旱地小麥深層防堵滲灌應用研究

席吉龍，楊 娜，王 珂，張建誠，姚景珍

（山西省農業科學院棉花研究所，山西運城044000）

0 引言

黃土高原旱作麥區是中國主要旱地小麥大范圍連片產區，面積約200萬hm2。該區黃土覆蓋一般達30～300 m，地下水埋藏較深、開發困難。如何利用有限雨水提高農作物生產力顯得尤為重要[1]。20世紀80年代以來，中國北方半干旱農業區開展了雨水匯集利用技術的研究，把雨水集流技術、雨水貯存技術運用到小麥、棉花、果樹等作物上[2-4]。在作物需水關鍵時期或干旱時期進行有限補水灌溉，顯著提高了作物的產量和水分利用效率[5]。但是，在雨水高效利用上尚未形成科學合理的灌溉技術及作物栽培技術[6-7]。集雨補灌技術由地面灌溉補水向微灌補水、精準補水轉變。滲灌是一種新型的有效地下灌溉技術，滲灌就是按照作物需水要求，通過低壓管道系統與安裝在末級管道上的特制灌水器，將水和作物生長所需的養分以較小的流量，均勻準確地直接輸送到作物根部附近的土層中的灌溉水方法[8]。據統計，管道輸水可節水20%～30%，噴灌可節水50%，微灌可節水60%～70%，滴灌和滲灌可節水80%以上[9]。滲灌具有節水、節能、降濕、增溫、改善土壤結構、增加產量、改善作物品質、減少病蟲害等優點[10-13]。但存在一次投資成本大，滲灌管較易堵塞，不同作物灌溉管埋深度不同、滲水均勻性不穩定、地下維修不便、機械化作業受限等原因，制約了滲灌技術大面積推廣應用。為提高水分利用率和生物轉化效率，開展了小麥集雨滲灌關鍵農藝技術研究，2012年在山西省農科院棉花所夏縣牛家凹農場，建立了0.67 hm2小麥深層防堵滲灌試驗示范園，并與其他抗旱節水增產技術相配套，實現小麥水分綜合高效利用，以期為旱地小麥集雨補灌技術的推廣應用提供實踐經驗和理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗時間、地點

研究田間試驗于2012年10月—2017年6月連續5年在山西省農業科學院棉花研究所牛家凹試驗農場進行。

1.2 試驗材料

供試小麥品種均為國審麥‘運旱618’，由山西省農業科學院棉花研究所‘運旱618’育種家提供。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設計 設滲灌與不滲灌2個處理，小區面積120 m2，重復3次。依據當地氣候、降雨量及小麥生長發育需水情況，靈活掌握滲水時間，一般滲水時間在返青—拔節期，每次滲水450 m3/hm2，具體滲水量及5年小麥生育期內的降水量見表1，降水量數據由試驗地氣象觀測站提供。

表1 連續5年降雨量及滲灌處理灌水情況

播前旋耕整地，于10月5—10日機械旋耕播種，播量150 kg/hm2左右。各處理施肥、除草、防治病蟲害及其他管理方法相同，小麥收獲時測產，并進行室內考種，以小區實產折算為公頃產量。

1.3.2 深層防堵滲灌系統的設計與技術參數

（1）滲灌系統的設計組成。水源由集雨蓄水池提供，潛水泵提水，機泵外安裝濾清器和壓力表，輸配水管道由干管、分管、支管、雙管微滲管組成。雙管微滲管系在16 mm線管上打孔，孔度1～1.5 mm，孔間距20～30 cm，把打好孔的線管外套內徑18 mm橡塑微滲灌管（揚州市恒輝化工有限公司生產）。雙管微滲管埋于田間深度45 cm。滲灌系統前支管上安裝閥門和水表便于統計灌水量。

（2）滲灌的技術參數。滲水管宜順小麥種植行布置；滲水管的埋設深度45 cm；滲水管的間距1.2 m；滲水管的長度50 m；滲灌的灌水定額450 m3/hm2；主管上安裝過濾器，用80～100目的紗網。

1.4 調查測定項目

1.4.1 土壤含水量測定 采用土鉆人工取土，試驗期每年于小麥播前和收獲時鉆取1 m深，每10 cm取1份土放入鋁盒中，稱鮮重后，在105℃下烘至恒重，稱干重并測定土壤含水量。

1.4.2 水分利用率的計算方法[14]見公式(1)。

作物耗水量用農田水分平衡法計算，如式(2)[15]。

式中：滲漏、截留和徑流不計，ΔW為冬小麥耗水量，W1為播種前的土壤含水量，W2為收獲時的土壤含水量，P為灌溉量，I為降水量。

1.4.3 灌溉效益的計算 見公式(3)[16]。

式中：IB為灌溉效益[kg/(hm2·mm)]，ΔY為灌溉后增加的產量(kg/hm2)，I為實際灌水量(mm)。

1.4.4 產量小麥成熟后，每個小區實收120 m2，并進行室內考種，脫粒曬干稱重折算為標準含水率產量。

1.5 統計分析

用Microsoft Excel 2012進行數據計算,所有數據用SPSS軟件進行統計分析，用t測驗法進行平均數顯著性比較。

2 結果與分析

2.1 深層滲灌冬小麥的產量結果及產量結構

由表2可見，各年滲灌處理的穗數、穗粒數、千粒重都顯著高于對照。滲灌處理比對照增產47.5%～478.0%，其中2013年冬春連旱對照生長發育嚴重受阻，株高僅45 cm，產量僅649.6 kg/hm2，滲灌處理補水3次，共補水135 mm，增產幅度最大。增產的主要原因是在小麥需水關鍵期補水，促進了小麥分蘗成穗，使穗多穗大粒重，小麥產量顯著提高。

2.2 深層滲灌小麥耗水量與水分利用效率

表3列出了2013—2017年冬小麥生長期內水分收支情況，小麥播前土壤儲水量大于收獲土壤水分量，滲灌處理與對照降雨量相同，滲灌處理在小麥起身期限量補水，各年度灌水處理的耗水量都大于對照處理，水分利用率平均值為17.14 kg/(hm2·mm)，較對照提高2.6～8.1 kg/(hm2·mm)，提高了15.0%～245.5%，灌溉效率為5.7～9.4 kg/(hm2·mm)，干旱年型水分利用率、灌溉效率提高幅度最大。

2.3 深層滲灌經濟效益分析

以本試驗為例，工程費用包括集雨蓄水池、提水潛水泵、管道、滲灌管、施肥過濾器、壓力表、計量水表、施工費等，集雨蓄水池按20年折舊，其他按10年折舊。蓄水池容積300 m3，供應0.67 hm2小麥田關鍵期補水量。年折舊費集雨蓄水池375元/hm2，提水潛水泵300元/hm2，管道90元/hm2，施工費300元/hm2施肥過濾器60元/hm2，工程費用年折舊費合計1125元/hm2。

表2 連續5年深層防堵滲灌系統產量及產量結構

表3 5年深層滲灌各處理小麥耗水量與水分利用效率

經濟效益是深層滲灌工程安裝完畢正常運行后所增加的產量和品質提高所增加的產值。按本試驗連續5年產量平均值計算，小麥價格以市場價2.36元/kg計算。表4列出了深層滲灌與對照的投入及收入情況，可見滲灌純收益6849元/hm2比對照3150元/hm2多3699元，凈效益比對照提高117.4%。

滲灌具有節省開支產投比高的特點，不同的滲灌設計、滲灌用材料、滲灌作物滲水工程投入是不一樣的，生產資料、水電費、人工管理費也不同。

3 結論與討論

有限的集雨補水滲灌對小麥增產效果十分顯著，馮利平等[15]研究滲灌比旱地增產62.3%，滲灌可明顯提高冬小麥水分利用效率，滲灌處理水分利用效率平均為13.25 kg/(hm2·mm)；宋文品等[17]認為，滲灌增加了小麥穗粒數、千粒重，提高了籽粒產量；春滲每公頃產小麥5151 kg，比對照增產33.7%；與傳統的露地條播相比滲灌覆蓋栽培技術平均增產1601.2 kg/hm2，增產率達38.0%。本研究5年補水滲灌試驗增產幅度為47.5%～478%。

黃土高原東部的山西省多年歷史數據顯示小麥的旱情發生在播期的占7.0%，春旱占26%，拔節期—灌漿期旱的頻率占21.7%[18]。收集雨在春旱、夏初旱時滲灌，從時間和空間上主動調節雨水分配，使水分供給與小麥關鍵需水期吻合。在小麥需水的關鍵時期補水，使小麥度過干旱脅迫的難關，待小麥根系發育完善后既能利用土壤深層水，也能在降雨季節到來之時，更好地利用天然降水，提高降水利用率。這也正是集雨補灌生態農業以極少量的供水調動土壤深部水，充分利用天然水，使作物獲得較高增產效果的原理所在。

表4 深層滲灌與對照5年純收益比較 元/hm2

與常規灌溉相比，地下滲灌明顯降低了全生育期的水分消耗[19]，水利用效率最高[20]；小麥滲灌比噴灌節水43.9%，水分利用率比噴灌提高35.2%，比旱地提高62.7%[15]；小麥滲管埋深20cm滲灌水分利用效率提高14.59%[21]；灌溉效率達到 13～56 kg/(hm2·mm)，遠遠超過了常規灌溉達到的水平[1]；本研究5年滲灌水分利用率提高了2.6～8.1 kg/(hm2·mm)，平均17.1 kg/(hm2·mm)，比對照提高15.0%～245%，灌溉效率5.7～9.4kg/(hm2·mm)。

冬小麥的次生根群主要分布在0～50 cm土壤中，占總根量的80%，初生根達2 m深。種子根、次生根發揮各自不同的作用。滲灌管深埋45 cm條件下，滲灌主要增加了40～80 cm土層含水量，冬小麥耗水的主要來源除降水和灌溉外，播前土壤儲水的有效利用對冬小麥高產非常關鍵，冬小麥灌漿期間主要利用下層土壤水分[22]。裴艷婷認為[21]，深層土壤水對產量和水分利用效率具有重要作用；Kirkegaard等[23]發現，在澳大利亞旱作條件下冬小麥1.35～1.85 m土層中多吸收10.5 mm的水分，就能增產0.62 t/hm2。小麥滲灌能抑制表層土壤蒸發，埋深40 cm以下，也便于機械化操作，但帶來表層0～10 cm水分向上浸潤相對不足，在小麥出現播期和幼苗期干旱時難以滿足水分需求。

集雨滲灌以提高水分利用轉化效率為中心，在雨水生物轉化中使集蓄的雨水盡可能多地轉化為生物量[24]，因此推廣集雨滲灌要與基本農田建設、耕作保墑、覆蓋、優良品種、水肥耦合、化學抗旱等技術配套，構成完整的黃土高原集雨滲灌旱作農業技術體系，提高農田生態系統的穩定性。

基于黃土高原極其缺水和土質適宜滲灌的特點，使得這項技術得到迅速發展[8]，由于滲灌技術在小麥上的應用還不是非常成熟的技術，要將水文、材料、農業水土工程、水土保持、土壤、農藝等學科有機結合在一起，實行協同攻關，研究集成集雨滲灌的技術標準和規范。因地制宜建立具有區域特色的集雨滲灌工程技術體系，不斷提高集雨滲灌綜合效益，從而實現產業化，推動綠色環保型水資源高效利用。