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第 38 卷 第 21 期 农 业 工 程 学 报 Vol.38 No.21 60 2022 年 11 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Nov.2022 圆形喷灌机变量灌溉效益的田间试验评估 李秀梅，赵伟霞，李久生，栗岩峰（中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100048）摘 要：科学的变量灌溉（Variable Rate Irrigation，VRI）水分管理方法是实现 VRI 技术适时适量适位水量空间分配功能和提高作物水分利用效率（Water Use Efficiency，WUE）的关键。为研究变量灌溉水分管理方法的灌溉效益，以冬小麦和夏玉米为供试作物，基于土壤可利用水量（Available soil Water holding Capacity，AWC）将试验田块划分为 4 个管理区，每个管理区划分为 4 个子区，分别布置 2 种常规喷灌管理（Uniform Rate Irrigation，URI）方法和 2 种 VRI 管理方法，对比评估了 VRI 水分管理方法在节水、增产、提高 WUE，以及改善作物株高、叶面积指数（Leaf Area Index，LAI）、产量和 WUE 空间分布均匀性方面的效果。结果表明，基于各管理区灌水上限值制定变量灌溉处方图并根据气象预报降雨量等级适当减少灌水量的 VRI 水分管理方法最优。与常规喷灌相比，最优 VRI 水分管理方法条件下，冬小麦节水 36%，WUE 提高 12%；夏玉米节水 40%，WUE 提高 29%。VRI 与常规喷灌的冬小麦、夏玉米产量均未产生显著差异，VRI 水分管理方法对作物株高、LAI、产量、WUE 空间分布均匀性也无明显影响。研究可为大型喷灌机 VRI 管理决策支持系统的建立提供依据。关键词：灌溉；土壤水分；降水；作物；精准农业；静态处方图；产量；水分利用效率 doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.21.008 中图分类号：S274.3 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2022)-21-0060-07 李秀梅，赵伟霞，李久生，等.圆形喷灌机变量灌溉效益的田间试验评估J.农业工程学报，2022，38(21)：60-66.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.21.008 http:/www.tcsae.org Li Xiumei,Zhao Weixia,Li Jiusheng,et al.Field study on the benefits of the variable rate irrigation strategies for a center pivot systemJ.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2022,38(21):60-66.(in Chinese with English abstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.21.008 http:/www.tcsae.org 0 引 言 合理的变量灌溉（Variable Rate Irrigation，VRI）水分管理方法是实现变量灌溉技术适时、适量、适位水量空间分配功能，提高水分利用效率（Water Use Efficiency，WUE）的关键措施1-3。变量灌溉技术节水增产及环境效应研究不充分，同时变量灌溉管理较常规喷灌复杂，导致变量灌溉推广应用速度缓慢2,4。建立适宜的变量灌溉水分管理方法并将其作为变量灌溉管理决策支持系统重要组成部分进行软件开发，是实现变量灌溉技术自动化管理、用户一键式操作和 VRI 系统推广应用的重要发展方向5-6。由于目前变量灌溉系统的使用主要处在科研层面，应用案例较少，因此 VRI 技术效益评估大多基于模型模拟和田间 VRI 管理与常规喷灌（Uniform Rate Irrigation，URI）管理的对比实现。基于作物生长模型和土壤水量平衡模型的模拟研究结果表明，与常规喷灌相比，VRI 技术节水 026%4,7-10。由于模型模拟研究普遍忽略了灌溉 收稿日期：2022-05-28 修订日期：2022-08-10 基金项目：国家自然科学基金面上项目基金项目（51979289）；流域水循环模拟与调控国家重点实验室自由探索课题项目（SKL2022TS03）作者简介：李秀梅，博士生，研究方向为节水灌溉理论与技术。Email： 通信作者：李久生，研究员，博士生导师，研究方向为节水灌溉理论及技术。Email： 系统实行 VRI 管理的时间限制，假设可以随时灌溉，并假定用户熟识水分生产函数、作物腾发规律以及土壤特性等参数，模拟得到的作物水肥响应和节水增产等效果与实际情况仍存在一定差异。自 2006 年开始，VRI 节水增产效益评估从模拟研究逐步扩展到了田间试验研究11-13。不同生态区作物和水分管理方法间的田间试验研究结果表明，VRI 在改善轻质土壤中作物产量及其空间分布均匀性14、增产调质15-16及减少水氮淋失17-18等方面发挥了优势，同时也有一些田间试验研究结果指出，VRI 在节水、增产和提效等方面优势不够明显11,19-21。因为VRI技术的效益评估均以URI处理为对照，VRI技术的节水增产效益与对照处理的选择及其管理模式密切相关。例如，Oliveira 等8模拟研究表明，当使用面积加权平均土壤可利用水量（Available soil Water holding Capacity，AWC）的面积加权平均值制定 VRI 灌溉制度时，VRI 和 URI 处理的灌水量无显著差异；当 VRI 处理灌溉制度基于最低 AWC 管理区制定时，VRI 处理的马铃薯产量最高。另外，VRI 效益与气候条件密切相关。Evans等22认为，在干旱半干旱气候条件下，VRI 的潜在效益主要集中在使用非充分灌溉解决长期的干旱缺水问题，而湿润半湿润地区则包括充分利用作物生育期内时空变异性较大的降水，尽可能将短期作物受旱引起的减产损失降到最低。本文作者所在团队根据华北平原冬小麦、夏玉米生育期内降水量的不同，以及整个田块内土壤持水能力的空间变异性，自 2013 年开始应用自主研发的国第 21 期 李秀梅等：圆形喷灌机变量灌溉效益的田间试验评估 61 内首套 VRI 系统开展田间试验研究10，2017 年基于土壤水分空间变异的 VRI 管理对作物产量及节水效果的研究表明，不同管理区基于相同下限不同灌水日期的 VRI 管理方法节水增产效益并不明显20；2018 年针对半湿润气候条件下的夏玉米，提出了综合利用土壤特性和未来降水预报信息的 VRI 实时水分管理方法23；2019 年针对半干旱气候条件下的冬小麦，以整个田块 WUE 最高为目标，提出了非充分 VRI 管理方法，获得了不同管理区的适宜变量灌水比例24，但是这种基于不同管理区作物水分生产函数推荐变量灌水比例的方法需要结合具体的土壤、作物、气候条件开展试验，缺乏直接推广应用性。为了实现 VRI 管理决策支持系统的开发，需要提供具有普适性的水分管理方法。因此，从充分挖掘不同分区作物水分生产潜力和节能的角度出发，本文提出了在同一灌水日期基于各管理区适宜灌水上下限值进行 VRI管理的理念，以最小 AWC 区的土壤含水率和整个田块内的平均土壤含水率为基础的 URI 水分管理，以作者团队提出的上述冬小麦和夏玉米 VRI 水分管理方法为对照，一方面通过作物生长响应验证基于各管理区适宜灌水上下限值进行 VRI 管理的可行性，另一方面对比评估不同VRI 水分管理方法的节水增产效益，以期为大型喷灌机VRI 管理决策支持系统的建立提供依据。1 材料与方法 1.1 试验区概况 试验在河北省涿州市东城坊镇进行（3927N，11551E，海拔 42 m）。该试验场位于河北省中部，属暖温带半湿润季风区，大陆性季风气候特点明显。多年平均降水量 563.3 mm，其中 79 月份夏玉米生育期降水量约占全年降水量的 70%，年平均温度 11.6，试验场地质构造属太行山山洪冲积扇。试验区为圆形喷灌机 VRI 系统控制区域的 1/4，面积1.64 hm2。将试验区用 12 m12 m 的网格（110 个）剖分取样测量后，基于 AWC 将试验区划分为 4 个管理区，如图 1 所示。14 区 00.6 m 田间持水量 c1（c1中 c为田间持水量，1 为管理区，下同）、c2、c3、c4分别为 0.21、0.22、0.23 和 0.25 cm3/cm3，整个田块的平均 c为 0.23 cm3/cm3；14 区 01.0 m 深度 AWC 变化范围依次为 152161、161171、171185、185205 mm。土壤性质沿垂直剖面表现出不同的分层特征，1区土壤砂粒体积百分数随深度增加呈明显增加趋势；2 区土壤砂粒和黏粒体积百分数随深度变化较小；3 区 0.20.4 m 土层存在明显的黏土夹层；4 区 40 cm 以下土层主要为南水北调管道工程开挖后回填的砂砾石25。土壤类型（美国制）以壤土（58%）和砂壤土（40%）为主。1.2 试验设计 供试作物分别为冬小麦（Triticum aestivum L.，济麦22）和夏玉米（Zea mays L.，郑单 958）。冬小麦行距 15 cm，播种量为 375 kg/hm2，2017 年 10 月 12 日播种，2018 年6 月 9 日收获。夏玉米于 2018 年 6 月 16 日播种，行距60 cm，株距 21 cm，9 月 26 日收获。冬小麦和夏玉米试验均考虑土壤特性和水分管理方法 2 个因素，1 区、2 区、3 区和 4 区（Z1、Z2、Z3、Z4）沿喷灌机桁架和行走方向等分为 4 个子区，分别随机设置 2 个 URI 处理（U1、U2）和 2 个 VRI 处理（V1、V2），共 16 个试验处理（图 1）。注：URI 和 VRI 分别为常规喷灌和变量灌溉处理；Vw2 和 Vm2 分别为冬小麦和夏玉米 V2 处理。Note:URI and VRI were the treatments of uniform rate irrigation and variable rate irrigation,respectively.Vw2 and Vm2 were the treatments of V2 for winter wheat and summer maize,respectively.图 1 冬小麦和夏玉米生育期内各灌水处理对应布置图 Fig.1 Layout diagram of different irrigation treatments during the growing seasons of winter wheat and summer maize 在 U1 处理的 4 个子区内（Z1U1、Z2U1、Z3U1、Z4U1），灌水日期基于 AWC 均值最小的 1 区（Z1U1 处理）土壤含水率进行判断，当土壤含水率到达冬小麦和夏玉米灌水下限值 0.66c1和 0.70c1时进行灌溉，4 个子区内灌水定额相同，冬小麦孕穗期（5 月 1 日）之前采用20 mm，之后采用 30 mm，夏玉米整个生育期灌水定额均为 20 mm。在 U2 处理的 4 个子区内（Z1U2、Z2U2、Z3U2、Z4U2），灌水日期基于 4 个子区内的平均土壤含水率进行判断，当土壤含水率到达冬小麦和夏玉米灌水下限值0.66c和 0.70c时进行灌溉，灌水定额与 U1 处理相同。为了验证基于各管理区适宜灌水上下限值进行 VRI管理的可行性，并进一步研究同时适用于冬小麦和夏玉米的变量灌溉水分管理方法，设置了 V1 处理。在 V1 处理的 4 个子区内（Z1V1