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智能喷灌的使用对干旱地区小麦作物水分利用率的影响穆罕默德侯赛因，穆罕默德阿布达拉沙特国王大学食品和农业科学学院农业工程系Effect of smart sprinkler irrigation utilizationon water use efficiency for wheat crops in arid regionsHussein Mohammed Al-Ghobari, Mohamed Said Abdalla El Marazky*(Department of Agricultural Engineering, College of Food and Agriculture Sciences King Saud University,Riyadh 11451, Kingdom of Saudi Arabia)摘要：本研究中所开发的智能灌溉系统（SIS）是一种安排灌溉时序和量化植物所需水分有效工具。智能灌溉系统在小麦喷灌系统下进行实现和测试。而控制灌溉系统安排时序的方法是基于来自自动气象站的数据。智能灌溉系统的测试结果与控制灌溉系统（CIS）相比：使用智能灌溉系统，用水量显著减少。此外，与控制灌溉系统相比，使用控制灌溉系统可以节省12%的灌溉用水，同时获得经济性产出。同样，在水资源利用效率（WUE）上，智能灌溉系统具有更高的利用率：智能灌溉系统为1.64Kg/m3,而控制灌溉系统为1.46Kg/m3。因此，智能灌溉系统（SIS）的应用在水资源利用率（WUE）和灌溉水利用效率（IWUE）上显示了显著优势。在灌溉处理过程中，水资源利用率（WUE）和灌溉水利用率（IWUE）均相对较高：智能灌溉系统中占到土壤水分蒸发蒸腾总量的80%，控制灌溉系统中占到100%。事实表明，小麦的灌溉需求随着土壤水分蒸发蒸腾总量（ETc）的增加而增加但过度灌溉却能够降低水资源利用率（WUE）和灌溉水利用效率（IWUE）。这些结果表明极端灌溉可能不会产生更高的产量或者最佳的经济效益，因此必须建立使用智能灌溉系统（SIS）的合理的灌溉计划，同时扩展到其它农作物。关键词：智能灌溉系统（SIS），喷灌时序安排，水资源利用率，干旱地区，土壤水分蒸发蒸腾损失总量（ETc），粮食产量DOI：10.3965/j.ijabe.20140701.003引文：穆罕默德侯赛因，穆罕默德阿布达拉。智能喷灌的使用对干旱地区小麦作物水分利用率的影响。国际农业和生物工程学报，2014；7（1）：2635。1 介 绍考虑到由人口的增加产生的对粮食作物战略性需求，一些国家在干旱气候区的小麦生产因水资源有限而面临严峻挑战。沙特阿拉伯也面临着这样的挑战。小麦是沙特阿拉伯王国（KSA）种植的最重要的大宗作物。它的种植面积在2009年约为195884公顷，其每年总产量约为115万吨。小麦的耕作面积据估计约占沙特（KSA）耕地总面积的42%，东部地区的季节性水消耗约为414mm。这是由该地区在漫灌和喷灌系统条件下各自的耗水量834.7mm和655.8mm量化而来，而中部地区和北部边境地区使用喷灌的季节性耗水量分别为675mm和600mm。作者也报道艾尔麦地那地区的耗水量为沙特（KSA）最高，约为956.3mm。适当的喷灌时序安排对作物生产的有效水资源管理是至关重要的，尤其是在水资源缺乏的条件下。为了获得更高的收益，对喷灌用水的应用量、灌溉频率和水的使用的研究显得尤其重要。喷灌在增加干旱和半干旱地区小麦的水分生产力能够发挥重要的作用。在过去的十年中，为了减少过量灌溉，大量的制造商开发了智能的灌溉控制器并被水供应商促销。现在有许多智能灌溉系统（SIS）依据气候条件估算使用水量和土壤水分蒸发蒸腾损失总量（ETc）。良好的水资源管理项目的方法之一就是知道实际的土壤水分蒸发蒸腾损失总量或者作物消耗性使用量。灌溉对作物生产的影响通常使用用水量与作物产量相关的作物水资源生产函数进行量化。这些函数常常用来对田间灌溉和灌溉用水的经济性评估进行优化。许多研究显示小麦产量与季节性土壤水分蒸发蒸腾损失总量（ETc）线性相关。然而，一些研究显示出与不断增加的土壤水分蒸发蒸腾损失总量为曲线相关性。另外，之前的一项研究称，季节性的土壤水分蒸发蒸腾损失总量（ETc）与作物产量（GY）或水资源利用率（WUE）可以用二次函数来进行描述。虽然土壤水分蒸发蒸腾损失总量（ETc）与作物产量（GY）之间的函数关系已经被广泛作为赤字灌溉的一条指导方针进行水资源节约；但是它们无法解释时序应用程序的影响。所以，研究者们正在试图揭示作物产量（GY）、土壤水分平衡（包括灌溉水）和水利用效率之间的关系的。提高作物生产过程中水资源利用率（WUE）和促进水资源可持续利用的需求迫在眉睫。为了达到在增加作物产量的前提下提高水资源利用率的目的，必须有一个合适的灌溉时序策略。这种策略用于提高作物产量和/或增加灌溉水利用效率（IWUE），并经过了深入的研究和广泛的实践。在作物生长季节，灌溉持续时间和应用量的增加引起水资源利用率降低。智能灌溉技术在Dookie和埃及进行评估，与传统的灌溉技术相比节水量高达38%。几项对冬小麦的研究显示：喷灌区域的作物产量和水资源利用率（WUE）高于地表灌溉区域。小麦的水资源利用率随着土壤水分蒸发蒸腾损失总量（ETc）的增加而降低。尽管频繁的使用，但小容积水灌溉被认为优于较传统的使用更少次数的大容积灌溉的时序安排方法。灌溉对作物生产的影响通常使用作物产量与施水量相关的作物水分产量函数进行量化。这些函数通常用来对田间灌溉和灌溉用水应用的经济性评估。由于当地盛行的气候状况和水资源的短缺，待决定地区小麦的最优灌溉时间表应该被决定。在本研究中，我们讨论了水压力的影响和基于水资源利用率（WUE）、作物产量（GY）、土壤水分蒸发蒸腾损失总量（ETc）和其内容的灌溉管理制度。在研究结果的基础上，给农民和灌溉机构提供指导方针以达到水资源节约灌溉实践和沙特小麦生产实现有效利用水资源的目的。本研究的目标是研究在小麦水分蒸发蒸腾、产量、水资源利用率和灌溉水利用效率的基础上使用智能喷灌系统的灌溉管理制度三个层面的影响。2 材料和方法2.1试验现场本研究是2010年和2011年冬季在利雅得（北纬2443，东经4643）沙特国王大学食品和农业科学学院的海拔635米的实验田进行的。一般来说，这个地区的气候属于干旱气候，在研究期间的测量得实验场的气候数据见表一。现场试验包含两种灌溉方法和三种不同的灌溉水平。灌溉方法分别是是智能灌溉系统（SIS）和控制灌溉系统（CIS）。三种作物灌溉水用量分别是充分灌溉的作物土壤水分蒸发蒸腾损失总量的100%、80%、60%。灌溉水平的方案是基于充分灌溉的应用水量的实践。气象站用来测量估算土壤水分蒸发蒸腾损失总量（ETc）的气候参数的。这些测量值然后与智能灌溉系统（SIS）在小麦作物田里获得的数据进行比较。智能灌溉系统（SIS）在考虑作物类型和地区环境条件的情况下进行现场编码。该系统在收集真实数据之前进行校准和配置来实现下一阶段的研究。表1 试验场地的气象数据2.2田场特性和灌溉评估实验场被分成两个相等的场地：智能灌溉系统的场地进行自动灌溉；另一控制实验场地基于土壤水分蒸发蒸腾损失总量（ETc）进行人工灌溉。两块场地之间有一条10米宽的缓冲地带。实验场的土壤类型为砂壤土，一些与灌溉相关的实验田土壤物理特性如表2。智能灌溉系统（SIS）和控制灌溉系统（CIS）的小麦实验田均安装有可靠的喷灌系统。这些系统都进行过评估并发现是能够达到高性能和实现均匀灌溉。这一领域的研究在两块不同的场地进行，这两块场地采用以灌溉方法划分主要区域，以灌溉水平划分子区域的策略设计成三个副本。每一个区域由八个洒水装置来覆盖的耕作区。灌溉系统装配有通过压力监控器来控制压力的控制器，装配来测量每次灌溉的用水量的流量计。喷灌系统设计和安装在每块田地里的PVC管道侧根处，并连接到支管和主管道。喷头安装在镀锌钢材料的喷管立管顶部。进行了喷灌系统的现场评估：均匀性指数在可接受的范围内并呈现出良好的灌溉水分布均匀性。表2研究中不同土壤层在控制灌溉系统下的物理特性2.3组件、功能和智能系统的安装本研究所选择的智能灌溉系统（SIS）是 Hunter ET-System（商标名称的使用并不意味着推广该产品；提及它只是为了研究）。智能控制系统集成许多学科来显著改善了作物生产和资源管理21。这个系统虽不是最好的系统，但是它便宜且在当地市场易于获得。这个系统依据制造商在现场的试验说明进行安装。它可以为特定的植物、土壤和滴注类型进行站（或“区”）的定制。这种类型的系统使用电子控制器和模块，并且它的平台可以连接到能够通过不同的传感器感知当地气候条件的土壤水分蒸发蒸腾损失总量（ETc）的模块。这些传感器可以测量风速、雨量、太阳辐射、空气温度和相对湿度。ETc模块接收来自ETc传感器的数据信息，然后把它应用于各个场地（区域）的灌溉。智能灌溉系统（SIS）能够自动根据修改过的彭曼方程为当地的小气候估算作物土壤水分蒸发蒸腾损失并且创建了一个可以下载到控制器的科学性程序。ETc模块被插入到称为控制器智能接口的灌溉控制器Pro C，该模块能够调整灌溉运行时间使其以一个土壤能够有效吸收的速率进行灌溉，而这些水量恰巧用来补充植物散失的水量。因此，智能灌溉系统（SIS）传输采集的环境参数和系统参数（压力、流量等）。以由Etc传感器做决定启动灌溉为例，一个电信号会被传送以打开电磁阀和泵来供给需要的灌溉用水。在控制灌溉系统中，气候数据是从气象站获得，基于此估算日常参考并用此做出灌溉决策。然后，估算来的ETc数据与作物系数（Kc）整合来确定需要的灌溉水量。确定后的水量被手动的送到控制面板，这个控制面板进而传送一个信号到电磁阀以供给所需水量到实验田。2.4农事实践和观察小麦（YecoraRojo）分别于2009年12月9日和2010年12月4日进行田间播种。播种量为180公斤/公顷，行间距为20厘米，而其它的耕作活动按照一定的时间计划进行。在生长季节里两种系统灌溉方法每日和每周的土壤水分蒸发蒸腾损失率都会被确定下来。因此，灌溉水深度（Dg）和累计深度都被监测和记录下来。灌溉过程分别在2010年4月9日和2011年4月14日终止。在小麦成熟时，对作物产量（GY）、生物产量（BY）、株高（PH）进行了测量。收货指数（HI）通过计算作物产量（GY）与生物产量（BY）之比获得。作物产量由清洁谷粒的重量估算得来（七份样本随机取自一平方米然后折算成每公顷的作物产量）。此外，千粒重是每个系统灌溉方法下收获作物随机样本的平均值。株高（PH）值为成熟期土壤表面到植株主穗顶端的距离。2.5所需的操作时间为了估算土壤水分蒸发蒸腾损失总量和小麦的灌溉需水量，每日的土壤水分蒸发蒸腾损失值首先由气象站确定然后再乘以作物系数（Kc）和灌溉水利用效率。因此，通过了解每块田地（）的面积和从八个喷头喷出的水量（4.88），需要被添加到每次特定灌溉的水量就能够确定下来。据此可知，实际操作所需时间能够被估算出来。在控制灌溉系统的试验场地，灌溉系统在控制实验中被手动地打开和关闭。智能灌溉系统（SIS）在喷灌下的灌溉水深可由灌溉前后的流量计读数差异估算而得。2.6灌溉用水效率灌溉水利用效率（IWUE）是指作物产量（GY）（）和季节性灌溉用水量之比22。而水资源利用率是指作物产量和土壤水分蒸发蒸腾损失总量（ETc）之比23。灌溉水利用效率（IWUE）和水资源利用率（WUE）分别由下列方程计算而得：上式中，GY指谷物产量，；ETc指作物蒸发蒸腾损失量，mm；是季节性灌溉用水总量，。2.7统计分析实验设计是两块分割的场地和进行方差分析来分析数据。LSD测试（P0.05）用来比较不同的试验方法。CoHort软件程序采用6.311版本分析所有的统计分析，进行分析是为了找到智能灌溉系统和控制灌溉系统灌溉方法之间的显著差别。3 结果与讨论3.1小麦土壤水分蒸发蒸腾损失总量在植物生长季节两种灌溉系统试验下小麦的每日和每周的平均土壤水分蒸发蒸腾损失率从每日的记录中估算而来（表-3）。表-3表明智能灌溉系统（SIS）所确定的土壤水分蒸发蒸腾损失总量来自作物系数乘以植物生长不同阶段的土壤水分蒸发蒸腾损失率。两季小麦在两种试验方法下的生长季的每周的土壤水分蒸发蒸腾损失总量平均值均被得到和记录下来。因此，小麦在智能灌溉系统试验方式下（100%、80%、60%）土壤水分蒸发蒸腾损失总量分别是466.74毫米，382.00毫米，285.31毫米。同时，控制灌溉系统试验方式下的土壤水分蒸发蒸腾损失总量分别为562.26毫米，438.19毫米，323.82毫米。表-3两季作物在不同灌溉水量下两种灌溉系统的每日和每周的小麦平均土壤水分蒸发蒸腾损失总量在控制灌溉系统下小麦的季节性土壤水分蒸发蒸腾损失总量比率利用当地气象站获得的小气候数据和修正过的Penman 方程进行估算。然后，需要的灌溉水深由土壤水平衡方程确定。如果作物土壤水分蒸发蒸腾损失总量仅仅被估算为作物系数和控制灌溉系统的季节性土壤水分蒸发蒸腾损失总量的结果，那么对小麦季节性土壤水分蒸发蒸腾损失总量的调整使用作物系数（Kc）。很明显，表-3中智能灌溉系统下土壤水分蒸发蒸腾损失总量（ETc）在前三周较小，然后随着植物的生长在播种后的70-105天（10-15周）的时候达到峰值。在控制灌溉系统下，土壤水分蒸发蒸腾损失总量（ETc）开始随着叶子的衰老而逐渐降低，尤其在16-19周，智能灌溉系统在其它季节也有相似的趋势。两种系统的土壤水分蒸发蒸腾损失总量（ETc）值有相同的模型，作物成熟阶段增加，收获阶段收敛。然而，这些数据的分析表明这些数值明显不同，除了在最初生长阶段和最后阶段很接近。两季作物的最高土壤水分蒸发蒸腾损失总量是526.26毫米，是在控制灌溉系统下进行充分灌溉获得的。与智能灌溉系统相比，两季作物期间控制灌溉系统方法引起更高的土壤水分蒸发蒸腾损失总量：总体差异非常显著。如表-3所示，智能灌溉系统下土壤水分蒸发蒸腾损失总量的累计值比控制灌溉系统的累计值低12%。土壤水分蒸发蒸腾损失总量随着灌溉水量的增加而线性增加。这个结果与之前的发现相符合，并且土壤水分蒸发蒸腾损失总量和灌溉深度也有相似的关系。在两季作物中，相同系统下季节性土壤水分蒸发蒸腾损失总量与起初的两季作物相似。此外，与控制灌溉系统相比，智能灌溉系统的土壤水分蒸发蒸腾损失总量较低，这些结论与已经获得的结论一致。3.2灌溉管理小麦灌溉用水使用智能灌溉系统和控制灌溉系统进行计划和麦场应用。灌溉水量和时机被监控和记录，两种灌溉系统下的每周平均灌溉用水量也被估算下来并列表在表-4和表-5。从表-4两季作物在智能灌溉系统方法（灌溉水量占蒸发总量的100%，80%，60%）应用灌溉水总量的平均值分别是528.89毫米，444.77毫米，317.33毫米。同时，控制灌溉系统方法（灌溉水量占蒸发总量的100%，80%，60%）添加到小麦作物的周平均灌溉水量分别为600.35毫米，504.82毫米，360.21毫米。然而，两种灌溉方法的灌溉水总量在两茬作物生长期间是不同的。这些灌溉用水总量低于当地农民在本地的灌溉水实践。智能灌溉系统使用的灌溉水深度（Dg）较控制灌溉系统下的低12%。此外，这些数据的分析表明它们的值只在作物的最初生长阶段相似，而后一茬作物的其余时间逐渐不同。表-4表-53.3 小麦生长的参数本文研究了智能灌溉系统的灌溉时序对小麦生长和生产力的参数的影响。2009-2010和2010-2011年两季作物的生长特性如表-6所示。本研究结果显示：控制灌溉系统（CIS）对植物的农艺学特性已经有了明确的影响，比如平均株高（PH）,小麦作物的平均生物产量（BY），两季作物的平均作物产量（GY），小麦作物的平均千粒重，和平均穗长。平均穗长见表-6中的9.9厘米，9.6厘米，8.5厘米，10.6厘米，9.9厘米，8.9厘米。表-6智能灌溉系统（SIS）和控制灌溉系统（CIS）下两季小麦作物的生长特性分析控制灌溉系统（CIS）在增加株高（cm），穗长（cm），平均千粒重（g），生物总产量（ton/h）和作物生产总量（ton/h）优于智能灌溉系统。两季平均，控制灌溉系统方法下，株高增加8%，穗长增加5%，千粒重增加12%，平均生物总产量增加6%，作物总产量增加8%。然而，智能灌溉系统（SIS）优于控制灌溉系统，水资源利用率（）增加了11%，灌溉水使用效率增加了14%。控制灌溉系统（CIS）导致更大产量的原因可以归因于两种方法所施加的水量不同，而根部含水量的增加对提高农艺因素尤其是当更多的灌溉水在控制灌溉系统下被施加的时候是合理的。智能灌溉系统下低灌溉水量的施加引起的土壤通气性降低可能是导致所有农艺参数降低的原因。34水资源利用率表-7展示了在两季作物生长期间智能灌溉系统和控制灌溉系统对小麦水资源利用率的影响。这个表显示，智能灌溉系统下灌溉水量为土壤水分蒸发蒸腾损失总量的80%时的水资源利用率（WUE）和灌溉水利用效率（IWUE）与控制灌溉系统相比更高，第一季作物时两值分别为1.27千克/立方米和1.12千克/立方米。而第二季相对应的值分别为1.64千克/立方米和1.37千克/立方米。一般说来，智能灌溉系统下较高的水资源利用率（WUE）值可归因于应用灌溉用水的节省和时机。因此，水资源利用率（WUE）的最大值1.64千克/立方米（智能灌溉系统下灌溉水量为土壤水分蒸发蒸腾损失总量的80%）和最小值1.10千克/立方米（智能灌溉系统下灌溉水量为土壤水分蒸发蒸腾损失总量的60%）分别于第二年和第一年获得。智能灌溉系统下灌溉水量为土壤水分蒸发蒸腾损失总量的80%的方法与100%和60%相比，在两个生长季均获得较高的平均作物产量（GY）。智能灌溉系统下灌溉水量为土壤水分蒸发蒸腾损失总量的80%的方法下较高的作物产量值是指为小麦发芽调整良好的环境条件。它的最好记录分别是第一季和第二生长季的最高作物产量，5.09吨/公顷和5.96吨/公顷。本季控制灌溉系统下土壤水分蒸发蒸腾损失总量最高，智能灌溉系统的最低（表-7）。其原因可能是在大灌溉用水量的情况下，表面土壤潮湿促进了土壤的蒸发。一般情况下，随着灌溉的增加，蒸发也是增加的。但是小麦在不同灌溉水平下树冠下的蒸腾因植物因素在茎杆生长阶段和成熟阶段是相似的。表-7智能灌溉系统灌溉方法的水资源利用率通常比控制灌溉系统灌溉方法的值更高。这个结果表明：智能灌溉系统下水资源被更有效的利用，并且与先前的研究一致。先前也获得过类似的结果，他们发现低的灌溉频率与高的灌溉频率相比导致更高的水资源利用率（WUE）值。之前的研究也报道过智能灌溉系统下小灌溉水量的灌溉方法有较高的灌溉水利用效率。研究指出：浅灌溉深度有较高灌溉水利用效率的灌溉方式可能归因于灌溉水的高效使用和根区易于获得的土壤水。在增加灌溉深度的灌溉条件下，灌溉水的一部分不能利用并在收获时留在土壤剖面，由过度灌溉导致的根区以外的深层渗透也能减少灌溉水利用效率。在智能灌溉系统下有相对较高的水资源利用率和灌溉水利用效率。3.5 统计分析两个生长季的平均总产量进行了统计学分析，最小显著差分析测试用来比较平均值在5%的水平。结果清楚的显示：在两年中控制灌溉系统方法对小麦产量和农艺因素的高的影响。这些获得的数据表明此方法对平均株高、穗长、平均粒重、生物总产量和作物总产量；尽管如此，对收获指数（HI）并没有显著的影响，如表-8所示。这些结果表明：在表-8中，除了水资源利用率和灌溉水利用效率外，灌溉水量为土壤水分蒸发蒸腾损失总量的100%，智能灌溉系统和控制灌溉系统在不同水平时显著不同。两季作物的小麦产量的方差分析测试数据表明：控制灌溉系统对农艺因数有显著的影响（表-9）。一般来说，控制灌溉系统下的农艺特性明显优于智能灌溉系统。如表-8中所示，在两个生长季节中智能灌溉系统显著