不同灌水量下出水口數量對畦灌水流推進和小麥產量的影響

王麗玄，王利書，程東娟

(河北工程大學，河北 邯鄲 056021)

0 引 言

黃淮海地區是中國小麥主產區，而該區水資源總量僅占全國的7%左右，水資源供需矛盾是限制農業生產的主要因素[1]。并且受氣候的影響，該區的降雨主要集中在夏季，不能夠滿足小麥生長期的需求[2]，所以灌溉和提高小麥水分利用效率是提高小麥高產的重要措施[3-5]。地面畦灌是目前該區的主要灌溉形式之一，具有灌溉成本低、易于實施等優點[6]，但也由于管理不當，普遍存在灌水均勻度差、水肥利用效率低等問題。研究畦灌下灌水量和出水口數量對畦灌水流推進和小麥產量的影響，對指導該區小麥節水高產栽培具有重要意義。

前人主要研究了入畦單寬流量、不同畦寬、不同畦長、不同畦灌改水成數單因素下對水流特性和小麥產量的影響[7-10]，亦有學者研究了灌溉模式、灌水量和灌水時期對小麥耗水特性和籽粒產量的影響[11-14]。對于水流特性的研究，胡昊等研究表明入溝流量對灌水質量和水流推進影響最大[15]；鄭和祥等利用SIRMOD模型、SRFR模型和田間實測方法分別計算灌水效率和灌水均勻度，對畦田灌水質量進行評價[16]。關于大田條件不同灌水量下不同出水口數量對畦灌水流推進和小麥產量的研究鮮見報道。

本研究在河北寧晉縣原種場開展不同灌水量下不同出水口數量對畦灌水流推進和小麥產量的影響研究，以期為制定小麥節水高產栽培的畦灌適宜灌水量和出水口數量提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

該試驗于2017-2018年在河北省邢臺市寧晉縣原種場(114°53′E, 37°37′N)進行。寧晉縣海拔25～35 m，處于暖溫帶大陸性氣候區，屬半濕潤氣候。年平均氣溫13 ℃，1月平均氣溫-4.2 ℃，4月平均氣溫14 ℃，7月平均氣溫26.7 ℃，10月平均氣溫13.4 ℃。極端最低氣溫-23.3 ℃，極端最高氣溫41.9 ℃。年平均降水量501 mm，年內分配不均，年際變化較大。

1.2 試驗設計

試驗設2個因素、3個水平，2個因素分別為灌水量和出水口數量。灌水量設60 mm(W1)、75 mm(W2)2個水平，每個灌水量下設1孔(D1)、2孔(D2)、3孔(D3)3個不同出水口數量。共設6個處理，每個處理設3次重復，畦灌小區10 m×6 m。

表1 冬小麥生育時期灌水量 mm

1.3 測定項目與方法

(1)水流推進曲線的測定。灌溉試驗開始前沿畦長方向，距畦首每隔1 m插入一根塑料直尺，保持豎直，用于觀測水流到達的距離。灌溉水進入畦首時開始計時，當水流推進前鋒鋒面的2/3水面寬度到達豎尺橫斷面時，作為水流推進到該觀測點處的推進時間。

(2)土壤含水量的測定。于小麥生育期灌水前后，在每個取樣區間內均以10 cm 為一層取0～100 cm 各土層土樣，用烘干法測定土壤含水量。

(3)不同生育階段農田耗水量、土壤貯水消耗量、耗水強度和耗水模系數。

土壤貯水消耗量按照以下公式計算：

根據水量平衡法計算農田耗水量，公式如下：

ET1-2=ΔW+M+P

式中：ET1-2為生育階段耗水量；ΔW為土層編號；n為土壤層次總數；γi為第i層土壤干容重，g/cm3；Hi為第i層土壤厚度，cm；θi1為第i層土壤時段初的含水量，以占干土重的百分數計；θi2為第層土壤時段末的含水量，以占干土重的百分數計；M為時段內的灌水量；P為有效降水量。

耗水強度=各生育階段農田耗水量/生育階段天數

耗水模系數=各生育階段農田耗水量/農田總耗水量×100%

水分利用效率=產量/生育期農田總耗水量

(4)測產。成熟期在不同區段取1 m雙行收獲，考查有效穗數，每個小區隨機取30株，分別考查每穗粒數、千粒重等性狀。

2 結果分析

2.1 灌水量和出水口數量對水流推進的影響

本試驗對不同灌水量下，不同出水口數量的水流推進數據進行測定分析，水流推進過程均符合冪函數。由圖1和圖2可以看出水流推進時間隨著出水口數量的增大而增大，各處理下的水流推進耗時有差別，D1處理耗時最短。W1處理下，D1處理的水流推進到距畦首10 m處的時間分別較D2、D3處理減少了11.2%和12.0%。可能是因為D1的流量大，從而水流推進速度快。拔節期各處理下的水流推進的耗時明顯比返青期的短，可能是因為第1次灌水后，土壤變密實，表層土壤入滲能力減小，明顯加快了水流推進的速度。

圖1 返青期不同出水口數量對水流推進的影響

圖2 拔節期不同出水口數量對水流推進的影響

2.2 灌水量和出水口數量對土壤平均含水量變異系數的影響

表2給出了不同處理下灌后0～60 cm土層平均含水量的變異系數(灌后24 h測量)，返青期和拔節期，不同灌水量下出水口數量對0～60 cm土壤平均含水量的影響趨勢基本一致。D1處理距畦首10 m處土壤含水量顯著高于畦首；D2處理不同觀測點含水量無顯著差異；D3處理畦首土壤含水量顯著高于其他觀測點。返青期不同處理土壤平均含水量的變異系數表現為W1D3>W2D3>W2D1>W1D1>W2D2>W1D2，拔節期不同處理土壤平均含水量的變異系數表現為W1D3>W2D1>W2D3>W1D1>W1D2>W2D2，處理間差異顯著。上述結果表明，不同出水口數量影響了畦內土壤水分分布，D2處理灌水后可能使整個畦田迅速形成水面，從而土壤水分能均勻下滲，有利于提高畦田的灌水均勻度。不同處理的拔節期的變異系數小于返青期的變異系數，經過一次灌水，土壤變密實，土壤水分更均勻下滲。相同出水孔數量下不同灌水量的變異系數相差不大，說明灌水量對土壤水分分布均勻度影響不大。

表2 不同處理0～60 cm土層平均含水量變異系數

注：不同小寫字母表示表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同。

2.3 灌水量和出水口數量對生育期耗水影響

2.3.1 灌水量和出水口數量對土壤貯水消耗量的影響

由圖3可以看出，返青-拔節期，降雨較少，灌水不能滿足小麥生長的要求，需要消耗土壤水。0～20 cm土層，相同灌水量處理下，D2處理的土壤貯水消耗量小于其他處理；W2處理的土壤貯水消耗量大于W1處理。20～60 cm土層，D2處理的貯水消耗量為負值，說明儲存了部分土壤水。

拔節-揚花期，0～100 cm土層的土壤貯水消耗量表現為D3>D1>D2，說明D3處理的水分進行了較多的無效的耗散。拔節-揚花期降雨較多，同時灌水，所以主要以蓄水為主。W1處理下，0～20 cm土層，D2和D1處理儲水量大于D3處理；20～60 cm土層，D1處理消耗土壤水，D2處理儲存水分，遠大于D3處理；60～100 cm土層，D1和D3處理土壤貯水消耗量小于D2處理。W2處理下，0～60 cm土層，D2處理的土壤貯水消耗量小于其他處理，說明D2處理能儲存更多的水分。同時W2處理的蓄水量大于W1處理。

揚花-灌漿期，降雨較少，土壤水成為耗水的主要部分。0～20 cm土層，相同灌水量下，D2處理的土壤貯水消耗量大于其他處理，尤其W2D2處理明顯大于其他處理。20～60 cm土層，W1處理下，各出水口數量下的土壤貯水消耗量無明顯差異；W2處理下，土壤貯水消耗量表現為D2>D3>D1，說明D2處理對20～60 cm土層的土壤貯水利用能力強。60～100 cm土層，相同灌水量處理下，D1處理的土壤貯水消耗量大于其他處理。相同出水口數量下，W2處理在20～60 cm土層的土壤貯水消耗量大于W1處理。

灌漿-收獲期，沒有降雨，逐漸消耗儲存在土體中的土壤水。相同灌水量處理下，不同出水口數量的0～20 cm土層土壤貯水消耗量的差異不大。W1處理下，20～60 cm土層的土壤貯水消耗量表現為D2>D3>D1，60～100 cm土層，D1處理大于其他處理。W2處理下，20～60 cm 土層的土壤貯水消耗量無顯著差異，60～100 cm土層，D1處理的土壤貯水消耗量大于其他處理。

綜上所述，W2D2處理能夠有效地調節不同土層的土壤水分，20～60 cm土壤貯水的利用能力強，以供小麥根系吸收利用。

2.3.2 灌水量和出水口數量對小麥生育期耗水特性影響

由表3可知，冬小麥生育期內，各階段耗水量、耗水強度和耗水模系數，呈先增大后減小的趨勢。其中拔節-揚花期的耗水量最多，約占生育期總耗水量的37%～41%，耗水強度以揚花-灌漿期最大。返青-拔節期的耗水量D1和D3處理大于D2處理，此階段以土壤蒸發為主；說明D1和D3處理有更多的水分進行無效的耗散。拔節-揚花期，隨著植株生長，氣溫升高，植株蒸騰和棵間蒸發增強，耗水迅速增加。此階段降雨與灌溉能為小麥生長提供充足的水分，D1、D3與D2處理差異顯著。說明D1與D3更多的水分進行無效的耗散。揚花-灌漿期雖然歷時較短，但是耗水模系數達到了20%～22%，各處理間差異顯著，D2處理耗水量顯著高于其他處理。同時耗水強度揚花-灌漿期各處理間差異顯著。灌漿-成熟期各處理仍保持較高的耗水量，但差異不顯著。在相同出水口數量下，不同灌水量相比，全生育期總耗水量表現為W2>W1。灌水量對小麥生育期耗水影響較大，W2比W1處理平均增加了8.5%，尤其是返青-拔節期和拔節-揚花期不同灌水量的耗水差異顯著，與灌水時間相吻合，說明耗水量隨灌水量的增加而增加。

圖3 不同處理土壤貯水消耗量

表3 各處理小麥不同生育階段的耗水量、耗水強度和耗水模系數

注：ET為耗水量；CD為耗水強度；CP為耗水模系數。

2.4 灌水量和出水口數量對小麥生長指標的影響

由圖4可以看出，不同處理的小麥拔節期-灌漿期，小麥株高呈增高趨勢，拔節期-抽穗期增長迅速，抽穗期到灌漿期增長緩慢。全生育期，灌水量W2較W1的小麥株高有優勢，最大增幅達到7.9%，尤其到灌漿期W2與W1處理差異顯著。從拔節-灌漿期，在各灌水量處理下，D2處理的株高大于其他處理，并且差異顯著。其中W2D2處理的小麥株高最大，并與其他處理差異顯著。

圖4 不同處理對小麥株高和干重的影響

不同處理的干物質隨著小麥的生長在不斷地積累。從拔節-灌漿期，W2處理的小麥干物質積累量顯著高于W1處理。其中W2D2處理的干物質積累量達到最大，增幅最大達到12.1%。并與其他處理差異顯著。拔節期除了W2D1和W2D2處理，其他處理差異不顯著。抽穗期和灌漿期，在各灌水量處理下，不同出水口數量的干物質積累量表現為D2>D1>D3，并且各處理間差異顯著。

2.5 灌水量和出水口數量對冬小麥產量及水分利用效率的影響

各處理冬小麥的千粒重、有效穗數、穗粒數等產量指標見表4。從產量構成因素來看，在相同灌水量下，不同出水口數量處理相比，千粒重、有效穗數、穗粒數均表現為D2>D1>D3，W1處理下，D2與D3處理的千粒重、有效穗數、穗粒數都達到了差異顯著，W1D2比W1D3處理的3個因素分別增大了8.6%、4.3%、5.7%；D1處理的各因素與其他處理差異不顯著。W2條件下，D2處理的千粒重、有效穗數、穗粒數與其他處理差異明顯，相同出水口數量下，千粒重、有效穗數、穗粒數隨灌水量增加而增加，但差異不顯著。從產量來看，相同灌水量下，不同出水口數量的產量表現為D2>D1>D3，各處理間差異顯著。W1D2比W1D1和W1D3處理分別增大了10.4%和19.7%，W2D2比W2D1和W2D3處理分別增大了6.1%和18.3%。相同出水口數量下，W1處理的產量大于W2處理，并且差異顯著。從水分利用效率來看，相同灌水量下，D2處理的水分利用效率高于其他處理，并且差異顯著。W1D2比W1D1和W1D3處理分別增大了12.7%和18.6%，W2D2比W2D1和W2D3處理分別增大了13.0%和17.2%，D1大于D2處理，但差異不顯著。相同出水口數量下，W2的水分利用效率大于W1處理，但差異不顯著。綜合來看，W2D2處理增加了小麥產量和提高了水分利用效率。

表4 不同處理下冬小麥產量及水分利用效率

3 結 論

(1)水流推進時間隨著出水口數量的增大而增大，拔節期各處理水流推進的耗時明顯比返青期的短。W2D2處理灌水后0～60 cm土壤平均含水量的變異系數最低，拔節期觀測點的含水量高于其他處理，同時拔節期的變異系數小于返青期。

(2)W2D2處理在生育前期在土層20～60 cm土層貯水能力強，后期土壤貯水消耗量大于其他處理，水分利用能力高于其他處理，能夠充分調動土壤水分。

(3)拔節-揚花期的耗水量最多，約占生育期總耗水量的37%～41%，耗水強度以揚花-灌漿期最大。同一灌水量下，返青-拔節期和拔節-揚花期D1和D3的耗水量、耗水強度和耗水模系數高于D2處理，揚花-灌漿期D2的耗水量、耗水強度和耗水模系數顯著高于其他處理。各生育期耗水量隨灌水量的增加而增加。

(4)W2D2處理株高和干物質重都顯著高于其他處理。W2D2處理的小麥千粒重、有效穗數、穗粒數、理論產量均高于其他處理并且差異顯著，同時W2D2處理水分利用效率最高。