新疆主要粮食作物滴灌条件下作物系数及水分生产率试验研究_翟超

第 3 期 翟超 等 新疆主要粮食作物滴灌条件下作物系数及水分生产率试验研究

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0． 3、1． 06、0． 72，其中发棵期 － 结署期的作物系数最大。严菊芳等［15］在关中地区利用农田水量平衡方程及土壤水分胁迫系数计算了作物实际蒸发蒸腾量，结合参考作物蒸散量，研究了大豆作物系数: 全生育期平均为0． 82，在开花 ～ 结荚阶段最大，平均为1． 22，其次为结荚 ～ 成熟阶段，平均为1． 05，播种 ～ 幼苗最小为 0． 26。

王柏等［16］通过盆栽试验研究了黑龙江西部半干旱区大豆作物系数的变化规律: 前期小、中期大、后期小，随着大豆的生长，大豆的植株逐渐长高，蒸发蒸腾量逐渐增加，作物系数也增加，到结荚最大值 5． 06，随后降低。周和平等［17］对干旱区滴灌多作物需水量及灌溉制度试验分析进行系统研究，取得了丰硕的作物需水量、灌溉制度研究成果。Doorenbose 和Pruitt［18］提出了不同气候条件下部分作物的作物系数和必要 性。Wright 和 Jensen［19］采用三次多项式，将作物系数曲线分成播种至完全覆盖和完全覆盖至收获两个大 的时段，并进行了详细的研究。Steele 等［20］以播后天数为变量，采用五次多项式进行回归，分析确定了玉米的作物系数曲线。长期以来，该问题的研究难点之一是缺乏有效的方法获取数量足够的、可靠的农田实 际蒸散量数据［21］。在新疆地区现有研究中，玉米的作物系数和水分生产函数研究较多，但缺乏长系列、系 统性的研究; 小麦需水规律和水分生产率的研究较多，但作物系数多年份的研究较少; 土豆、大豆的相关研究均在疆外区域开展，且尚未见谷子作物系数和水分生产率研究。

综上所述，新疆主要粮食作物系数和水分生产率的多年分、系统研究尚未建立，在气候条件变化的情 况下，主要粮食作物系数与气象因素相关性缺少研究成果，结合农业用水比重较大的现状，滴灌模式的使 用和推广会覆盖更多的作物，作物的水分生产率也将和以往不同，急需研究滴灌模式下主要粮食作物水分 生产率。文中以新疆 6 种主要粮食作物为研究对象，通过 3 年系统的灌溉试验，研究作物的作物系数和水分生产函数，为新疆灌区主要粮食作物需水量及产量计算、分析提供数据支撑。

1 材料与方法

1． 1 试验区概况

试验区位于昌吉市滨湖镇 13 户村，该地区年均降水量 181． 7mm、蒸发 1739． 1mm、日照时间 7． 8h，年均气温 13． 1℃ ，≥0℃ 积温 3834． 3℃ 以上。试区土壤为棕漠土，土壤质地属中 － 轻壤，表层 40cm 耕作层体积质量平均值 1． 45g / cm3 ; 耕作层田间持水率20% ～ 23% ; 地下水埋深 3． 5 ～ 4． 0m; 地表与地下水矿化度3

～ 4g / l 为弱咸水，土壤全盐含量小于 0． 2% ，无明显盐渍化; 耕作层土壤肥力属中等偏下水平。试区建有 2组共 48 个带地下廊道和防雨棚的有底测坑，每个测坑上面积 6． 67m2 ( 2m × 3． 33m) ，深 2． 75m，其中 1 组 24 个测坑安装有土壤水分、温度和盐分自动采集仪器。

1． 2 试验设计

2016 至 2018 年进行 6 种粮食作物滴灌试验，以灌水定额为唯一试验因素，设置 4 种水平( 300、375、

450、525m3 / hm2 ) ，重复 3 次，随机布设于试验测坑内。试验用滴灌系统供水，毛管间距 0． 6m，滴头间距 0．

2m，滴头流量 2． 1L / h，额定工作压力 0． 1Mpa。测坑试验小区内滴灌带铺设模式与大田一致。供试作物品种: 春小麦( 新春 6 号) ，水稻( 新稻 11 号) ，玉米( 华西 146) ，土豆( 费乌瑞它) ，谷子( SF 黄金谷) ，大豆( 95

－ 33) 。6 种作物滴灌试验，均以 1 条滴灌带供给 2 行作物用水的模式安排，春麦、旱稻、土豆、3 种作物均为无地膜覆盖滴灌，其他 3 种作物均为膜下滴灌方式。灌水时间按照当地轮灌的规律为 10 天一次，关键生育期为 5 天一次。

1． 3 试验过程

试验均在 4 月底完成播种( 干播湿出) ，每个处理小区固定埋设 2 处土壤含水率测管，采用 PＲ2 水分仪对 0 ～ 100cm 土层( 每层 20cm) ，每 5d 进行一次土壤含水率观测，灌水前、后加测。试验作物的品种、灌水时间、施肥种类、施肥方法和施肥量等农业技术均参照当地灌区常用的种植管理模式进行，主要施尿素 和速溶性滴灌肥( 含作物所需的各类养分) ，施肥 3 次分别在作物前期、中期及中后期实施，根据不同作物品种，施肥量在 375 ～ 450kg / hm2 。试验观测气象数据由田间自动气象站采集，作物成熟后每区人工收割脱粒晾晒干净后进行千粒质量、产量的测定。收获前后对土壤有机质、有效 N、P、K 取样分析。

1. 4 分析方法

作物系数按下式分析:

N

KC = ∑ETi / ET0i ( 1)

i = 1

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干 旱 区 资 源 与 环 境 第 35 卷

式中: KC 为作物系数; i 为作物生长的第 i 阶段; n 为作物生长划分的阶段数目; ETi 为作物生长的第 i

阶段需水量，mm; ET0i 为作物生长的第 i 阶段参考作物蒸发蒸腾量，mm。

ET = ET0 ·KC ( 2)

式中: ET 为作物需水量( mm) ; ET0 为参考作物蒸发蒸腾量( mm) ; KC 为作物系数。作物水分生产率，按下式分析:

η产 = Yi / E ( 3)

式中: Y 为某种作物单产( kg / hm2 ) ; E 为为该作物全生育期灌溉用水量( mm) 。

2 结果与分析

2. 1 作物系数分析

作物系数( Kc ) 按作物生长四个阶段划分: 1) 作物初始生长期: 从播种到作物覆盖率接近 10% ，此阶段作物系数为 KC1 。2) 作物快速发育期: 从覆盖率 10% 到充分覆盖，即大田作物覆盖率达到 70% ～ 80% ，此阶段作物系数为 KC2 。3) 作物生育中期: 作物生长从充分覆盖到成熟期开始，叶片开始发黄，此阶段作物系数为 KC3 。4) 作物成熟期: 从叶片开始变黄到作物生理成熟或收割，此阶段作物系数为 KC4 。

表 1 为 2016 － 2018 年，3 年各作物系数平均值，表现为以下规律:

( 1) 作物生长过程中作物系数变化表现为，初始生长期 KC1 小，快速发育期 KC2 开始增大，生育中期 KC3达到最大，成熟期 KC4 逐渐下降，作物系数总体表现前期由小到大，作物生长旺盛期最大，后期逐渐减小。 ( 2) 不同阶段作物系数大小有所不同，这是作物自身生物学特性反映，它与作物种类、品种、生育期以

及作物群体叶面积指数等因素有关。

表 1 6 种作物系数 KC 分析成果

Table 1 Ｒesults of crop coefficients analysis of 6 crops

作物不同生长阶段

年份 分析项目

初始生长期

KC1

快速发育期

KC2

生育中期

KC3

成熟期

KC4

全生育期

Kc

生长天数/ d 23 30 14 24 92

蒸腾量/( mm·d － 1 ) 5． 2 6． 17 5． 9 5． 73 5． 74

春麦 需水量/( mm·d － 1 ) 2． 59 6． 63 6． 55 2． 65 4． 51

作物系数 KC 0． 50 1． 08 1． 11 0． 47 0． 79

生长天数/ d 33 66 22 36 157

蒸腾量/( mm·d － 1 ) 5． 66 5． 83 4． 55 3． 64 5． 13

旱稻 需水量/( mm·d － 1 ) 4． 98 6． 55 5． 52 3 5． 26

作物系数 KC 0． 88 1． 12 1． 21 0． 82 1． 03

生长天数/ d 32 31 27 24 114

蒸腾量/( mm·d － 1 ) 4． 64 5． 54 5． 18 6． 22 5． 53

玉米 需水量/( mm·d － 1 ) 2． 85 5． 88 5． 75 4． 16 4． 83

作物系数 KC 0． 6 1． 05 1． 12 0． 66 0． 87

生长天数/ d 13 33 32 54 132

蒸腾量/( mm·d － 1 ) 5． 13 5． 49 5． 79 5． 52 5． 58

土豆 需水量/( mm·d － 1 ) 2． 49 5． 28 5． 84 2． 59 4． 14

作物系数 KC 0． 48 0． 95 1． 02 0． 47 0． 747

生长天数/ d 33 44 24 33 134

蒸腾量/( mm·d － 1 ) 5． 66 6． 16 6． 09 4． 82 5． 67

谷子 需水量/( mm·d － 1 ) 2． 75 5． 21 6． 05 2． 15 4． 0

作物系数 KC 0． 48 0． 85 0． 99 0． 45 0． 70

生长天数/ d 16 47 21 28 113

蒸腾量/( mm·d － 1 ) 5． 89 5． 7 5． 98 5． 77 5． 76

大豆 需水量/( mm·d － 1 ) 3． 95 5． 55 6． 29 2． 86 4． 78

作物系数 KC 0． 67 0． 98 1． 05 0． 50 0． 83

( 3) 作物系数随灌水定额和水分处理水平增加而增加，但作物系数在不同生长阶段大小变化分布特征相似。6 种作物各生育期阶段作物系数 0． 45 ～ 1． 21 间，全生育期 0． 70 ～ 1． 03 之间。春麦各生育期阶段作物系数 0． 50 ～ 1． 11 间; 旱稻各生育期阶段作物系数 0． 82 ～ 1． 21 间; 玉米各生育期阶段作物系数 0． 60

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～ 1． 12 间; 土豆各生育期阶段作物系数 0． 47 ～ 1． 02 间; 谷子各生育期阶段作物系数 0． 45 ～ 0． 99 之间; 大豆各生育期阶段作物系数 0． 50 ～ 1． 05 之间。较大或过量灌溉用水将会导致作物系数增大，由此，也反映出土壤水分过多和作物对水分无效消耗，则不利于灌溉节水。

( 4) 各作物系数在年内间的变化可以直接反映出作物的需水敏感期，本次试验 6 种作物的需水敏感期分别在快速发育期和生育中期，为满足作物水分需求，保障作物在营养生长向生殖生长转化过程中所需 的水分及养分，为高产打下基础。在初始生长期和成熟期，作物的需水量较其他 2 个阶段少，可以适当调整优化作物的配水，减少土壤蒸发，提高水资源的利用效率。

2． 2 作物系数与气象数据回归分析

通过对 3 年间 6 种作物年际间气象数据进行提取分析，选取对作物需水量影响较大的有效降水 P0 、

蒸发 W、气温 T 等气象因素与作物系数进行回归分析，拟合多元线性回归方程:

K = 325． 150 － 0． 205P + 0． 184W + 0． 957T，Ｒ = 0． 856＊＊ ，≥Ｒ = 0． 410

由拟合方程看出，有效降水量系数 － 0． 205，对作物系数产生负效应影响，说明有效降水量增加可减小作物系数，这与彭世彰研究结论相近［22］: 若降雨过于频繁，导致空气温度和辐射长期处于较低水平，使作物蒸发蒸腾量减小，从而使 Kc 减小。蒸发量系数 0． 184、气温系数 0． 957，对作物需水量正效应影响，说明蒸发和气温，尤其气温增加可以使作物系数增大。

表 2 作物系数与气象数据的相关分析Table 2 Correlation analysis between crop coefficients and meteorological data

表 3 试区滴灌作物 3a 平均灌溉水分生产效率Table 3 Three year average irrigation water production efficiency of drip irrigation in the test area

全生育期

灌溉定额

作物 ( mm)

产量水平

( kg·hm － 2 )

水分生产率

kg / ( hm2 ·mm)

大豆 61． 2 31． 5 1203． 0 23． 0 0． 83

2． 3 作物灌溉水分生产率分析

水分生产率，即单方水产出作物产量能力，单方水量产出多，说明水分生产效率好，表 3 为 6 种滴灌作物三年平均灌溉水分生产率。

由表 3 可知，春麦水分生产率 15． 2kg / ( hm2 ·mm) ; 旱稻水分生产率 7． 65kg / ( hm2 ·mm) ; 玉米水分生产率 28． 62kg / ( hm2 ·mm) ; 土豆水分生产率 81． 72kg / ( hm2 ·mm) ; 谷子水分生产率 20． 44kg / ( hm2 · mm) ; 大豆水分生产率 8． 68kg / ( hm2 ·mm) 。

由多年试验结果看出，在当地气候和灌溉水肥条件下，因作物品种、灌溉需水量不同使得水分生产率差异较大，6 种滴灌作物水分生产率范围 7． 65 ～ 81． 72kg / ( hm2 ·mm) ，灌溉水分生产率相对小的作物为旱稻，最大为土豆，水分生产率由小到大顺序为: 旱稻、大豆、春小麦、谷子、玉米，土豆。

3 讨 论

文中春麦作物系数变化规律与牟洪臣等人研究相近［6 － 7］，在取值方面与程裕伟、牟洪臣等人不同，文中数据表现出更为系统、更加综合，主要因为多年份试验能够降低气候、土壤以及误差等因素的影响。由 于疆内未见旱稻、谷子、土豆的作物系数、水分生产率相关研究，李金华等人［23］在甘肃张掖地区研究表明土豆的作物系数最大值出现在作物生育中后期，年平均为 0． 83。陈秋帆［24］研究了云南地区土豆作物系数最大值出现在块茎形成和块茎膨大期，年平均为 0． 75。毛洪霞［25］在准噶尔盆地南缘区研究了大豆的作物系数和水分生产率变化规律，作物系数苗期小，鼓粒期达到最大，全生育期为 0． 88，灌水量为 4455m3 / hm2 时，水分生产率为 1． 10kg / m3 ; 潘永霞等人［26］在内蒙古研究的膜下滴灌条件下谷子的作物系数为 0． 84，水分生产率为 17． 6kg / ( hm2 ·mm) ; 彭世彰［27］研究了覆膜旱作水稻综合作物系数，其值为 1． 05，以上研究结果均与文中研究结果相近。降雨量对 KC 的影响原因比较复杂，有研究认为降雨量较少时需要进

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干 旱 区 资 源 与 环 境 第 35 卷

行多次灌溉，灌溉一般在天气晴朗时进行，此时土壤蒸发作用加强，且经过一段时间缺水的作物在恢复水层厚度后蒸腾量明显提高，导致作物 ET 明显增大［28］，从而导致 K 增大。为减小气象因素对作物系数的影响，文中作者建议使用通过试验获得的多年平均 KC 值。目前疆内缺少多站点、多年份、多种作物系数和水分生产函数成果的研究分析，这也将是下一步灌溉试验工作的方向。

4 结 论

( 1) 由 6 种滴灌作物系数多年监测分析结果表明，作物系数表现出前期由小到大，作物生长旺盛期达到最大，后期逐渐减小。6 种作物各生育期阶段作物系数 0． 45 ～ 1． 21 间，全生育期 0． 70 ～ 1． 03 之间。灌水定额和水分处理水平增加，对作物系数有增加的影响。

( 2) 有效降水量对作物系数产生负效应影响，蒸发量、气温对作物需水量正效应影响，说明有效降水量增加可减小作物系数，而蒸发和气温增加可以使作物系数增大。

( 3) 同一作物，随着灌水定额试验处理水平增加，产量和灌溉水量同步增加，而水分生产率则同步递减，高水分处理试验结果表现为灌溉水量增加而产量却相应减少。可见，作物水分生产率并非愈大愈好， 它具有适宜合理区间。本次试验中不同作物水分生产率合理区间为占田间持水量的 65% ～ 80% 。

( 4) 本次试验 6 种作物的需水敏感期分别在快速发育期和生育中期，通过生育期内部水量优化配置， 可以提高水资源的利用效率。

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Experiment on crop coefficient and water productivity of main grain crops un- der drip irrigation in Xinjiang

ZHAI Chao1 ，ZHANG Na2 ，XIAO Yang1 ，ZHOU Heping2 ，XIAO Chonghua2 ，MENG Yuchen2

( 1． Xinjiang Uygur Autonomous Ｒegion Institute of Survey and Design of Water Conservancy and Hydropower，Urumqi 830000; 2． Xinjiang Uygur Au- tonomous Ｒegion Water Conservancy Management Station，Urumqi 830000，China)

Abstract: Through the 3a plot tests，the change law of crop coefficient and water productivity of major grain crops in Xinjiang under drip irrigation was found out，which could provide scientific test data and decision － making basis for improving water resource utilization efficiency，strengthening water management in irrigated are- as，and compiling comprehensive river basin planning． The plot experiment method was used to set irrigation quota at four levels ( 300m3 / hm2 ，375m3 / hm2 ，450m3 / hm2 ，525m3 / hm2 ) for six grain crops，including wheat， upland rice，corn，potato，millet and soybean． In the irrigation experiment scheme，the water demand of crops in each treatment year was measured by the measuring pit sensor，and the reference evapotranspiration of crops was calculated by meteorological data，and the relationship between yield and irrigation amount was analyzed by seed test and yield measurement． Ｒesults showed that under the condition of drip irrigation，the crop coefficients of 6 crops in each growth stage ranged from 0． 45 to 1． 21，and the whole growth stage ranged from 0． 70 to 1． 03． The water productivity of the six crops ranged from 7． 65 to 81． 72kg / ( hm2 ·mm) ． The water demand sensitive period of each crop is in the rapid development stage and the middle growth stage respectively． This study found out the main rules of crop coefficient and water productivity of major grain crops in Xinjiang under drip irrigation， and provided scientific data support for promoting the construction of modern irrigated areas and efficient water － saving in the fields．

Key words: drip irrigation; food crops; crop coefficient; water productivity