不同灌溉方式下水稻生長及水量運輸規律試驗研究

伯彥萍，張春雷，安美運，朱伯文

(貴州省水利科學研究院，貴州 貴陽 550000)

我國作為農業大國，也是最早種植水稻的國家之一，水稻的耕作歷史有七千多年。然而，隨著我國人口的不斷增長，對稻谷的需求也日益增加。按照目前我國稻米的年消費量預測，到2030年我國的水稻需求量需增加30%以上[1]。由此可見，水稻生產為我國糧食安全及國家安全提供了有力保障，在我國國民經濟發展中起著舉足輕重的作用。我國作為水稻生產大國，用水量約占總用水量的45%，占農業用水總量的65%以上[2- 3]。然而，我國又是嚴重缺水的國家之一，人均水資源占有量僅相當于世界人均水平的1/4[4]。傳統的水稻連續淹灌栽培模式耗水量大，這與我國日益緊缺的農業水資源供給相悼[5]。近年來，隨著氣候變暖、人口持續增長、城鎮和工業的快速發展以及人民生活水平的不斷提高，水資源危機日益加劇，已嚴重威脅著我國的水安全和糧食安全。研究并推廣應用先進的水稻節水灌溉技術，以最小的水資源消耗來確保水安全和糧食安全勢在必行。多年來，研究者開展了大量節水灌溉試驗研究，并總結出了許多水稻節水灌溉技術，如能量調控灌溉技術[6]，作物分根區交替灌溉技術[7]、控制灌溉技術[8]，干濕交替灌溉[9]，無水層種稻[10]，覆膜旱種[11]，“薄、淺、濕、曬”灌溉模式[12]等。貴州省水利科學技術研究院為了解決貴州省農田灌溉工程性缺水的矛盾，探索出了適宜貴州水稻種植的模式——科學蓄雨型節水灌溉模式(簡稱“科蓄”)。徐建新[13]等通過進行連續的水稻節水灌溉試驗證明了“科蓄”這一水稻灌溉模式的可行性。王玉萍[14]等結合近幾年在貴州地區實施的水稻節水增產灌溉試驗，提出在貴州地區科灌較科蓄增產效益更明顯，科蓄較科灌則節水效果更明顯，2種方式灌溉均較傳統灌溉方式節水、增產增收效益顯著。本試驗通過比較分析不同灌溉方式水稻株高、產量、灌溉用水量、田面徑流和地下淋溶水量、水分生產率，研究水稻灌、排水量運輸規律，并從水分生產率角度尋找適宜貴州的水稻最佳節水灌溉方式[15- 16]。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗位于貴州省黔東南州天柱縣，全縣年降雨量在1200～1380mm，日照時間1198h，平均氣溫16.1℃，全年無霜期281d，冬無嚴寒，夏無酷暑，氣候條件較為優越。試驗水稻采用屬秈型三系雜交水稻—宜香1979，種植間隔15cm×25cm。試驗采用塑料箱進行改裝，試驗箱長×寬×高=102cm×69cm×61cm。為了便于分別收集田面徑流水和滲漏水量，在箱體側面分別設置3個出水口，通過閥門控制流量大小并分別用桶計量水量并取樣。試驗箱出水口閥門1用來控制田面水深，為了避免堵塞進口處用土工布和海綿等包裹。出水口閥門2用來控制滲漏溶液的流量大小，箱體底部鋪碎石至集水管底部后覆土，集水管打排水孔后外部用土工布和海綿包裹，試驗箱具體布置如圖1所示。

圖1 試驗箱布置圖

1.2 試驗設計

本試驗共設置3個處理水平，分別為傳統淹灌、科學蓄雨灌溉、控制灌溉，每個處理水平重復3次。當地農事習慣主要采用的氮肥種類為氮肥(尿素)180kg/hm2、磷肥(過磷酸鈣)90kg/hm2、鉀肥(氯化鉀)120kg/hm2，根據試驗箱的面積計算出每盆的基肥-追肥的用量，其中每箱施用氮肥總量266g、磷肥總量189g、鉀肥總量177.3g，并定期除草噴灑農藥防治病蟲害，不同灌溉方式下試驗箱箱的施肥標準、施肥時間、施肥方法均相同。參照SL 13—2004《灌溉試驗規范》、DB 2111/T 0006—2021《水稻種植技術規范》、《水稻科學蓄雨灌溉技術手冊》等制定不同灌溉方式下水稻各生育期灌水方案，根據水層深度對不同灌溉方式進行控制。

1.3 數據采集與測定

(1)株高。從水稻移栽開始，每隔10d測量并記錄不同灌溉方式下水稻株高。抽穗前為土面至每穴最高葉尖的高度，抽穗后為土面至最高穗頂的高度。

(2)產量。水稻成熟后，以試驗箱為單位，數出不同灌溉方式下每個試驗盆中穗數、每穗粒數，待稻粒干燥后用天平稱出每個試驗箱中稻粒重量。

(3)田面徑流水量。根據試驗設計控制稻田田間水層深度，當產生田面徑流時通過計量桶中記錄水量。

(4)淋溶水量。根據現場測定的土壤滲透系數調節淋溶水量出流大小并接入到計量桶中，每10d記錄一次水量并取水樣，當有降雨時適當增加觀測頻率。

(5)降雨量。根據現場自制雨量器測算。

(6)灌水量。當稻田田面有水層時候用標尺測定數據，記錄灌水前后水深計算得到灌水量；若稻田田面無水層時，直接記錄灌溉水量。注意不同處理下重復組灌水量基本保持一致。

2 結果與分析

2.1 水稻生長情況分析

2.1.1水稻株高

水稻的株高和產量有密切的關系，在一定范圍內隨著株高的增加，產量也相應增加，但這不是一個無限的比例，一般地株高應該控制在120cm以內為好，主要是累積一定的營養物質后，讓養分逐步過渡到籽粒上，而且過高的情況下，容易造成倒伏，反而減產。表1為不同灌溉方式下水稻各生育階段平均株高數據，根據表1中數據可以繪制出圖2。從圖表中可以看出這3種灌溉方式下水稻株高變化趨勢相同，從返青期到乳熟期前株高都是隨時間變化逐漸增長，而乳熟期后呈現少量負增長。不同灌溉方式下水稻株高最大值分別為：傳統淹灌109.33cm，科學蓄雨灌溉113.80cm，控制灌溉113.67cm；不同灌溉方式下水稻株高最終值分別為：傳統淹灌108.17cm，科學蓄雨灌溉113.67cm，控制灌溉113.33cm。從圖1可以看出，傳統淹灌在拔節孕穗期及以前株高一直大于科學蓄雨灌溉和控制灌溉的株高，在抽穗揚花期、乳熟期、黃熟期則是科學蓄雨灌溉株高最大，而傳統淹灌模式下株高增長緩慢。

表1 不同灌溉方式下水稻各生育階段平均株高 單位:cm

圖2 不同灌溉方式下水稻各生育階段株高變化圖

根據表1可以計算出不同灌溉方式下水稻株高的增長幅度，見表2，并畫出不同灌溉方式水稻株高增長幅度變化圖，如圖3所示。從圖表中可以看出，3種不同灌溉方式水稻株高增長幅度趨勢基本一致，都呈現“高—低—低—高—低”的趨勢，具體增長量與灌溉方式有關。從返青期到拔節孕穗期株高增長與具體灌溉方式基本無關，整體數值呈下降趨勢，在拔節孕穗期3種不同灌溉方式增長幅度全部降到最低。從拔節孕穗期到抽穗揚花期水稻3種不同灌溉方式水稻增長均出現一個株高增長高峰，但株高增長幅度不同，說明在此生育期階段內灌溉方式對株高變化有較明顯的影響，其中控制灌溉株高增長幅度最大，傳統淹灌株高增長幅度最小，這說明在拔節孕穗期到抽穗揚花期保持淹水狀態對水稻株高生長有一定的抑制作用。從抽穗揚花期到乳熟期，3種灌溉方式下水稻株高增長幅度再度下降且數值基本一致，說明該生育期內灌溉方式對株高變化無明顯影響。

表2 不同灌溉方式下水稻株高增長幅度 單位:cm

圖3 不同灌溉方式下水稻株高增長幅度變化圖

2.1.2水稻產量

水稻產量的形成實質是水稻干物質積累、運轉、分配的結果，水稻干物質量的積累決定了水稻的生物產量，而干物質量向穗部的分配決定了其經濟產量。試驗結束后將各個試驗箱中的水稻進行收割，待稻粒干燥后用天平稱出每個試驗箱中稻粒重量并統計出來。表3為不同灌溉方式下水稻產量，從總體來看，試驗中水稻產量均略高于田間水稻平均產量，這是由于試驗箱中種植間距相對較密。3種不同灌溉方式下水稻產量有差異，說明不同灌溉方式對水稻產量有影響，其中科學蓄雨灌溉產量最高(792.92kg·hm-2)、控制灌溉次之(773.97kg·hm-2)，傳統淹灌產量最低(732.90kg·hm-2)。可以看出田間傳統淹灌稻谷顆粒更飽滿、顏色金黃，試驗箱中3種灌溉模式的稻谷外觀上基本一致，顆粒略小于田間稻谷，這可能是由于田間水稻相對于試驗箱中水稻土壤通透性較好、且田間水稻種植間距大于試驗箱中水稻造成的。

表3 不同灌溉方式下水稻產量

2.2 水稻灌、排水量分析

整個試驗過程中共降雨22次，水稻生育期內降雨量累計800mm。傳統淹灌的灌水次數最多為30次，灌水量為230.7mm，產生徑流12次；科學蓄雨灌溉共灌水25次，灌水量為230.7mm，產生徑流2次；控制灌溉的灌水次數最少為21次，灌水量為213.7mm，產生徑流4次。從灌水結果來看，傳統淹灌的灌水次數最多，其次為科學蓄雨灌溉，控制灌溉的灌水次數最低。科學蓄雨灌溉的灌水次數雖然不是最低，但是其灌水量最少，相對于淹灌灌水量減少24.7%，相對于控制灌溉減少18.7%。根據統計結果：傳統淹灌徑流量為277.1mm、淋溶水量480.0mm，總排水量757.1mm；科學蓄雨徑流量為14.9mm、淋溶水量420.3mm，總排水量435.2mm；控制灌溉徑流量為85.1mm、淋溶水量398.1mm，總排水量483.2mm。從統計數據可以看出，降雨雖然造成了田面水溢流產生田面徑流，但科學蓄雨灌溉較傳統淹灌和控制灌溉均明顯降低了產生徑流次數與徑流量，尤其較傳統淹灌徑流量降低約9倍，相對于控制灌溉仍可降低2倍的徑流量。然而從淋溶量結果來看，不同灌溉方式的淋溶量排序為：傳統淹灌>科學蓄雨灌溉>控制灌溉，這主要是由于控制灌溉歷程較長和控水程度較大，淋溶量最低。

通過計算得到：傳統淹灌的灌溉水利用率為0.477、科學蓄雨灌溉的灌溉水利用率為0.684、控制灌溉的灌溉水利用率為0.543。科學蓄雨灌溉相對于傳統淹灌，灌溉水利用效率提高43.3%；相對于控制灌溉，灌溉水利用率提高26.0%。由于科學蓄雨灌溉在減少灌水量的同時并增加了水稻產量，因此也顯著提高了水稻的灌溉水利用效率。綜上可知，由于科學蓄雨灌溉在減少灌水量的同時增加了水稻產量，因此也顯著提高了水稻的灌溉水利用效率。這主要是由于科學蓄雨灌溉在不影響高產的前提下，顯著降低了降雨產生的徑流次數和徑流量。因此，在不降雨時可按照控制灌溉技術灌溉，降雨時，雨水不僅可以當作一次灌水，而且對于雨水形成的水層，可以超出上述灌溉技術的上限標準，這樣不僅可以減少灌水，還可以減少排水負擔，對于節水和利用降雨有很好的效果。不同灌溉方式下水稻排水總量圖如圖4所示。

圖4 不同灌溉方式下水稻排水總量圖

2.3 水分生產率

水分生產率是指單位水資源量在一定的作物品種和耕作栽培條件下所獲得的產量或產值，單位為kg/m3或元/m3。它是衡量農業生產水平和農業用水科學性與合理性的綜合指標。近年來，國內外越來越多地采用“水分生產率”來衡量水資源利用狀況或灌區的用水管理水平。作物水分生產率指作物消耗單位水量的產出，其值等于作物產量(一般指經濟產量)與作物凈耗水量或蒸發蒸騰量之比值。水分生產率反映水量的投入產出效率，是節水灌溉與高效農業發展的重要指標之一。在“資源型缺水”時，水分生產率也是評價區域水分利用效率的最重要最客觀的指標。因此，引入水分生產率，以反映水的利用效率及產生的經濟效益。它不僅反映出水分消耗與作物產量的關系，而且還反映出作物甚至是非農業方面水分的利用情況。水分生產率計算公式如下：

(1)

式中，I—水分生產率，kg·m-3；Y—作物產量，kg·hm-2；ET—凈耗水量或蒸發蒸騰量，m3·hm-2。

經計算，傳統淹灌水分生產率為4.18kg·m-3、科學蓄雨灌溉水分生產率為5.67kg·m-3、控制灌溉水分生產率為4.79kg·m-3。通過結果可以看出科學蓄雨灌溉水分生產率最高，傳統淹灌水分生產率最低，這說明科學蓄雨灌溉由于其高效利用了降雨，不僅能節約用水，還能提高水分生產率。

3 結論

(1)傳統淹灌、科學蓄雨灌溉、控制灌溉3種不同灌溉方式下株高增高趨勢基本一致，拔節孕穗期到抽穗揚花期保持淹水狀態對水稻株高有一定抑制作用。從產量來看，科學蓄雨灌溉水稻產量最高為792.92kg·hm-2，傳統淹灌水稻產量最低為732.90kg·hm-2。

(2)科學蓄雨灌溉較傳統淹灌和控制灌溉明顯降低了產生田面徑流次數與徑流量，較傳統淹灌徑流量降低約9倍，相對于控制灌溉仍可降低2倍的徑流量。從淋溶量結果來看，不同灌溉方式的淋溶水量排序為：傳統淹灌>科學蓄雨灌溉>控制灌溉。

(3)科學蓄雨灌溉水分生產率最高5.67kg·m-3，傳統淹灌水分生產率最低為4.18kg·m-3，說明科學蓄雨灌溉因其高效利用了降雨，從而提高了水分生產率。