壟作溝播噴灌條件下作物耗水及適宜灌溉制度研究

丁 林，王以兵，王文娟

(甘肅省水利科學研究院，甘肅 蘭州)

全膜壟作溝播栽培是在克服傳統栽培(平作)許多不利因素的基礎上發展起來的一種耕作栽培技術，是旱作農業上一項突破性的創新技術[1]。壟作溝播通過改變地表形狀的土壤耕作，改善土壤水、肥、氣、熱狀況，通過覆蓋抑蒸、膜面集水、壟溝種植技術為一體，最大限度地保蓄灌溉水、收集天然降水，使地面蒸發降到最低，同時還能使灌溉水和降雨集中入滲于作物根部，被作物有效利用，實現了集水、保墑、抗旱[2- 5]，促進作物生長，提高作物產量[6- 8]的目的，目前已在我國北方旱作農業區大量應用。而噴灌技術早已大面積推廣應用，其節水增產效果顯著，且技術較為成熟。已有學者研究表明，壟作溝播噴灌技術結合了溝播集雨與噴灌技術的優點，改善了作物生長環境與農田小氣候[9- 13]。本文針對石羊河流域水資源短缺、用水效率低下等問題，根據壟作溝播噴灌技術的特點及適宜種植作物，研究當地適宜噴灌的主要作物葵花、棉花、茴香在壟作溝播噴灌條件下的產量效應、耗水特征及適宜灌溉技術，對作物水分高效利用、解決缺水問題及新型節水栽培技術的推廣具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗于2014年4月—2015年9月在甘肅省水利科學研究院民勤灌溉試驗站進行。試驗區地處民勤綠洲和騰格里沙漠交界地帶，屬典型的大陸性荒漠氣候。研究區氣候干燥，降水稀少，蒸發量大，風沙多，自然災害頻繁。多年平均氣溫7.8℃，多年平均降水110mm，多年平均蒸發量2644mm。該區域光熱資源豐富，年日照時數3028h，≥0℃積溫3550℃，≥10℃積溫3145℃，無霜期150d。試驗區土質0～60cm為粘壤土，60cm以下逐漸由粘壤土變為沙壤土，土壤平均容重為1.54g·cm-3，灌溉水為地下水，礦化度0.91g/L。

1.2 試驗設計

試驗以葵花、棉花、茴香為研究作物，以不同灌水定額各設4個處理，以常規覆膜地面灌溉為對照，每個處理重復3次，每種作物在同一塊試驗田，噴灌系統相對獨立，同種作物內試驗小區隨機布置，三種作物共計48個試驗小區。噴灌處理依據少量多次原則及作物生育期持續時間設置灌水次數，其中葵花6次，棉花7次，茴香6次；對照處理灌水次數與當地大田種植一致，其中葵花4次，棉花5次，茴香4次。

田間噴灌工程為半固定式噴灌，噴頭布置方式采用正方形布置，每個小區面積6.5m×6.5m，噴頭噴嘴流量為1m3/h，射程為6.5m，噴頭間距8.0m，噴頭工作壓力0.25MPa。對照區(CK)的面積為6.5m×6.5m，種植方式采用覆膜平作，灌溉方式為膜上灌。試驗區壟溝規格為大小壟，大壟寬70cm，小壟寬40cm，溝深15cm，用雙壟溝播機完成起壟覆膜，作物種植行距均為大小行，大行距70cm，小行距40cm。葵花選擇品種“美葵901”，種子播在壟溝內，每穴1～2粒，株距20cm，每穴留苗1株，理論保苗7.50～8.25萬株/hm2。棉花選用品種“碩豐2號”，種子播在壟溝內，每穴1～2粒，株距15cm，每穴留苗1株，理論保苗12.00～13.00萬株/hm2。茴香選用品種“2011002號”民勤茴香，種子播在壟溝內，每穴1～2粒，株距20cm，每穴留苗1株，理論保苗7.50～8.25萬株/hm2。各處理用P2O5300kg/hm2，N 165kg/hm2做底肥，葵花在開花期和灌漿期與灌水同步各追施N 69kg/hm2，棉花在開花期和花鈴期灌水時各追施N 69kg/hm2，茴香在開花期和成熟期在灌水時各追施N 69kg/hm2。試驗數據均為2014、2015兩年數據平均值。試驗采用壟溝規格及作物種植模式如圖1所示，試驗小區灌水技術參數設計見表1。

表1 各試驗處理灌水參數設計

圖1 雙壟溝播噴灌壟溝模式及栽培示意圖

1.3 測定指標與方法

土壤含水率：用HD2土壤水分速測儀結合土鉆取土烘干法測定土壤含水率，深度為0～100cm的土層中每20cm為一層測定，整個生育期內每隔8～10d測定一次，降水及灌水前后進行加測，每個處理分別在壟頂和溝內埋設測管。

灌水量：采用管道輸水，每個試驗小區用閘閥控制灌溉，灌水量由水表量測。

作物指標：株高在生育期每隔10d用卷尺測定，莖粗在生育期每隔10d用游標卡尺測定，干物質在每個生育期每小區取5株自然晾干后測定，根據種植密度計算單位面積干物質。

作物產量：收獲期在每個小區中隨機選取兩點，每點取樣5～10株，將兩個點的樣品合成一個樣，進行考種；收獲時按各小區單收，計算各小區產量。

作物耗水量：按下式計算

式中，ET—階段耗水量，mm；γi—第i層土壤干容重，g·cm-3；Hi—第i土層的厚度，cm；Wi—第i土層的土壤含水量(干土重的百分率，壟頂和溝內平均值)；M—時段內的灌水量，mm；P—時段內的有效降水量，mm；K—時段內的地下水補給量，mm；C—時段內地面徑流量。

本試驗期間無高強度長時間的大降水，在計算耗水量時，將5mm以下的降水不予考慮，各灌水處理灌水定額均小于100mm，因此不考慮深層滲漏。

氣象資料：通過TRM-ZS3全自動氣象站(錦州陽光氣象科技有限公司)觀測記載溫濕度、降水、蒸發、風速、日照等氣象因素。試驗期間降水及氣溫變化如圖2所示。

圖2 試驗期間(2014年5月—2012年9月)降水及氣溫變化

1.4 數據分析及處理方法

用Excel2007進行數據處理和制圖，用DPS(v6.05)統計軟件做相關分析。

表2 三種作物生育旺盛期生長指標分析

注：小寫字母表示0.05水平上差異顯著。大寫字母表示0.01水平上差異顯著。

表3 三種作物各生育階段耗水情況 單位：mm

2 結果與分析

2.1 不同作物生長指標分析

作物植株生長和干物質積累是作物光合作用產物的最佳表現形式，選擇作物生長旺盛期(7月中旬)的生長指標開展研究，在一定程度上可代表各灌水處理對作物產量形成的影響。由表1可以看出三種作物在噴灌條件下株高、莖粗、干物質積累均隨灌水量的大小有所變化，灌水量越大，上述指標也越大，但隨灌水量增長的趨勢不斷減緩。在生育旺盛期三種作物株高、莖粗無顯著差異；干物質積累方面，葵花噴灌處理KT4與其與處理有極顯著差異，棉花MT1與其與處理有極顯著差異，茴香各處理間無差異。雖然對照處理灌水最多，但其生長指標均不是最高，主要是由于對照處理每次灌水間隔時間較長，在部分時段造成了水分虧缺，影響了作物生長，尤其對干物質形成有較大影響。而噴灌處理在適宜的灌溉定額下發揮了少量多次的作用，使土壤水分較少處于虧缺狀態，灌溉水能充分被作物吸收利用，提高了利用率，對作物生長起到了積極作用。

2.2 不同作物各生育期耗水規律

通過對三種作物全生育期土壤水分變化過程的監測，分析計算了壟作溝播噴灌條件下葵花、棉花、茴香各生育階段的耗水情況，結果見表3。不同生育期需水量明顯不同。三種作物常規灌溉CK各生育期耗水量均高于噴灌處理。三種作物各生育期的耗水量均隨灌水定額的增加而增加，在生育旺盛期耗水量普遍較大，成熟期耗水量普遍較小。結合各處理灌水情況可以看出，灌水量越大對原有土壤水及降水利用率相對越低，灌水量越小則相反，如葵花(生育期125d左右)KT1處理利用土壤水及降水66.0mm，而KCK處理利用土壤水及降水只有52.2mm；棉花(生育期175d左右)MT1處理利用土壤水及降水85.2mm，而MCK處理利用土壤水及降水只有71.9mm；茴香(125d左右)HT1處理利用土壤水及降水57.9mm，而HCK處理利用土壤水及降水只有48.0mm。就全生育期耗水情況來看，由于噴灌處理灌溉定額較小，在噴灌條件下三種作物耗水普遍較小，其中葵花KCK處理耗水最大為412.2mm，較KT1多160.2mm；棉花MCK處理耗水最大為521.9mm，較MT1多243.2mm；茴香HCK處理耗水最大為408.0mm，較HT1多164.1mm。

表4 三種作物不同灌水條件下產量及水分利用效率

注：小寫字母表示0.05水平上差異顯著。大寫字母表示0.01水平上差異顯著。

2.3 產量及水分利用效率

不同作物在不同灌水處理下產量及水分利用效率見表4。比較各作物不同處理產量可得，葵花噴灌處理較對照是增產的，其中KT3處理增產幅度最大，達到了5.97%，KT1處理最小為1.22%；棉花處理只有MT2、MT3、MT4處理較對照是增產的，分別增產1.41%、4.14%和2.26%，而MT1處理較對照是減產的，減產幅度為5.25%；茴香只有HT2、HT3、HT4處理較對照是增產的，分別增產6.84%、5.60和4.61%%，而HT1處理較對照是減產的，減產幅度為0.59%；在噴灌處理中灌水量最大的KT4、MT4、HT4產量不是最高，說明在灌水量適宜范圍作物產量可達到較高值，過多灌水對增加產量影響不大，但總體來說三種作物各灌水處理間產量無顯著差異。就農田水分利用效率來說，葵花、棉花對照處理KCK、MCK與噴灌處理有顯著差異，茴香HT4和HCK與其余處理有顯著差異。噴灌處理農田水分利用效率相對較高，灌水量最多的對照處理CK水分利用效率相對較低，三種作物對照處理農田水分利用效率分別為1.44、0.89、0.74kg/m3；T1處理最高，分別為2.29、1.48、1.17kg/m3，較CK分別提高59.0%、66.3%、58.1%，由此表明，在一定范圍內，適當減小灌水量可以提高水分利用效率。在考慮到三種作物節水、增產、高效的綜合效應后，認為葵花的KT3處理、棉花的MT3處理、茴香的HT2處理的灌水模式在實際應用中可根據作物種植條件選擇應用。

2.4 經濟效益分析

三種作物不同灌水條件下經濟效益分析見表5。通過試驗并根據該灌區現狀結合當地市場調查，對研究作物生產成本進行了估算。其中投入包括勞力、機械、化肥、地膜、種子、農藥、水電費等，產出包括籽粒(籽棉)產、秸稈等。三種作物投入方面，葵花、茴香對照KCK、HCK與其余處理有及顯著差異；棉花對照KCK與其余處理有及顯著差異，MT1與其他噴灌處理有顯著差異。三種作物灌水量最高的常規灌溉KCK、MCK、HCK處理并沒有獲得最高的凈收入，葵花噴灌處理凈收入均高于常規灌溉處理KCK，其中KT3凈收入最高，為16575.3元/hm2，與常規灌溉KCK相比凈收入多1338.0元/hm2，增加8.79%；棉花噴灌處理MT2、MT3、MT4凈收入高于常規灌溉處理MCK，其中MT3凈收入最高，為18288.4元/hm2，與常規灌溉MCK相比凈收入多907.6元/hm2，增加5.23%；茴香噴灌處理HT2、HT3、HT4凈收入高于常規灌溉處理HCK，其中HT2凈收入最高，為16765.0元/hm2，與常規灌溉HCK相比凈收入多1549.5元/hm2，增加10.19%。除了葵花灌水最少的噴灌KT1處理凈收入高于KCK外，棉花、茴香灌水量最少的MT1、HT1，凈產值均較小。三種作物噴灌處理在噴灌設備、壟溝種植等生產過程中投入較多，其中投入最大的KT4、MT4、HT4處理較CK投入分別增加1.91%、2.34%、1.97%，但噴灌處理增產、節水、節肥效果顯著。由以上可以看出，壟作溝播噴灌在適當灌水情況下不僅能提高產量，而且凈收入也明顯提高。但在實際應用中應考慮作物種植區水資源狀況、土壤和氣候特點，選擇適當的噴灌灌水量并結合農藝、耕作等措施可達到節水增產的目的，取得較好的收益。

2.5 不同作物適宜壟作溝播噴灌灌溉制度

根據三種作物種植特點、生育階段耗水規律、水分利用、產量及經濟效益指標，在2a田間試驗的基礎上，結合研究區土壤、氣候、水資源情況提出葵花、棉花、茴香適宜壟作溝播噴灌灌溉制度見表6。由表6可知，葵花全生育期適宜灌水定額297mm，灌水次數6次；棉花全生育期適宜灌溉定額291mm，灌水次數7次；茴香全生育期適宜灌水定額279mm，灌水次數6次。三種作物播種后第一次灌水均選擇較大灌水定額，主要是作物播種后表層土壤含水率較低，灌水較少時影響出苗，其他生育階段根據不同作物需水要求選擇適宜灌水定額。

表5 三種作物不同灌水條件下經濟效益分析

注：小寫字母表示0.05水平上差異顯著。大寫字母表示0.01水平上差異顯著。

表6 三種作物適宜壟作溝播噴灌灌溉制度

3 結論

通過研究壟作溝播噴灌條件下葵花、棉花、茴香三種作物的耗水規律、產量、水分利用效率與效益，并根據上述作物栽培特點提出了適宜的壟作溝播噴灌節水高產栽培與灌溉模式相關結論。

(1)三種作物在壟作溝播噴灌條件下較常規灌溉均有節水效果，并可提高土壤水及降水的利用率。

(2)適宜的灌水定額噴灌處理下(葵花的KT3處理、棉花的MT3處理、茴香的HT2處理)在節水同時還能提高產量，其中KT3處理增產5.97%，MT3處理增產4.14%,HT2增產6.84%。

(3)噴灌處理投入較多，但噴灌處理增產、節水、節肥效果顯著，在適宜的灌水定額下噴灌處理凈收入均較高。

本研究結合了壟作溝播與噴灌的優點，利用壟溝集水作用，除漂移損失的部分水量外，落地水量及作物莖稈下流水量均可得到充分利用，較常灌溉可減少灌水量，此模式改善了農田水分狀況，對提高作物產量有益。由于試驗在民勤綠洲開展，得出的研究結論中的指標與數據可能與類似地區相關研究有一定差異，但總體結果及變化趨勢卻沒有差異。在實際應用中應考慮作物種植區水資源狀況、土壤和氣候特點，選擇適當的壟作溝播噴灌灌水量并結合農藝、耕作等措施就可達到節水增產的目的，取得較好的收益。