入畦單寬流量對春小麥耗水及其產量的影響研究

黃澤軍，黃興法，張洲筆

(中國農業大學水利與土木工程學院，北京 100083)

0 引 言

小麥是我國三大作物之一。目前，小麥應用最廣泛的灌溉方式是畦灌。據統計，我國95%以上的灌溉面積仍采用地面灌溉方式[1]。由于傳統地面灌溉技術管理粗放、科技含量低，普遍存在田間滲漏損失大、灌水均勻度差、水肥利用效率較低等問題。

在諸多灌水技術參數中，畦灌灌水質量對單寬流量敏感度最高，水流推進速率受單寬流量影響最大[2]。不合理的單寬流量會使得畦首與畦尾入滲的水量出現較大差異。入畦單寬流量較小時，灌水時間增長，導致大量的深層滲漏，使得灌水效率和灌水均勻度較低，但儲存在計劃濕潤層中的水量近似等于計劃灌水深度，使其具有高的儲水效率。徐紅梅[3]等人通過SIRMOD模型模擬分析的結果表明較大單寬流量有利于提高灌水均勻度，梁艷萍[4]等人的研究指出采用較大入畦單寬流量可提高作物吸收利用水肥效率，提供相對均勻的畦田土壤水氮條件。而聶衛波[5]、任建明[6]、王維漢等[7]通過對灌水質量的分析，認為單寬流量并非越大越好。國外針對單寬流量的研究結論也存在分歧。Williamson[8]、Gillies[9]等人認為大單寬流量有助于提高灌水效率，但等Salahou[10]等研究表明，一定范圍內的入畦單寬流量并不能對灌水質量產生顯著影響。

我國目前多數地方采用小畦灌[11]，本文試圖在前人研究基礎上，通過春小麥大田實驗，針對畦灌入畦單寬流量這一參數，以50 m畦長為例，研究單寬流量對畦灌小麥耗水及產量方面的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2017年3-7月在甘肅省武威市民勤縣重興鄉榮騰農場(北緯38°37′、東經102°49′)進行。該地區處于綠洲與騰格里沙漠交界地帶，屬于典型的大陸性荒漠氣候，氣候干燥，風沙較多。多年平均氣溫7.8 ℃，極端最高氣溫39.5 ℃，極端最低氣溫-27.3 ℃，平均濕度45 %；降雨量少、蒸發大，多年平均降雨量為110 mm，多年平均蒸發量2644 mm；光熱資源豐富，年日照時數3 028 h，無霜期150 d，最大凍土深115 cm。試驗區土壤0～60 cm為黏壤土，60 cm以下逐漸由黏壤土變為沙壤土。播種前試驗田0～20 cm土層土壤有機質12.3 g/kg、速效鉀0.097 mg/kg、速效磷17.2 mg/kg、水解氮62.0 mg/kg、全氮0.908 g/kg。春小麥全生育期有效降雨量見表1。試驗田縱向比降為0.09%。試驗地0～20、20～40、40～60 cm土層田間持水率(體積)分別為28.32%、30.90%、37.59%，干容重分別為1.63、1.59、1.57 g/cm3。

表1 小麥生育期有效降雨量表 mm

1.2 試驗設計

本試驗種植的小麥品種為“永良4號”，畦寬2.8 m，畦長50 m，小麥行距為15 cm，播量450 kg/hm2。入畦單寬流量Q1、Q2、Q3分別設為：4.0、3.0、2.0 L/(m·s) 3個處理，隨機區組設置，3次重復。試驗小區之間設置1.5 m的隔離帶，防止小區間滲漏。全生育期共灌水5次，頭水為5月6日，每15 d灌溉1次，共灌水5次。采用水表計量灌水量，確保灌溉定額相同。

本試驗生育期灌水定額按田間持水量上下限控制，灌水定額按下式計算：

m=h(β2-β1)

(1)

式中：H為計劃濕潤層深度，選用0.6 m；β2為允許土壤含水率上限(取田間持水率的100%)；β1為允許土壤含水率下限(取田間持水率的60%)，田間持水率(0～60 cm土層平均體積含水率)取32.27%。

根據上式所計算得到灌溉定額為77.4 mm，取78 mm。在灌溉頭水時，由于表層土松散，土壤孔隙度大，水流推進較慢，78 mm的水量不夠推進到畦尾，因而在水流推進到畦尾時停水，此時灌水量為90 mm。第二次灌水時水流推進變快，灌后取土發現易引起深層滲漏，因而將灌溉定額改為78 mm。分析原因，灌溉使得土壤變得密實，表層土壤入滲能力變小，使得水流推進較快。這與楊素宜[12]、徐睿智[13]等人的研究發現一致，認為土壤入滲能力隨灌水次數增加而減小。故5次灌水共計灌水414 mm。

全生育期內施入280 kg/hm2的N、150 kg/hm2的P、120 kg/hm2的K，即尿素(N≥0.464)456 kg/hm2、磷酸二胺(N≥0.12、P2O5≥0.52)289 kg/hm2、硝酸鉀(N≥0.13、K2O≥0.46)261 kg/hm2。磷肥和鉀肥全部以底肥形式施入，氮肥50%施入底肥，剩余分別在一水、三水、四水時隨水追施20%、20%和10%。

試驗采取大田機播的方式于3月26日播種，于7月15日收獲，全生育期113 d。

1.3 測定項目

灌水前后，沿畦長方向，每隔10 m處取點，土層深1 m，每20 cm取土，用烘干法測土壤含水率；并在施肥前后取土測含水率的同時采集土樣，用流動分析儀測土壤硝態氮含量。

在作物5個主要生育期(分蘗、拔節、抽穗、灌漿、成熟)采取植株樣，每個小區采取10株具有代表性的植株，測量株高以及用烘干法測量各器官干物質量。

考種時，各小區隨機取10株具有代表性的植株，測量小麥穗長、穗粒數等考種指標。

測產時每個小區沿畦長方向前、中、后分別取1 m2樣方，先數穗數，再脫粒稱重。稱重后，隨機從每個樣方的產量里測量千粒重，并用筒式糧食水分快速測定儀(青州巨豐牌QLY-T型號)測定糧食水分，然后將脫粒后產量轉化為含水率為13%下的產量。

生育期及各階段耗水量通過水量平衡公式計算[14]：

Wt-W0=I+P+K-ETi

(2)

式中：Wt為時段末的土壤計劃濕潤層內的儲水量，mm；W0為初始時段的土壤計劃濕潤層內的儲水量，mm；I為該時段內的灌溉水量，mm；P為降雨量，mm；K為該時段內的地下水補給量，此地區忽略不計；ETi為該時段內的作物耗水量，mm。

作物水分利用效率(WUE)由下式計算：

(3)

式中：Y為實測產量，kg/hm2；ETa為全生育期耗水量，mm。

2 結果與分析

2.1 入畦單寬流量對春小麥耗水規律的影響

結合小麥滴灌各生育期前后土壤含水率以及灌水量、降雨量得到畦灌春小麥不同處理小麥耗水量，如表2所示，小麥日均耗水量見圖1。

畦灌灌各處理春小麥全生育期耗水量由大到小為Q2、Q3、Q1。3種單寬流量各生育期的日均耗水量變化趨于一致，先增大后減小。小麥生育期前期由于生長活動緩慢以及氣溫降低，日均耗水量相對降低，而進入拔節期后，隨著小麥生長旺盛，氣溫升高，耗水量迅速增加，在拔節至抽穗期之間耗水量較大，最大日均耗水量為8.03 mm，小麥生育末期，耗水量逐漸降低，降至5.18～5.35 mm/d。

表2 畦灌春小麥不同處理的耗水規律

圖1 各處理不同生育期日均耗水量變化規律

2.2 灌水均勻度和施肥均勻性的影響

梁艷萍等人的研究[7]指出入畦單寬流量是影響畦灌施肥模式下土壤硝態氮和土壤水分沿畦長空間分布均勻性的重要因素。畦灌各處理灌水均勻度及硝態氮分布均勻性見表3。

表3 畦灌各處理灌水及施肥均勻性

本文以灌水均勻度來評價不同處理下的灌水效率，采用克里斯琴森計算公式：

(4)

類似的，同樣用克里斯琴森系數來評價施肥均勻度，其表達形式為：

(5)

Q2、Q3處理的灌水均勻度高于Q1，而施肥均勻度由大到小排序為Q2>Q3>Q1。說明Q2灌水施肥更均勻，單寬流量過大或過小都會影響水肥的均勻度，這一結果與黎平[15]所認為的單寬流量越大，灌水均勻度越高的結論不一致，而與聶衛波[3]的研究結果一致，認為灌水均勻度會隨著入畦單寬流量的增大呈現先增大后減小的趨勢。

畦長、灌水定額一定的情況下，入畦單寬流量對灌水均勻度及施肥均勻性有影響。單寬流量Q2和Q3比Q1的灌水均勻度高，分別高11%和3.9%。說明單寬流量過高會降低灌水均勻度，而過高或過低會降低施肥均勻性。

2.3 入畦單寬流量對春小麥干物質的影響

干物質量、株高是小麥生長的重要生理指標。各處理春小麥的干物質量、株高如圖2、圖3所示。

圖2 不同生育期各處理干物質量

圖3 春小麥各生育期株高變化

單寬流量為Q2的處理總干物質量、葉干物質量、莖干物質量和穗干物質量都稍大于Q1和Q3，但沒有顯著性差異。

春小麥干物質整體一直呈增長趨勢，分蘗期較慢，進入拔節期后增長速度較快。各處理春小麥莖、穗以及總干物質量變化趨于一致，而葉干物質所呈現的規律有所不同。Q2處理在進入抽穗期后，葉干物質量幾乎不再發生變化，而Q1、Q3處理的葉干物質量仍在增長，3種處理的成熟期葉干物質量差異不大。莖干物質量增長速度在進入灌漿期后有所降低，而穗干物質量在灌漿期增速提高。抽穗期后，小麥穗粒逐漸形成，莖、葉吸收的養分較少，養分向穗粒供應增多，故小麥莖、葉干物質不再增長。

不同處理間的春小麥株高變化趨勢一致，在灌漿期，Q2處理的株高顯著高于Q1和Q3處理，并且后兩者處理間沒有顯著性差異；在成熟期，3種處理間株高不存在顯著性差異。說明單寬流量對小麥株高的影響不明顯。

2.4 入畦單寬流量對春小麥產量構成因素、產量及水分利用效率的影響

畦灌春小麥3種單寬流量處理產量構成因素見表4。

表4 畦灌春小麥各處理產量構成因素分析

注：小寫字母表示0.05水平上有顯著差異，同一字母表示差異不顯著。

Q2處理的穗長、小穗數、穗粒數、穗密度以及穗數均高于Q1和Q3，但入畦單寬流量對春小麥小穗數、穗粒數、小穗密度、粒密度以及穗數、千粒重影響不顯著。穗長是小麥產量構成的重要因素，是反應最終產量的重要參數。Q2處理的小麥穗長顯著高于Q1、Q3，而Q1、Q3之間沒有顯著差異。說明入畦單寬流量對穗長能夠產生一定影響。

春小麥不同處理的產量和水分利用效率如表5所示。

表5 各處理產量與水分利用效率對比

注：*表示P0.05水平下顯著，小寫英文字母為入畦單寬流量在P0.05水平的顯著，同一字母表示差異不顯著。

50 m畦長下，Q2處理產量顯著高于Q3處理，產量提高14.75%。Q1處理與Q2及Q3處理之間差異并不明顯，分析原因，大流量灌溉，灌水時間短，不利于施肥，故導致小麥產量不均，因而差異不顯著。

3種處理水分利用效率差異顯著。Q1、Q2的水分利用效率顯著高于Q3處理，而Q1、Q2之間沒有顯著差異。分析原因，Q3灌水均勻度較高，但深層滲漏較多，因而耗水高而產量低，水分利用效率較低，說明過小的入畦單寬流量水分利用效率低。

3 結 語

春小麥進入分蘗期后耗水增大，且在拔節、抽穗期2個時期日均耗水量達到最高值，在6.03～8.09 mm之間波動。

灌水定額和畦長一定的情況下，入畦單寬流量對灌水均勻度及施肥均勻性有影響。入畦單寬流量過高會降低灌水均勻度，而過高或過低會降低施肥均勻性。入畦單寬流量對春小麥最終成穗數、株高、干物質等指標影響較小。但對產量和水分利用效率影響顯著。以50 m畦長為例，3.0 L/(m·s)是比較適宜西北類似民勤環境條件的地區的入畦單寬流量。