不同灌溉方式下水稻生長及水量運(yùn)輸規(guī)律試驗(yàn)研究

伯彥萍，張春雷，安美運(yùn)，朱伯文

(貴州省水利科學(xué)研究院，貴州 貴陽 550000)

我國作為農(nóng)業(yè)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(fèi)量預(yù)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(chǎn)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(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著舉足輕重的作用。我國作為水稻生產(chǎn)大國，用水量約占總用水量的45%，占農(nóng)業(yè)用水總量的65%以上[2- 3]。然而，我國又是嚴(yán)重缺水的國家之一，人均水資源占有量僅相當(dāng)于世界人均水平的1/4[4]。傳統(tǒng)的水稻連續(xù)淹灌栽培模式耗水量大，這與我國日益緊缺的農(nóng)業(yè)水資源供給相悼[5]。近年來，隨著氣候變暖、人口持續(xù)增長、城鎮(zhèn)和工業(yè)的快速發(fā)展以及人民生活水平的不斷提高，水資源危機(jī)日益加劇，已嚴(yán)重威脅著我國的水安全和糧食安全。研究并推廣應(yīng)用先進(jìn)的水稻節(jié)水灌溉技術(shù)，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(jié)水灌溉試驗(yàn)研究，并總結(jié)出了許多水稻節(jié)水灌溉技術(shù)，如能量調(diào)控灌溉技術(shù)[6]，作物分根區(qū)交替灌溉技術(shù)[7]、控制灌溉技術(shù)[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(xué)技術(shù)研究院為了解決貴州省農(nóng)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(xué)蓄雨型節(jié)水灌溉模式(簡稱“科蓄”)。徐建新[13]等通過進(jìn)行連續(xù)的水稻節(jié)水灌溉試驗(yàn)證明了“科蓄”這一水稻灌溉模式的可行性。王玉萍[14]等結(jié)合近幾年在貴州地區(qū)實(shí)施的水稻節(jié)水增產(chǎn)灌溉試驗(yàn)，提出在貴州地區(qū)科灌較科蓄增產(chǎn)效益更明顯，科蓄較科灌則節(jié)水效果更明顯，2種方式灌溉均較傳統(tǒng)灌溉方式節(jié)水、增產(chǎn)增收效益顯著。本試驗(yàn)通過比較分析不同灌溉方式水稻株高、產(chǎn)量、灌溉用水量、田面徑流和地下淋溶水量、水分生產(chǎn)率，研究水稻灌、排水量運(yùn)輸規(guī)律，并從水分生產(chǎn)率角度尋找適宜貴州的水稻最佳節(jié)水灌溉方式[15- 16]。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)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(yán)寒，夏無酷暑，氣候條件較為優(yōu)越。試驗(yàn)水稻采用屬秈型三系雜交水稻—宜香1979，種植間隔15cm×25cm。試驗(yàn)采用塑料箱進(jìn)行改裝，試驗(yàn)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(cè)面分別設(shè)置3個出水口，通過閥門控制流量大小并分別用桶計(jì)量水量并取樣。試驗(yàn)箱出水口閥門1用來控制田面水深，為了避免堵塞進(jìn)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(yàn)箱具體布置如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)箱布置圖

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)共設(shè)置3個處理水平，分別為傳統(tǒng)淹灌、科學(xué)蓄雨灌溉、控制灌溉，每個處理水平重復(fù)3次。當(dāng)?shù)剞r(nóng)事習(xí)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(jù)試驗(yàn)箱的面積計(jì)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(nóng)藥防治病蟲害，不同灌溉方式下試驗(yàn)箱箱的施肥標(biāo)準(zhǔn)、施肥時間、施肥方法均相同。參照SL 13—2004《灌溉試驗(yàn)規(guī)范》、DB 2111/T 0006—2021《水稻種植技術(shù)規(guī)范》、《水稻科學(xué)蓄雨灌溉技術(shù)手冊》等制定不同灌溉方式下水稻各生育期灌水方案，根據(jù)水層深度對不同灌溉方式進(jìn)行控制。

1.3 數(shù)據(jù)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?shù)母叨取?/p>

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

(3)田面徑流水量。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)控制稻田田間水層深度，當(dāng)產(chǎn)生田面徑流時通過計(jì)量桶中記錄水量。

(4)淋溶水量。根據(jù)現(xiàn)場測定的土壤滲透系數(shù)調(diào)節(jié)淋溶水量出流大小并接入到計(jì)量桶中，每10d記錄一次水量并取水樣，當(dāng)有降雨時適當(dāng)增加觀測頻率。

(5)降雨量。根據(jù)現(xiàn)場自制雨量器測算。

(6)灌水量。當(dāng)?shù)咎锾锩嬗兴畬訒r候用標(biāo)尺測定數(shù)據(jù)，記錄灌水前后水深計(jì)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(fù)組灌水量基本保持一致。

2 結(jié)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(chǎn)量有密切的關(guān)系，在一定范圍內(nèi)隨著株高的增加，產(chǎn)量也相應(yīng)增加，但這不是一個無限的比例，一般地株高應(yīng)該控制在120cm以內(nèi)為好，主要是累積一定的營養(yǎng)物質(zhì)后，讓養(yǎng)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(chǎn)。表1為不同灌溉方式下水稻各生育階段平均株高數(shù)據(jù)，根據(jù)表1中數(shù)據(jù)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(xiàn)少量負(fù)增長。不同灌溉方式下水稻株高最大值分別為：傳統(tǒng)淹灌109.33cm，科學(xué)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(tǒng)淹灌108.17cm，科學(xué)蓄雨灌溉113.67cm，控制灌溉113.33cm。從圖1可以看出，傳統(tǒng)淹灌在拔節(jié)孕穗期及以前株高一直大于科學(xué)蓄雨灌溉和控制灌溉的株高，在抽穗揚(yáng)花期、乳熟期、黃熟期則是科學(xué)蓄雨灌溉株高最大，而傳統(tǒng)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(jù)表1可以計(jì)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(xiàn)“高—低—低—高—低”的趨勢，具體增長量與灌溉方式有關(guān)。從返青期到拔節(jié)孕穗期株高增長與具體灌溉方式基本無關(guān)，整體數(shù)值呈下降趨勢，在拔節(jié)孕穗期3種不同灌溉方式增長幅度全部降到最低。從拔節(jié)孕穗期到抽穗揚(yáng)花期水稻3種不同灌溉方式水稻增長均出現(xiàn)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(nèi)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(tǒng)淹灌株高增長幅度最小，這說明在拔節(jié)孕穗期到抽穗揚(yáng)花期保持淹水狀態(tài)對水稻株高生長有一定的抑制作用。從抽穗揚(yáng)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(shù)值基本一致，說明該生育期內(nèi)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(chǎn)量

水稻產(chǎn)量的形成實(shí)質(zhì)是水稻干物質(zhì)積累、運(yùn)轉(zhuǎn)、分配的結(jié)果，水稻干物質(zhì)量的積累決定了水稻的生物產(chǎn)量，而干物質(zhì)量向穗部的分配決定了其經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。試驗(yàn)結(jié)束后將各個試驗(yàn)箱中的水稻進(jìn)行收割，待稻粒干燥后用天平稱出每個試驗(yàn)箱中稻粒重量并統(tǒng)計(jì)出來。表3為不同灌溉方式下水稻產(chǎn)量，從總體來看，試驗(yàn)中水稻產(chǎn)量均略高于田間水稻平均產(chǎn)量，這是由于試驗(yàn)箱中種植間距相對較密。3種不同灌溉方式下水稻產(chǎn)量有差異，說明不同灌溉方式對水稻產(chǎn)量有影響，其中科學(xué)蓄雨灌溉產(chǎn)量最高(792.92kg·hm-2)、控制灌溉次之(773.97kg·hm-2)，傳統(tǒng)淹灌產(chǎn)量最低(732.90kg·hm-2)。可以看出田間傳統(tǒng)淹灌稻谷顆粒更飽滿、顏色金黃，試驗(yàn)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(yàn)箱中水稻土壤通透性較好、且田間水稻種植間距大于試驗(yàn)箱中水稻造成的。

表3 不同灌溉方式下水稻產(chǎn)量

2.2 水稻灌、排水量分析

整個試驗(yàn)過程中共降雨22次，水稻生育期內(nèi)降雨量累計(jì)800mm。傳統(tǒng)淹灌的灌水次數(shù)最多為30次，灌水量為230.7mm，產(chǎn)生徑流12次；科學(xué)蓄雨灌溉共灌水25次，灌水量為230.7mm，產(chǎn)生徑流2次；控制灌溉的灌水次數(shù)最少為21次，灌水量為213.7mm，產(chǎn)生徑流4次。從灌水結(jié)果來看，傳統(tǒng)淹灌的灌水次數(shù)最多，其次為科學(xué)蓄雨灌溉，控制灌溉的灌水次數(shù)最低。科學(xué)蓄雨灌溉的灌水次數(shù)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(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果：傳統(tǒng)淹灌徑流量為277.1mm、淋溶水量480.0mm，總排水量757.1mm；科學(xué)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(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，降雨雖然造成了田面水溢流產(chǎn)生田面徑流，但科學(xué)蓄雨灌溉較傳統(tǒng)淹灌和控制灌溉均明顯降低了產(chǎn)生徑流次數(shù)與徑流量，尤其較傳統(tǒng)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(jié)果來看，不同灌溉方式的淋溶量排序?yàn)椋簜鹘y(tǒng)淹灌>科學(xué)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(jì)算得到：傳統(tǒng)淹灌的灌溉水利用率為0.477、科學(xué)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(xué)蓄雨灌溉相對于傳統(tǒng)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(xué)蓄雨灌溉在減少灌水量的同時并增加了水稻產(chǎn)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(xué)蓄雨灌溉在減少灌水量的同時增加了水稻產(chǎn)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(xué)蓄雨灌溉在不影響高產(chǎn)的前提下，顯著降低了降雨產(chǎn)生的徑流次數(shù)和徑流量。因此，在不降雨時可按照控制灌溉技術(shù)灌溉，降雨時，雨水不僅可以當(dāng)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(shù)的上限標(biāo)準(zhǔn)，這樣不僅可以減少灌水，還可以減少排水負(fù)擔(dān)，對于節(jié)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(chǎn)率

水分生產(chǎn)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(chǎn)量或產(chǎn)值，單位為kg/m3或元/m3。它是衡量農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平和農(nóng)業(yè)用水科學(xué)性與合理性的綜合指標(biāo)。近年來，國內(nèi)外越來越多地采用“水分生產(chǎn)率”來衡量水資源利用狀況或灌區(qū)的用水管理水平。作物水分生產(chǎn)率指作物消耗單位水量的產(chǎn)出，其值等于作物產(chǎn)量(一般指經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量)與作物凈耗水量或蒸發(fā)蒸騰量之比值。水分生產(chǎn)率反映水量的投入產(chǎn)出效率，是節(jié)水灌溉與高效農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要指標(biāo)之一。在“資源型缺水”時，水分生產(chǎn)率也是評價區(qū)域水分利用效率的最重要最客觀的指標(biāo)。因此，引入水分生產(chǎn)率，以反映水的利用效率及產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益。它不僅反映出水分消耗與作物產(chǎn)量的關(guān)系，而且還反映出作物甚至是非農(nóng)業(yè)方面水分的利用情況。水分生產(chǎn)率計(jì)算公式如下：

(1)

式中，I—水分生產(chǎn)率，kg·m-3；Y—作物產(chǎn)量，kg·hm-2；ET—凈耗水量或蒸發(fā)蒸騰量，m3·hm-2。

經(jīng)計(jì)算，傳統(tǒng)淹灌水分生產(chǎn)率為4.18kg·m-3、科學(xué)蓄雨灌溉水分生產(chǎn)率為5.67kg·m-3、控制灌溉水分生產(chǎn)率為4.79kg·m-3。通過結(jié)果可以看出科學(xué)蓄雨灌溉水分生產(chǎn)率最高，傳統(tǒng)淹灌水分生產(chǎn)率最低，這說明科學(xué)蓄雨灌溉由于其高效利用了降雨，不僅能節(jié)約用水，還能提高水分生產(chǎn)率。

3 結(jié)論

(1)傳統(tǒng)淹灌、科學(xué)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(jié)孕穗期到抽穗揚(yáng)花期保持淹水狀態(tài)對水稻株高有一定抑制作用。從產(chǎn)量來看，科學(xué)蓄雨灌溉水稻產(chǎn)量最高為792.92kg·hm-2，傳統(tǒng)淹灌水稻產(chǎn)量最低為732.90kg·hm-2。

(2)科學(xué)蓄雨灌溉較傳統(tǒng)淹灌和控制灌溉明顯降低了產(chǎn)生田面徑流次數(shù)與徑流量，較傳統(tǒng)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(jié)果來看，不同灌溉方式的淋溶水量排序?yàn)椋簜鹘y(tǒng)淹灌>科學(xué)蓄雨灌溉>控制灌溉。

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