春小麥壟作溝灌及其水分運移規(guī)律研究綜述

羅效斌，徐寶山，金建新

（1.寧夏回族自治區(qū)農墾勘測設計工程有限公司，寧夏銀川 750010；2.甘肅農業(yè)大學，甘肅蘭州 730070）

春小麥壟作溝灌及其水分運移規(guī)律研究綜述

羅效斌1，徐寶山2，金建新2

（1.寧夏回族自治區(qū)農墾勘測設計工程有限公司，寧夏銀川 750010；2.甘肅農業(yè)大學，甘肅蘭州 730070）

對壟作溝灌的發(fā)展現(xiàn)狀及特點進行了分析，闡述了壟作溝灌、溝灌水分運移規(guī)律、壟作溝灌技術參數(shù)的研究進展，以及今后的研究方向和發(fā)展動態(tài)。

春小麥；壟作溝灌；壟溝參數(shù)；灌水參數(shù)

中國春小麥播種面積約1 900萬hm2，占全國小麥播種面積的12%以上。目前，春小麥種植以傳統(tǒng)平作方式為主，灌水采用畦灌方式，水資源使用效率低，節(jié)水潛力巨大。滴灌由于灌水時局部濕潤土壤，不適應于春小麥等密植作物；噴灌技術由于在干燥多風氣候下蒸發(fā)漂移損失大，在干旱地區(qū)應用中節(jié)水效果不顯著。因此，探求干旱區(qū)春小麥高效節(jié)水灌溉技術，對于緩解區(qū)域水資源供需矛盾，發(fā)展現(xiàn)代節(jié)水農業(yè)意義重大。

壟作是在田面起壟，在壟背或壟溝內種植作物，于耕作形成的溝內灌水的一種耕作方式，具有節(jié)水、抗病、增產、低耗、高效的特點［1］。壟作溝灌是通過改變田面微地形，減少耕種面積，能有效防止水土、土壤養(yǎng)分流失，調節(jié)土壤通氣、水熱狀況和團粒狀結構，在根系活動層較多地保蓄水分，減少深層滲漏，提高灌溉水利用率，降低人類活動對農田生態(tài)系統(tǒng)影響的一種保護性耕作措施。目前國內外對春小麥壟作溝灌水分運移、種植參數(shù)以及壟溝參數(shù)做了大量研究，但是這些研究都是單一或者多因素對作物水分利用率、產量響應的分析，缺乏對壟溝參數(shù)和灌水參數(shù)優(yōu)化組合的系統(tǒng)研究；對于干旱半干旱區(qū)春小麥壟作溝灌栽培技術的研究工作更是剛剛起步，推廣應用缺少技術支撐。

1 壟作溝灌的發(fā)展現(xiàn)狀及特點

中國的壟作栽培有著悠久的歷史，古代的勞動人民一直把壟作當作防旱抗?jié)?、加厚耕層的手段，在農業(yè)增產上發(fā)揮了重要作用。20世紀80年代以來，我國陸續(xù)開展了玉米、棉花等中耕作物以及水稻、大豆等密植作物的壟作溝灌技術探索，取得了較好的生產實踐效果。在西北、山東等一些利用地下水作為灌溉水主要水源的灌區(qū)，將壟作技術與溝灌、分根交替灌等高效灌水技術相結合，形成同時兼?zhèn)涔?jié)水和高產的種植模式，具有較高的推廣應用價值。近年來，壟作栽培技術已由半干旱地區(qū)擴大到熱帶草原，由塊根、塊莖和高稈谷類等中耕作物擴大到麥類作物，由雨養(yǎng)農業(yè)發(fā)展到灌溉農業(yè)［2］。如美國約有1/2以上的耕地均采用保護性耕作措施，其特點是壟作、秸稈或地膜覆蓋、免耕，能有效防止水土和養(yǎng)分的流失，大大的提高了水分利用效率和氮的利用率［3～4］。

2 研究進展

2.1 壟作溝灌研究

小麥壟作栽培技術將田面由平面型改為波浪型，擴大了土壤表面積，光能利用率提高，改善了行間通風條件，促進小麥光合作用以及干物質的積累，小麥抗病性能增強，提高小麥的抗衰老能力，另外壟作溝灌減少作物間距，降低作物株高，增加了植株抗倒伏能力，產量顯著提高。平作改為壟作后，田間灌溉方式由畦灌改為溝灌，灌水定額減少，提高降水和灌溉水利用率。青州試驗站研究表明，傳統(tǒng)平作畦灌灌水定額4.0m3/hm2，而壟作溝灌灌水定額2.4m3/hm2，壟作比平作節(jié)水40%［5～6］。目前，小麥壟作技術的應用主要局限在冬小麥區(qū)，研究工作集中于壟作小麥的節(jié)水效應、田間小氣候的變化及其對小麥生理生態(tài)效應的影響［7］。劉剛才等通過對旱地紫色土地區(qū)的研究分析顯示，壟作在沒有覆蓋時具有良好的保水作用，在小麥根系吸水層內，壟作溝灌與平作相比較，可以多貯水0.67m3/hm2，年貯水量約增加0.27m3/hm2［8］。山東省農業(yè)科學研究院與國際玉米小麥改良中心于1998年開始了冬小麥壟作高效栽培技術的合作研究，該技術具有成本低、污染少、產出高的優(yōu)點，因而被國際小麥專家稱為第二次綠色革命。山東省農業(yè)科學研究院聯(lián)合有關機械生產廠家成功研制出了小麥壟作播種機，使小麥壟作栽培技術大面積推廣應用成為可能，如果能將這一技術在我國春小麥種植區(qū)推廣應用，將對緩解北方干旱區(qū)水資源緊缺狀況有著重要的意義。王旭清等認為，以溝內集中條狀施肥代替平作施撒，增加施肥深度，有利于根系向下生長，從而使水分利用效率提高18.9%～32.2%［9］。李佐同等研究了東北地區(qū)旱地壟作春小麥品質與產量的變化，張永久、鄧斌研究了甘肅河西內陸區(qū)壟作春小麥各生育階段生理性狀、產量構成因子及水分利用率［10～13］。

2.2 溝灌水分運移規(guī)律研究

溝灌入滲屬二維入滲，水分沿灌水溝斷面縱向在重力作用下下滲，并在土壤基質吸力的作用下橫向入滲浸潤土壤。在入滲過程中，各位置的土壤毛管吸力和重力呈非線性關系，因此入滲的水量與入滲面并不是正相關關系，而且由于動水頭的作用導致入滲水勢不同，且受到各種土壤、壟溝參數(shù)等因素的綜合作用，導致灌溉水累計入滲水量難以測定，使得溝灌的入滲過程極其復雜。對于溝灌入滲，國內外學者做了大量研究。Neuman通過田間灌水試驗，結合數(shù)值模擬分析，分析了玉米溝灌中溝間距、濕周等參數(shù)對水分入滲的影響，并將這些影響在Kostiakov模型中k和α值上量化反映［14］。王利環(huán)通過室內土箱溝灌試驗，研究了波涌灌濕潤鋒水平和垂直方向發(fā)展隨時間的變化規(guī)律，并運用SAS軟件對水平向和垂直向的濕潤峰運移規(guī)律做了回歸分析［15］。張新燕在室內土箱內模擬溝灌的水流推進與水分入滲規(guī)律，分析了灌水溝中所蓄水量、溝形狀參數(shù)、溝底土壤導水率及土壤初始含水狀況等對溝灌二維入滲的影響［16］。王述禮等通過室內溝灌水分運移試驗，提出了溝灌入滲發(fā)生交匯時土壤水分入滲計算模型，模擬溝灌在交匯入滲條件下土壤水分在垂直方向和水平方向的運移過程，通過分析實例模擬結果，以Kostiakov入滲模型為基礎，建立了溝灌二階段土壤水分濕潤鋒運移模型及溝灌在交匯入滲條件下相對于自由入滲條件的減滲量和減滲率計算模型；通過分析溝中所蓄水量、土壤初始水分狀況和土壤特性等對溝灌交匯入滲條件下累計入滲量的單因素影響關系，建立了溝灌交匯入滲條件下累積入滲量與時間的函數(shù)模型［17～18］。聶衛(wèi)波等以非飽和土壤水分運動理論為基礎，以容重、水深、溝間距和土壤初始含水率等為變量，對溝灌入滲濕潤鋒運移的影響進行室內土箱正交試驗，提出了包含土壤容重、溝中水深、土壤初始含水率、溝間距等因素的水分入滲濕潤峰運移模型，模擬表明，溝灌條件下累積入滲量主要受土壤質地、容重、溝底寬和溝中水深的影響，土壤初始水分狀況和壟溝間距相對其他變量影響不大［19～20］；溝灌過程中土壤濕潤鋒水分運移主要受土壤質地、孔隙率、容重等的影響，而溝底寬、土壤初始含水量對其影響較小，可以忽略。

2.3 壟作溝灌技術參數(shù)研究

研究地面灌溉水分入滲與運移規(guī)律的最終目的，是提高水分生產率，要提高水分生產率，就必須對灌水技術參數(shù)進行優(yōu)化組合。目前評價地面灌溉灌水質量的指標主要有田間灌水有效利用率、儲水效率、灌水均勻度，依據(jù)這三項指標可評價灌水質量，作為參數(shù)優(yōu)化組合的依據(jù)。有關畦灌與中耕作物溝灌技術的研究成果較多，理論相對成熟。但由于壟作栽培小麥的壟面寬度遠大于玉米等中耕作物，且采用非均一行距種植（目前采用同一壟上15～25cm，不同壟75cm），因此已有的溝灌水分入滲與運移規(guī)律研究成果不適用于小麥壟作溝。2004年，甘肅農業(yè)大學在張掖市甘州區(qū)試驗基地對春小麥固定道機械化耕作與壟作溝灌技術相組合進行試驗，分析了其在西北干旱地區(qū)的具體應用特性［21～22］。該研究結合地面全、半覆蓋技術，對傳統(tǒng)耕作與固定道耕作灌溉水側向以及豎直方向下滲規(guī)律、水分入滲運移動態(tài)進行對比分析，結果表明，固定道相對于傳統(tǒng)耕作壟背土壤水分分布明顯不均勻，灌溉后水分不能滲透到壟體中部，并建議在進行小麥壟作栽培時要合理設計壟幅寬度，否則作物就會因為根系吸水不足而造成生理干旱，最終影響作物產量。該試驗采用的固定道距壟中48.5cm，即壟寬97cm，土壤水分測定深度壟體60cm，溝內100cm，試驗結果表明灌溉濕潤鋒遠大于此范圍，因此該試驗無法準確計算側滲和下滲水量［20］，也不能夠提出合理的壟溝參數(shù)和灌水技術參數(shù)以及對其進行優(yōu)化組合，也未對灌水質量進行評價，這些問題都期待更深入的研究。張永久研究了河西內陸區(qū)春小麥壟作溝灌的灌溉制度和壟溝參數(shù)（壟寬、溝寬等），從作物生理性狀與產量效應評價的角度，提出張掖地區(qū)合理壟寬為60cm，溝寬15cm［10］。鄧斌使用SIRMOD模型指導灌水，研究在固定道條件下壟作、平作種植方式和非固定道條件下壟作、平作種植方式春小麥的灌水均勻度、不同生育時期的灌水下限以及水分利用效率［11］。兩項研究分別涉及到了干旱區(qū)春小麥壟作溝灌技術參數(shù)與灌水質量評價等問題，但在方法上未將壟作溝灌技術參數(shù)與灌水質量評價結合，尤其是未能在春小麥壟作溝灌的水分運動規(guī)律研究基礎上，研究灌水質量評價方法與灌水技術參數(shù)，因此，成果缺乏系統(tǒng)性和理論支撐。

3 結語

綜上所述，干旱區(qū)春小麥壟作溝灌栽培技術是一種新型節(jié)水灌溉技術，目前的應用尚處于起步階段，由于缺乏對灌溉水入滲規(guī)律尤其是向壟體側滲規(guī)律、土壤水分運移規(guī)律、春小麥壟作溝灌條件下土壤—作物—大氣連續(xù)體（SPAC）的系統(tǒng)研究，未形成合理的灌水質量評價指標體系與灌水技術參數(shù)優(yōu)化方法，使得該項技術既缺乏必要的理論依據(jù)，又缺少技術支撐，從而限制了其發(fā)展。建立起小麥壟作溝灌技術理論體系，提出干旱區(qū)春小麥壟作溝灌的灌水質量評價指標和灌水技術參數(shù)設計方法，為干旱區(qū)春小麥壟作溝灌生產實踐提供技術指導，將是今后研究的主要方向。

［1］LAL R.Ridge 2 tillgae［J］.Soil&Tillgae Research，1990，18：107-111.

［2］ZIEBARTH P D，TULLERG J N.Wheeltrack compaction effects on runoff，infiltration and crop yield［M］.Proceedings of National Controlled Traffic Conference.Gatton：Queensland University Gatton College，1995：103-108.

［3］蔡典雄.關于持續(xù)性保持耕作體系的探討［J］.土壤學進展，1993，21（1）：1-8.

［4］SAYRE K D.Application of raised bed-planting system to wheat［R］.CIMMYT：Wheat Special Report，1997.

［5］艾應偉，陳實，張先婉，等.壟作不同土層施肥對小麥生長凡氮肥肥效的影響［J］.植物營養(yǎng)與肥料學報，1997，9（3）：255-261.

［6］戴德.高寒山區(qū)冷浸田水稻半旱式免耕壟作技術的增產機理［J］.農業(yè)科技通訊，1998（8）：26-27.

［7］BUMRWS W C.Characterization of soil temperaturedistribution from various tillage inducedmicroreliefs［J］. Soil Science Society of America Proceeding，1963，27：350-353.

［8］劉剛才，高美榮，朱波，等.等高壟作壟溝的水土流失特點研究［J］.水土保持通報，1999，19（3）：6.

［9］王旭清，王法宏.小麥壟作栽培技術的肥水效應及光能利用率分析［J］.山東農業(yè)科學，2002（4）：3-5.

［10］張永久.河西綠洲灌區(qū)春小麥壟作栽培產量效應及其影響機制的研究［D］.蘭州：甘肅農業(yè)大學，2006.

［11］鄧斌.河西綠洲灌區(qū)不同耕作方式下春小麥土壤水分動態(tài)變化與產量效應研究［D］.蘭州：甘肅農業(yè)大學，2007.

［12］孫西歡，王文焰.溝灌入滲參數(shù)影響因素的試驗研究［J］.西北農業(yè)大學學報，1994，22（4）：102-106.

［13］孫西歡，王文焰.多參數(shù)溝灌入滲模型的試驗研究［J］.西北水資源與水工程，1993，4（3）：46-56.

［14］NEUMAN S P.Saturated-unsaturated seepage by finite elements［J］.Journal of Hydraulic.Div.ASCE，1973，99（12）：2 233-2 250.

［15］王利環(huán).波涌溝灌條件下土壤水分入滲的研究［D］.太原：山西農業(yè)大學，2004.

［16］張新燕，蔡煥杰，王健.溝灌二維入滲影響因素實驗研究［J］.農業(yè)工程學報，2005，21（9）：38～41.

［17］TROUT T J.Flow velocity and wetted perimeter effects on furrow infiltration［J］.Trans.ASAE，1992，35（3）：855-863.

［18］鄧忠.固定道耕作結合壟作溝灌對河西走廊春小麥水分利用的影響［D］.蘭州：甘肅農業(yè)大學，2005.

［19］王述禮.溝灌交匯入滲特性的試驗研究及其數(shù)值模擬［D］.西安：西北農林科技大學，2008.

［20］王述禮，聶衛(wèi)波，馬孝義.溝灌交匯入滲數(shù)學模型研究［J］.灌溉排水學報，2007，26（6）：51-54.

［21］聶衛(wèi)波，馬孝義，王述禮.溝灌土壤水分運動數(shù)值模擬與入滲模型［J］.水科學進展，2009，20（5）：668-676.

［22］聶衛(wèi)波，馬孝義，王述禮.溝灌入滲濕潤體運移距離預測模型［J］.農業(yè)工程學報，2009，25（5）：20-25.

（本文責編：楊杰）

Review of Study on Ridge Culture and Furrow Irrigation of Spring Wheat and Its Regularity of Moisture Migration

LUO Xiao-bin1，XU Bao-shan2，JIN Jian-xin2
（1.Survey and Design Engineering Co.，Ltd.，Ningxia Hui Autonomous Region，Yinchuan Ningxia 750010，China；2.Gansu Agricultural University，Lanzhou Gansu 730070，China）

Thedevelopment status and characteristics of ridge furrow irrigation was analyzed，the research progress of ridge furrow irrigation，watermovement，furrowridge irrigation technical parameters was elaborated.In the end，it isdissertated further in thedirection of research and thedynamicdevelopment，based on the progress ofdomestic and foreignresearch.

Spring wheat；Ridge culture furrow irrigation；Furrow parameters；Irrigation parameters

S27

A

1001-1463（2014）06-0051-03

10.3969/j.issn.1001-1463.2014.06.022

2014-03-22

羅效斌（1987—），男，甘肅通渭人，助理工程師，主要從事農業(yè)工程設計與研究工作。聯(lián)系電話：（0）15595292629。E-mali：834887265@qq.com