砂壤土夏玉米地下滴灌土壤水分和湿润峰运移模拟及设计参数优选

为优化地下滴灌系统,探索适宜的系统设计参数,探究了砂壤土不同滴灌带埋深对土壤水分及湿润峰运移变化规律的影响。首先通过室内试验验证HYDRUS-2D模型模拟土壤水分及湿润峰运移变化的可靠性,其次运用验证后的模型对不同滴灌带埋深下土壤水分及湿润峰运移进行预测,最后将优选的系统设计参数进行田间试验验证。室内试验模拟结果表明,砂壤土滴灌带埋深为20 cm时,整个灌溉过程中湿润峰水平运移速度和垂直下移速度相似,但在灌溉4 h后,湿润峰垂直下移速度高于水平运移速度;在灌溉6 h后,土壤水分运移到土壤表面。通过滴灌带埋深为20 cm时的实测数据对HYDRUS-2D模型进行评价。土壤体积含水量模拟值和实测值R2、ME、RMSE分别为0.98~0.99、0.90~0.93、0.029~0.032 cm3/cm3,湿润峰运移距离的模拟值和实测值R2、ME、RMSE分别为0.96~0.99、0.91~0.96、0.690~2.170 cm,实测值和模拟值的一致性较好。HYDRUS-2D模拟结果表明,滴灌带埋深为20 cm时,土壤水分垂直运移的区域为距地表0~60 cm土层,但水平方向上距滴灌带20~30 cm处的土壤体积含水量较低;滴灌带埋深为30 cm时,在土壤水分平衡后(灌溉结束后3 d),较湿润[含水量>75%FC(田间持水量)]土体距地表5~55 cm;滴灌带埋深为40 cm时,土壤水分能够向上运移到距地表10 cm处,下渗到距地表90 cm处,侧渗到距滴灌带30 cm处,较湿润(含水量>75%FC)土体距地表30~75 cm。田间试验表明,与传统地表滴灌相比,地下滴灌(滴灌带埋深30 cm、铺设间距60 cm)能够增加中下层土壤体积含水量,使夏玉米产量显著提高8.6%。综上,砂壤土夏玉米地下滴灌较适宜的滴灌带埋深和铺设间距分别为30、60 cm。

地下滴灌对冬小麦-夏玉米根系吸水特征的影响

了解根系吸水模式对缺水地区发展高效的灌溉管理措施至关重要。大多数估算根系吸水的模型或传统方法都需要对根系形态有详细的了解,而这很难在原位条件下获得。本研究借助Insentek水分监测仪来估算地下滴灌条件下冬小麦-夏玉米的根系吸水特征。试验于2018—2019年在防雨棚下测坑内进行,地下滴灌灌溉量分别为作物蒸发蒸散量(ETc)的0.4、0.8、1.0和1.2倍,记为0.4ETc、0.8ETc、1.0ETc和1.2ETc,并设置地面灌溉处理为对照(CK)。结果表明:土壤上层(20~50 cm)和下层(60~100 cm)根系对水分的吸收存在互补效应;除0.4ETc外,灌溉后,下层土壤根系吸水速率降低;在各灌溉周期的后期,当上层根系吸水速率降低时,下层根系吸水速率表现为增强趋势;与CK处理相比,1.0ETc处理的根系吸水速率波动幅度较小,其冬小麦和夏玉米产量分别增加7.4%和15.3%;与1.0ETc处理相比,0.8ETc处理主要降低了冬小麦灌浆前期和夏玉米灌浆后期的测定间隔累计根系吸水量,最终,0.8ETc处理冬小麦的产量增加12.7%,而夏玉米产量没有显著降低;与1.0ETc处理相比,0.8ETc处理的水分利用效率显著增加。综上,地下滴灌适度亏缺灌溉(0.8ETc)能增强深层土壤根系吸水能力,提高冬小麦的产量及冬小麦-夏玉米水分利用效率,是一种有效的高产节水灌溉策略。

不同节水灌溉方式对夏玉米生长、产量及水分利用的影响

为更深入了解传统和新型节水灌溉技术的增产潜力,在灌溉总量相同的条件下,对比分析了不同灌溉方式对夏玉米生长、产量及水分利用的影响。在遮雨棚控制降水条件下,分别设置沟灌(FI)、地表滴灌(DI)、地下滴灌(SDI)和微润灌(MI)4种节水灌溉方式。结果表明,与FI和DI处理相比,SDI和MI处理降低0~40 cm土层土壤含水量,增加40~100 cm土层含水量;SDI和MI处理虽然降低拔节期夏玉米的叶面积指数和地上部生物量,但提高了吐丝期和灌浆期的叶面积指数,并且降低吐丝后叶面积的下降幅度,最终获得较高的地上部生物量及产量。与FI处理相比,SDI和MI处理玉米成熟期地上部生物量分别显著提高13.43%和9.65%,产量分别提高22.15%和15.61%。SDI和MI处理由于降低了土面蒸发及土壤贮水消耗量,导致其蒸散量较低,最终其水分利用效率较FI和DI处理显著提高。综上,与FI和DI处理相比,SDI和MI处理能够降低土面蒸发,改善中下层土壤水分条件,延缓吐丝后植株叶片衰老,有利于吐丝后进行光合生产,提高夏玉米水分利用效率及产量。