不同灌溉方式對大豆耗水和水分利用效率的影響

郭振宇，楊丹妮，楊曉琳*，李思恩，王春雨，張云軒

?作物水肥高效利用?

不同灌溉方式對大豆耗水和水分利用效率的影響

郭振宇1,2，楊丹妮1,2，楊曉琳1,2*，李思恩1,2，王春雨1,2，張云軒1,2

（1.中國農業大學 水利與土木工程學院，北京 100083；2.甘肅武威綠洲農業高效用水國家野外科學觀測研究站，甘肅 武威 733009）

【目的】研究不同灌溉方式對大豆全生育期耗水量及水分利用效率的影響，為大豆節水栽培提供科學依據。【方法】于2021年在甘肅武威綠洲農業高效用水國家野外科學觀測研究站開展試驗，設置了膜下滴灌、無膜滴灌、覆膜畦灌和無膜畦灌4種灌溉方式，每塊試驗田中心布設一臺波文比-能量平衡系統對大豆全生育期的水熱通量進行連續定位觀測，研究了不同灌溉方式對大豆的農田小氣候，生長發育，耗水量（），產量以及水分利用效率（）的影響。【結果】①覆膜對比無膜提高大豆凈輻射（）6.58 W/m2，同時滴灌對比畦灌提高土壤溫度1.30 ℃。②覆膜和滴灌2種措施在不同程度上對大豆的生理指標產生影響。與無膜相比，覆膜顯著提高葉面積指數（）18.29%；但畦灌比滴灌高5.45%。③覆膜和滴灌均可顯著降低大豆全生育期，膜下滴灌對比其他3種處理全生育期最小，僅為378.92 mm。④4種灌溉方式下，環境因子和生物因子中與正相關性最顯著的分別為和。⑤膜下滴灌比無膜滴灌、覆膜畦灌、無膜畦灌各增產18.07%、5.27%、11.17%。同種灌溉方式下覆膜使平均顯著提高25.93%；同種覆膜條件下滴灌使平均顯著提高34.62%，膜下滴灌的比無膜滴灌、覆膜畦灌、無膜畦灌分別顯著提高31.15%、42.86%、70.21%。【結論】膜下滴灌比無膜滴灌、覆膜畦灌、無膜畦灌的產量平均提高了11.51%，平均減少了24.13%，同時平均提高了48.07%，灌溉水利用效率平均提高了46.57%；綜合考慮作物的耗水、產量、，膜下滴灌對大豆生長提供了更適宜的生長環境并具有明顯的節水增產作用。

滴灌；覆膜；產量；水分利用效率；大豆

0 引言

【研究意義】我國大豆總產量低，進口依存度高達84%，是糧食安全戰略中最為脆弱的一環[1-3]。2020年甘肅省大豆種植面積約4.7萬hm2，不足全國大豆種植面積的0.5%[4]，但甘肅省光熱資源豐富，適宜大豆生長，對提高大豆產能具有巨大潛力。然而西北地區水資源短缺，嚴重制約著當地作物的產量提升及當地農業的可持續發展[5]。覆膜和滴灌等農藝措施因其良好的節水增溫保墑效果在當地被廣泛應用。然而目前對覆膜和滴灌的研究多集中在玉米和馬鈴薯等作物，對大豆的研究相對較少。【研究進展】在玉米和馬鈴薯的研究中，Zhao等[6]研究表明與不覆膜玉米相比，覆膜玉米土壤蒸發和蒸散量分別降低了60.7%和10.1%，產量和水分利用效率（）分別提高了38.9%和54.3%；Wang等[7]發現滴灌與畦灌相比，玉米的可提高13.9%～39.2%；韓翠蓮等[8]發現膜下滴灌馬鈴薯產量分別較無膜滴灌、溝灌和漫灌處理增加了10.6%、29.8%和58.7%。有關大豆的研究，武淑娜等[9]得出地膜覆蓋對比露地無覆蓋可使大豆產量和分別提高27.45%和28.22%；周德錄等[10]報道地膜覆蓋在半濕潤偏旱區效果最優，大豆的產量和較露地無覆蓋可分別提高58.5%和65.9%；王立明等[11]研究認為全膜覆蓋條件下采用溝播可提高大豆各生育階段株高、葉面積指數和干物質積累量；同時連續4 a對比露地無覆蓋平播，全膜覆蓋可提高大豆產量和約40.9%和53.4%。【切入點】目前對大豆的相關研究主要集中在覆膜與無膜的對比研究中，對覆膜和滴灌這2種方式結合之后的膜下滴灌對大豆生長發育及水分利用影響的研究相對較少，也未能很好地量化由于灌溉方式轉變對大豆生長發育、耗水以及水分利用效率的影響；同時，前人的研究大都是小區傳統測定試驗，鮮少有試驗利用波文比-能量平衡系統對大豆生育期水熱通量進行連續監測。波文比系統可對田間作物進行長期連續定位觀測，記錄10 min尺度的數據，更便于對不同處理的作物生育期內不同時段的耗水情況進行連續觀測與對比分析。另外，波文比儀器還可對大豆試驗地的輻射、空氣溫濕度、土壤溫濕度等農田小氣候指標進行原位連續觀測，為更加深入的機理分析提供了條件。【擬解決的關鍵問題】本研究通過設置膜下滴灌、無膜滴灌、覆膜畦灌和無膜畦灌4種灌溉方式的大豆對比試驗，利用波文比-能量平衡系統等進行連續觀測，分析不同灌溉方式下大豆農田小氣候、生長發育進程、耗水量、產量、收獲指數以及水分利用參數的差異，探究不同灌溉方式下環境和生物因素對大豆耗水的影響機制，以期揭示膜下滴灌對大豆生產的作用，為提高農業用水效率、實現大豆穩產高產提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗于2021年在甘肅武威綠洲農業高效用水國家野外科學觀測研究站（中國農業大學石羊河實驗站，北緯37°49′，東經102°52′，海拔1 586 m）進行。試驗站位于典型的大陸性溫帶干旱氣候區，年平均降水量164 mm，年平均氣溫8 ℃，年積溫（>0 ℃）約3 550 ℃，年蒸發量約2 000 mm，年日照時間3 000 h以上。該地區地下水位位于地面以下40～50 m[12]。試驗區土質為沙壤土，2021年全大豆生育期內降水量為154.6 mm，試驗地（0～40 cm）土壤理化參數和基礎無機氮量見表1。

表1 試驗地耕層（0～40 cm）土壤理化參數和基礎無機氮量

1.2 試驗設計

試驗對象為春大豆（隴黃3號），本試驗設置了膜下滴灌（）、無膜滴灌（）、覆膜畦灌（）、無膜畦灌（）4塊試驗田，每塊試驗田面積均為50 m×50 m，在每塊試驗田的中心布設1臺波文比-能量平衡系統。畦灌處理的每塊試驗田用田壟分為4等份，滴灌帶和地膜采用機械化作業且同時布設，之后利用穴播機將大豆進行人工播種，每個穴中留3～5粒種子（具體因土壤質地和穴播機性能情況略有差異）。播種后需灌出苗水，待大豆出苗后人工間苗使每個穴保留1株。播種前撒施底肥（NH4）2×HPO4（P46%、N18%）225 kg/hm2、復合肥（N18%、P18%、K18%）225 kg/hm2，之后不追肥。灌溉系統總干管為75 mm的PVC管，支干管50 mm的PVC管，支管為50 mm的PE管，毛管為滴灌帶，滴灌帶直徑1.6 cm，滴頭流量2 L/h，滴頭間距30 cm。膜下滴灌試驗田的布置為1膜2管3行，膜寬1.2 m，滴灌帶的間距為0.5 m，膜間裸土寬度30 cm。大豆株距15 cm，行距50 cm，種植密度為13.3萬株/hm2，其他3個處理的大豆種植間距與膜下滴灌處理保持一致。試驗布置如圖1所示。滴灌由于灌水時水分可以直接到達大豆根系，且灌水時無需投入過多人力，因而采用“少量多次”的灌水方式，而畦灌由于灌水以面源下滲，無效蒸發較多需多于滴灌灌水量才能滿足作物需水，又加上灌水時需消耗大量人力，因而采用“多量少次”的灌水方式。試驗中灌水時間主要分布在大豆快速生長的花莢期和鼓粒期，灌水量是以滿足作物需水量為前提綜合考慮灌溉方式的特性后制定，這與王巧娟等[13]以及Zhang等[14]研究中的灌水時間和灌水量幾乎一致。此外西北地區降水較少，在2021年整個生育期日降水量超過10 mm的僅2 d，一般不會對灌溉計劃產生影響，而當降水超過15 mm以及出現大風等惡劣天氣時，會適當推遲灌溉。2021年春大豆灌溉制度如表2所示。

注 點狀填充是地膜，在膜下滴灌進行了標注；十字黑線是田埂，在無膜畦灌進行了標注。

表2 不同灌溉方式下的灌水日期及灌水量

注 括號里的單次灌水量數值代表有橫線標注的灌溉時間對應的灌水量。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 波文比-能量平衡系統

每塊試驗田的中心各安裝了1臺波文比-能量平衡系統（BREB），用以對大豆全生育期內的水熱通量進行長期連續定位觀測。儀器的各項觀測指標所用到的探頭型號及布設位置見表3，4臺儀器安裝的探頭型號和位置完全一致。

表3 觀測儀器布設情況

由近地層梯度擴散理論，單位時間內因湍流交換產生的潛熱通量（）、感熱通量（）與垂直方向上的溫度和水汽壓相互關系為：

式中：Δ為不同高度的溫度差（℃）；Δ為不同高度的水汽壓差（kPa）；為濕度計常數（kPa/℃）。

由以上公式可得：

采用波文比與能量平衡系統觀測2個垂向不同位置的溫度、水汽壓，配合凈輻射通量及土壤熱通量觀測數據，帶入上述公式可計算得、和，耗水量（）則通過進行轉化，轉換公式為：

式中：為蒸散強度（mm/d）。

Perez等通過數學和物理分析研究發現Δ、Δ與及()之間存在相互制約的關系，并利用和能量傳輸方向存在的制約關系進行數據的取舍[16]，然后對不合格的數據進行插補，對于3 h以內的缺失值，利用線性插值進行插補，對于更長序列的缺失數據，根據前后3天相應時刻的平均值進行插補[17]。

在獲取連續且完整的觀測數據之后，對儀器數據進行了一致性和可比性檢驗。圖2為休耕期及生育期內的部分時間的凈輻射和向下短波隨時間變化的規律圖。因為波文比系統屬于蓄電池供電，無膜畦灌田的波文比儀器因供電問題導致休耕期數據部分缺失，故我們在休耕期僅對膜下滴灌、無膜滴灌、覆膜畦灌3個處理下的波文比數據進行比對，結果如圖2（a）所示。根據圖2（a）可以看出，休耕期內3塊試驗田中波文比系統觀測得到的凈輻射基本一致。進一步對大豆生育期內4塊試驗田波文比系統觀測得到的向下短波輻射與試驗站內氣象站觀測得到的數據進行了比對，結果如圖2（b）所示。根據圖2（b）可以看出，生育期內4塊試驗田中波文比系統觀測到的向下短波輻射基本一致，并與氣象站數據吻合。綜上所述，4臺波文比系統具有良好的一致性和可比性。

圖2 波文比系統的一致性和可靠性驗證

已有研究證明波文比-能量平衡法計算的可行性[18]，本試驗所采用的波文比-能量平衡系統已進行過可靠性驗證[5]，在此基礎上本文利用水量平衡法計算了并與波文比-能量平衡法測定的進行了對比驗證。本研究將波文比-能量平衡法計算的10 d耗水之和（BREB）與相應日期的水量平衡法計算的耗水之和（WB）進行比較，結果如圖3所示。研究結果表明BREB與WB具有良好的一致性，因此波文比-能量平衡系統可以準確估算大豆的。

評價指標決定系數2、標準均方根誤差和一致性指數計算式為：

圖3 4種處理波文比-能量平衡法與水量平衡法估算的10 d蒸散之和的對比

1.3.2 生長指標及產量的測定

春大豆測定的生長指標主要包括冠層高度、主莖節數、葉片數、葉長、葉寬、根瘤數、葉綠素量，取樣間隔時間為10 d左右，并在每種處理的試驗田取長勢均勻的6株植株，使用卷尺測定地面以上至頂部生長點位置的高度為冠層高度；采用人工計數的方法記錄主莖節、葉片以及根瘤的數量；在苗期和成熟期用卷尺測量所有葉片的葉長和葉寬，生育中期取每一個三小葉中的一個葉片測量葉長和葉寬，同時利用葉綠素儀（SPAD-502plus）測定葉綠素量。之后將每株大豆分根、莖、葉、果4個部分，分別裝入檔案袋，105 ℃殺青1 h，然后在85 ℃下烘干至恒質量，用精度為0.01 g的天平稱量生物量。在收獲時，將每個處理取9個1 m2的樣方，并分別將樣方內的大豆進行脫粒晾曬，用精度為0.01 g的電子天平稱量大豆籽粒，以獲取各個處理的大豆產量數據。

葉面積指數（）[19]的計算式為：

冠層覆蓋度（）表示綠色冠層覆蓋地面土壤的面積的比例[13]，是由計算而來，計算式為：

收獲指數（）的計算式為：

式中：為產量（kg/hm2）；為地上部生物量（kg/hm2）；即莖、葉、果的生物量總和。

1.3.3 水分利用參數

水分利用效率（kg/m3）和灌溉水利用效率（kg/m3）計算式為：

式中：為產量（kg/hm2）；為耗水量（mm）；為灌水量（mm）。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel和IBM SPSS Statistics 22進行數據統計分析和繪圖，采用Origin 2021進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 大豆田的農田小氣候

4種處理大豆全生育期內的平均凈輻射（）、地表反射率、平均上層空氣溫度（）、平均下層空氣溫度（）、平均上層飽和水汽壓差（）、平均下層飽和水汽壓差（）、0～40 cm平均土壤溫度（）以及0～40 cm平均土壤含水率（）如表4所示。覆膜處理下的比無膜處理平均高6.58 W/m2，滴灌處理下的比畦灌處理平均低4.00 W/m2，此時膜下滴灌的略低于覆膜畦灌但高于無膜畦灌和無膜滴灌，整個生育期內呈先增大后減小的趨勢，并在花莢期達到最大。4個處理的地表反射率無明顯差異，原因可能是由于大豆苗期植株較小，地膜覆蓋以及土壤含水率均會對反射率產生影響，隨著大豆的生長發育，枝葉掩蓋了地膜的影響，從而使得不同處理之間的反射率沒有明顯差異。膜下滴灌的全生育期和的平均值分別為18.83 ℃和19.13 ℃均低于另外3種處理，這與膜下滴灌頻繁的灌水和覆膜的保濕作用使大豆農田小氣候的水汽量較高有關。滴灌處理下的和均高于畦灌處理，這與滴灌處理下灌水量較少有關，而無膜滴灌處理下和除了受到灌水量的影響外還因為沒有地膜的保濕作用，所以數值上均高于其他處理。滴灌的在大豆不同的生育期中均高于畦灌處理，這與滴灌少量多次的灌水方式有關，同時研究發現在大豆生育前期（苗期和分枝期），覆膜處理的要高于無膜處理，原因主要是覆膜后土壤蒸發減少，空氣感熱與土壤熱通量增加，即為地膜覆蓋的“增溫效應”[6]。然而，本文還發現，地膜覆蓋后大豆長勢明顯優于不覆膜處理，其葉面積指數增加15%～20%，因此在大豆生育中后期，地膜覆蓋的大豆蒸發耗水更多，冠層截光能力更強，使土壤獲取的輻射更少，因此，在大豆生育中后期覆膜處理土壤溫度較不覆膜處理偏低。由于滴灌灌水量遠低于畦灌，因此，膜下滴灌和無膜滴灌處理的均低于覆膜畦灌、無膜畦灌處理。春大豆在不同灌溉方式下的農田小氣候中的各生育時期情況如表5所示。結果表明4種處理生育期從長到短分別是膜下滴灌、無膜滴灌、覆膜畦灌、無膜畦灌；滴灌和覆膜對生育期長短的影響主要體現在大豆生育后期，這表明膜下滴灌下的農田小氣候促進了大豆的生長發育，在一定程度上加速了大豆的生長，縮短了大豆的生育期。

表4 大豆生育期各階段及全生育期農田小氣候各指標的平均值

表5 不同灌溉方式下大豆生育期起始日期及時間

2.2 大豆的生長指標及生長過程

4種處理大豆的冠層高度（）、根瘤數、葉面積指數（）和冠層覆蓋度（）隨時間變化分別如圖4所示。4種處理下不同生長指標在全生育期的平均值見表6。通過觀察隨時間的變化圖（圖4（a）），4種處理下在生育前期從大到小的順序為膜下滴灌、無膜滴灌、覆膜畦灌、無膜畦灌，造成這種差異的原因可能是膜下滴灌在大豆的生育前期提供了更適宜的生長環境，加速了大豆的生長，這也使得膜下滴灌條件下大豆的根瘤數、以及在生育前期均高于其他處理。覆膜畦灌的在大豆生長的中后期高于其他處理可能與覆膜畦灌的大豆在這個階段進行了大量的灌水有關。滴灌對比畦灌增加了27個根瘤數（圖4（b）），而覆膜增加了滴灌條件下的根瘤數卻減少了畦灌條件下的根瘤數，使得膜下滴灌與覆膜畦灌的根瘤數具有顯著差異，這可能是因為膜下滴灌灌水可以直接到達大豆根系，而覆膜進一步給大豆的根系環境提供適宜的水分，更有利于大豆主根系上根瘤的生長，覆膜畦灌的灌溉水主要是通過側向流動來給大豆根系供水，會改變大豆的根系分布，使得大豆根系更長更分散，則不利于根瘤的生長。葉面積指數隨著植株生長逐漸增大，后隨著植株衰老導致的葉片脫落、葉片數減少而降低，在花莢期達到最大值（圖4（c））。無膜畦灌處理的土壤溫度最低，植物生長遲緩，葉面積指數達到最大值的時間最晚。覆膜條件下單片葉面積和葉片數均高于無膜，因而覆膜條件下的對比無膜提高了18.29%。畦灌對比滴灌高5.45%主要表現在單片葉面積的增大。滴灌與畦灌的差異主要體現在生育前期和生育后期（圖4（d）），在播種后，因為滴灌的土壤溫度高于畦灌且土壤未板結，有利于植株生長，因此在大豆生育前期滴灌的冠層覆蓋度更大，同時因為滴灌縮短了大豆的生育期，使得大豆的葉片相比于畦灌率先脫落，所以生育后期滴灌的冠層覆蓋度更小，這與葉面積指數是一致的。

圖4 不同灌溉方式下大豆生長指標隨時間的變化

表6 不同灌溉方式下大豆生長指標平均值

注 上下兩部分同一列不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著。

2.3 大豆耗水規律及影響因素

圖5是4種灌溉方式下大豆全生育期內耗水量的日變化，可以看出在整個生育期內先增大后減小，呈“倒V型”變化，不同灌溉方式下大豆各個生育時期的耗水量如表7所示，膜下滴灌、無膜滴灌、覆膜畦灌、無膜畦灌在花莢期和鼓粒期的總耗水量分別為237.78、268.92、330.62、370.57 mm，占總耗水的比例分別為62.75%、64.12%、65.15%、64.86%，這2個時期是大豆耗水量主要集中的時期，也是不同灌溉方式下耗水差異表現最明顯的時期。全生育期內膜下滴灌、無膜滴灌、覆膜畦灌、無膜畦灌的總耗水量分別為378.92、419.38、507.48、571.38 mm，平均日耗水量分別為2.81、3.04、3.68、4.02 mm/d。從耗水總量上來看，覆膜比無膜的總耗水量減少52.18 mm，滴灌比畦灌的總耗水量顯著減少140.28 mm，而且膜下滴灌的節水效果表現出了覆膜和滴灌節水能力的疊加，總耗水量均低于其他3種處理。從耗水強度上來看，覆膜比無膜的耗水強度降低了0.29 mm/d，滴灌比畦灌的耗水強度降低了0.93 mm/d，膜下滴灌的耗水強度最低。

圖5 不同灌溉方式耗水量的日變化

表7 不同灌溉方式下不同生育期的耗水量

注 上下2部分同一列不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著。

將不同灌溉方式下的凈輻射（）、上層空氣溫度（）、下層空氣溫度（）、平均空氣溫度（）、土壤溫度（）、土壤含水率（）、上層飽和水汽壓差（）、下層飽和水汽壓差（）、平均飽和水汽壓差（）、冠層高度（）、葉面積指數（）與耗水量（）進行相關性分析，結果如圖6所示。不同的環境因子之間以及環境因子與生長指標之間存在相關性。研究表明4種處理下，的影響因子中、、、、、、、均與具有顯著的正相關關系，且其中相關性最強的分別為和，這與前人的研究結果一致[20-22]。的增大有利于大豆的生長發育，同時促進了大豆的增大。大豆的增大意味著單位面積上可以參與蒸騰的葉片總表面積增大，促進了大豆的蒸騰作用，盡管越大對土壤的遮陰作用可能更大，土壤蒸發量可能有所降低，但是蒸騰在耗水中的占比更大，因而大豆的也會隨之增大。不同的灌溉方式下各因子之間的相關性表現并不相同。和僅在滴灌條件下與具有顯著的正相關關系，而在畦灌中的正相關關系并不顯著。有研究發現土壤蒸發和植株蒸騰對變化的響應可能不同步[23]，而畦灌和滴灌由于灌水的差異導致土壤蒸發和植株蒸騰存在差異，這種差異可能是滴灌與畦灌中與顯著性不同的原因。

注 *p<=0.05，**p<=0.01，***p<=0.001

2.4 不同灌溉方式下的產量、收獲指數及水分利用參數

表8列出了不同灌溉方式的大豆產量（）、地上干物質量、耗水量（）、收獲指數（）、水分利用效率（）和灌溉水利用效率（）。覆膜比無膜處理的產量顯著提高306.89 kg/hm2，滴灌與畦灌處理的產量幾乎無差異；4個處理中，無膜滴灌的產量表現為最低。膜下滴灌比無膜滴灌、覆膜畦灌、無膜畦灌各增產18.07%、5.27%、11.17%，這表明覆膜和滴灌的結合會增加大豆的增產效果。覆膜處理的平均地上生物量高于無膜處理，滴灌處理也高于畦灌處理，膜下滴灌的地上生物量最高。覆膜處理的收獲指數高于無膜處理12.24%，滴灌處理低于畦灌處理7.41%，但均無顯著差異，可能的原因是不同處理下的干物質在地上部分的分配并沒有明顯的改變，經濟產量和地上生物量之間的比例比較穩定；覆膜對比無膜的平均水分利用效率顯著提高25.93%，滴灌對比畦灌平均顯著提高34.62%，膜下滴灌比無膜滴灌、覆膜畦灌、無膜畦灌均顯著提高31.15%、42.86%、70.21%。從大到小依次為膜下滴灌、無膜滴灌、覆膜畦灌、無膜畦灌，其中覆膜和滴灌均可提高，且滴灌的灌溉水利用效率提高效果更顯著。

表8 不同灌溉方式的產量、收獲指數及水分利用參數

注 上下2部分同一列不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著。

3 討論

膜下滴灌、無膜滴灌、覆膜畦灌、無膜畦灌處理下大豆生育期內的耗水量分別為378.92、419.38、507.48、571.38 mm。整個生育期內膜下滴灌的耗水量比無膜滴灌減少了40.46 mm，覆膜畦灌的耗水量比無膜畦灌顯著減少了63.90 mm。因此無論是滴灌還是畦灌，覆膜都具有一定的節水作用，這與前人[24-27]的研究結果一致。覆膜的節水作用在畦灌條件下更加明顯，原因可能在畦灌條件下，土壤含水率較高，土壤蒸發更強烈，因此覆膜在畦灌條件下減少的土壤蒸發更多，體現在上也就更加明顯；同時，膜下滴灌的耗水量比覆膜畦灌顯著減少了128.56 mm，無膜滴灌的耗水量比無膜畦灌顯著減少了152.00 mm，無膜滴灌的耗水量與覆膜畦灌相比也顯著減少了88.11 mm，通過這些數據對比說明，滴灌具有更好的節水效果，而畦灌會大大增加大豆生育期內的耗水量，即使是覆膜畦灌仍要比無膜滴灌的耗水量高，這說明畦灌的高耗水已經掩蓋了覆膜對于耗水的抑制作用，推測原因可能是畦灌的灌水方式為少次多量，土壤含水率相比滴灌較高，這會造成畦灌處理下的土壤蒸發較大，特別在畦灌灌水后土壤表面會有積水產生，這將會產生大量的無效蒸發直接增加畦灌耗水量[5]。

膜下滴灌在4種處理中全生育期的耗水最少除了會受到灌水方式，覆膜措施以及大豆長勢的影響外，還會受到大豆生育期長短的影響。本試驗得到4種處理的大豆成熟時間不一致，其中膜下滴灌最先成熟，無膜滴灌與覆膜畦灌次之，最后是無膜畦灌。覆膜處理比無膜處理早成熟4 d左右，滴灌處理對比畦灌處理也早成熟4 d左右，這表明覆膜與滴灌的協同增溫效應對大豆的生長發育起到了促進作用，因此膜下滴灌促進了作物的生長發育進程縮短了生育期，這也在一定程度上減少了膜下滴灌處理下大豆全生育期的耗水量[28-29]。

膜下滴灌產量高于無膜滴灌、覆膜畦灌產量高于無膜畦灌，這說明了覆膜具有增產作用結果，與前人[24,29-31]的研究一致，膜下滴灌產量高于覆膜畦灌，這也說明了滴灌的增產效果[32]，然而無膜滴灌的產量卻低于無膜畦灌，說明在無膜的條件下，滴灌的增產效果沒有顯現出來，但并不能因此否定滴灌的增產效果。相比畦灌，滴灌的灌水量很小，在無膜情況下土壤含水率低，從而影響了作物的生長。通常作物產量隨灌水量的增加呈先增大后減小的趨勢[33-34]，本試驗中滴灌處理的灌水量較低，在灌水量增加的條件下，滴灌處理的產量或有增加的可能，顯現滴灌增產的效果。

膜下滴灌產量對比其他3種灌溉方式產量平均增加了11.51%，耗水量減少了24.13%，這說明膜下滴灌對減少作物的耗水量，提高水分利用效率具有促進作用[30-32,35-36]。盡管畦灌對比滴灌在平均產量上沒有顯著降低，甚至略有升高，但由于畦灌條件下的耗水量遠高于滴灌，導致畦灌條件下的水分利用效率顯著低于滴灌條件下的水分利用效率。2種滴灌方式下的灌水量相同、2種畦灌方式下的灌水量相同，灌溉水利用效率的差異主要在于各處理產量及滴灌和畦灌灌水量的差異，此時膜下滴灌的產量最高，灌水量相比畦灌少，所以其灌溉水利用效率最大，而無膜滴灌產量雖低，但灌水量比畦灌少35.20%，使得其灌溉水利用效率依然高于畦灌。

本研究中的大豆試驗的灌溉時間和灌溉量是參考當地實際生產制定的4種灌溉方式和灌溉制度。欲通過滴灌與畦灌對比，覆膜與無膜對比，揭示不同灌溉方式對大豆生長發育、產量及水分利用的影響。試驗結果表明膜下滴灌是促進大豆生長及水分利用較好的灌溉方式。在接下來的研究中可進一步設置不同的灌溉梯度的水肥虧缺試驗，探究膜下滴灌更高效的灌溉制度。

4 結論

與畦灌相比，滴灌使大豆生育期內的總耗水量平均顯著減少26.01%；與無膜相比，覆膜使大豆生育期內的總耗水量平均減少10.53%；對比膜下滴灌與無膜畦灌，覆膜和滴灌2種節水措施使大豆生育期耗水減少了33.68%。膜下滴灌綜合了覆膜和滴灌的節水增產作用，比其他處理大豆產量平均提高了11.51%，水分利用效率平均提高了48.07%，灌溉水利用效率平均提高了46.57%。綜合考慮作物的耗水、產量、水分利用效率，膜下滴灌對大豆生長提供了更適宜的生長環境并具有明顯的節水增產高效作用。膜下滴灌這一現代化節水措施可以在大豆生產中采用并被進一步推廣。

[1] 朱文博, 韓昕儒, 問錦尚. 中國大豆生產自給的潛力、路徑與挑戰[J]. 華南師范大學學報(社會科學版), 2022(3): 122-135, 207.

ZHU Wenbo, HAN Xinru, WEN Jinshang. The potential, path and challenge of Self-sufficiency in soybean production in China[J]. Journal of South China Normal University (Social Science Edition), 2022(3): 122-135, 207.

[2] 魏艷驕, 張慧艷, 朱晶. 新發展格局下中國大豆進口依賴性風險及市場布局優化分析[J]. 中國農村經濟, 2021(12): 66-86.

WEI Yanjiao, ZHANG Huiyan, ZHU Jing. An Analysis of dependence risk and market layout optimization for soybean import of China under the new development pattern[J]. Chinese Rural Economy, 2021(12): 66-86.

[3] 左武榮. 我國大豆進口貿易的影響及對策研究[J]. 分子植物育種, 2022, 20(2): 601-606.

ZUO Wurong. Research on the influence and countermeasures of my country’s soybean import trade[J]. Molecular Plant Breeding, 2022, 20(2): 601-606.

[4] 楊曉娟, 劉布春, 劉園, 等. 我國大豆種植時空分布與風險費率研究[J]. 中國農業資源與區劃, 2021, 42(1): 106-115.

YANG Xiaojuan, LIU Buchun, LIU Yuan, et al. Study of spatial-temporal distribution and premium rate of soybeans in China[J]. Chinese Journal of Agricultural Resources and Regional Planning, 2021, 42(1): 106-115.

[5] YANG Danni, LI Sien, KANG Shaozhong, et al. Effect of drip irrigation on wheat evapotranspiration, soil evaporation and transpiration in Northwest China[J]. Agricultural Water Management, 2020, 232: 106 001.

[6] ZHAO Yin, MAO Xiaomin, SHUKLA Manoj K. A modified SWAP model for soil water and heat dynamics and seed-maize growth under film mulching[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2020, 292/293: 108 127.

[7] WANG Dan, LI Guangyong, MO Yan, et al. Evaluation of subsurface, mulched and non-mulched surface drip irrigation for maize production and economic benefits in northeast China[J]. Irrigation Science, 2021, 39(2): 159-171.

[8] 韓翠蓮, 霍軼珍, 朱冬梅. 不同灌溉方式對馬鈴薯光合特性和產量的影響[J]. 節水灌溉, 2018(3): 27-29, 34.

HAN Cuilian, HUO Yizhen, ZHU Dongmei. Effects of different irrigation methods on photosynthetic characteristics and yield of potato[J]. Water Saving Irrigation, 2018(3): 27-29, 34.

[9] 武淑娜, 楊樹青, 李文娟, 等. 覆蓋耕作對嶺南旱作大豆土壤水熱及產量的影響[J]. 節水灌溉, 2019(8): 48-53.

WU Shuna, YANG Shuqing, LI Wenjuan, et al. Effects of coverage cultivation on soil water heat and yield of dryland soybean in southern foot of daxing'an mountains[J]. Water Saving Irrigation, 2019(8): 48-53.

[10] 周德錄, 劉廣才, 李城德, 等. 覆膜方式對不同生態區大豆產量和水分利用效率的影響[J]. 灌溉排水學報, 2019, 38(3): 22-27.

ZHOU Delu, LIU Guangcai, LI Chengde, et al. The effects of different cultivations with film mulch on yield and water use efficiency of soybean in different climatic regions[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2019, 38(3): 22-27.

[11] 王立明, 陳光榮, 楊如萍, 等. 覆膜種植方式對旱作大豆生長發育、產量及水分利用效率的影響[J]. 中國農學通報, 2021, 37(21): 8-14.

WANG Liming, CHEN Guangrong, YANG Ruping, et al. Effects of different film-mulching planting modes on growth, development, yield and water use efficiency of dryland soybean in the semiarid area of Gansu, China[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2021, 37(21): 8-14.

[12] LI Sien, KANG Shaozhong, ZHANG Lu, et al. Measuring and modeling maize evapotranspiration under plastic film-mulching condition[J]. Journal of Hydrology, 2013, 503: 153-168.

[13] 王巧娟, 何虹, 李亮, 等. 基于AquaCrop模型的大豆灌溉制度優化研究[J]. 中國農業科學, 2022, 55(17): 3 365-3 379.

WANG Qiaojuan, HE Hong, LI Liang, et al. Research on soybean irrigation schedule based on AquaCrop model[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2022, 55(17): 3 365-3 379.

[14] ZHANG Yunxuan, LI Sien, WU Mousong, et al. Study on the response of different soybean varieties to water management in northwest China based on a model approach[J]. Atmosphere, 2021, 12(7): 824.

[15] BOWEN I S. The ratio of heat losses by conduction and by evaporation from any water surface[J]. Physical Review, 1926, 27(6): 779-787.

[16] PEREZ P J, CASTELLVI F, IBA?EZ M, et al. Assessment of reliability of Bowen ratio method for partitioning fluxes[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 1999, 97(3): 141-150.

[17] FALGE Eva, BALDOCCHI Dennis, OLSON Richard, et al. Gap filling strategies for long term energy flux data sets[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2001, 107(1): 71-77.

[18] ZHANG Baozhong, KANG Shaozhong, LI Fusheng, et al. Comparison of three evapotranspiration models to Bowen ratio-energy balance method for a vineyard in an arid desert region of northwest China[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2008, 148(10): 1 629-1 640.

[19] 魏永霞, 石國新, 馮超, 等. 黑土區施加生物炭對土壤綜合肥力與大豆生長的影響[J]. 農業機械學報, 2020, 51(5): 285-294.

WEI Yongxia, SHI Guoxin, FENG Chao, et al. Effects of applying biochar on soil comprehensive fertility and soybean growth in black soil area[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2020, 51(5): 285-294.

[20] 李思恩. 西北旱區典型農田水熱碳通量的變化規律與模擬研究[D]. 北京: 中國農業大學, 2009.

LI Sien. Variaton and Simulation of Water,Heat and Carbon Fluxes above Typical Fields in Oasis Region of Northwest China[D]. Beijing: China Agricultural University, 2009.

[21] 丁日升. 干旱內陸區玉米田水熱傳輸機理與蒸散發模型研究[D]. 北京: 中國農業大學, 2012.

DING Risheng. Mechanism of Water and Heat Transfer and Evapotranspiration Modeling over Maize Field in an Arid Inland Region[D]. Beijing: China Agricultural University, 2012.

[22] 馮印成, 王云琦, 王玉杰, 等. 重慶縉云山針闊混交林水汽通量特征及其影響因子[J]. 植物生態學報, 2022, 46(8): 890-903.

FENG Yincheng, WANG Yunqi, WANG Yujie, et al. Water vapor fluxes and their relationship with environmental factors in a conifer-broadleaf mixed forest ecosystem in Jinyun Mountain, Chongqing, China[J]. Chinese Journal of Plant Ecology, 2022, 46(8): 890-903.

[23] 張夢迪, 張立鋒, 陳之光, 等. 土壤蒸發和植被蒸騰對三江源退化高寒草甸蒸散的影響[J]. 生態學報, 2021, 41(18): 7 138-7 152.

ZHANG Mengdi, ZHANG Lifeng, CHEN Zhiguang, et al. Effects of evaporation and transpiration on evapotranspiration of degraded meadow in the three-river source region[J]. Acta Ecologica Sinica, 2021, 41(18): 7 138-7 152.

[24] 張彥群, 王建東, 龔時宏, 等. 基于液流計估測蒸騰分析覆膜滴灌玉米節水增產機理[J]. 農業工程學報, 2018, 34(21): 89-97.

ZHANG Yanqun, WANG Jiandong, GONG Shihong, et al. Analysis of water saving and yield increasing mechanism in maize field with drip irrigation under film mulching based on transpiration estimated by sap flow meter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2018, 34(21): 89-97.

[25] 劉洋, 栗巖峰, 李久生, 等. 東北半濕潤區膜下滴灌對農田水熱和玉米產量的影響[J]. 農業機械學報, 2015, 46(10): 93-104, 135.

LIU Yang, LI Yanfeng, LI Jiusheng, et al. Effects of mulched drip irrigation on water and heat conditions in field and maize yield in sub-humid region of northeast China[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(10): 93-104, 135.

[26] 馮禹, 郝衛平, 高麗麗, 等. 地膜覆蓋對旱作玉米田水熱通量傳輸的影響研究[J]. 農業機械學報, 2018, 49(12): 300-313.

FENG Yu, HAO Weiping, GAO Lili, et al. Effects of plastic mulch on water and heat flux transfer in rainfed maize fields[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(12): 300-313.

[27] UZOKWE Pauline, 李新強, 高陽, 等. 不同灌水方式下基于水面蒸發量的夏玉米灌溉試驗研究[J]. 灌溉排水學報, 2013, 32(3): 59-62.

UZOKWE Pauline, LI Xinqiang, GAO Yang, et al. Study on the suitable irrigation scheduling of summer maize based on water surface evaporation under different irrigation methods[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2013, 32(3): 59-62.

[28] WANG Yahui, LI Sien, QIN Shujing, et al. How can drip irrigation save water and reduce evapotranspiration compared to border irrigation in arid regions in northwest China[J]. Agricultural Water Management, 2020, 239: 106 256.

[29] SUI Juan, WANG Jiandong, GONG Shihong, et al. Assessment of maize yield-increasing potential and optimum N level under mulched drip irrigation in the Northeast of China[J]. Field Crops Research, 2018, 215: 132-139.

[30] 王青松, 馮浩, 董勤各, 等. 地膜覆蓋對河套灌區春玉米耗水結構及水分利用的影響[J]. 灌溉排水學報, 2021, 40(8): 10-18.

WANG Qingsong, FENG Hao, DONG Qin’ge, et al. The effectiveness of mulching in improving water use efficiency of spring maize in Hetao irrigation district varied with types of plastic films[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(8): 10-18.

[31] ZHAO Hongxiong, LI Youcai, FENG Min, et al. Plastic film mulch for half growing-season maximized WUE and yield of potato via moisture-temperature improvement in a semi-arid agroecosystem[J]. Agricultural Water Management, 2012, 104: 68-78.

[32] 劉戈, 王凱, 劉延, 等. 不同灌溉模式對黃淮海平原區夏玉米生產性狀及水分利用率的影響[J]. 節水灌溉, 2021(4): 48-54.

LIU Ge, WANG Kai, LIU Yan, et al. The effects of different irrigation modes on yield traits and water use efficiency of summer maize in Huang-Huai-Hai plain[J]. Water Saving Irrigation, 2021(4): 48-54.

[33] 鄒宇鋒, 蔡煥杰, 張體彬, 等. 河套灌區不同灌溉方式春玉米耗水特性與經濟效益分析[J]. 農業機械學報, 2020, 51(9): 237-248.

ZOU Yufeng, CAI Huanjie, ZHANG Tibin, et al. Water use characteristics and profit analysis of spring maize production with different irrigation methods in Hetao irrigation district[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2020, 51(9): 237-248.

[34] 劉學軍, 翟汝偉, 李真樸, 等. 寧夏揚黃灌區玉米畦灌灌溉制度試驗研究[J]. 寧夏工程技術, 2018, 317(3): 197-200, 204.

LIU Xuejun, ZHAI Ruwei, LI Zhenpu, et al. Experimental study on irrigation system of corn flotation in Yanghuang irrigation of Ningxia[J]. Ningxia Engineering Technology, 2018, 317(3): 197-200, 204.

[35] LIU Jianliang, ZHAN Ai, BU Lingduo, et al. Understanding dry matter and nitrogen accumulation for high-yielding film-mulched maize[J]. Agronomy Journal, 2014, 106(2): 390-396.

[36] WU Yang, HUANG Famgyuan, JIA Zhikuan, et al. Response of soil water, temperature, and maize (L.) production to different plastic film mulching patterns in semi-arid areas of northwest China[J]. Soil and Tillage Research, 2017, 166: 113-121.

Water Consumption and Water Use Efficiency of Soybean Are Impacted by Irrigation Method

GUO Zhenyu1,2, YANG Danni1,2, YANG Xiaolin1,2*, LI Sien1,2, WANG Chunyu1,2, ZHANG Yunxuan1,2

(1. College of Water Resources and Civil Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China;2. National Field Scientific Observation and Research Station on Efficient Water Use of Oasis Agriculture in Wuwei of Gansu Province, Wuwei 733009, China)

【Objective】Irrigation modulates water movement in soil and its bioavailability to crop roots. This study is to investigate the effect of different irrigation methods on water consumption and water use efficiency of soybean during its whole growth period, with an aim to help develop water-saving irrigation. 【Method】The field experiment was conducted in 2021 in Wuwei, Gansu province. It compared four irrigation methods: drip irrigation under film mulching, drip irrigation without mulching, border irrigation with film mulching, and border irrigation without mulching. The Bowen ratio-energy balance system was used to continuously monitor the changes in microclimate, crop growth and yield, water consumption () and water use efficiency ().【Result】①Film mulching increased net radiation () of the soybean by 6.58 W/m2, compared to no mulching; Soil temperature increased by 1.30 ℃ relative to drip irrigation.②irrigation method and mulching affected physiological indexes of the soybean both at significant levels. Film mulching increased the leaf area index () significantly by 18.29%, compared to no mulching, while the border irrigation increased theby 5.45%, compared to drip irrigation. ③Film mulching and drip irrigation reduced thesignificantly over the whole growth period, with the mulched drip irrigation having the least- 378.92 mm, compared to other treatments. ④Among all environmental and biological factors,andare correlated withpositively and most significantly. ⑤The yield of soybean under mulched drip irrigation was 18.07%, 5.27% and 11.17% higher than that of non-mulched drip irrigation, film mulched border irrigation, and non-mulched border irrigation, respectively. Film mulching increasedby 25.93% compared to no mulching, and drip irrigation increasedby 34.62% compared to border irrigation. The mulched drip irrigation increasedby 31.15%, 42.86% and 70.21%, respectively, compared to non-film mulched drip irrigation, film-mulched border irrigation and non-film mulched border irrigation.【Conclusion】Compared to drip irrigation without film, border irrigation with film and border irrigation without film, the yield of drip irrigation under film increased by an average of 11.51%,decreased by 24.13%, andincreased by 48.07% and irrigation water use efficiency improved by 46.57%; Taking into account the water consumption, yield and water use efficiency of soybean, drip irrigation under film provided a more benefit growth environment for soybean growth and significantly reducedand increased yield.

drip irrigation; film; yield; water use efficiency; soybean

郭振宇, 楊丹妮, 楊曉琳, 等. 不同灌溉方式對大豆耗水和水分利用效率的影響[J]. 灌溉排水學報, 2023, 42(3): 14-25.

GUO Zhenyu, YANG Danni, YANG Xiaolin, et al. Water Consumption and Water Use Efficiency of Soybean Are Impacted by Irrigation Method[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(3): 14-25.

S565.1；S274

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022445

1672 - 3317（2023）03 - 0014 - 12

2022-08-11

國家自然科學基金面上項目（32071975，51879262）；甘肅武威綠洲農業高效用水國家野外科學觀測研究站開放課題（KF2021002）；甘肅內陸河區農田水碳通量監測與節水固碳減排潛力評估項目（21JR7RH897）

郭振宇（1999-），男。碩士研究生，主要從事農田水熱通量研究。E-mail: guozhenyu@cau.edu.cn

楊曉琳（1986-），女。副教授，主要從事節水種植制度研究。E-mail:yangxiaolin429@cau.edu.cn

責任編輯：趙宇龍