高[22]。此外，全膜覆蓋阻斷了降水對(duì)土壤水分的補(bǔ)給，而2014年玉米生育期降水量為84 mm，降水因素不可忽略。上述三者共同作用致使高水處理下覆膜方式對(duì)ET無明顯的影響。而在低水處理下，半膜覆蓋處理的ET高于全覆膜處理。本試驗(yàn)中，半膜覆蓋土壤表層濕潤(rùn)體半徑小于25 cm，無法到達(dá)膜外，土面蒸發(fā)占ET的比例不大。相反，全膜覆蓋春玉米葉面積在生殖生長(zhǎng)期下降較快，從而使得作物蒸騰在該時(shí)期較弱[6]，最終導(dǎo)致ET低于半膜覆蓋處理。由表3還可看出在低頻灌溉條件下，全膜覆蓋下各處理玉米生育期土壤水分消耗差異不大，而半膜覆蓋低灌溉處理的土壤水分消耗顯著增大，這也佐證了上述分析。2015年采取了高頻灌溉模式，灌水量與滴灌帶間距對(duì)ET影響顯著，而覆膜方式對(duì)ET的影響不大。灌溉模式的改變?cè)鰪?qiáng)了與其直接相關(guān)的灌水量與滴灌帶間距對(duì)ET的影響，而削弱了覆膜方式對(duì)ET的影響。灌溉量的減小與滴灌帶間距的縮小均會(huì)降低ET。縮小滴灌帶間距會(huì)使根區(qū)土壤橫向分布均勻[4]，從而更好地滿足作物耗水需求，最終導(dǎo)致ET較高。值得注意的是，滴灌帶間距小的處理土壤含水率變化量小，這表明較小的滴灌帶間距可以提高根層土壤水分用于蒸騰的利用效率。

表3 不同膜下滴灌方式下春玉米蒸騰量(ET)Tab.3 Maize evapotranspiration of various treatments in 2014 and 2015 mm

注：同列不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05),下同。

2.2不同膜下滴灌方式對(duì)春玉米產(chǎn)量、水分利用效率及產(chǎn)投比的影響

各處理的產(chǎn)量、水分利用效率(WUE)及產(chǎn)投比見表4。在低頻灌溉模式下，高水處理能顯著提高作物產(chǎn)量與WUE，而全膜處理則能明顯提高WUE。全膜處理一方面增加了產(chǎn)量，另一方面減少了ET, 因此提高了WUE。滴灌帶間距在高水處理下顯著影響作物產(chǎn)量與WUE：“一管單行”作物的產(chǎn)量與WUE較高。值得注意的是，在高頻灌溉模式下，作物產(chǎn)量及WUE對(duì)灌溉量、覆膜方式、滴灌帶間距的響應(yīng)呈現(xiàn)耦合性：M1I1A1處理產(chǎn)量最高，然而WUE較低；M1I2A2、M2I2A1處理產(chǎn)量最低，然而WUE較高。在所有的處理中，M1I2A1、M1I1A2、M2I1A2處理能同時(shí)獲得較高的作物產(chǎn)量與WUE。

由產(chǎn)投比可看出，2014年滴灌帶布置距離與覆膜方式對(duì)產(chǎn)投比影響不顯著，而低水處理產(chǎn)投比(1.3～1.9)明顯低于高水處理(2.1～2.7)(表 4)。這說明低頻灌溉模式下過低的灌溉量會(huì)明顯降低覆膜及滴灌設(shè)備的效益[23]。這主要因?yàn)榕c灌溉相關(guān)的水、電費(fèi)在2014年占比較低(5%～12%，表5)，但其對(duì)產(chǎn)量的提高作用顯著。2015年，灌溉量與覆膜方式對(duì)產(chǎn)投比的影響不大，而較小的滴灌帶間距降低了產(chǎn)投比(表 4)。這主要是因?yàn)?015年各處理產(chǎn)量差異不大，但減小滴灌帶間距則加大了滴灌設(shè)備的投入(表5)。

表4 不同膜下滴灌方式下春玉米產(chǎn)量、水分利用效率及產(chǎn)投比Tab.4 Grain yield, water use efficiency and ratio of output to input under various mulched drip irrigation treatments

表5 不同處理下的成本支出(2014—2015)Tab.5 Cost of all treatments during 2014—2015 元/hm2

2.3 不同膜下滴灌方式下春玉米作物水分生產(chǎn)函數(shù)

作物產(chǎn)量、WUE以及產(chǎn)投比可以實(shí)現(xiàn)膜下滴灌模式初步篩選。然而，對(duì)篩選結(jié)果的分析以及最終的確定還需從作物需水的角度去闡述。作物需水的情況可以用作物水分生產(chǎn)函數(shù)的ky值進(jìn)行描述(圖1)。

圖1 2014年和2015年春玉米產(chǎn)量對(duì)ET的反應(yīng)系數(shù)Fig.1 Yield response factor (ky) of spring maize in 2014 and 2015 growing seasons

作物在關(guān)鍵需水期遭受水分脅迫會(huì)造成ky值變高[24]。由表6可知，低頻灌溉模式下(2014年)，ky值降低與WUE升高反映出一致的結(jié)果：半膜覆蓋處理的ky值(2.92～8.13)高于全膜覆蓋處理(1.62～2.38)，而WUE低于全膜覆蓋處理(表4)。這表明低頻灌溉條件下，半膜覆蓋的ky值對(duì)滴灌帶間距的響應(yīng)不顯著，而全膜覆蓋的ky值對(duì)灌水量及滴灌帶間距的響應(yīng)均不顯著。這表明相比半膜覆蓋，全膜覆蓋可以降低灌溉不足對(duì)玉米的水分脅迫。該年度灌水量的增加主要是通過提高單次灌水量實(shí)現(xiàn)，而過高的單次灌水量會(huì)造成在水沙界面(60 cm處)形成水分阻滯，造成該層土壤含水率高[25]，這對(duì)減少作物生育期的水分脅迫作用不大。滴灌帶間距對(duì)ky影響不顯著主要是因?yàn)楣喔阮l率低造成滴灌帶間距對(duì)ET的影響較小(表3)。在2015年，與低頻灌溉條件下不同的是，本研究涉及到的3個(gè)因素均對(duì)ky值產(chǎn)生了影響。M2I1A1與M2I2A2處理ky值較高，分別為1.01與0.99，其他處理的ky值均較低。這說明在高頻灌溉條件下，半膜覆蓋處理要注意灌水量與滴灌帶間距的組合，不宜采用“高灌水量+一管雙行”或“低灌水量+一管單行”的模式。

表6 不同膜下滴灌方式下的ky值Tab.6 Yield response factor (ky) for various mulched irrigation methods

注：“/”表示最高ET及產(chǎn)量出現(xiàn)在該處理。

3 討論

國內(nèi)外研究表明，減小滴灌帶間距能提高根區(qū)土壤的濕潤(rùn)比，從而提高作物生育期的耗水量[1, 26]。本研究表明滴灌帶間距對(duì)作物耗水的提高作用受灌溉頻率和灌溉量組合的影響。過低的灌溉頻率和灌溉量會(huì)削弱滴灌帶間距對(duì)土壤水分的影響，從而弱化滴灌帶間距對(duì)作物ET的影響。在高頻灌溉模式下，滴灌帶間距對(duì)ET的影響顯著，而覆膜方式對(duì)ET的影響不大。之前的研究表明減小滴灌帶間距會(huì)使根區(qū)土壤水分橫向分布均勻[4]，從而更好地滿足作物耗水需求，最終導(dǎo)致ET較高。然而，本研究表明在高頻充分灌溉條件下，滴灌帶間距的減小反而會(huì)降低ET，這與之前的研究結(jié)果[1,25]不同。這主要是因?yàn)椤耙还軉涡小碧幚淼母鶇^(qū)土壤水分分布均勻度更高[26]，作物根系可以更高效地利用根區(qū)土壤水分，從而導(dǎo)致收獲前后土壤含水率變化量小，最終造成ET值較低。膜下滴灌條件下，覆膜對(duì)ET的影響是通過減少土面蒸發(fā)、改變降水入滲與影響作物蒸騰三者共同決定的。低頻灌溉模式下，高水處理半膜覆蓋與全膜覆蓋的ET雖然無顯著差異，這是土面蒸發(fā)抑制、降水截留與作物蒸騰加劇共同作用的結(jié)果。全膜覆蓋處理雖然減少了土面蒸發(fā)，然而其作物生長(zhǎng)相比較半膜覆蓋更加旺盛，造成其作物蒸騰強(qiáng)度更高。此外，全膜覆蓋阻斷了降水對(duì)土壤水分的補(bǔ)給，而2014年玉米生育期降水量為84 mm，降水因素不可忽略。上述三者共同作用致使高水處理下覆膜方式對(duì)ET無明顯的影響。而在低水處理下，半膜覆蓋處理的ET高于全膜覆蓋處理。本試驗(yàn)中，半膜覆蓋土壤表層濕潤(rùn)體半徑小于25 cm，無法到達(dá)膜外，土面蒸發(fā)占ET的比例不大。相反，全膜覆蓋處理春玉米葉面積在生殖生長(zhǎng)期下降較快，從而使得作物蒸騰在該時(shí)期較弱[6]，最終導(dǎo)致ET低于半膜覆蓋處理。同理，在高頻灌溉模式下，與灌溉量的差異相比，覆膜方式對(duì)土面蒸發(fā)、降雨截留與作物蒸騰的改變對(duì)ET的影響不大。

前期研究表明優(yōu)化灌水量與灌水頻率的組合可以提高作物產(chǎn)量[2]。與作物生育期耗水結(jié)果類似，適宜的灌水量與灌水頻率組合能突出滴灌帶間距對(duì)作物產(chǎn)量的影響。這主要是因?yàn)楣嗨?、灌溉頻率以及滴灌帶間距對(duì)土壤濕潤(rùn)比以及濕潤(rùn)體內(nèi)部的水氮分布具有耦合作用，而濕潤(rùn)體內(nèi)的水氮分布會(huì)進(jìn)一步影響作物根冠生長(zhǎng)及干物質(zhì)轉(zhuǎn)移，最終影響作物產(chǎn)量[18]。

低頻灌溉模式下，全膜覆蓋ET低于半膜覆蓋，然而較高的產(chǎn)量導(dǎo)致了全膜覆蓋具有較高的WUE，這與前人[27]的結(jié)果相似。盡管滴灌帶間距對(duì)ET的影響不明顯，然而在高水處理下，“一管單行”作物的WUE高于“一管雙行”。低水處理雖然水分虧缺明顯(通過土壤含水率判斷)，但“一管雙行”處理灌水相對(duì)集中于滴灌帶兩側(cè)，從而能使更多水分分布于作物種植窄行，進(jìn)而在作物根區(qū)形成“干濕區(qū)”，使作物根系產(chǎn)生大量的根毛來盡量滿足作物蒸騰需要[28]。相反，“一管單行”處理水平方向灌水均勻，在單次灌水量高時(shí)能較好地滿足作物根區(qū)土壤水分需求，體現(xiàn)出相對(duì)于“一管雙行”的優(yōu)勢(shì)。然而在低水處理情況下“一管單行”濕潤(rùn)深度過淺(小于30 cm)，反而不利于作物對(duì)土壤水分的吸收。

高頻灌溉模式下，作物產(chǎn)量及WUE對(duì)灌水量、覆膜方式、滴灌帶間距的響應(yīng)呈現(xiàn)耦合性：M1I1A1處理產(chǎn)量最高，然而WUE較低；M1I2A2、M2I2A1處理產(chǎn)量最低，然而WUE較高。充足的水分供給帶來較高的產(chǎn)量，但是WUE卻不是最高的，這與之前的試驗(yàn)結(jié)果類似[10]。在所有的處理中，M1I2A1、M1I1A2、M2I1A2處理能同時(shí)獲得較高的作物產(chǎn)量與WUE。雖然各因素設(shè)置的水平只有2個(gè)，但是因素相互間對(duì)產(chǎn)量及WUE的耦合效應(yīng)還是明顯的。各處理的產(chǎn)投比主要受與灌溉相關(guān)的水、電費(fèi)以及與滴灌帶間距相關(guān)的滴灌設(shè)備投入影響，高水處理與“一管單行”處理投入較高。綜合產(chǎn)量、WUE以及產(chǎn)投比，低頻灌溉條件下M1I1A2或M1I1A1處理較為合理；高頻灌溉下M1I2A1、M2I2A1與M2I1A2處理較為合理。

國內(nèi)外研究表明ky值在不同地區(qū)、不同氣候以及不同水分管理方式下變幅很大(0.5～1.6)[24,29-31]，本研究2015年由于根據(jù)潛在蒸發(fā)量采取了充分灌溉，故ky值(0.14～1.01)明顯低于2014年(1.62～8.13)。這表明CWPF可以準(zhǔn)確地反映各處理作物對(duì)ET及水分脅迫的響應(yīng)并可用于膜下滴灌的優(yōu)選。盡管提高單次灌水量可以降低ky值，然而，2014年高水處理的單次灌水量已經(jīng)超過30 mm，再增加單次灌水量可能在夾砂地引起明顯的水分滲漏，因此在夾砂地應(yīng)優(yōu)先采用高頻灌溉的方式。此外，雖然從作物產(chǎn)量、WUE以及產(chǎn)投比的角度看，高頻灌溉下M1I2A1、M2I2A1與M2I1A2處理均較為合理，然而M1I2A1與M2I1A2 的ky值很低，分別為0.19和0.14，表明這2個(gè)處理具有較大的節(jié)水潛力, 可以進(jìn)一步減少灌水量，提高灌水效率[24]?；谝陨蟢y結(jié)果，結(jié)合產(chǎn)量、水分利用效率與產(chǎn)投比，建議在低頻灌溉條件下采取M1I1A1或M1I1A2模式，在高頻灌溉條件下采取M1I2A1或 M2I1A2模式。

低頻灌溉條件下，ky與WUE對(duì)作物耗水特性反應(yīng)一致：ky值對(duì)灌水量及滴灌帶間距的響應(yīng)均不顯著，而半膜覆蓋處理WUE低，ky值高，對(duì)水分脅迫的響應(yīng)敏感。高頻灌溉條件下，ky值與WUE對(duì)作物耗水特性的反應(yīng)不盡一致：覆膜方式、灌水量以及滴灌帶間距均對(duì)ky值產(chǎn)生影響。由于高頻灌溉各處理產(chǎn)量與水分利用效率差異不大，故ky值能發(fā)揮其優(yōu)化的功能。基于ky的結(jié)果，結(jié)合產(chǎn)量、水分利用效率與產(chǎn)投比，建議在高頻灌溉條件下采取M1I2A1或 M2I1A2模式，當(dāng)高頻灌溉條件不具備時(shí)，可在低頻灌溉條件下采取M1I1A1或M1I1A2模式。

4 結(jié)論

(1)灌溉量對(duì)ET的影響明顯，高灌溉量處理的ET高于低灌溉量處理。在低頻灌溉模式下，半膜覆蓋處理的ET高于全覆膜處理，而產(chǎn)量與WUE低于全覆膜處理。盡管滴灌帶間距對(duì)ET的影響不明顯，然而在高水處理下，“一管單行”作物的產(chǎn)量與WUE高于“一管雙行”。高頻灌溉模式下，作物產(chǎn)量及WUE對(duì)灌溉量、覆膜方式、滴灌帶間距的響應(yīng)呈現(xiàn)耦合性。

(2)低頻灌溉條件下，ky值對(duì)灌溉量及滴灌帶間距的響應(yīng)均不顯著，而部分覆蓋處理WUE低，ky值高，對(duì)水分脅迫的響應(yīng)敏感。高頻灌溉條件下，覆膜方式、灌溉量以及滴灌帶間距均對(duì)ky值產(chǎn)生影響。基于ky的結(jié)果，結(jié)合產(chǎn)量、水分利用效率與滴灌設(shè)備成本，建議在高頻灌溉條件下采取M1I2A1或 M2I1A2模式，當(dāng)高頻灌溉條件不具備時(shí)，可在低頻灌溉條件下采取M1I1A1或M1I1A2模式。

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OptimalModeSelectionofMulchedDripIrrigationinSandLayeredFieldBasedonWaterConsumptionCharacteristics

ZHOU Lifeng1WU Shufang1QI Zhijuan2ZHANG Tibin2

(1.CollegeofWaterResourcesandArchitecturalEngineering,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China2.InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

Judgement of crop water requirement just by soil water content is not competent, which is closely related with crop yields and water use efficiency. Corn water consumption and yield in response to mulching method (M1: fully mulched and M2: partially mulched), and irrigation amounts (I1 and I2) under variable drip irrigation lateral spacings (A1: 1 m and A2: 0.5 m) were investigated over two growing seasons in the Hetao Irrigation District under arid growing conditions. Results showed that evapotranspiration (ET) in partially mulched treatments were higher than that in treatments with full mulch cover under low irrigation frequency. However, the yields and water use efficiency (WUE) were lower under partial mulched treatments compared with full mulch. Closer lateral spacing had no effect onETunder low irrigation frequency, but yield was increased with high irrigation amount under low irrigation frequency. The yield response factor (ky) of the crop water production function(CWPF) was sensitive to mulching method and it was lower in partially mulched treatments than in fully mulched treatments under low irrigation frequency. Under high irrigation frequency,kywas sensitive to irrigation amounts, mulching methods and lateral spacing. The CWPF along with WUE and crop yield can aid in the selection of optimal irrigation and mulching management. Consideringky, yield, WUE and costs, partial mulch with 1 m lateral spacing under high irrigation amount and full mulch with 0.5 m lateral spacing with low irrigation amount was optimal under high irrigation frequency while either 1 m or 0.5 m lateral spacing under partial mulch with low irrigation amount was optimal under low irrigation frequency, respectively. This study can guide irrigation application for maize in the Hetao Irrigation District.

water consumption; irrigation frequency; lateral spacing; water use efficiency; crop water production function; mulched drip irrigation

S275.6

A

1000-1298(2017)09-0183-08

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.09.023

2017-01-13

2017-02-07

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863 計(jì)劃)項(xiàng)目(2013AA102904)、中國科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目(KFZD-SW-306-1)和高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃(111 計(jì)劃)項(xiàng)目(B12007)

周立峰(1986—)，男，博士生，主要從事水土資源高效利用研究，E-mail: lee86208@126.com

吳淑芳(1977—)，女，副研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事水土資源高效利用研究，E-mail: wsfjs@163.com