Hans Journal of Agricultural Sciences
Vol. 08  No. 10 ( 2018 ), Article ID: 27051 , 13 pages
10.12677/HJAS.2018.810165

Experimental Analysis of Drip Irrigation Multi Crop Water Requirement and Irrigation System in Arid Area

Heping Zhou1,2, Chao Zhai1,2, Chonghua Xiao1, Jian Zhao1,2

1Xinjiang Water Conservancy Management Center, Urumqi Xinjiang

2Xinjiang Irrigation Center Test Station, Changji Xinjiang

Received: Sep. 12th, 2018; accepted: Sep. 23rd, 2018; published: Sep. 30th, 2018

ABSTRACT

The irrigation technology with the main mode of drip irrigation under the film is applied in the arid Xinjiang irrigation area. The irrigation system of a variety of crops in the drip irrigation area has not been systematically established. This paper is based on the advanced underground corridor type test pit test shed test facilities, using the irrigation quota single factor 4 levels and the random area group field irrigation experiment scheme. 12 kinds of crop water demand and irrigation system test were carried out synchronously. The results showed that the quota of water demand and irrigation water was 412 mm and 390 mm; dry rice was 829 mm and 933 mm; millet was 539 mm and 573 mm; potatoes were 560 mm, 510 mm: soybean was 559 mm, 557 mm; rape was 469 mm, 533 mm; sunflower flower was 515 mm and 530 mm; beet is 492 mm and 515 mm; melon is 510 mm and 467 mm; tomato is 533 mm and 519 mm; carrot is 468 mm and 486 mm; alfalfa is 608 mm and 570 mm. The experimental analysis results provide technical support for water saving irrigation quota management in irrigation area.

Keywords:Drip Irrigation in Arid Area, 12 Crops, Water Requirement, Irrigation System, Experiment

干旱区滴灌多作物需水量及灌溉制度试验分析

周和平1,2,翟超1,2,肖重华1,赵健1,2

1新疆水利管理总站,新疆 乌鲁木齐

2新疆灌溉中心试验站,新疆 昌吉

收稿日期:2018年9月12日;录用日期:2018年9月23日;发布日期:2018年9月30日

摘 要

以膜下滴灌为主模式的灌溉技术在干旱新疆灌区大面积应用,针对滴灌区多种作物灌溉制度尚未系统建立应用问题,该文基于先进的地下廊道式测坑防雨棚测验设施,采用灌水定额单因素4水平,随机区组田间灌溉试验方案,系统性同步实施滴灌12种作物需水量及灌溉制度试验,结果表明:春麦需水量和灌溉用水定额为412 mm、390 mm;旱稻为829 mm、933 mm;谷子为539 mm、573 mm;土豆为560 mm、510 mm:大豆为559 mm、557 mm;油菜为469 mm、533 mm;葵花为515 mm、530 mm;甜菜为492 mm、515 mm;打瓜为510 mm、467 mm;蕃茄为533 mm、519 mm;胡萝卜为468 mm、486 mm;苜蓿为608 mm、570 mm,试验分析结果为灌区节水灌溉定额管理提供技术支撑。

关键词 :干旱区滴灌,12种作物,需水量,灌溉制度,试验

Copyright © 2018 by authors and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

1. 引言

截止2016年新疆地方系统膜下滴灌229万hm2,占总灌溉面积46% [1] ,膜下滴灌成为干旱区农业高效用水主模式,在农业灌区滴灌水肥调控、节水增产、水资源总量与定额管理,社会经济生态协调发展方面发挥着重要作用。灌区种植作物约30种,但主要种植小麦、水稻、玉米、棉花、豆类、谷子、薯类、葵花、油菜、甜菜、瓜类、蔬菜、苜蓿13种作物,其中棉花、小麦、玉米、蔬菜4类占播种面积的85%以上 [2] 。目前,滴灌技术已广泛应用于灌区大田几乎所有作物,近年来,除滴灌棉花、玉米以外,灌区大尺度范围5种粮作(春麦、旱作水稻、土豆、谷子、大豆);4种经作(油菜、葵花、甜菜、打瓜);2种蔬作(工业番茄、胡萝卜);饲草苜蓿12种大宗作物高效节水灌溉制度尚未建立,加快滴灌多作物灌溉制度试验应用尤显重要。

天山北坡准噶尔盆地南缘区膜下滴灌玉米灌溉水量试验 [3] 结果3570~6370 m3/hm2,产量达13,061~14,929 kg/hm2。魏永霞等 [4] 进行玉米滴灌调亏、充分灌溉试验表明,苗期轻度调亏,产量比对照降低7.89%、节水8.26%、水分利用效率提高33%;苗期中度调亏,产量比对照增加5.20%、节水16.71%、水分利用效率提高26.25%,玉米苗期适宜水分亏缺是一种有效的灌溉制度 [5] [6] [7] 。基于滴灌条件以玉米试验,进行有关产量、耗水量及灌水量试验,分析灌溉水生产效率及灌溉制度 [8] 。连续3年新疆准噶尔盆地南缘区膜下滴灌棉花试验表明,棉花生育期耗水量450~625 mm,不同年份气温对棉花生育阶段需水量影响较大,水分生产率随着灌水量呈现先增后降变化。赵自明 [9] 对春小麦、玉米间作进行试验,建立了滴灌次数、滴灌定额与作物产量及灌溉水分生产率函数,试验分析得出间作种植的小麦和玉米滴灌优化灌溉制度。水稻是一种喜水性作物,传统灌溉用水量达1800 mm,采用农业节水具有较大潜力,通辽市灌区经试验数据分析水稻膜下滴灌最优灌溉制度 [10] ,新疆干旱区膜下滴灌水稻种植,在滴灌穴播机技术 [11] 、水稻苗期生长黄枯病害发生机理 [12] 、膜下滴灌水稻除草剂效果 [13] 等方面,多有试验研究报道。近年新疆博州灌区对谷子滴灌播前准备、适期播种、田间管理、病虫害防治等栽培技术方面进行了研究 [14] ,内蒙阿拉善绿洲灌区膜下滴灌谷子水氮肥试验表明,拔节期需水量最大,适宜灌溉定额504 mm,水分生产率0.91 kg/m3,膜下滴灌谷子氮肥最佳施用量180 kg/hm3 [15] [16] 。张恒嘉等 [17] 对膜下滴灌马铃薯进行灌溉试验表明,马铃薯块茎形成期水分轻度调亏水分利用效率最高,比块茎膨大期中度调亏、淀粉积累期轻度调亏和全生育期充分供水分别提高36%、32%和14%,块茎形成期轻度调亏不会降低马铃薯产量,但尚未对滴灌马铃薯灌溉制度分析。黑龙江西部半干旱区滴灌大豆不同水分处理试验表明,滴灌大豆适宜灌水量109 mm [18] ,复播大豆高产节水适宜膜下滴灌水量336 mm [19] ,彭辉等 [20] 介绍了新大豆8号品种的膜下滴灌高产栽培技术栽培管理技术,洪明等 [21] 经大田小区试验对核桃间作滴灌大豆耗水规律进行研究表明,间作滴灌大豆生育期耗水量277 mm,较非间作滴灌大豆耗水量减小26.5%,尚未分析灌溉定额。西宁市北郊川水地滴灌春油菜水肥试验表明 [22] ,滴灌油菜最佳施肥量N量74.2 kg/hm2、P2O5为65.0 kg/hm2、K2O为31.2 kg/hm2,最高产量2863 kg/hm2,尚未见滴灌油菜灌溉制度试验。郑凤杰等 [23] 以盆栽探讨不同微咸水滴灌对食用葵花生长影响,当微咸水矿化度较低水平(≤3.5 g/L)时,对葵花产量影响较小的同时,微咸水可提高改善作物籽实营养品质,滴灌葵花水肥灌溉试验尚未见报道。樊福义等 [24] 进行高寒干旱区膜下滴灌甜菜灌溉制度试验,生育期有效降雨量350 mm正常年份情况下,膜下滴灌甜菜灌水四次,灌溉定额180 mm。新疆阿勒泰地区打瓜滴灌耗水量进行田间试验表明,开花坐果期耗水大于中期、后期 [25] ,滴灌条件下打瓜、蕃茄 [26] 、胡萝卜多见于农业栽培及生物量技术研究,需水量及灌溉制度试验国内文献尚未见报道。浅埋式滴灌苜蓿需水及灌溉制度近年有所研究, [27] 试区浅埋式滴灌苜蓿适宜灌水定额45 mm、灌水周期7~10 d, [28] 地埋滴灌紫花苜蓿灌水量和滴灌带埋深试验结果表明,滴灌带埋深20 cm,灌水定额22~30 mm,灌水周期5~7 d。

综上,国内滴灌棉花、玉米等作物水肥灌溉试验较多,其他作物需水量及灌溉制度试验分析较少,甚至有些作物尚未见有相关研究报道,本研究基于先进的地下廊道式测坑灌溉试验设施,采用统一的灌溉试验设计方案,系统性同步开展滴灌12种作物需水量及灌溉制度试验,以期减少试验周期、节时省费、提升试验效率 [29] ,为干旱新疆灌区多作物滴灌节水灌溉制度提供支撑。

2. 材料与方法

2.1. 试区概况

试区位于新疆灌溉中心试验站(昌吉滨湖镇13户村)占地面积6.67 hm2,87˚18'E、44˚01'N,海拔600 m。地处天山北坡带头屯河流域冲积、洪积南缘,多年平均降水181.7 mm、蒸发1739.1 mm、日照7.8 h,气温13.1℃,≥0℃积温3834.3℃以上,属典型内陆干旱气候。试区分布棕漠土,质地为中、轻壤土,0~120 cm土壤干容重1.46~1.65 g/cm3,耕作层1.50~1.60 g/cm3,0~120 cm田间持水量(干土重) 18.8%~23.9%,耕作层20.1%~23.4%。地下水埋深3.0~4.5 m,供水井1眼单井出流量126 m3/h,地表与地下水矿化度分别为0.2、0.6 g/L,耕层土壤全盐0.12%无盐渍化,土壤pH值8.7碱性。耕作层土壤有机质1.51%,土壤全氮、全磷、全钾分别为0.09%、0.07%、1.51%,有效氮、磷、钾,分别为0.0054%、0.0069%、0.0479%,肥力中偏下,表现缺氮少磷钾富特点。试区自动气象观测站1处,图1为地下廊道防雨棚式灌溉试验测坑设施,试区共有2组试验测坑,其中1组可进行土壤水分、温度、盐分(电导率)自动采集,测坑总面积6 04 m2,48个测坑小区面积6.67 m2

2.2. 试验设计

2016至2017年进行12种作物滴灌试验,以灌水定额单因素 [30] 安排4种不同处理水平,以随机区组法进行田间试验(表1),作物品种、每次灌水时间、施肥种类、方法和施肥量等农业技术参照当地灌区种植管理。试验用滴灌系统灌溉方式,毛管间距0.6 m,滴头间距0.20 m,滴头流量2.1 L/h,额定工作压力0.1 Mpa。采用地下廊道防雨棚式灌溉试验测坑设施,每个测坑试验小区可控制地下水、土壤水侧渗和降

Figure 1. Underground corridor canopy irrigation test pit facilities

图1. 地下廊道防雨棚式试验测坑设施

Table 1. Level design of crop irrigation test factors

表1. 作物灌溉试验因素水平设计

水影响,每个测坑试验小区面积6.67 m2,测坑试验小区内滴灌带铺设与大田一致。

2.3. 试验过程

供试春小麦(新春6号),水稻(新稻11号),土豆(费乌瑞它),谷子(SF黄金谷),大豆(95-33),油菜(塔油2号),葵花(高油王DK567),甜菜(丰甜2号),打瓜(SWBB-01),蕃茄(利丰早熟),胡萝卜(驰诚黄),苜蓿(紫花)。作物播时播量、栽培方式、施肥(药)种类数量等农业技术,均按当地大田作物生产管理,12种作物主要施尿素和速溶性二铵滴灌肥,施肥3次分别在作物前期(5月上旬)、中期(6月中旬)及中后期(7月上旬)实施,施肥量375~450 kg/hm2。12种作物滴灌试验,均以1条滴灌带(毛管) 2行作物播种,春麦、水稻、土豆、油菜、胡萝卜、苜蓿6种作物,均无地膜滴灌,其他6种作物均为膜下滴灌方式。试验观测气象数据由田间自动气象站采集,试验处理小区灌溉水量由水表控制计量,每个处理小区固定埋设2处土壤含水率测管,用PR2水分仪结合取土样烘干法对0~100 cm土层(每层20 cm),每3 d进行土壤含水率观测,灌水前、后加测。12种作物不同生育阶段,采用小区1 m2样点3处取均值观测生育期(作物生育期以不同作物生育生理有50%变化量发生的时间)、群体密度、株高、叶面积动态,作物成熟后每区人工收割脱粒晾晒干净后进行千粒重、产量考种。为了解收获前后土壤理化状态,进行容重、田间持水量、小区耕层土壤有机质、有效N、P、K取样分析。

2.4. 分析方法

作物需水量利用试验小区实测土壤含水率,按下式分析:

E T = 10 i = 1 n γ i H i ( W i 1 W i 2 ) + M + P + K C (1)

式中ET为作物生长阶段需水量,mm;i为土壤层次号数;n为土壤层次总数目;γi为第i层土壤干容重,g/cm3

Hi为第i层土壤厚度,cm;Wi1为第i层土壤在时段始含水率,% (干土重);Wi2为第i层土壤在时段末含水率,% (干土重);M为时段内的灌水量,mm;P为时段内的降水量,mm;K为时段内的地下水补给量,mm,在有底坑或地下水位 ≥ 3 m条件下,K = 0;C为时段内的排水量,mm,地表排水与下层排水之合。

作物需水强度按下式分析:

F = i = 1 n m i / N i (2)

式中F为作物需水强度,mm/d;i为作物生长的第i阶段;n为作物生长划分的阶段数目;mi为作物生长的第i阶段需水量,mm;Ni为作物生长的第i阶段天数,d。

有效雨量以实际观测,按下式分析:

P 0 = 1 0 γ H ( W 2 W 1 ) + ( E T d K d ) t (3)

式中P0为有效雨量,mm;γ为土壤干容重,g/cm3;H为根系吸水层深度,cm;t为前后两次测定土壤含水率相隔时间,d;ETd为时段内日平均蒸发蒸腾量,mm/d;Kd为t时段内旱田日平均地下水有效补给量,mm/d;W1、W2为降雨前、后测得土壤含水率,% (占干土重)。

本文有效雨量 [31] 范围0.35~0.52取值0.41。

试验相关要素与目标关系分析,采用多元线性模型以最小二乘法拟合:

y = k 0 + k 1 x 1 + k 2 x 2 + + k n x n (4)

式中y为分析目标;kn为回归系数。

灌溉制度优化分析按下式:

y = a + b x i + c x i 2 (5)

式中y为作物产量,kg/hm2;xi为对试验产量有影响的观测参数;a、b、c为经验系数。

对式(5)一阶导数并令其等于0:

d y / d x i = b + 2 c = 0 ( c < 0 ) (6)

用SPSS19.0对试验数据进行方差F显著性检验,采用Excel 2007绘制图表。

3. 结果与分析

3.1. 作物需水量

基于试验作物生长期动态及土壤水分观测信息,应用式(1)~(2)得12种作物生长阶段及生育期需水量,由表2结果看出,春小麦生育期年均需水量和需水强度分别为412.46 mm、4.51 mm/d;旱稻分别为829.04 mm、5.28 mm/d;谷子分别为538.66 mm、4.07 mm/d;土豆分别为559.65 mm、4.22 mm/d:大豆分别为559.41 mm、4.91 mm/d;油菜分别为469.17 mm、4.81 mm/d;葵花分别为515.07 mm、4.10 mm/d;甜菜分别为492.60 mm、3.45 mm/d;打瓜分别为510.39 mm、4.07 mm/d;蕃茄分别为532.57 mm、4.43 mm/d;

Table 2. Water requirement analysis of 12 crops in the same period

表2. 同期试验12种作物需水量分析

胡萝卜分别为468.17 mm、3.92 mm/d;苜蓿分别为607.61 mm、4.18 mm/d。结果表明,即使相同滴灌模式和试验方案条件下,不同作物需水量和需水强度有较大差异。

图2可知,12种作物需水量和需水强度范围分别为413 mm~829 mm、3.45 mm/d~5.28 mm/d之间,春麦需水量相对小,旱稻最大,需水量由小到大顺序为:春麦、油菜、胡萝卜、甜菜、打瓜、葵花、番茄、春玉米、谷子、棉花、土豆、大豆、苜蓿、旱稻。甜菜需水强度相对小,旱稻最大,由小到大顺序为:甜菜、胡萝卜、打瓜、谷子、葵花、苜蓿、土豆、番茄、春麦、油菜、大豆、旱稻。

Figure 2. Water demand for 12 crops in the same period from small to large

图2. 同期12种作物需水量由小至大排序

3.2. 气候对需水量影响

基于试验区田间自动化气象观测站数据,获得12种作物生长期主要气象因素及作物需水量(表3)信息,应用式(3)~(4)进一步分析有效降水P0、蒸发W、气温T与需水量M关系,经拟合多元线性回归方程为:

M = 273.14.70 0.195 P 0 + 0.199 W + 0.741 T ( R ( 36 , a = 0.01 ) = 0.756 * * > R u = 0.418 )

由拟合方程分析看出,滴灌作物试区,有效降水量P0系数−0.195,对作物需水量M具有负效应影响,说明有效降水量可以减少作物需水量,对作物需水有着补给作用;蒸发量W系数0.199,气温T系数0.741,对作物需水量M表现正效应影响,说明蒸发、气温尤其是气温增量变化对作物需水量影响大,反映了降水少、气温高、蒸发强烈的干旱区与灌溉农业作物需水关系。

3.3. 作物灌溉制度

3.3.1. 作物灌溉制度试验

表4为灌水定额单因素四种处理水平,同期12种滴灌作物灌溉制度试验结果,由试验分析可以看出,旱作水稻灌水次数多17~18次,灌溉定额525~915 mm较大,试验产量3600~8460 kg∙hm−2;其它滴灌作物第一水滴灌采用“干播湿出”方法。春小麦灌水8次,在灌溉用水量较高的处理4水平下,灌溉定额420 mm,试验产量5250 kg∙hm−2,油菜、葵花、打瓜、蕃茄、胡萝卜5种作物灌溉定额小于600 mm;土豆、谷子、大豆、甜菜、油菜、苜蓿,灌溉定额605~657 mm。

3.3.2. 灌溉制度优化分析

基于12种作物滴灌试验观测的土壤湿度β (占田间持水量的%),以及表4试验作物灌水定额m (mm)、灌溉定额M (mm)、作物试验产量y (kg/hm2)信息,以式(5)建立滴灌试验作物灌溉制度优化分析的拟合函数见表5所示,从拟合函数结果看出,12种滴灌作物观测分析因素与试验作物产量之间呈非线性多项式模型,总体拟合效果较好,采用式(6)对12种滴灌试验作物灌溉制度进行优化分析结果见表6图3

由分析研究成果看出,通过作物试验处理设计及试验观测获取相关信息优化分析,进一步明确了12种作物灌溉制度适宜技术指标:春小麦灌水8次,适宜土壤湿度71%,灌水定额46.5 mm,灌溉定额390 mm;旱作水稻灌水18次,适宜土壤湿度80%,灌水定额52.5 mm,灌溉定额933 mm;土豆灌水11次,适宜土壤湿度69%,灌水定额43.5 mm,灌溉定额510 mm;谷子灌水11次,适宜土壤湿度72%,灌水定额46.5 mm,灌溉定额573 mm;大豆灌水11次,适宜土壤湿度71%,灌水定额45 mm,灌溉定额557

Table 3. Relationship between meteorological factors and water requirement during different crop growth stages

表3. 不同作物生育期气象因素与需水量关系

Table 4. Experimental results of irrigation system for different crops in drip irrigation

表4. 滴灌不同作物灌溉制度试验处理结果

mm;油菜灌水9次,适宜土壤湿度72%,灌水定额46.5 mm,灌溉定额533 mm;葵花灌水10次,适宜土壤湿度73%,灌水定额48 mm,灌溉定额530 mm;甜菜灌水11次,适宜土壤湿度69%,灌水定额45 mm,灌溉定额515 mm;打瓜灌水10次,适宜土壤湿度66%,灌水定额42 mm,灌溉定额467 mm;蕃

Table 5. Optimization analysis model of irrigation system for drip irrigation

表5. 滴灌作物灌溉制度优化分析模型

注:相关系数临界值R(45%) = 0.81;R(41%) = 0.92,“**”表示极显著;“*”表示显著。

Table 6. Optimal irrigation system for drip irrigation crops

表6. 滴灌作物优化灌溉制度

茄灌水11次,适宜土壤湿度73%,灌水定额46.5 mm,灌溉定额519 mm;胡萝卜灌水11次,适宜土壤湿度69%,灌水定额43.5 mm,灌溉定额486 mm;苜蓿灌水12次,适宜土壤湿度70%,灌水定额45 mm,灌溉定额570 mm。

从以上灌溉制度优化分析结果看出,12种滴灌作物灌水定额普遍45~53 mm,而目前农田作物滴灌设计应用多以30~45 mm较小的灌水定额,从作物灌溉用水需求结合试验研究认为,较小灌水定额可适于砂质或粉沙等保水保肥性相对较低的土壤质地,对于壤质类土壤质地作物滴灌宜用较大灌水定额,这样符合作物滴灌局部灌溉用水特征,既可保持土壤水分有效贮存利用,也能适当减少灌水次数,还可获得节水增产效果。

Figure 3. Optimal irrigation system for 12 kinds of drip irrigation crops in the same period

图3. 同期12种滴灌作物优化灌溉制度

4. 结论与讨论

4.1. 结论

经2016至2017年滴灌田间试验分析,初步获得12种滴灌作物与灌溉制度相关的需水量、灌溉定额参数:春小麦为412 mm、390 mm;旱稻为829 mm、933 mm;谷子为539 mm、573 mm;土豆为560 mm、510 mm:大豆为559 mm、557 mm;油菜为469 mm、533 mm;葵花为515 mm、530 mm;甜菜为492 mm、515 mm;打瓜为510 mm、467 mm;蕃茄为533 mm、519 mm;胡萝卜为468 mm、486 mm;苜蓿为608 mm、570 mm,为灌区滴灌多种作物实施农业节水定额管理制度提供了参考依据。

4.2. 讨论

本试验取得了初步效果但尚需进一步研究:1) 鉴于灌溉农业气候年际变化差异性,尚需对12种作物进行周期性连续试验,以期获得较长系列成果。2) 为发挥区域试验对灌区指导应用,尚需从定额管理、总量控制层面综合考虑,充分利用试验基础信息,采用地学等数理统计分析检验,进一步拓展研究应用。

基金项目

新疆水利科技专项(G201601)资助。

文章引用

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