非充分灌溉下寒地井灌稻田生態經濟效益

聶曉++王毅勇

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2016.10.038

摘要：通過田間試驗，研究間歇灌（IT）、濕潤灌（MT）、淹灌（CSF）不同灌溉方式下寒地井灌稻田的生理生態用水、土壤溫度、水稻產量、經濟效益。結果表明：非充分灌溉（IT、MT）顯著減少了稻田本田期的生態用水量，與CSF相比，IT、MT分別節省生態用水24.1%、32.9%；非充分灌溉（IT、MT）顯著增加了深層（10～15 cm）土壤溫度，IT和MT的10、15 cm地溫分別比CSF增加7.9%和11.1%、9.4%和13.4%；非充分灌溉（IT、MT）的產量、經濟凈效益、經濟效率均顯著高于淹灌，與CSF相比，IT和MT的產量、經濟凈效益、經濟效率分別提高12.2%和13.1%、28.9%和 32.6%、108.6%和150.4%?？梢?，非充分灌溉（IT、MT）在節約生態用水的同時具有明顯的產量優勢，經濟效益、經濟效率均顯著提高。

關鍵詞：寒地井灌稻田；非充分灌溉；生理生態用水；土壤溫度；經濟效益

中圖分類號： S275.8；S275.9；S511.07文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）10-0151-03

收稿日期：2016-02-29

基金項目：中國科學院知識創新工程項目（編號：KZCX2-YW-Q06-03）；吉林省長春市現代農業發展支撐計劃（編號：12XN38）。

作者簡介：聶曉（1984—），女，山東臨沂人，博士，講師，主要從事農田節水和水熱過程研究。E-mail：xiaonie84@163.com。水稻生產是維系糧食安全的重要因素之一，同時也是大的耗水因素。傳統的淹灌耗水量達6 000～9 000 m3/hm2，灌溉水利用效率低，造成水資源嚴重浪費，在一定程度上加劇了水資源的短缺[1]。水資源高效利用模式的研究已經成為當代水稻研究領域的重要內容之一，非充分灌溉正是適應水資源危機而提出的節水灌溉方式，其節水效果和節水機理已經取得了一定的研究成果[2-6]。寒地稻區的熱量條件是限制稻田高產的重要因素之一，且大水漫灌以及人為地、無節制地抽取地下水資源導致寒地井灌稻區地下水位普遍下降，造成“吊泵”和“漏斗”現象[5]。本研究從節水增溫、高值化角度出發，初步探討了寒地井灌稻田非充分灌溉下的稻田生態經濟效益，提出了2種適宜寒地井灌稻區的節水增溫、高產高效的非充分灌溉方式，為非充分灌溉在寒地井灌稻區的推廣和應用提供依據。

1材料與方法

1.1試驗區概況

試驗于2013年在黑龍江省農墾建三江分局的洪河農場進行，該地點位于三江平原腹地。試驗區中心地理坐標為47.35 °N、133.31 °E，海拔高度為55.6 m，具有溫帶大陸性季風氣候。年平均氣溫為1.9 ℃，7月平均氣溫為22.0 ℃，全年最高、最低氣溫分別為37.0、-38.0 ℃，≥10 ℃積溫為 2 400～2 700 ℃，無霜期約為125 d，年降水量約為600 mm，且7—9月的降水量占全年降水量的60%。供試田是1995年由沼澤化草甸開墾而來的耕地，為全年一熟一冬休閑型，屬于寒地井灌稻田。土壤類型為水稻土，稻田土壤干密度為 1.18 g/cm3，孔隙度為59%，有機質質量分數為2.9%，pH值為6.53，土壤飽和含水率（質量）為37.2%[5]。

1.2試驗設計

試驗設間歇灌（IT）、濕潤灌（MT）、傳統淹灌（CSF）3種灌溉方式，其中IT、MT屬于非充分灌溉。3種灌溉方式具有不同的土壤水分調節標準，淹灌（CSF）：返青期水層在0～3 cm，黃熟期落干，其他生育期均保持在5～10 cm水層；間歇灌（IT）：返青期水層在0～3 cm，黃熟期落干，其他生育期水層上限為3 cm，下限為土壤飽和含水率的70%～80%；濕潤灌（MT）：返青期水層控制在0～3 cm，黃熟期落干，其他生育期水層上限為1 cm，下限為土壤飽和含水率的70%～80%。3種灌溉方式均采用遇降雨深蓄不排的管理措施[5]。采用隨機區組試驗設計，每種灌溉處理設3個重復，共9個試驗小區。小區設置為10 m×10 m，小區之間用加寬加高的田埂隔開；為防止側滲對試驗的影響，小區四周及田埂采用0.06 mm的塑料膜圍隔，埋至表土下30 cm深。2013年供試水稻品種為龍粳26，于2013年5月20日插秧，栽植密度為株行距13 cm×30 cm，各小區于同年8月中旬排水曬田，并于同年9月23日收割。各小區施肥、病蟲害防治、除草等田間管理措施采用當地的常規管理方法。

1.3測定指標及方法

1.3.1生理生態用水稻田蒸散和滲漏通過非稱質量式蒸滲儀（有底和無底測坑）進行測定，有底和無底測坑規格為 2 m×2 m，深30 cm。有底測坑底部及四壁用塑料膜完全圍隔，由于避免了滲漏的影響，測坑內的耗水量均通過蒸散損失掉；無底測坑只在四壁（至表土下30 cm深）用塑料膜圍隔，其內的耗水量為蒸散與滲漏之和。通過對灌溉水量、降水量、田間水層或土壤蓄水變化量的記錄，根據水量平衡法可求得3種灌溉方式下稻田的蒸散量和滲漏量。

稻田土壤棵間蒸發利用小型蒸滲儀進行測定，小型蒸滲儀置于行間，口徑25 cm、深35 cm，高出田間10 cm。每天采用電子天平（精度為0.001 kg）進行稱質量，并于降雨和灌溉前后加測。通過前后2次的質量差，進行面積換算可得到相應時段下相應灌溉方式的棵間蒸發量；不同灌溉方式的水稻蒸騰量（生理用水）即為相應灌溉方式的蒸散量與棵間蒸發量之差。滲漏量與棵間蒸發量之和即為稻田生態用水。

1.3.2土壤溫度插秧后采用JL-04型多點土壤溫度記錄儀全天候自動觀測IT、MT、CSF小區的0、5、10、15 cm土壤溫度T0、T5、T10、T15。溫度測量精度為±0.2 ℃，監測步長為 1 h。

1.3.3產量及產量構成水稻成熟時，各試驗小區布設樣方進行考種測產。每個試驗小區各取5個樣方，每個樣方面積為1 m×1 m，各試驗小區按樣方分別考種，測定水稻產量構成要素，包括單位面積有效穗數、每穗粒數、結實率、千粒質量等，同時計算每個樣方的理論籽粒產量。每個試驗小區單打單收，曬干揚凈后，測定實際籽粒產量。

1.3.4經濟效益及經濟效率水稻價格采用2013年黑龍江省水稻市場價格3.00元/kg，計算單位面積水稻產量所得的經濟效益，公式為：經濟效益=水稻產量×水稻價格。生產成本包括單位面積土地承包費、灌溉消耗的柴油費、農具購買或租用費、勞動力雇傭費以及種子、農藥、化肥的費用。計算經濟凈效益和經濟效率，公式為：經濟凈效益=經濟效益-生成成本；經濟效率=經濟凈效益/灌溉水量。

2結果與分析

2.1不同灌溉方式的稻田生理生態用水

稻田耗水量包括生態用水（棵間蒸發、稻田滲漏）和生理用水（植株蒸騰），而生態用水中相當一部分水分的消耗對水稻生長發育無效，甚至會對水稻產生不利影響[7]。由不同灌溉方式下稻田本田期生理生態用水情況（表1）可知，稻田生態用水量（蒸發量和滲漏量）表現為CSF>IT>MT，IT、MT與淹灌相比分別節省生態用水96.9、132.4 mm，相當于24.1%、32.9%，非充分灌溉（IT、MT）與傳統淹灌的生態用水量差異顯著（P<0.05）。與淹灌相比，IT、MT小區的水稻蒸騰量分別減少4.7%、3.7%，在95%置信區間內差異不顯著，表明非充分灌溉（IT、MT）并未對水稻生理用水造成顯著影響。表1顯示，IT、MT小區水稻蒸騰量占總耗水量的比例分別比淹灌小區高5.6%、8.9%，非充分灌溉（IT、MT）在一定程度上增加了生理用水的比例，減少無效耗水的比例，提高水分的利用效率?？梢姡浅浞止喔仍趯Φ咎锷碛盟绊懞苄〉那闆r下，通過保持稻田淺水層或無水層的方法減少稻田的生態用水量[8-9]。

2.2不同灌溉方式的稻田土壤溫度

由14：00時刻不同灌溉方式下稻田本田期土壤溫度的平均值（表2）可知，非充分灌溉（IT、MT）增加了各層土壤溫度，并顯著增加了10、15 cm土壤溫度。與傳統淹灌相比，間歇灌的10、15 cm土壤溫度分別增加7.9%、9.4%，濕潤灌的10、15 cm地溫分別增加11.1%、13.4%。表2顯示，非充分灌溉（IT、MT）不僅顯著增加了各層土壤平均溫度（T0～15），還降低了各層土壤間的溫度差異。IT小區稻田0 cm土壤溫度平均比5、10、15 cm土壤溫度高1.0、2.3、3.5 ℃，MT小區稻田 0 cm 土壤溫度平均比5、10、15 cm土壤溫度高0.7、1.8、2.9 ℃，CSF小區稻田0 cm土壤溫度平均比5、10、15 cm土壤溫度高1.5、3.5、4.9 ℃?？梢?，非充分灌溉（IT、MT）小區稻田潛水層或無水層，使得太陽輻射對深層（10～15 cm）土壤溫度的影響變大，顯著增加深層（10～15 cm）土壤溫度，有利于寒地水稻根系生長發育，為水稻獲得高產打下基礎[10]。

2.3不同灌溉方式的稻田產量及其構成要素

由不同灌溉處理下水稻產量及其構成要素（表3）可知，與淹灌相比，IT、MT灌溉處理的理論籽實產量分別提高117%、13.9%， 實際籽實產量分別提高12.2%、13.1%。非充分灌溉（IT、MT）顯著提高了水稻產量，MT的增產效果略優于IT處理，但差異不顯著。從產量構成來看，非充分灌溉（IT、MT）與淹灌的產量差異主要由單位面積有效穗數的差異造成，與傳統淹灌相比，IT、MT灌溉的有效穗數分別增加 9.8%、10.8%，非充分灌溉（IT、MT）與傳統淹灌的有效穗數差異顯著（P<0.05）。每穗粒數、結實率、千粒質量等構成要素略有差異，但在95%置信區間內差異不顯著?？梢?，非充分灌溉（IT、MT）有利于水稻的有效分蘗及其物質生產，從而增大水稻“庫”容，增加水稻產量[11-12]。

2.4不同灌溉方式的稻田經濟效益及經濟效率

3種灌溉方式生產成本的差異來自灌溉消耗的柴油費。由不同灌溉方式稻田的經濟效益及經濟效率（表4）可知，與傳統淹灌相比，IT、MT稻田灌溉消耗的柴油費分別減少了543.97、671.43元/hm2。表4顯示，3種灌溉方式下的經濟效益、經濟凈效益、經濟效率的大小均表現為MT>IT>CSF。與傳統淹灌相比，IT、MT稻田的經濟凈效益分別提高289%、32.6%。非充分灌溉（IT、MT）小區在顯著提高經濟效益和經濟凈效益的同時，顯著減少了灌溉水量，因此非充分灌溉（IT、MT）小區的經濟效率也顯著高于傳統淹灌，IT、MT稻田的經濟效率分別比淹灌提高108.6%、150.4%。MT的經濟效益和經濟凈效益均優于IT處理，但差異不顯著，而MT的灌溉水量顯著低于IT處理，因此MT的經濟效率顯著高于IT處理。可見，非充分灌溉（IT、MT）可顯著提高灌溉水的利用效率，在節約水資源的同時增加稻田的經濟效益。

3結論與討論

與傳統淹灌相比，間歇灌、濕潤灌分別節省生態用水 24.1%、32.9%。非充分灌溉（IT、MT）與淹灌的稻田本田期滲漏量、蒸發量、總耗水量均差異顯著（P<0.05），非充分灌溉（IT、MT）的稻田本田期生理用水（蒸騰量）略低于傳統淹灌，但差異不顯著。與傳統淹灌相比，非充分灌溉（IT、MT）不僅顯著增加了深層（10～15 cm）土壤溫度，同時也縮小了各層土壤溫度之間的差異，有利于寒地井灌水稻根系的生長發育。非充分灌溉（IT、MT）顯著增加了寒地井灌稻田單位面積的有效穗數，進而顯著提高了稻田產量。與傳統淹灌相比，間歇灌、濕潤灌的有效穗數分別增加了9.8%、10.8%，實際籽粒產量分別提高12.2%、13.1%。濕潤灌的有效穗數和產量略高于間歇灌，但差異不顯著。可見，在寒地稻區采取非充分灌溉，不僅節約生態用水、降低灌溉成本，并能顯著增加水稻產量。間歇灌、濕潤灌顯著提高了寒地井灌稻田的經濟效益、經濟凈效益、經濟效率，是北方寒地井灌稻區2種較適宜的非充分灌溉方式，具體采用的灌溉方式應結合不同水稻品種和土壤質地開展進一步研究。

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