滴灌模式对农田土壤水氮空间分布及冬小麦产量的影响解析.docx
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滴灌模式对农田土壤水氮空间分布及冬小麦产量的影响解析
第四部分微灌应用技术研究343
滴灌模式对农田土壤水氮空间分布及冬小麦产量的影响
王建东1,龚时宏1※,高占义1,邹慧1,2,隋娟1,2
(1.中国水利水电科学研究院水利所,北京100044;2.中国农业大学水利与土木工程学院,北京
100083)
摘要:
通过田间试验研究了不同滴灌模式下农田水、氮空间分布规律以及冬小麦产量的差异,试验结果表明,在土壤水分控制范围相同前提下,滴灌模式对冬小麦生育期内所需的灌水总量和灌水频率不存在显著影响:
在施肥量和灌水定额基本相同前提下,地下滴灌较地表滴灌而言,促使硝态氮向深层土壤运移的几率大为增加,但总体而言,不同滴灌类型相同灌溉制度下,硝态氮运移规律基本相似;相同滴灌类型不同滴灌制度下的各处理产量存在显著差异,对于地表滴灌而言,在充分灌条件下,高频滴灌显著提高了作物的产量和水分利用效率。
此外,在充分灌前提下,不同滴灌模式下的冬小麦产量差异性不显著。
非充分灌时,滴灌模式对作物产量存在显著影响,地下滴灌较地表滴灌更能提高作物产量和水分利用效率。
关键词:
滴灌模式;滴灌类型;硝态氮;冬小麦;水分利用效率
中图分类号:
¥275.6文献标识号:
A文章编号:
0引言
滴灌作为一种施于作物根区附近的局部灌水技术,可进行实时、精量的水、肥控制灌溉,根据毛管是铺于地表还是埋于地下分为地表滴灌和地下滴灌。
不同的滴灌模式,即指不同滴灌类型(地下滴灌和地表滴灌)及不同滴灌制度(灌水量和灌水频率),对作物的生长以及农田土壤环境因素,如土壤水分、土壤养分、土壤温度等,必然会产生不同的影响。
B.R.Hanson等(1997)对地表滴灌、地下滴灌等灌水方式下的莴苣产量进行了比较,发现地下滴灌条件下的莴苣产量高于地表滴灌【l】。
AhmetErtek等(2003)研究了滴灌灌水频率对棉花棉球数、脱铃百分比以及棉花产量的影响【2】。
S.MetinSezen等(2005,2006)分别研究了滴灌灌水频率和灌水量对绿豆的产量、品质以及对胡椒的产量和品质的影响【3’4l。
N.Katsoulas等(2006)研究了滴灌灌水频率对玫瑰花的产量和品质的影响【5】。
国外的田间试验研究大都表明,不同滴灌模式对作物的产量、品质以及水分利用效率存在比较显著地影响【卜11】。
在国内,曹红霞等通过室内均质土柱试验研究表明,滴灌灌水频率可改变土壤水分的空间分布和土壤蓄水量【121。
康跃虎,王凤新等人多年的田收稿U期:
2008-4-2
(2006AAl00221);修订日期:
基金项目:
国家自然科学基金项目(50709045);国家“863”计划课题(2006AAl00213);国家“863”计划课题
作者简介:
王建东(1978.),男,湖南茶陵人,工程师,博士生,主要从事节水灌溉技术及产品研究。
北京中国水利水电科学研究院水利所,100044Email:
wangjd@iwhr.com
※通讯作者:
龚时宏(1961.),男,研究员,博士牛导师,主要从事节水灌溉技术及产品研究。
北京
中国水利水电科学研究院水利所,100044Email:
gshh@iwhr.com
344第八届全同微灌人会论文汇编
问试验研究表明,滴灌灌溉频率对土壤水分的分布、马铃薯根系分布、马铃薯产量存在明显影响【Ij,14J。
在滴灌水肥运移研究方面,Bar-Yosef和Sheikholslami(1976)对滴灌条件下粘土和砂土中水分、N03和P的分布进行了试验研究。
Bar-Yosef(1976)对滴灌条件下砂土中种植的西红柿的水分和养分进行了田间试验研究。
此外,还有很多学者对滴灌施肥条件下水分和溶质的运动进行了研究,如Omary和Ligon(1992),Quadri等(1994),Clothier和Elric(1985)等分别从不同方面对滴灌条件下水分和溶质在土壤中的运动分布等进行了研究。
在国内,李久生等人通过室内土柱试验,对滴灌施肥灌溉参数和运行方式对水分、硝态氮和氨态氮在土壤中的运移分布规律进行了试验研究和数值模拟Il5l。
综上所述,国内外针对滴灌灌水频率对土壤水分空间分布、作物产量及品质影响的研究居多,在滴灌条件下溶质运移的研究中,多采用保守性溶质和室内土柱试验,不能完全阐述大田滴灌复杂边界条件下的溶质运移规律。
此外,系统研究不同滴灌模式下作物生长及农田土壤环境因素的空间分布规律较少,且目前的研究成果多为定性的结论,很难指导大田精鼍滴灌技术体系的制定,本研究采用地下滴灌和地表滴灌两种滴灌类型以及4种不同滴灌制度,定量研究不同滴灌模式对冬小麦生长及农田水氮运移的影响,以期为我国粮食作物最优田问滴灌制度的建立提供可借鉴的理论依据。
1材料和方法
1.1试验布置
试验在北京市大兴区中国水利水电科学研究院试验基地进行。
地理位置处于北纬39。
397,东经116015’,试验地气候属典型的半干旱大陆性季风气候,多年平均降雨量540mm。
基地有自动气象站,可获得试验所需的相关气象数据。
试验田土壤物理性状如表1,根据国际土壤质地分类标准,O~100cm深度为壤土,O~lOOcm土层的平均田持和容重分别为30.58%和1.589/cm3。
冬小麦于2006年10月份种植,种植行距为25cm,2007年6月15进行采收考种。
地表滴灌和地下滴灌都采用Nemfma公司同一型号的滴灌带,额定流量为l。
1LPa,滴头间距为30cm。
滴灌带的布置间距为50cm,地下滴灌试验小区的滴灌带埋深为25cm。
表1
Table1供试土壤物理性状soilsPhysicalpropertiesofexperimental
1.2试验处理设置
地表滴灌和地下滴灌试验设置4个相同处理(表2),每个处理设置3个重复,各处理小区随机布置。
每个处理小区的面积为4.5X5m2。
试验主要在冬小麦的返青~拔节,拔节一抽穗两个生育阶
第四部分微灌应用技术研究345
段实施小同的灌溉制度控制,在这两个生育阶段,4个处理的灌水下限分别选择为田持的40,50,60和75%,在其它生育阶段,各处理灌溉制度相同,各处理的灌水上限与灌水下限的确定主要借鉴了前人的研究成果【幡例。
为保证土壤初始含水率基本相同,在种植冬小麦以前,每个试验小区灌水1.5m3。
此外,每个小区在12月份冬灌1.5m3。
在小麦进入返青一拔节期时,各处理的设计灌水定额按照表2用含水率差值法确定【16,171,各试验小区的灌水量由各小区进口处的水表控制。
根据当地农村实际施肥习惯和经验,各处理小区在进入返青期后的第一次灌水时追施尿素一次(各试验小区施尿素量都为330kg/hm2),尿素溶解后通过施肥罐施人各试验小区。
表2灌水处理设计
Table2Arrangementofirrigationtreatment
1.3观测内容
土壤水分:
采用TDR土壤水分测定系统,每20cm一层进行土壤水分测定,测量深度达到lm。
土壤水分每3天测定一次,另外在每次灌水前天傍晚和灌水后12h也进行测定。
土壤氮素(硝态氮):
在各处理小区O一20,20—40,40—60,60—80,80—100cm五个土壤深度安装土壤溶液提取器,分别于灌水后l天,2天,3天等提取各处理不同深度的土壤溶液,用滤纸过滤后利用流动分析仪(AutoAnalyzerIII,德国Bran+Luebbe公司)测定土壤溶液中的硝态氮含量。
作物产量:
以各处理所对应所有小区中间2×2m2范围内冬小麦穗粒干重产量的平均值为基础进行统计分析。
2结果与分析
2.1土壤平均含水率变化趋势从图1可知,冬小麦生育期内降雨量很少,冬小麦生育期内的需水量主要依靠灌溉补充。
根据
346第八届全国微灌大会论文汇编
各处理的灌水F限和灌水上限控制,各处理生育期内实际灌水情况见表3。
结合图2分析,冬小麦生育期内,由于地表滴灌和地下滴灌处理1的土壤体积含水率基本保持在70%田持以上,整个生育期内的土壤水分波动幅度很小,土壤含水量一直处于比较充足的状态,由此对应累计的灌水量和灌水频率最多。
在冬下麦返青一拔节期内,处理2土壤含水率波动幅度最大,这主要与试验设计的土壤水分控制范围有关。
从表3中还可以看出,由于灌水下限的控制,地表滴灌和地下滴灌处理3、处理4在返青期没有灌水。
此外,各处理在灌浆.成熟期内没有灌水,各处理的灌水基本集中在冬小麦的拔节.抽穗期。
由此可见,不同滴灌模式下的灌水频率主要取决于土壤水分控制的范围要求以及作物不同生育阶段对需水量的要求。
从图2中可以发现,由于灌水上限和下限的控制,处理3和处理4的土壤含水率在返青期至灌浆期内显著低于处理1和处理2,到灌浆期以后,由于各处理灌水制度相同,各处理的土壤含水率差异不大。
此外,地表滴灌和地F滴灌对应各处理下O--80em土壤平均含水率差异不明显,另外从表3的统计情况分析,地表滴灌和地F滴灌各对应处理下的灌水量和灌水频率也不存在显著差异。
一表3地表滴灌和地下滴灌各处理实际灌水次数和灌水量统计
TheirrigationarrangementforsurfaceandsubsurfacedripirrigationTable3treatmentsmm
100
90
80
70
吕
{60
静
103020
OlI—I一一_I一..L—I
冬小麦种后天数/d
图1冬小麦生育期内降雨情况(2006.10--2007.6)
Beijingdistrictin2006and2007(October-Jtme)Fig.1Precipitationdistributionin
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353229
簧羹镪韪蛏
灌处理1
26232017141185
灌处理2
%弛凹拍∞加"¨5150
160
170
180
190
200
210
220
灌处理1
230
240
滏处理2
150
160
170
180
190
200
210
220
230
240
种后天数/d
353229
种后天数/d
簧立票钮鬟
弱驼约拍船∞"u
8o150
160
170
180
190
20
0210
220
230
240
重谙丐RⅣ臀葚
2623201714
灌处理3
ll85150
160
170
180
190
200
210
9.20
灌处理3
灌处理4灌处理4
230
240
种后犬数/d种后天数/d
图2地表滴灌和地下滴灌各处理0--80cm土层内平均体积含水率变化规律
Fig.2
TheAveragewatercontentchangeduringwinterwheatgrowthstagesfordifferent
treatments(0—80cm)
2.2土壤溶液中硝态氮变化趋势
348第八届全国微灌大会论文汇编
■40
——0—20十壤深度
一一一・20一40
下40
警35型30爱25
201510503—3l
4—7
4一14
4
—214—28
L壤深度
—_.一40—60士壤深度
窖35
型30蠼25
201510
b
0
5-5
5—12
5—19
5—26
3_3l
4-7
4-14
4-21
4-28
5-5
5
2-l5-19
5-26
6-2
地表滴灌处理1日期(月一日)
地下滴灌处理1日期(月~日)
)柏
点35
740
誉35魁30蠖25
20151050
4-7
4—14
4-21
4—28
5-5
5-12
5一19
5—26
6
—2
3-3I
4-7
4-14
4-21
4-28
5-5
5-12
5-19
5—26
6
-2
冀30
252015lO50
地表滴灌处理2日期(月一日)地下滴灌处理2日期(月一日)
740
窖35
一0—20十壤深度
王40
量35
20—40十壤深度
一0-20十壤深度
一一一一20一40土壤深度
运30
骚25
2015IO5O4—21
4—28
5-5
5-12
——-一40一60十壤_ijI{度
—-1卜60一80十壤深度
——B一80—100一卜壤深度
遗30
矮25
20151050
—_|-一40—60上壤深度
——卜60—80J:
壤深度
5一195-266-24-144—2l4-285-55—125-195—266—2
地表滴灌处理3口期(月一日)地下滴灌处理3
—40面35
日期(月一日)
二40
曾35
——0—20土壤深度
一一
20—40土壤深度
一U~ZO土壤椿腹
一一20-40十壤深度
60土壤深度803:
壤潭度100土壤深度
套30
爱25
2015lO504—21
4-28
5—5
5—12
—dl一40一60上壤深度
—1}一60—80十壤深度
越30
袋25
201510
a
—-l卜80—100士壤深腹
O
5-19
5-26
4-21
4-28
5-5
5-12
5-19
5—26
6
—2
地表滴灌处理4日期(fl一日)
地下滴灌处理4
日期(月一日)
图3地表滴灌和地下滴灌各处理不同土层深度硝态氮随时间变化规律
Fig.3
Evolution
ofN03--Nprofile
duringwinterwheatgrowthstagesforsurfaceandsubsurfacedripirrigation
很多室内试验表明,硝态氮基本上全部溶解于土壤水中【201,采取土壤溶液提取器的方法较取土
法而言更易准确实时捕捉到硝态氮随土壤水分运动而发生运移的规律。
从图3中可知,各处理在第
第四部分微灌应用技术研究349
一次灌水施肥后,硝态氮向深层土壤运移的速度非常快,80—100cm土层的硝态氮含量远大于表层及60cm以上土壤,随着时间的推移,80—100cm土壤的硝态氮含量进一步向更深层土壤运移的趋势十分明显,到冬小麦生育后期,各土层深度硝态氮含量的差异已变得不显著。
比较地下滴灌地表滴灌各对应处理下的硝态氮运移规律可知,在施肥量和灌水量基本相同的前提下,地下滴灌较地表滴灌而言,促使硝态氮向深层土壤运移的几率大为增加。
但总体而言,地下滴灌地表滴灌各对应处理下的硝态氮运移有着基本相似的规律。
此外,各处理的灌水定额对土壤硝态氮运移也产生了比较显著的影响,如地表滴灌和地下滴灌处理2,由于试验设计的土壤灌水下限和上限之间的幅度最宽,每次的灌水定额最大,从而导致硝态氮向深层运移的速度最快。
从图3中还可以发现,各处理在第1次随水施肥后,硝态氮向深层土壤运移达到最大,这说明作物第一次随水施肥时,应充分考虑灌水定额,以免将硝态氮迅速淋洗到底土,导致肥料利用率的下降以及地下水的污染。
另外,从地表滴灌和地下滴灌处理4下的农田硝态氮监测结果来看,过低的土壤含水率对于采用土壤溶液提取器法监测土壤氮素的运移存在一定困难。
2.3各处理下冬小麦产量比较
地表滴灌和地下滴灌各处理下的冬小麦产量及水分利用效率统计结果见表4。
地表滴灌和地下滴灌处理1和处理2在整个生育期内属于充分灌溉,而处理3和处理4在作物的拔节一抽穗期阶段属于非充分灌溉,对不同滴灌模式下的各处理产量进行方差分析,结果见表5。
从表4和表5中的统计数据分析来看,地表滴灌各处理和地下滴灌各处理下的产量存在显著差异,即相同滴灌类型不同滴灌制度下的各处理产量存在显著差异。
就地表滴灌而言,处理3的水分利用效率最高,但综合考虑作物的产量而言,显然处理l所设计的地表滴灌制度最优。
可以认为,在充分灌条件下,高频滴灌显著提高了作物的产量和水分利用效率。
对于地下滴灌各处理,地下滴灌处理3的水分利用效率最高,但综合考虑作物的产量而言,处理2应该为最优的地下滴灌制度。
比较不同滴灌类型相同灌溉制度下各处理产量发现,在充分灌条件下(试验处理1和处理2),地表滴灌和地下滴灌各处理产量差异不明显,即说明在充分灌前提下,滴灌模式对作物产量的差异性影响较小。
相反,在非充分灌溉条件下(试验处理3和处理4),地表滴灌和地下滴灌各处理产量差异显著,即说明作物在非充分灌时,滴灌模式对作物的产量存在显著影响,很显然,在非充分灌溉条件下,地下滴灌较地表滴灌更能提高作物产量和水分利用效率。
表4试验各处理小区产量
Table4ThecomparisonofwinterwheatyieldsfortreatmentsKg.hm一2
处警篙,地耋滴嚣嚣嚣。
嚣嚣…一4处理2
6890
6887l27641743561136165553453537419665674336559635l587655546379
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3
688073194047
686468804026
617261503263
514353433287
746971824047
790973003973
635761953207
652661533243
平均产量灌水量/m3.hm-2
表5各处理产量方差分析统计(Q卸.05)
Table5
Thevariationanalysisofwinterwheatyieldsfordifferent
treatments
3结论
通过田问试验研究了不同滴灌模式下的农田水、氮空间分布规律以及各处理冬小麦产量的差异,得到如下结论:
1)不同滴灌模式下的灌水频率主要取决于土壤水分控制的范围要求以及作物不同生育阶段对需水量的要求。
在土壤水分控制范围相同前提下,滴灌模式对冬小麦生育期内所需的灌水总量和灌水频率不存在显著影响。
2)在施肥量和灌水定额基本相同前提下,地下滴灌较地表滴灌而言,促使硝态氮向深层土壤运移的几率大为增加。
但总体而言,不同滴灌类型相同灌溉制度下,硝态氮运移规律基本相似。
灌水定额对土壤硝态氮运移有比较显著的影响,作物第一次随水施肥时,建议充分考虑灌水定额。
3)相同滴灌类型不同滴灌制度下的各处理产量存在显著差异,对于地表滴灌而言,在充分灌条件下,高频滴灌显著提高了作物的产量和水分利用效率。
在充分灌前提下,不同滴灌模式下的作物产量差异性不显著,作物非充分灌时,滴灌模式对作物的产量存在显著影响,在非充分灌溉条件下,地下滴灌较地表滴灌更能提高作物产量和水分利用效率。
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