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水肥耦合对大豆棵间土壤蒸发及水分利用效率的影响(DOC)

水肥耦合对大豆棵间土壤蒸发及水分利用效率的影响

农学专业崔万同

指导老师王建林

摘要：本文采用分根交替灌溉技术，通过不同的水肥配合比，利用微型蒸发器，研究了水肥耦合下大豆整个生育期的土壤棵间蒸发及水分利用效率。通过对实测数据的分析，结果表明：在大豆整个生育期内，棵间蒸发占总耗水量的50.23%～56.12%，适量施肥能够有效降低无效耗水；不同水肥处理对大豆生育期棵间蒸发有一定的影响，最大相差可达6.77 mm；而对叶面蒸腾的影响较大，最大相差达到16.17mm；该地区大豆在分枝期棵间蒸发量最大；不同处理下的蒸发强度与叶面积指数呈显著负相关，同时与表层土壤含水率呈显著正相关，二者决定系数均在0.77以上。W1N1处理减少了棵间蒸发，提高了作物水分利用效率。本研究可为当地合理利用有限水资源和提高水分利用效率提供理论支持。

关键词：交替灌溉施肥大豆棵间蒸发水分利用效率

Effects of soil evaporation and water use efficiency for soybean under

water and fertilizer coupling

Agronomy College Cui Wan-tong

Tutor Wang Jian-lin

Abstract: In this paper, with the alternate partial root irrigation techniques and through the ratio of different water and fertilizer, The micro-lysimeters were employed to determine the soil evaporation and water use efficiency of soybean at its whole growth stages under water and fertilizer coupling .Analysis of the measured data, the results showed that soil evaporation in soybean field accounted for 50.23%～56.12% of water consumption in the whole growth stages，A moderate amount of fertilizer can effectively reduce the invalid water; The effects of evaporation is small under the different water and fertilizer on soybean growth, the maximum difference is only 6.77 mm；leaf transpiration，the biggest difference to16.17mm；There is the largest soil evaporation in the branches of soybean in the region；Evaporation strength and leaves area index

in different treatments was significantly negatively correlated , at the same time ,with the surface soil moisture content was a significant positive correlation , both the correlation coefficient of determination were above 0.77. W1N1 processing is the best mode of water and fertilizer to decrease soil evaporation and to raise crop water use efficiency. The study can provide theoretical support for rational use of limited water resources and improvement of water use efficiency.

Key words: Alternate irrigation and fertilization ,Soybean; Soil evaporation, Water use efficiency

水肥在农业生产中具有非常重要的意义，没有水作物就不能生长，没有肥作物的产量就会大大降低，而水肥是人类可以调控的。

中国是一个农业大国，也是一个资源大国，蕴含着丰富的水资源，中国的水资源总量为28000亿立方米，占全球水资源的6％，，但人均只有2200立方米，仅为世界平均水平的1／4，除去很难利用的洪水泾流和散布在偏远地区的地下水资源后，我国现实可利用的淡水资源量则更少，仅为11000亿立方米左右，人均可利用水资源量约为900立方米，并且其分布极不均衡。由于近年来人们的不合理利用和工业的污染，水资源已严重短缺，水资源的总量已严重不足，中国地域辽阔，水资源的地域性和季节性也分布不均，北方水资源短缺更加严重，严重阻碍了当地社会和经济的发展，据统计，我国目前缺水总量估计为400亿立方米，每年受旱面积200万~260万平方千米，影响粮食产量150亿~200亿千克，影响工业产值2000多亿元。

肥料在我国农业生产中具有重要意义，肥料对作物增产起了非常关键的作用。但是由于一些不合理的使用方式，农民盲目施肥，使得肥料没有充分发挥出效果，导致肥料利用率降低，土壤贫瘠，而且还破坏了生态环境。据官方统计数据，1995-2004年，近10年来，中国的化肥用量增加了1041.8万吨，增量22.5%，而粮食产量增加了474.2万吨，增量1%，不合理利用肥料无疑是造成这一现象的主要原因。

作物对水和肥的吸收与传导的过程虽然是相互独立的，但二者具有紧密的联系，肥的吸收依赖于水的吸收，肥的吸收可促进水的吸收。水分和肥料是影响作物生长和产量的两大最基本的环境因子，二者对作物生长的作用并不是孤立的，而是相互作用和影响的。作物生长是否有足够的水分支持，决定着作物生长的势头，影响着作物的生理生化反应能否正常进行，决定着作物根系对养分的吸收。只有溶解在土壤中的养分才能被作物吸收。因此合理施肥可以增加土壤的蓄水保墒能力，抑制土壤水分的蒸发，进而提高水分的利用效率。

辽宁省作物生长季节光照充足、雨热同期，为农作物生长提供了很好的光热条件。但由于受强大的蒙古高压控制，冬春降水少，春季气温回升快、大风次数多，所以春季干旱严重，是典型的旱作农业区。该区降水量年内季节分配不均，70％以上集中于夏季，冬春两季不足全年降水量的 15％。5 —6 月出现干旱、半干旱年的机率在 80％以上。因此，春旱严重地威胁着农业生产，粮食生产水分利用效率低下。本文研究水肥耦合对土壤蒸发的影响，了解不同水肥管理下大豆作物的土壤水分动态变化过程，不仅能够提供合理的灌溉依据，同时对指导合理施肥和减少环境污染有重要的意义。通过水肥耦合对大豆棵间土壤蒸发及水分利用效率的影响，根据辽宁省大豆的生产现状，可以制定出相应的节水农业的具体措施，为当地大豆生产过程中，提高水肥利用率提供理论依据，从而实现该地区大豆的节水与高产栽培，

对于指导实现该地区的现代农业实现可持续发展具有十分重要的现实意义。

水肥耦合对作物水分利用率的影响主要表现在不同的施肥水平下作物对水分的吸收量是不同的，在一定范围内，增施肥料有利于水的吸收，可提高作物的水分利用率,施肥量不足时，作物对水分的吸收量会降低，植物的无效耗水会增加。

赵振（2009）通过水肥耦合对大豆水分利用效率的影响的研究，探讨了水肥耦合下大豆对水分的利用率，得出水、氮存在明显的耦合效应，只有在适宜的氮肥施用量下，大豆对水分的利用率才能达到最大值，在此范围内，大豆水分利用率达到最大值时，氮肥的施用量为200.2kg／hm2，磷肥的用量为133.9kg／hm2,坐水量为89.41m3／hm2。

水肥耦合对作物产量的影响主要表现在水肥供应水平上，在灌溉量和施肥量不同的情况下，作物最终的产量是有差异的。当土壤比较贫瘠时，施肥对作物产量的贡献较大。在土壤贫瘠干旱的情况下，灌溉可增加作物产量，但是施肥的增产效果大于补水的增产效果。伴随着土壤肥力水平的提高，水分的作用越来越大，对于产量而言，水肥具有耦合效应。灌溉和施肥具有彼此调节的作用。当农田补水量少时，水肥的相互作用会伴随着施肥量的增加而增加，农田灌水多时，则有相反的作用。

张丽华等通过在化肥施用量不同的情况下，在大豆开花和结荚期分别进行灌水，研究了水肥耦合对大豆产量的影响。结果表明：施肥和灌水对大豆产量的影响都较大，并且得出了施肥400-600kg·hm-2，结荚期灌水30mm，大豆产量最高。

大豆是辽宁省主要粮油作物之一，其蒸散量的变化过程是田间用水管理的主要依据。控制性交替隔沟灌溉是对目前常规沟灌技术的重大改进与提高，同时又具有明显的减少棵间蒸发、降低作物蒸腾和充分利用天然降雨的优点[1]。有关学者研究中发现采用交替隔沟灌溉对土壤蒸发有显著的影响，交替隔沟灌溉灌水后约50%的地表土壤处于干燥状态, 可提高水分利用效率11.94％，减少棵间蒸发量32.49％[2~6 ]。棵间蒸发是农田耗水的途径之一，同时也是与作物生长和产量无关的无效耗水，减少棵间蒸发是节约农业用水的关键[7]。

1材料与方法

1.1 研究区概况

该实验于2012年5月—10月在沈阳农业大学实验场进行。试验场地理位置为北纬41°44′，东经123°27′，海拔44.7m。沈阳位于中国东北地区南部，辽宁省中部，以平原为主，属于温带季风气候，年平均气温6.2～9.7℃，全年降水量600～800毫米，全年无霜期155～180天。受季风影响，降水集中在夏季，温差较大，四季分明。冬寒时间较长，近六个月，降雪较少；夏季时间较短，多雨。春秋两季气温变化迅速，持续时间短：春季多风，

秋季晴朗。

为避免降雨对实验的影响，该实验在防雨棚下进行，降雨时开启防雨棚，平时关闭，实验场为防雨棚下测坑，共有20个测坑，每个测坑面积为1.5m×2m=3m2，测坑土壤质地为潮棕壤土，容重为1.38g/m3，田间持水率为34.2%cm3/cm3，凋萎系数为24% cm3/cm3，PH为7.95。

1.2 供试材料

供试大豆品种为沈农12，供试氮肥为尿素，含氮46%，磷肥为过磷酸钙，含磷12%，钾肥为硫酸钾，含钾40%。

1.3 试验设计方案

大豆试验采用垄植沟灌的方式种植，种植时重新起垄做沟，沟深0.2m，相邻两沟中心距离为0.5m。相邻两沟和垄上均放置直径为10cm的微型蒸发器（Micro-Lysimeter）和埋设0.7m 深TDR测管。

本次实验设5个处理，每个处理重复3次，随机区组排列，试验因素为水与施纯氮量。过磷酸钙用量90 kg/ hm2，硫酸钾用量75 kg/ hm2 ，全做基肥，施纯氮肥35 kg/ hm2做基肥用, 剩余氮肥做追肥, 分 3 次( 开花期、结荚期、鼓粒期) 等量追施，追肥采用开沟条施法，距离植株10cm处、沟深8cm，施肥后用土覆盖，追肥时尿素提前7天施入。灌溉水源为井水，灌溉采用水肥异区分根交替沟灌[8]。田间管理同一般大田生产。大豆于2012年5月17日人工播种，株距25cm。大豆出苗时间为5月22日，6月11日间苗，每穴留苗3株，10月2日收获。水肥处理见表 1，其中W1（苗期和成熟期灌水量为1/2M，其他生育期灌水量为2/3M）；W2（整个生育期灌水量均为2/3M）；N0（整个生育期不追施氮肥）；N1（开花期、结荚期和鼓粒期分别追施氮肥15 kg/ hm2）；N2（开花期、结荚期和鼓粒期分别追施氮肥30 kg/ hm2)。）

表1 水肥实验处理

处理

施肥量

氮肥磷肥钾肥

灌水量

苗期和成熟期其他生育期

W1N0 35 90 75 1/2M 2/3M W1N1 80 90 75 1/2M 2/3M W2N0 35 90 75 2/3M 2/3M W2N1 80 90 75 2/3M 2/3M W2N2 125 90 75 2/3M 2/3M

2结果与分析

2.1水肥耦合下大豆不同生育阶段棵间蒸发占阶段耗水量的比例

表2列出了交替灌溉下不同水肥处理大豆各生育阶段棵间蒸发占阶段耗水量的比例（表2中T为植株蒸腾能力，E为棵间土壤蒸发，）。从表2可以看出，测定的棵间土壤蒸发与作物蒸散的比例变化趋势是合理的。苗期，处理W1N0、W1N1比其他处理的阶段耗水量和棵间蒸发量都要小，但是差异不大，不同处理平均棵间蒸发量介于17.12～21.19 mm之间，棵间土壤蒸发占阶段耗水量的比例在63.89%～71.57%之间，分析原因主要是由于这一阶段植株矮小，叶片数较少，地面覆盖度小，耗水以裸土蒸发为主，分枝期到开花期，各处理的棵间土壤蒸发量占阶段耗水量的比例减少。从结荚期开始，大豆快速生长，处于旺盛生长和产量形成阶段，叶面积增大，田间耗水以叶面蒸腾为主，各水肥处理的棵间土壤蒸发量占阶段耗水量的比例明显减少，到鼓粒期降至最低，介于24.1%～29.8%之间，成熟期，随着大豆叶片的衰老，再加上气温降低，植株叶片的光合和呼吸功能逐步衰退，从而导致植株蒸腾能力 T 作用逐渐减弱，E增加，棵间土壤蒸发占阶段耗水量的比例E/ET上升到84.76%以上。

不同处理间土壤棵间蒸发量进行比较：W1N0＞W2N0＞W2N1＞W2N2＞W1N1，这说明适量追施氮肥能够有效地抑制土壤棵间蒸发。从全生育期看，同一水分处理下，处理W1N0在开花、结荚和鼓粒期的棵间蒸发量高于处理W1N1，而处理W1N1的棵间蒸发量占阶段耗水量的比例则高于处理W1N0，原因是施肥处理使得土壤水物理性质发生改变，作物需水量相对减少，湿润表面变干燥的也快，从而降低了棵间蒸发。同一施肥水平下，处理W2N0在开花、结荚和鼓粒期的棵间蒸发量分别低于处理W1N0，棵间蒸发量占阶段耗水量的比例也低于处理W1N0，原因是处理W2N0比处理W1N0植株生长茂盛，地表覆盖大，说明灌水是影响作物蒸散发消耗的要素之一[9]。不同水肥处理对大豆生育期棵间蒸发有一定的影响，最大相差可达6.77 mm；而对叶面蒸腾的影响较大，最大相差达到16.17mm。

表2 不同水肥处理大豆各生育阶段棵间蒸发占阶段耗水量的比例

Tabel.2The proportion of soil evaporation to water consumption at each stage of soybean under

different water and fertilizations treatments

处理Treatme

生育阶段苗期分枝期开花期结荚期鼓粒期成熟期全生育期

日期Date 5.22-6.136.14-7.117.12-7.277.28-8.138.14-9.49.5-10.25.22-10.2天数Days 23 28 16 17 22 27 133

W1N0

E(mm) 17.12 22.48 9.64 10.23 10.01 16.25 85.73 T(mm) 7.97 18.03 8.20 13.64 25.75 1.15 74.74 ET(mm) 25.09 40.51 17.84 23.87 35.76 17.40 160.47 E/ET(%) 68.25 55.49 54.03 42.85 27.99 93.39 53.42

W2N2 E(mm) 21.18 21.93 7.50 7.27 8.71 16.04 82.64 T(mm) 11.97 14.78 5.79 11.94 27.34 6.11 77.92

ET(mm) 33.15 36.71 13.29 19.21 36.05 22.15 160.56 E/ET(%) 63.89 59.73 56.43 37.87 24.17 72.42 51.47 W1N1

E(mm) 18.08 20.27 8.96 6.63 9.99 15.03 78.96 T(mm) 8.07 15.60 5.90 7.63 23.88 0.67 61.75 ET(mm) 26.15 35.87 14.86 14.26 33.87 15.70 140.71 E/ET(%) 69.12 56.51 54.91 46.5 29.80 95.73 56.12 W2N0

E(mm) 18.43 23.82 8.73 7.33 8.22 18.23 84.76 T(mm) 7.84 20.17 7.63 13.81 25.89 0.67 76.01 ET(mm) 26.27 43.99 16.36 21.14 34.11 18.90 160.77 E/ET(%) 70.17 54.15 53.36 34.67 24.10 96.46 52.72 W2N1

E(mm) 21.19 21.86 5.25 8.18 9.75 17.10 83.33 T(mm) 8.42 18.64 5.93 10.86 24.86 3.08 71.79 ET(mm) 29.61 40.50 11.18 19.04 34.61 20.18 155.12 E/ET(%)

71.57

53.98

46.98

42.96

28.16

84.76

53.72

2.2 蒸发强度（E/ET ）与叶面积指数（LAI ）的关系

图1为大豆的E/ET 和LAI 的变化过程。由图1可知，叶面积指数是控制蒸发的一个基本因素，在整个生育期内，不同水肥处理的大豆棵间蒸发强度受叶面积指数的影响，并且蒸发强度随着叶面积的增加而减少。大豆各生育期土壤蒸发强度表现为：成熟期＞苗期＞开花期＞分枝期＞结荚期＞鼓粒期。这主要是由于苗期叶面积指数LAI 小，地表覆盖度低，土壤表面接受的太阳净辐射较多，表层蒸发快，随着生育进程LAI 增大，冠层对净辐射的截留，加之作物冠层内的空气相对湿度较高，表层失水速率相对较慢，到成熟期，叶片变黄脱落，蒸腾接近为零。从图1中可以看出各处理的蒸发强度差异不明显。W2N0处理的叶面积指数最大，蒸发强度最小，说明灌水比施肥对大豆蒸散量的影响大。

在大豆整个生育期，当叶面积指数0.03

当本地区缺少蒸发资料时，可为土壤蒸发的预测提供参考。

表3 各处理回归关系式

处理

W1N0

W2N2

W1N1

W2N0

W2N1

R 2

0.987 0.792 0.985 0.921 0.965

E/ET 0.681e -0.107LAI

0.696e -0.111LAI

0.689e -0.090LAI

0.746e -0.139LAI

0.707e -0.114LAI

图1 大豆的E/ET和LAI的变化过程

Fig.1 The changes course of E/ET and LAI for soybean

2.3土壤棵间蒸发量（E）与表层含水量的关系

代表土壤根据实测资料，分析得出E与表层含水率存在如下回归关系（表4）：式中θ

表层体积含水量。如表4所示，高水分处理（W2）的土壤水分含量一直维持在较高的水平，棵间蒸发量也较低水分处理（W1）的高，说明大豆棵间蒸发随着灌水量的增加呈增加趋势。在不同的施肥处理下，土壤蒸发量与表层含水量之间的相关性都达到了显著水平，说明土壤蒸发随着含水量的增加而增大，邹文秀[14]等研究也得出了类似的结论。由此可以得出在满足作物蒸腾的条件下，保持土壤表层干燥是减少作物棵间蒸发的一种有效措施。

表4 不同水肥处理土壤蒸发与土壤含水量相关分析

Tabel.4 Relationship between soil evaporation and soil moisture under different water and fertilizations

treatments

施肥方式方程 r n Sig.（单侧）

Fertilizations Equations

W1N0 E=0.295θV-5.956 0.774 6 0.036

W1N1 E=0.323θV-7.076 0.779 6 0.034

W2N0 E=0.307θV-6.650 0.945 6 0.002

W2N1 E =0.180θV-3.387 0.916 6 0.005

W2N2 E =0.250θV-4.566 0.941 6 0.003

2.4 交替灌溉施肥对水分利用效率的影响

根据实测数据，各处理大豆水分利用效率与全生育期耗水量的关系见表 5。从表 5 可以看出, 各个水肥处理的水分利用效率的大小排列顺序依次为: W1N1＞W2N1＞W1N0＞W2N2＞W2N0。处理W1N1比W1N0，W2N2，W2N0和W2N1分别节水10.89%，13.86%，14.85%和8.9%。并且除处理W2N1之外，处理W1N1比W1N0，W2N2和W2N0分别增产1.8%、8.6%、和15.0%。由此可见, 由WUE（ET）可以看出不同水肥处理所消耗的水分无明显的差异，说明施肥的增产作用并不在于消耗较多的土壤水分，而是以提高水分的利用效率为基础。处理W1N1和处理W2N1显著高于其它处理，由此可见，适当的增施氮肥能提高植物渗透调节能力，显著抑制蒸

腾失水，提高水分利用率。

表5 大豆不同处理的水分利用效率

Table.5 Water use efficiency of soybean for different treatments

处理Treatment

产量(Y)

Yield（kg?hm-2)

Water Consumption（mm）

水分利用效率

WUE(ET)(kg/mm?hm2)

W1N0 4402.2 160.47 27.43

W2N2 4126.5 160.56 25.70

W1N1 4482.4 140.71 31.86

W2N0 3896.9 160.77 24.24

W2N1 4572.2 155.12 29.48

3讨论

3.1追施氮肥对作物棵间土壤蒸发的影响

控制性交替灌溉技术每次灌水仅仅湿润一半左右的土壤表面以达到省水的目的,不仅可以有效的减少棵间土壤蒸发，而且在一定程度上也较好地控制了作物奢侈蒸腾的发生，使作物的水分利用效率得以明显提高[16]。邹文秀[14]等研究表明，长期施用不同肥料后，土壤水物理性质发生改变，肥料的施用能够有效地抑制土壤蒸发，不同处理间土壤蒸发量由大到小的顺序依次表现为无肥（F1）>单施化肥（F2）>化肥+有机肥（F3），本研究采用水肥异区交替灌溉处理，表明适量追施氮肥能够有效地抑制土壤蒸发，这与大多数学者的研究结果相似。

3.2 水肥耦合在胁迫条件下的作用

水肥不仅在其充足条件下存在联效作用，而且在其胁迫条件下仍具有明显的互补作用[17]，本研究中处理W1N0和W1N1在大豆苗期进行了调亏处理，抑制了叶片延伸生长和气孔开张度，叶面蒸腾和棵间蒸发量都相对降低，而对产量无太大影响。这说明幼苗期干旱可以促进根系深扎，便于中耕除草，对大豆生长发育有利[18]。水肥耦合在胁迫条件下的具体的作用还需要进一步研究。

3.3 本实验中的产生的误差

本试验研究是在防雨棚下的测坑中进行的，试验研究采用微型棵间蒸发器，由于试验人员每天进入试验区测量引起覆盖度发生一定程度的变化，因此可能造成数据偏差；制作棵间蒸发器的材料、尺寸及封底也可能对测定的棵间土壤蒸发结果产生一定影响，有待进一步的研究。

4 结论

本文以大豆为供试作物，利用分根交灌溉技术，探索了，以探索适用于本地区的优

化节水施肥模式，从而为实现该地区大豆节水高产高效栽培提供理论依据。本次试验的结论主要有以下几个方面：

采用微型棵间蒸发器进行观测，结果表明大豆在水肥异区交替灌溉处理下，除了处理W1N1外，其他处理生育期总耗水量差异不明显。不同处理整个生育期中E/ET在50.23%～56.12%之间，属非生产性消耗。低肥处理的土壤棵间蒸发均小于中肥和高肥处理，说明追施氮肥能够有效地抑制土壤蒸发。

大豆生育期蒸发强度与叶面积指数呈指数函数关系，棵间蒸发的大小与表层土壤含水率为显著正相关，在土壤表面湿润的条件下大豆生育期内E/ET与LAI的相关性较好，而在土壤表面干燥的条件下，E/ET与LAI的相关性相对差。

土壤蒸发量与表层含水量具有极其敏感的关系，通过不同水肥处理土壤蒸发与土壤含水量相关分析，得出田间灌水量对大豆棵间蒸发是正效应，在不同的施肥处理下，土壤蒸发量与表层含水量之间的相关性都达到了显著水平，说明土壤蒸发随着含水量的增加而增大。

处理W1N1和处理W2N1的水分利用效率显著高于其他处理，说明适当增施氮肥能提高植物渗透调节能力，显著抑制蒸腾失水，提高水分利用率。水肥处理W1N1总蒸发蒸腾量最小，但产量并未明显降低，其节水效果相对其他处理明显，从产量的角度分析，通过水肥措施降低大豆生育期总蒸发蒸腾量是一种非常有效的节水途径。

致谢：

本课题在选题、实验设计和研究的过程中都得到了王建林老师的悉心指导，王老师多次询问研究进程，并为我解答研究过程中所遇到的疑难问题，帮助我开拓思路，精心点拨、热忱鼓励。王老师具有渊博的专业知识，严谨求实的治学态度，踏踏实实的精神，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风华，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。不仅使我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。当我每次向王老师寻求帮助，王老师不管工作有多忙，总是会抽出时间找我面谈，为我找出解决的办法。王老师平日里工作繁多，但我做毕业论文的每个阶段，从选题到查询资料，论文提纲的确定，中期论文的修改，后期论文的格式的调整等各个环节都给予了我极大的帮助。在此，我向王老师表示最衷心的感谢、最崇高的敬意！

感谢培养教育我的青岛农业大学，青岛农业大学浓厚的学术氛围，舒适的学习环境让我终生难忘，在这里我学到了很多专业知识，对我论文的完成起了很大的作用，农业知识给我带来了最宝贵的财富，它不仅让我找到了一份理想的工作，还让我感到了为农业服务的自豪。

感谢农学与植物保护学院，我们学院的很多老师都给了我很大的帮助，我的班主任邹楠给了我学习和生活上的很大的帮助，我的耕作学老师姜德峰传授我除草方面的很多的专业知识，对我未来的工作起了很大的积极作用，在此表示感谢！

在实验过程中得到了沈阳农业大学的大力支持，在此表示感谢，论文撰写过程得到了室友朱凯、熊文雄、董鲁朋、田昊、江平、樊昱忠、王彬的大力支持，在此一并表示感谢。

最后，再次感谢王建林老师对我的指导，对一只支持我的老师、朋友和同学一并表示感谢！

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导体激光器与单模光纤耦合效率的分析

导体激光器与单模光纤耦合效率的分析fH,w ` [ dx#i/Ka# 一、引言] 7% CL.2Q 随着光纤加工工艺和制造技术的日益提高，在光纤通讯与光纤传感中的传输损耗已经降低到了0.154dB/km的极限程度。而光源与光纤的耦合损耗问题越来越显得突出。在光纤通讯中，由于在多模光纤中各传输模的群延迟不同，所以限制了它的应用场合［1］；而在光纤传感中，多模光纤与光源的耦合相对单模光纤来说容易得多，但由于单模光纤具有较高的横向分辨力，在一些特殊的传感测试场合，还必须使用单模光纤［2］。所以，改善和提高半导体激光光源与单模光纤的耦合效率成为国内外研究的焦点。npT(iP`") 由于单模光纤的芯径只有多模光纤的十分之一，即5～10μm左右，加上激光器在垂直于结平面方向有较大的发散光束角，所以，简单的套筒式耦合无法获得较高的耦合效率［3］。况且，激光器与光纤轴线的对中容许误差只有1μm，增大了SLD-SMF光耦合的难度。为了减小SLD-SMF间的光耦合损耗，激光器的模场半径（光点尺寸）应与光纤的模场半径相互匹配起来，也就是说，使激光器的椭圆形模场转换为光纤的圆形模场，这可以通过在SLD-SMF间使用透镜来实现［4］。迄今为止，已有许多种用不同形状的透镜进行模式匹配的方法，如柱状透镜法、半球透镜法、四角锥形半椭圆透镜法、共焦透镜法及柱状透镜与自聚焦透镜组合法等［5，6］；也可以用一些特种加工技术，如通过拉伸被加热的光纤端头使其形成尖锥状或在研磨后熔融光纤的末梢以及用光刻技术［7～11］直接在光纤的端头处加工出各种形状的微透镜。2d"@g* 本文将对一些典型的SLD-SMF光耦合方式进行理论上的分析，并给出一些具有实用价值的数据。并从耦合效率与成本双重角度给出了适合于实际工程应用的几种耦合方式的优选率。2-v?T6<2 i*DP:$c 二、耦合特性的理论分析1 ]_!4{f 当单模光纤的归一化频率V在1.9≤V≤2.4范围内时，对在单模光纤内光能量分布采用高斯场近似，误差在1%以内。所以，采用高斯光束模场分布来分析计算和比较各种耦合方式的耦合效率及实用性是完全可行的。SLD-SMF直接耦合原理如图1所示。图中w0为单模光纤的模场半宽，其值在理论上在计算过程中相当烦琐，在工程实际中常由下式近似［12］：jS9 ,Z" (1) h,34JYq0 (z=0,w∥1=2μm) ^NXQ>Arg b>*'C3!LF 图3耦合效率与两轴相错角度和距离的关系'O(4mysc