井灌區控制灌溉模式水稻灌水規律研究

范永洋，劉 東,2,3,4

(1.東北農業大學水利與建筑學院，哈爾濱 150030；2.農業部農業水資源提高利用重點實驗室，哈爾濱 150030； 3.黑龍江省糧食產能提升協同創新中心，哈爾濱 150030；4.黑龍江省普通高校節水農業重點實驗室，哈爾濱 150030)

0 引 言

水稻節水控制灌溉在國內外學者研究中取得一定成果，但仍需投入人力物力去研究推廣，逐點駐地地實驗，得出實驗區域控灌最優模式，就黑龍江省墾區的“十二五”規劃，以及2015年黑龍江省灌溉發展規劃[1]而言，在2015年，黑龍江省墾區會更大范圍的發展水稻種植，預計水稻種植面積到將發展到1.6×106hm2。根據2009的年統計，黑龍江省墾區水利工程總供水量為71.13億m3，然而用于農業上的水量就已經達到了70.46億m3，在這些農業用水中灌溉水稻的水量為50.98億m3，是農業總用水量的80.87%，是社會總水量的80.11%，水資源可持續支撐就成為一個非常重要的前提[2]，為響應政策，同時考慮人口的增長，水稻等作物種植力度要求正逐步擴大，尤其耗水作物灌溉水利用率低，嚴重浪費水資源，所以研究水稻灌水規律、水分利用率并尋找制定水稻最優控制灌溉模式對發展節水增產型水稻有重大意義，具體包括緩解水資源開采利用壓力，使水資源得到合理配置，提高經濟效益及綜合效益。并深入研究水稻的節水增產機理，研究和種植新型的水稻高產品種，探索新型的水稻節水灌溉技術，節約稻田的灌溉用水量[3]，推行節水增產型農業具有重大意義。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地設在黑龍江省佳木斯市建三江管局大興農場(見圖1中粗箭頭所指位置)農業技術發展中心科技園區，位于農場東北部。大興農場地處東經132°45′～133°18′，北緯46°49′～47°13′。土地面積800 km2，地勢低洼，土質肥沃。全場有耕地面積2.2萬hm2，地下水資源豐富，適合于種植水稻等作物。大興農場屬寒溫帶大陸性季風氣候，冬季漫長、嚴寒而干燥，夏季短暫、溫暖而濕潤，一年中四季分明，年平均氣溫1.7 ℃，最高氣溫34.3 ℃，最低氣溫-36.3 ℃。年平均降水量517 mm，年日照時數2 023.9 h，年蒸發量1 064.3 mm。氣候類型為寒溫帶大陸性季風氣候屬第三積溫帶，年積溫2 350～2 550 ℃左右，年無霜期為130～140 d， pH值6.4。前茬老稻田、秋翻[4]。圖1為利用Arcgis軟件所畫建三江管理局概貌圖。

圖1 建三江管理局大興農場

1.2 試驗作物與品種

本試驗供試水稻品種：空育131。

1.3 試驗設計

試驗區采用小區對比法，隨機區組排列，基礎地力相同為前提，在排除水稻其他等技術措施影響的條件下，設計控制灌溉4個處理，分別是常灌，控灌I、控灌II、控灌Ⅲ，其中常灌作為對照實驗，安排每個處理都是3次重復，則有12個試驗小區，小區布局均為10 m×10 m，總面積約1 200 m2。全生育期127 d，5月18日進行人工插秧，9月29日收獲。種植密度每1平方米25穴。控灌各生育期土壤水分控制上限見表1，土壤水分控制下限見表2，實驗小區布置圖見圖2。

表1 各生育期不同處理的土壤水分控制上限 cm

注：表中上限為0 cm表示灌水時達到土壤含水率為飽和含水率54.5%。

表2 各生育期不同處理的土壤水分控制下限 %

注：表中下限用土壤水分占土壤飽和含水量的百分比表示(無水層情況下)，土壤飽和含水率為54.5%。

說明：常灌灌水水層30～50 mm，自然落干灌水。期間包括曬田，晾田。

灌水渠常灌1控灌Ⅱ-1控灌I-1控灌Ⅲ-1排水溝控灌Ⅱ-2控灌Ⅲ-2控灌I-2常灌2灌水渠控灌Ⅱ-3控灌I-3常灌3控灌Ⅲ-3排水溝

圖2小區試驗布置圖

每個小區的施肥量的相同情況下，通過GStar-S406便攜式土壤水分速測儀測土壤含水量及溫度變化情況，每隔5 d觀測一次，利用試驗小區小型氣象站觀測每日最高、最低氣溫，并記錄逐日降雨量和蒸發量。當控制下限達到實驗設置要求則由水泵灌水，需灌到各灌溉模式的上限；下雨天水層厚超50 mm排水，用電子水表計量各處理灌水量；測產計算理論產量，各處理測定有效穗數、穗粒數、實粒數、千粒重等數據。

2 結果與分析

2.1 灌水量

試驗的每個處理各生育期的灌水量詳見表3。

從表3可以看出，控灌處理明顯比常灌省水。和常灌相比較，控制灌溉中控灌Ⅰ節水961.5 m3/hm2、控灌Ⅱ節水592.05 m3/hm2、控灌Ⅲ節水1 217.55 m3/hm2，這其中的最大節水量是1 217.55 m3/hm2；在節水率方面，和常灌相比較，分別是控灌Ⅰ18.14%、控灌Ⅱ11.17%、控灌Ⅲ22.97%，這其中最大的節水率是22.97%。結果表明控制灌溉對水稻的灌水量影響很大，和常規灌溉相比，控制灌溉條件下更加節水。就節水量和節水率而言，控灌Ⅰ的下限組合模式更適合試驗小區。圖3各生育期灌水量可直觀體現出控灌優勢。

表3 不同控制下限各處理的灌水量 m3/hm2

圖3 各生育期灌水量

2.2 各生育期氣溫變化

眾所周知，溫度對水稻生長發育各個時期是有影響的，不同溫度對水稻的生長發育起到至關重要的作用，甚至惡劣溫度會引起水稻減產甚至不產[5]。適宜的溫度有利于水稻的高產穩產[6]，整個生育時期要求溫度有一定的規律性。通過水稻的感溫性[7]可知，水稻品種在適宜的生長發育溫度范圍內，高溫可使其生育期縮短，低溫可使其生育期延長，水稻品種因受溫度影響而改變其生育期的特性。通過逐日記錄各個生育期氣溫，繪制各月月平均氣溫折線圖，見圖4。

圖4 全生育期各月平均氣溫

從圖4中可以看出各線段代表的各月最高和最低平均氣溫的氣溫差大致相同，整體大致成平行線，說明全生育期間內氣溫溫差對稻田影響基本穩定一致。并且縱觀5-9月份這5個月的最高平均氣溫波動不大，說明生育期氣溫適宜。

由于4組試驗各生育期時間段之間的區別并不大，故為簡便避免不必要的繁瑣以及直觀而分析全生育期累計最高最低氣溫，只取常灌和控灌Ⅰ的生育期累計氣溫作圖，分別如圖5、圖6，分別分析以上兩圖,可以看出常灌最高最低氣溫走勢基本一致,而且常灌控灌Ⅰ各對應的各生育期內的累計氣溫差別不大,說明常灌、控灌受溫度影響相似，影響之間的差別基本可以忽略不計。

圖5 常灌各生育期累計氣溫

圖6 控灌Ⅰ各生育期累計氣溫

2.3 各生育期內蒸發降水情況

降水量和氣溫一樣同樣是對水稻產量的一個影響因子，它是影響水稻各主要生長階段長短的主要氣象因子[8]，抽穗開花期是水稻最大需水階段，其次為拔節孕穗期，所以降水量的多少直接影響到灌水量的多少，乃至是灌水還是不灌水，甚至是控灌中適時需要的排水。所以要處理好小區稻田中的灌水與降雨之間的關系，兩者很好的耦合對產量起到至關重要影響。同時，蒸發對灌水量也有相當的影響，本試驗由于田間小區試驗，條件有限，以及對照實驗與常規實驗相鄰，試驗小區面積不大，故不考慮滲漏、地下水流、土壤蓄存水量的變化量帶來的影響。

下面圖文形式說明的蒸發情況，如圖7為常灌生育期蒸發，圖8為控灌Ⅰ生育期蒸發；灌水與降水蒸發之間的關系，如圖9為常灌灌水與降雨減蒸發關系圖，圖10為控灌Ⅰ灌水與降雨減蒸發關系圖。

圖7 常灌各生育期蒸發

圖8 控灌Ⅰ各生育期蒸發

圖9 常灌灌水、降雨-蒸發關系

圖10 控灌Ⅰ灌水、降雨-蒸發關系

分析以上全生育期內蒸發量圖，對照同生育期常灌蒸發量和累計氣溫，不難發現整體走勢相同，同理，此情況對于控灌Ⅰ同樣適合。同樣，對比常灌控灌Ⅰ的蒸發，兩者的全生育期內走勢一致，氣溫和蒸發在整個分蘗期明天高于其他生育期。說明常灌、控灌受蒸發影響相似，影響之間的差別基本可以忽略不計。

同理，由于4組試驗各生育期時間段之間的區別并不大，故為簡便避免不必要的繁瑣以及直觀而分析常灌和控灌Ⅰ的全生育期灌水量與降雨-蒸發之間的關系圖，很明顯看出圖上兩線幾乎對稱，每個圖上的兩線上的點對應的水量值(Y坐標值)相加得到的數字均在X坐標軸左右。說明降雨蒸發對灌水影響比較大，同時說明常灌、控灌受降雨蒸發影響相似，影響之間的差別基本可以忽略不計。

2.4 產 量

在試驗中水稻產量指標主要有穗長、穗粒數、穗數、結實率和千粒重。各處理產量指標詳見表4，產量方差分析見表5。

對產量進行單因素方差分析[9]，通過運用SPSS分析，從結果得出F為116.473，大于F0.01(3,8)=7.6，說明產量受不同灌溉模式的影響，即不同的灌溉模式得到的產量差異比較大。

從產量指標表中可以看出，各個產量性狀中，①結實率和有效穗數：控Ⅰ>控Ⅱ>控Ⅲ>常灌，排序走勢與灌水量一樣，說明在一定范圍內有效穗數和結實率越高，灌水量則越高。②穗粒數：控Ⅰ>控Ⅱ>常灌>控Ⅲ，控Ⅰ、控Ⅱ區別不大，控Ⅲ在嚴格控水的情況下導致對穗粒數產生不利影響。③千粒重：控Ⅱ>控Ⅰ>控Ⅲ=常灌，幾種模式差別不大。常規灌溉各生育期供水充足并且分蘗期不控水，無效分蘗增多導致有效分蘗不多；千粒重與控Ⅲ相當，比控Ⅰ、控Ⅱ低，產量遠遠不及控Ⅰ、控Ⅱ。常灌產量最低，控Ⅰ產量最高達10 400.55 kg/hm2，控Ⅱ>控Ⅲ居中，控Ⅱ接近控Ⅰ，控Ⅲ接近常規灌溉，是由于控Ⅲ過低的控制下限導致營養供應不足，抑制了生殖生長，減少了水稻有穗粒數及千粒重致使產量降低。

表4 不同處理產量指標

表5 產量單因素方差分析表

注：F0.01(3,8)=7.6。

2.5 水稻灌溉水利用效率

水稻灌溉水分利用率為灌溉水用量與產量之比。4種灌溉模式中控Ⅰ產量最高，灌水量較少，所以控Ⅰ灌溉水利用率最高為2.397 0 kg/m3，同時控Ⅱ雖然產量也較高但由于灌溉水用量較大，故控Ⅱ的灌溉水分利用率在控灌中最低，為2.177 6 kg/m3，對比而言，控Ⅲ產量和灌水量都較少，所以控Ⅲ利用率比控Ⅱ高，且與控Ⅰ相比較控Ⅰ灌水多產量低，故灌溉水分利用率控Ⅱ低于控Ⅰ(2.36 kg/m3)。相反常灌灌水量大于控灌，恰恰產量低于全部控灌試驗，所以其灌溉水利用率最低，比控Ⅰ低25.22%。由此可以看出，控Ⅰ灌溉模式可以達到節水高產的效果，而常灌水分浪費嚴重且達不到預期產量。結果見表6。

表6 4種灌溉模式水稻灌溉水分利用率

圖11 灌水量產量關系曲線

灌水量與產量的擬合如圖11所示，并建兩者的二階多項式回歸曲線[10]，方程表達為y=366.76x3-535.51x2+258.82x-40.405(R2=0.984 5)，在圖11中，一定灌水范圍內，隨著水稻灌水量增加產量先增后減呈拋物狀，表明在一定灌水范圍內產量會達到預期目標產量，會達到產量最高值，且灌水量低于或高于此范圍產量都會有所降低，眾所周知，像控Ⅲ缺水達到一定程度導致減產，其實常灌亦然，常灌大水漫灌始終大部分生育期內保持水層，導致產量不高。對該一元二次方程，在一定灌水范圍內得極值點(0.446 1, 1.044 9 )，在這一點處，產量達到最為高y=1.044 9 kg/m2，此時灌水量為x=0.446 1 m3/m2。

3 結 語

(1)4種灌溉模式全生育期灌水量常規最多為0.529 8 m3/m2，比控灌3個實驗多10%～30%左右。反映出：4種灌溉模式各生育期返青期到分蘗末期為需水非敏感期所以要嚴格控制到上下限，同時拔節孕穗到抽穗開花期蓄水敏感，此時控水不要太嚴重，所以根據每個生育期對水分需求情況合理分配水資源。

(2)不同灌溉模式對水稻產量的影響有比較顯著的差別，控Ⅰ產量最高為1.039 5 kg/m2。產量指標為：各灌溉模式結實率和有效穗數差距較大，千粒重次之，其余產量性狀差異不顯著。

(3)灌溉水分利用率表現了單方水生產水稻的量，比較全面體現灌溉模式優良性。控Ⅰ高達2.397 0 kg/m3，由于控Ⅲ控水比較重所以利用率接近控Ⅰ，但是考慮到產量，所以四組實驗，控Ⅰ最優。

(4)控灌通過有效地節水、提高產量，從而提高水分利用率。通過灌水量產量回歸曲線，建立擬合方程，由相關系數R值可知兩者相關性顯著，并求得當灌水量x=0.446 1 m3/m2時達到最高產量y=1.044 9 kg/m2。

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