干旱區(qū)春小麥壟作溝灌灌水質量評價指標研究

孫克翠，張新民，金建新，王文娟，王雪苗

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學工學院， 甘肅 蘭州 730070；

2.甘肅省水土保持科學研究所， 甘肅 蘭州 730020；

3.寧夏農(nóng)林科學院， 寧夏 銀川 750002； 4.甘肅省水利科學研究院， 甘肅 蘭州 730000)

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干旱區(qū)春小麥壟作溝灌灌水質量評價指標研究

孫克翠1，張新民2，金建新3，王文娟4，王雪苗1

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學工學院， 甘肅 蘭州 730070；

2.甘肅省水土保持科學研究所， 甘肅 蘭州 730020；

3.寧夏農(nóng)林科學院， 寧夏 銀川 750002； 4.甘肅省水利科學研究院， 甘肅 蘭州 730000)

摘要：為了提高干旱區(qū)春小麥壟作溝灌的灌水質量，建立灌水技術參數(shù)優(yōu)化模型，本試驗研究壟溝參數(shù)(壟坡、壟寬、溝深、溝寬)、灌水技術參數(shù)(溝長、溝坡、入溝流量)之間的五種不同組合對壟作溝灌小麥的灌水質量評價指標、產(chǎn)量及水分利用效率的影響。結果表明：在田面坡度和溝型等參數(shù)不變的情況下，以第一次灌水為例，隨著入溝流量的增長，10m測點的橫向灌水均勻度T1、T2、T4和T5分別較T3處理降低了5.05%、10.1%、4.04%和9.09%，30m測點的橫向灌水均勻度T1、T2、T4和T5分別較T3處理降低了7.96%、11.8%、2.15%和10.75%，田面坡度與各測點的橫向灌水均勻度呈現(xiàn)負增長的規(guī)律；T4處理平均灌溉水利用率最高，T4較T1、T2、T3和T5分別增加了4.76%、5.94%、0.36%和2.9%；溝長50 m、壟寬40 cm、入溝流量1.5 L·s(-1)、田面坡度1/1000的參數(shù)組合為壟作溝灌春小麥適應生長的最優(yōu)組合，此組合下小麥各生育期的平均田間灌溉水利用率最高為85.3%，小麥產(chǎn)量最高為9 142.87 kg·hm(-2)，同時水分利用效率亦達最高為29.18 kg·hm(-2)·mm(-1)。

關鍵詞：壟作溝灌；灌水質量評價；春小麥；產(chǎn)量；水分利用效率

壟作溝灌技術具有顯著的節(jié)水增產(chǎn)作用，據(jù)研究，壟作較傳統(tǒng)平作節(jié)水40%[1-2]。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、田間小氣候的變化對小麥生理生態(tài)效應的影響等[3]。劉剛才等研究表明，在丘陵旱地0.5 m深的土層內壟作較傳統(tǒng)平作多貯水15 mm，年貯水量約增加6 mm[4]。張永久[5]、鄧斌[6]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(chǎn)量構成因子及水分利用率。Faci[7]于2000年提出了灌水質量指數(shù)，把作物實際需水量與灌溉水量之間的關系用凈灌溉需水量與田間灌水總量的比值來表示。高傳昌[8]研究了小麥、玉米一體化壟作田間溝灌試驗針對粉砂壤土提出合理的灌水溝頂寬40 cm，溝深20 cm，田面坡度1/1000。張永久[5]研究提出張掖地區(qū)合理壟寬為60 cm，溝寬15 cm。張新民[9]提出了干旱地區(qū)粉砂質粘壤土和粘土宜采用合理壟寬為20～50 cm和20～35 cm。但上述研究未將壟作溝灌技術參數(shù)與灌水質量評價結合。本文通過研究不同的壟溝參數(shù)(壟坡、壟寬、溝深、溝寬)、灌水技術參數(shù)(溝長、溝坡、入溝流量)之間的組合對灌水均勻度、田間灌溉水利用率、產(chǎn)量和水分利用率的影響，為干旱區(qū)春小麥壟作溝灌生產(chǎn)實踐提供了技術指導。

1材料與方法

1.1試驗區(qū)概況

試驗在甘肅省水利科學研究院民勤節(jié)水農(nóng)業(yè)生態(tài)建設試驗示范基地進行，試驗區(qū)位于民勤縣城以北約13.5 km處，東經(jīng)130°05′10″，北緯38°37′18″，海拔約1 250 m，屬于綠洲和騰格里沙漠交界地帶的典型荒漠氣候，降雨稀少，蒸發(fā)量大，風沙多，自然災害頻繁。多年平均氣溫7.8℃，極端最高氣溫39.5℃，極端最低氣溫-27.3℃，多年平均降雨量110 mm，多年平均蒸發(fā)量2 644 mm，日照時數(shù)3 028 h，≥10℃積溫3 145℃，>0℃積溫3 550℃，無霜期150 d，最大凍土深115 cm，地下水埋深18～25 m，試驗區(qū)土質為沙質粘壤土，播種前 0～60 cm土層平均土壤容重為1.46 g·cm-3，田間持水量為22.27 %，速效鉀177 mg·kg-1，速效磷74 mg·kg-1，有機質13%，液態(tài)氮含量12 mg·kg-1。

1.2試驗設計

供試品種為永良4號春小麥，將小麥生育期劃分為出苗分蘗期(4月1日～4月20日)、拔節(jié)期(4月21日～5月8日)、抽穗期(5月9日～5月27日)、開花期(5月28日～6月13日)、灌漿期(6月14日～7月1日)、成熟期(7月2日～7月20日)等生育階段進行分析。本試驗采用機械播種，起壟、播種、整形、鎮(zhèn)壓一次性完成，于三月下旬播種，統(tǒng)一施肥，播種量為1 050 kg·hm-2。以王文娟[10-11]等的試驗為基礎，利用WinSRFR模型對不同壟溝參數(shù)與灌水技術參數(shù)組合下進行數(shù)值模擬，根據(jù)模擬所得到的灌水均勻度DU與灌水效率AE指標對灌水質量進行評價，模擬采用壟坡、壟寬、溝深與溝長、溝坡、入溝流量正交組合進行，總計81個正交組合，試驗所采取的部分模擬結果如表1所示。選取該5組灌溉質量較高的組合為處理進行驗證，采用對比設計，每個處理3個重復，共15個小區(qū)。具體試驗設計如表2。

表1　WinSRFR模型對各參數(shù)組合下的部分模擬結果

表2　試驗設計方案

試驗區(qū)灌水方法為溝灌，利用水表嚴格控制水量。根據(jù)民勤春小麥的灌溉制度全生育期灌水5次，灌水定額為600 m3·hm-2，時間分別于出苗分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期、開花期、成熟期。成熟期灌水定額為375 m3·hm-2。壟作溝灌栽培技術，開溝起壟，壟寬為40 cm，在壟面上種植3行小麥，壟寬為50 cm，在壟面上種植4行小麥，行距均為10 cm，小區(qū)總面積1 072 m2，機械起壟播種。各處理鋤草、施肥、松土等田間管理均保持一致。

1.3測定項目及方法

1) 用經(jīng)緯儀測定各處理的田面坡度，測量結果如表1所示。

2) 土壤含水率。

小麥播種前、主要生育階段灌水前后和收獲前一天每個重復沿著溝長方向分別在10 m和30 m位置選擇三個取樣點，每個取樣點分別在壟坡、溝底中部、壟背中心處垂直向下每隔10 cm取樣測定土壤含水率，取樣最大深度為80 cm。采用烘干法測定土壤含水率。

3) 水分利用效率E。

E=產(chǎn)量/ET(播種時土壤含水量+生育期灌水量+有效降水量-收獲期土壤含水量)。

4) 產(chǎn)量測定。

成熟后各處理隨機在壟上收割長度為1 m的小麥測產(chǎn)，統(tǒng)計各小區(qū)的穗數(shù)，穗長，單穗顆粒數(shù)，樣本籽粒晾曬達到通常的標準后，除去空秕粒，采用隨機選取1 000粒小麥籽粒，稱重，3次重復(組內差值不大于3%)取均值，為千粒重。

1.4數(shù)據(jù)處理

1) 灌水均勻度是指在灌溉范圍內，田間土壤濕潤的均勻程度。利用各代表點的土壤含水率根據(jù)式(1)計算每次灌水橫向均勻度和縱向均勻度。

(1)

2) 田間灌溉水利用率也叫灌水效率，是作物根系活動層要求的儲水量與灌入的總水量之比。儲水效率是計劃濕潤層灌水量與計劃濕潤層需水量的比值。分別在小麥各生育期灌水前和灌水后48h之后取土測出土壤含水率，利用公式(2)和式(3)計算出田間灌溉水利用率與儲水效率。

(2)

(3)

式中：Ed為田間灌溉水利用率；Es為儲水效率；Ws為計劃濕潤層灌水量，mm；Wf為田間總灌水量，mm；Wn為計劃濕潤層需水量，mm。

3) 用Excel 2003軟件對原始數(shù)據(jù)進行甄別處理，用SPSS 19.0統(tǒng)計分析軟件對數(shù)據(jù)進行方差分析。

2結果與分析

研究地面灌溉水分入滲與運移規(guī)律可以提高灌水質量，而提高灌水質量必須對灌水技術要素進行合理優(yōu)化。目前地面灌溉灌水質量評價的指標主要有田間灌溉水利用率、儲水效率、灌水均勻度，依據(jù)這三項指標可評價灌水質量，確定灌水技術要素優(yōu)化組合，一般要求田間灌水效率大于等于85%，灌水均勻度大于等于80%[12]。鄧斌[6]使用SIRMOD模型指導灌水，對壟作固定道(PRB)、平作固定道(ZT)、壟作(FRB)、傳耕作(CONV)四種栽培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進行了研究。

2.1灌水均勻度

2.1.1橫向灌水均勻度由表3可知，10 m測點T3處理在第一次灌水的橫向均勻度最高，較T2和T5增加了10.1%和9.1%，且與T2和T5處理差異性顯著(P<5%)；第二次灌水T3和T4處理與T1、T2、T5差異性顯著；第三次灌水T3與其他處理差異性顯著；第四次灌水T3與T2和T5處理差異性顯著；由于T3處理溝長較短，入溝流量較小，坡度平緩，水流側向入滲較均勻故此處理的橫向灌水均勻度高。30 m測點在各次灌水后的橫向均勻度與10 m測點的變化規(guī)律近似。

在其它參數(shù)不變的情況下，壟寬與各測點的橫向均勻度呈現(xiàn)負增長的規(guī)律，由于壟寬的增大，灌溉后水分不能均勻滲透到壟體中部[13]；在田面坡度和溝型等條件不變的情況下，隨著入溝流量的增長，各測點的橫向灌水均勻度降低，相同的灌水定額條件下，隨著入溝流量的增加，灌入溝內的時間就會相應的減少，橫向灌水均勻度就會降低；在壟寬和入溝流量等條件不變的情況下，田面坡度與各測點的橫向灌水均勻度呈現(xiàn)負增長的規(guī)律，進一步驗證了楊玫等[14]的研究結果。

2.1.2縱向灌水均勻度各處理的壟面、壟坡和壟溝縱向灌水均勻度的分析結果如表4所示。結果表明：壟面縱向灌水均勻度第一次灌水后T3處理與T1、T2、T4處理差異性顯著(P<5%)，第三次灌水后T4與T2處理差異性顯著；壟坡縱向灌水均勻度第二次灌水后T4、T5處理與其他處理差異性顯著，第四次灌水T4處理與T1、T2、T3處理差異性顯著；壟溝縱向灌水均勻度第三次灌水后T1、T2處理與其他處理存在顯著性差異，第四次灌水T4處理均勻度最高，與其他處理差異性顯著。由于在各次灌水時土壤的墑情不同，耕作層土壤養(yǎng)分發(fā)生了改變，土壤容易板結，小麥各生育期的需水量不同，各處理間小麥的生理指標之間存在差異，進而影響了灌水均勻度，T4處理的縱向均勻度較其他處理高，說明選擇合理的壟寬、溝長和入溝流量能夠提高作物的縱向灌水均勻度。在其他參數(shù)一定的情況下，隨著壟寬的增大，各處理壟面、壟坡和壟溝的縱向灌水均勻度呈現(xiàn)逐漸遞減的趨勢；在壟寬和田面坡度等條件不變的情況下，隨著流量的增加，壟面、壟坡和壟溝的縱向均勻度降低。

表3　橫向灌水均勻度

注：不同的小寫字母表示在5%水平上差異顯著。

Note: Different lowercase letters meant significant difference at 0.05 level．

表4　縱向灌水均勻度

注：不同的小寫字母表示在5%水平上差異顯著。

Note: Different lowercase letters meant significant difference at 0.05 level.

2.2田間灌溉水利用率與儲水效率

在灌水定額均為600 m3·hm-2的條件下，不同壟溝參數(shù)與灌水技術參數(shù)共同影響下，春小麥不同處理的各生育期的灌溉水利用率見表5。抽穗開花期小麥的田間灌溉水利用率達到峰值，在85.25%～92.25%之間變化，開花灌漿期是小麥需水關鍵期，灌溉水利用率較高；出苗期小麥植株較小，地面裸露部分較多，棵間蒸發(fā)較大所以灌溉水利用率低；成熟期小麥需水量減少，因此灌水定額降低為375 m3·hm-2。

由表5可知，在其他參數(shù)一定的情況下，隨著壟寬的增大各生育期的灌溉水利用率呈現(xiàn)遞減的趨勢，在入溝流量等相等的條件下，由于壟寬的增加使灌水溝內發(fā)生側向入滲的時間較長，自由入滲水量增加，小麥有效利用的水分減?。辉谄渌麉?shù)一定的情況下，溝長與各生育期的灌溉水利用率呈現(xiàn)負增長的趨勢。由于在入溝流量與灌水定額等相同的條件下，隨著溝長的增加，使溝首發(fā)生了深層滲漏，作物對水分的吸收利用率降低，從而導致灌溉水利用率降低。T4處理平均灌溉水利用率達到峰值為85.30%，T2處理平均灌溉水利用率最低為80.23%，較T4處理降低了5.94%，T4處理平均灌溉水利用率較T1、T3、T5分別增加了4.76%、0.36%、2.9%。由以上分析可得各處理在整個生育期內的平均灌溉水利用率基本呈現(xiàn)出T4、T3、T5、T1、T2依次降低的趨勢。

表5　小麥各生育期的田間灌溉水利用率

注：不同的小寫字母表示在5%水平上差異顯著。

Note: Different lowercase letters meant significant difference at 0.05 level.

表6　小麥各生育期的儲水效率

注：不同的小寫字母表示在5%水平上差異顯著。

Note: Different lowercase letters meant significant difference at 0.05 level.

由表6可知，春小麥不同處理的儲水效率在抽穗開花期達到峰值，在98.65%～76.02%之間變化。在其他參數(shù)一定的情況下，隨著壟寬的增大各生育期的儲水效率呈現(xiàn)遞減的趨勢，由于壟寬的增加，壟面種植小麥的行數(shù)增加，小麥對計劃濕潤層的需水量增加，儲水效率就會相應的降低；在其他參數(shù)一定的情況下，入溝流量與儲水效率呈現(xiàn)負增長的規(guī)律，在灌水量等條件相同的情況下，入溝流量較小灌入溝內的時間就會增加，均勻度較高，從而增加了土壤的儲水效率。T3處理的平均儲水效率為78.63%，較T1、T2、T4和T5增加了9.75%、9.27%、9.26%和16.28%，且差異性顯著(P<5%)。雖然T3處理橫向灌水均勻度與儲水效率最高，但T3處理的灌溉水利用率小于85%，由上述分析可得T4處理是灌水質量評價的優(yōu)化組合。

2.3不同處理對小麥產(chǎn)量及水分利用效率的影響

不同的壟作技術參數(shù)對春小麥產(chǎn)量和水分利用效率的分析結果如表7所示。

表7　不同處理模式下小麥產(chǎn)量和水分利用效率對比

注：不同的小寫字母表示在5%水平上差異顯著。

Note: Different lowercase letters meant significant difference at 0.05 level.

結果表明：不同處理之間產(chǎn)量的差異性顯著，T4處理產(chǎn)量最高，達到9 142.87 kg·hm-2，較T1和T3處理分別增產(chǎn)10.5%和10.2%。T2處理的產(chǎn)量最低，僅為7 282.37 kg·hm-2，較T4處理降低了20.3%，由于T2處理壟寬較寬、溝長較長，對溝中水分的競爭力較強，因此水分的不足限制了植株的生長。T5處理的穗長與穗粒數(shù)均高于其他處理，但由于T5處理的穗數(shù)較低，故T5的產(chǎn)量低于T4。說明適宜的壟寬可以最大限度地發(fā)揮壟上小麥的充分受光和邊行優(yōu)勢，有利于改善群體的通風和透光條件，提高作物產(chǎn)量[15-16]。此外T4處理水分利用效率最高，達到29.18 kg·hm-2·mm-1，分別較T1、T2和T3增加了11.7%、20.4%、10.7%，且差異性顯著(P<0.05)，說明合理的壟溝參數(shù)與灌水技術參數(shù)可以使個體與群體的生產(chǎn)力得以協(xié)調發(fā)展，因此選擇適宜小麥生長的溝長、壟寬和入溝流量有利于土壤水分的高效利用，提高小麥的產(chǎn)量及水分利用效率，進一步驗證了柏立超[15]等研究結果。

3討論與結論

通過研究壟溝參數(shù)(壟坡、壟寬、溝深、溝寬)、灌水技術參數(shù)(溝長、溝坡、入溝流量)之間的優(yōu)化組合對壟作溝灌小麥灌水均勻度、田間灌溉水利用率、產(chǎn)量及水分利用效率的影響，得出結論：在其他參數(shù)不變的情況下，入溝流量與各測點的橫向灌水均勻度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，田面坡度與各測點的橫向灌水均勻度呈現(xiàn)負增長的規(guī)律。在其他參數(shù)一定的情況下，隨著壟寬的增大各生育期的灌溉水利用率呈現(xiàn)遞減的趨勢，溝長與各生育期的灌溉水利用率呈現(xiàn)負增長的趨勢。溝長50 m、壟寬40 cm、入溝流量1.5 L·s-1、田面坡度1/1000的參數(shù)組合為壟作溝灌春小麥適宜生長的最優(yōu)組合，此組合下小麥各生育期的平均田間灌溉水利用率最高為85.3%，小麥產(chǎn)量最高為9 142.87 kg·hm-2，同時水分利用效率亦最高為29.18 kg·hm-2·mm-1。

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Research on quality evaluation index of irrigation water on spring wheat in arid areas with ridge tillage and furrow irrigation

SUN Ke-cui1, ZHANG Xin-min2, JIN Jian-xin3, WANG Wen-juan4, WANG Xue-miao1

(1.CollegeofEngineering,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou,Gansu730070,China;2.ResearchInstituteofWaterandSoilConservationofGansu,Lanzhou,Gansu730020,China;3.NingxiaAcademyofAgricultureandForestry,Yinchuan,Ningxia750002,China;4.GansuResearchInstituteforWaterConservancy,Lanzhou,Gansu730000,China)

Abstract：In order to improve the irrigation quality on spring wheat in arid areas by furrow irrigation, the optimization model for irrigation technical parameters had been established. The research was conducted through five combinations between furrow parameters (ridge slope, ridge width, groove depth and groove width) and irrigation technical parameters (groove length, ditch slope and ditch inflow). Eventually influences on the evaluation indexes of irrigation water quality, the yield, and water use efficiency of ridge culture wheat were observed by furrow irrigation. The result showed that as exemplified by the first irrigation, under the condition of invariable parameters such as surface slope and furrow type, with the growth of the ditch flow, the lateral irrigation uniformity (LIU) of 10 m measuring points by T1, T2, T4 and T5 were decreased by 5.05%, 10.1%, 4.04% and 9.09% from that by T3 treatment, and LIU at 30 m measuring points by T1, T2, T4 and T5 was decreased by 7.96%, 11.8%, 2.15% and 10.75% from that by T3 treatment, respectively. A negative growth between the slope of the field surface and the irrigation uniformity of each point was observed. Moreover, the average water utilization by T4 treatment was the highest, increased by 4.76%, 5.94%, 0.36% and 2.9% from that by T1, T2, T3 and T5. It was further found that the parameter combination (groove length 50m, ridge width 40 cm, water volume 1.5 L·s(-1) into the furrows, the slope of field 1/1000) was optimal for the growth of wheat. Under such condition, the average water utilization was 85.3%, the yield of wheat was 9 142.87 kg·hm(-2) and the water use efficiency was 29.18 kg·hm(-2)·mm(-1), all reaching the highest.

Keywords:furrow irrigation; water quality evaluation; spring wheat; yield; water use efficiency

中圖分類號：S275

文獻標志碼：A

作者簡介：孫克翠(1990—)，女，甘肅靖遠人，在讀碩士，主要從事農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術與理論的研究。 E-mail：643304201@qq.com。通信作者：張新民(1965—)，男，甘肅慶陽人，正高級工程師，博士，碩士生導師，主要從事農(nóng)業(yè)水資源利用研究。E-mail：xmzhgs@aliyun.com.cn。

基金項目：國家自然科學基金項目“干旱區(qū)春小麥壟作溝灌技術參數(shù)研究”(51169002)

收稿日期：2015-03-15

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.02.40

文章編號：1000-7601(2016)02-0252-06