微噴帶灌溉下帶長(zhǎng)對(duì)小麥耗水特性和籽粒產(chǎn)量的影響

王冰心，于振文，石 玉，趙俊曄，王玉秋

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東泰安 271018; 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息研究所, 北京 100081; 3.濟(jì)寧市兗州區(qū)氣象局, 山東濟(jì)寧 272100)

山東省水資源總量為1.68×1011m3，為全國(guó)水資源總量的0.6%，缺水是制約山東小麥生產(chǎn)的主要因素[1]。山東省小麥生育期內(nèi)平均需水400 mm左右，平均降水不超過(guò)250 mm，虧缺部分主要依靠抽取地下水灌溉[2-3]。生產(chǎn)中多用畦灌，用水量大，水分分布不勻，水分利用效率低。因此，在穩(wěn)定產(chǎn)量的基礎(chǔ)上提高水分利用效率是生產(chǎn)中亟待解決的技術(shù)問(wèn)題[4-5]。

微噴帶灌溉能精確控制灌水量，具有灌水強(qiáng)度低、噴灑均勻的特點(diǎn)[6]，所需設(shè)施價(jià)格低廉，易于收放，是一種新型的節(jié)水灌溉方式。有研究認(rèn)為，采用微噴帶灌水30 mm，較畦灌150 mm處理總耗水量低104 mm，土壤貯水消耗量高17 mm[7]。亦有研究表明，與漫灌相比，采用帶長(zhǎng)40 m微噴帶灌水150 mm，總耗水量低17.3～51.8 mm，土壤貯水消耗量占總耗水量的比例低1.6%～8.3%[8]。采用微噴帶灌溉，水分主要分布在0～30 cm土層，能有效濕潤(rùn)小麥根層，提高灌溉水利用效率和水分利用效率[9-10]。有研究結(jié)果顯示，采用帶長(zhǎng)30 m微噴帶灌溉，灌水量較畦灌低11.3～22.5 mm，小麥籽粒產(chǎn)量高375.1～459.6 kg·hm-2[11]。亦有學(xué)者認(rèn)為，微噴帶灌溉120 mm，小麥籽粒產(chǎn)量較畦灌138 mm無(wú)顯著差異，千粒重高3.8 g，水分利用效率和灌溉水利用效率分別提高3.4和23.62 kg·hm-2·mm-1[12]。微噴帶工作狀態(tài)下存在沿程壓力損失，沿程壓力損失越大，首尾端噴水流量差異越大，內(nèi)徑20 mm的微噴帶，鋪設(shè)長(zhǎng)度60 m水頭損失為1.5 m，鋪設(shè)長(zhǎng)度100 m水頭損失為2.3 m[13]。帶寬32 mm微噴帶噴孔流量偏差在20%以內(nèi)的最大鋪設(shè)長(zhǎng)度為58 m[14]。有學(xué)者認(rèn)為微噴帶鋪設(shè)長(zhǎng)度一般不超過(guò)40 m。不同帶寬的微噴帶有不同的最佳鋪設(shè)長(zhǎng)度。本研究比較了在帶寬80 mm時(shí)用60、80和100 m長(zhǎng)的微噴帶灌溉對(duì)拔節(jié)期和開(kāi)花期灌水后麥田土壤質(zhì)量含水量和水分利用效率的影響，以期篩選出用帶寬80 mm微噴帶進(jìn)行小麥節(jié)水灌溉的最優(yōu)帶長(zhǎng)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)田概況

于2015-2016小麥生長(zhǎng)季，在山東省濟(jì)寧市兗州區(qū)小孟鎮(zhèn)史家王子村(35.41°N, 116.41°E)進(jìn)行田間試驗(yàn)，供試品種為濟(jì)麥22。試驗(yàn)田坡度為2.09‰，土壤質(zhì)地為壤土。播種前試驗(yàn)地0～20 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量為14.73 g·kg-1，全氮含量為1.14 g·kg-1，堿解氮含量為110.51 mg·kg-1，速效磷含量為33.70 mg·kg-1，速效鉀含量為119.73 mg·kg-1。試驗(yàn)地0～200 cm土壤容重和田間持水量見(jiàn)表1。小麥全生育期降水212.70 mm，其中播種至拔節(jié)期降水162.90 mm，拔節(jié)至開(kāi)花期降水15.40 mm，開(kāi)花至成熟期降水34.40 mm 。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用帶寬80 mm微噴帶，設(shè)置60 m(T1) 、80 m(T2)和100 m(T3)3個(gè)帶長(zhǎng)處理。沿畦長(zhǎng)方向，T1處理設(shè)置0～6 m(A)、14～20 m(B)、34～40 m(C)、54～60 m(D)4個(gè)取樣區(qū)段，T2處理在T1處理的基礎(chǔ)上增設(shè)74～80 m(E)取樣區(qū)段，T3處理在T2處理的基礎(chǔ)上增設(shè)94～100 m(F)取樣區(qū)段，取樣區(qū)段長(zhǎng)6 m，面積12 m2。各參試微噴帶噴孔組距35 cm，每組噴孔6個(gè)，各噴孔直徑分別為1.2、1.0、1.0、1.0、1.0和1.2 mm，對(duì)應(yīng)噴射角分別為80°、83°、86°、86°、83°和80°。采用測(cè)墑補(bǔ)灌的方法確定補(bǔ)灌水量。

小區(qū)畦寬2 m，畦面寬1.6 m，畦埂寬0.4 m，T1、T2、T3處理小區(qū)畦長(zhǎng)分別為60、80、100 m。各處理3次重復(fù)，小區(qū)隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)間設(shè)2 m 保護(hù)行，防止水分滲漏。小區(qū)內(nèi)種植8行小麥，行距為23 cm。拔節(jié)期灌水前將微噴帶鋪設(shè)在第4行和第5行小麥中間，噴孔一面朝上。在畦田首端按照水表-壓力表-球閥的順序連接供水管道和微噴帶首端。水表計(jì)量灌水量，用于控制不同壓力下小區(qū)內(nèi)噴灌量的差異。壓力表控制微噴帶首端壓力，調(diào)節(jié)T1、T2、T3處理田間最大噴灑寬度均為1.6 m，此時(shí)微噴帶首端壓力分別為0.025、0.030 和0.035 MPa。

播種前前茬玉米秸稈粉碎翻壓還田；底施N 105 kg·hm-2、P2O5150 kg·hm-2和K2O 112.5 kg·hm-2，拔節(jié)期追N 135 kg·hm-2。肥料選用尿素、磷酸二銨和氯化鉀。2015年10月16日播種，2016年6月12日收獲，4葉期定苗為180 株·m-2，其他管理措施同大田。

表1 播種前試驗(yàn)地0～200 cm各土層土壤容重、田間持水量和土壤質(zhì)量含水量Table 1 Soil bulk density, field capacity and soil water mass content of 0-200 cm soil layers in experimental field before sowing

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 土壤含水量測(cè)定

播前、拔節(jié)期、開(kāi)花期和成熟期用土鉆取土樣，每個(gè)樣段3次重復(fù)。其中，拔節(jié)期灌水后3 d、開(kāi)花期灌水前1 d和灌水后3 d及成熟期在各處理不同取樣區(qū)段內(nèi)取土。取樣區(qū)段內(nèi)，在微噴帶鋪設(shè)行間以及位于其右側(cè)的3個(gè)行間取土，各行間與微噴帶鋪設(shè)行間距離分別為0、23、46和69 cm。區(qū)段內(nèi)行間隨機(jī)取3個(gè)點(diǎn)，以3個(gè)點(diǎn)土壤質(zhì)量含水量的平均值代表該行間的土壤質(zhì)量含水量，以4個(gè)行間土壤質(zhì)量含水量的平均值代表該區(qū)段的土壤質(zhì)量含水量，以處理內(nèi)各區(qū)段土壤質(zhì)量含水量的平均值代表該處理的土壤質(zhì)量含水量。

取樣深度0～200 cm，20 cm為1層，置于鋁盒中，稱鮮土質(zhì)量，于105 ℃下烘干至恒重，計(jì)算土壤質(zhì)量含水量和相對(duì)含水量[15]。

福鼎四季柚以一年四季開(kāi)花結(jié)果而得名，是福鼎重要的名、特 、優(yōu)水果，享有國(guó)家“證明商標(biāo)”和“原產(chǎn)地地理標(biāo)志”使用權(quán)。在福鼎已有270多年的栽培歷史，果實(shí)肉嫩無(wú)籽，汁多味甜，皮薄耐儲(chǔ)藏，深受廣大消費(fèi)者喜歡。全市種植面積約0.13萬(wàn)畝，主要分布在前岐、店下等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，四季柚經(jīng)過(guò)規(guī)范管理，五年后即可達(dá)到豐產(chǎn)年，畝產(chǎn)可達(dá)到3000-4000 kg以上。根據(jù)2015-2018三年來(lái)在前岐大嵐果場(chǎng)和老區(qū)果場(chǎng)的試驗(yàn)示范，技術(shù)總結(jié)如下：

1.3.2 拔節(jié)期和開(kāi)花期補(bǔ)灌水量的確定

拔節(jié)期和開(kāi)花期分別測(cè)定各處理0～40 cm土層土壤質(zhì)量含水量，補(bǔ)灌至目標(biāo)土層土壤相對(duì)含水量為70%和70%。補(bǔ)灌水量公式[16]為：

m=10ρb·H(βi-βj)

式中，m為補(bǔ)灌水量(mm)；H為土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層的深度(cm)，本試驗(yàn)中為40 cm；ρb為計(jì)劃濕潤(rùn)層內(nèi)土壤容重(g·cm-3)；βi為目標(biāo)土壤質(zhì)量含水量(田間持水量×目標(biāo)土壤相對(duì)含水量)；βj為不同區(qū)段實(shí)際土壤質(zhì)量含水量的平均值。T1、T2和T3處理拔節(jié)期灌水量均為52.00 mm，開(kāi)花期灌水量分別為48.98、52.17和52.19 mm。

1.3.3 變異系數(shù)的計(jì)算

灌水后各處理不同區(qū)段土壤質(zhì)量含水量差異程度用變異系數(shù)CV[17]表示。CV=σ/μ。式中σ為標(biāo)準(zhǔn)差，μ為土壤質(zhì)量含水量平均值。

1.3.4 不同生育階段農(nóng)田耗水量、土壤貯水消耗量的計(jì)算

采用水分平衡法[18]計(jì)算農(nóng)田耗水量。

耗水強(qiáng)度=階段耗水量/ 生育階段天數(shù)；

耗水模系數(shù)=階段農(nóng)田耗水量/ 農(nóng)田總耗水量×100%。

1.3.5 籽粒產(chǎn)量的測(cè)定

成熟期在不同區(qū)段選取2 m2收獲脫粒，3次重復(fù)。自然風(fēng)干至籽粒含水率為12.5%時(shí)稱重，計(jì)算不同區(qū)段籽粒產(chǎn)量，各處理籽粒產(chǎn)量取處理內(nèi)各區(qū)段籽粒產(chǎn)量的平均值。

1.3.6 水分利用效率的計(jì)算

水分利用效率=Y/ETα[19]，灌溉水利用效率=Y/I[20]。式中，Y為籽粒產(chǎn)量，ETα為總耗水量，I為灌水量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 13.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，利用LSD法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(α=0.05)，采用Excel 2003作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 微噴帶長(zhǎng)度對(duì)拔節(jié)期灌水后不同區(qū)段土壤質(zhì)量含水量的影響

拔節(jié)期灌水后，T1處理下不同區(qū)段間0～60 cm土層土壤質(zhì)量含水量無(wú)顯著差異，T2處理下表現(xiàn)為A、B、C、D>E，T3處理下表現(xiàn)為A、B、C>D>E>F；開(kāi)花期灌水后，T1處理下不同區(qū)段間0～60 cm土層土壤質(zhì)量含水量無(wú)顯著差異，T2處理下表現(xiàn)為A、B、C>D>E，T3處理下表現(xiàn)為A、B、C>D>E>F；拔節(jié)期和開(kāi)花期灌水后，各處理土壤質(zhì)量含水量變異系數(shù)均表現(xiàn)為T(mén)3>T2>T1(表2)。這表明T1處理促進(jìn)了灌溉水在畦田不同區(qū)段的均勻分配。

表2 不同處理各取樣區(qū)段小麥拔節(jié)期和開(kāi)花期噴灌3 d后0～60 cm土層土壤的質(zhì)量含水量Table 2 Soil water content in 0-60 cm soil layer of each sample area under different treatments at jointing and anthesis stages of wheat

相同時(shí)期同行土壤水分含量數(shù)值后的不同小寫(xiě)字母表示取樣區(qū)段間差異在0.05水平上顯著。相同時(shí)期變異系數(shù)后不同小寫(xiě)字母表示處理間差異在0.05水平上顯著。

Different small letters following the soil water values in the same line at the same stage mean significant difference among sample areas at 0.05 level. Different small letters following the coefficient values of variation column among treatments at the same stage mean significant difference among the treatments at 0.05 level.

2.2 微噴帶長(zhǎng)度對(duì)小麥不同生育階段耗水量、耗水強(qiáng)度和耗水模系數(shù)的影響

不同處理拔節(jié)至開(kāi)花期耗水量、耗水強(qiáng)度和耗水模系數(shù)均表現(xiàn)為T(mén)3>T2>T1；T1和T2處理開(kāi)花至成熟期階段耗水量分別較T3處理高5.63和4.37 mm，耗水強(qiáng)度和耗水模系數(shù)亦顯著高于T3處理(表3)。表明T1和T2處理在開(kāi)花至成熟階段的水分消耗顯著較高。開(kāi)花至成熟階段是小麥籽粒灌漿期，保證此階段的水分供應(yīng)，有利于提高小麥光合作用，增加粒重。

2.3 微噴帶長(zhǎng)度對(duì)小麥籽粒產(chǎn)量和水分利用效率的影響

由表4可以看出，T1、T2處理間小麥籽粒產(chǎn)量無(wú)顯著差異，但分別較T3處理顯著增產(chǎn)，增幅6.0%和3.9%；水分利用效率表現(xiàn)為T(mén)1、T2>T3，灌溉水利用效率以T1處理最高，分別較T2和T3高5.3%和9.4%。表明T1處理既高產(chǎn)，水分利用效率和灌溉水利用效率亦高，是最優(yōu)處理；T2產(chǎn)量和水分利用效率高，但灌溉水利用效率低于T1處理，是本試驗(yàn)的較優(yōu)處理。

表3 各處理小麥不同生育階段的耗水量、耗水強(qiáng)度和耗水模系數(shù)Table 3 Amounts of water consumption, water consumption intensity and water consumption percentage at different growth stages under each treatments

同列數(shù)值后不同小寫(xiě)字母表示處理間差異在0.05水平上顯著。CA:耗水量;CI:耗水強(qiáng)度;CP:耗水模系數(shù)。表4同。

Different small letters following the values in the same column mean significant difference among treatments at 0.05 level. CA:Water consumption; CI:Water consumption intensity; CP:Water consumption proportion. The same in table 4.

表4 不同處理下小麥的總耗水量、籽粒產(chǎn)量和水分利用效率Table 4 Total water consumption, grain yield and water use efficiency of wheat under different treatments

3 討 論

研究表明，畦灌條件下，畦長(zhǎng)30 m處理灌水均勻度較畦長(zhǎng)50 m處理高10.49%[21]。前人采用帶寬39.3 mm微噴帶進(jìn)行噴水試驗(yàn)，10 m長(zhǎng)微噴帶與20 m長(zhǎng)微噴帶相比，其平均噴灑均勻度高37.37%[22]。另有研究結(jié)果顯示，0.08 Mpa下寬63 mm、長(zhǎng)90 m的微噴帶首端噴水流量為15.74 L·h-1，距畦首60 m處噴水流量為首端的64.5%，末端噴水流量?jī)H為首端的26.4%[23]。本試驗(yàn)中，T1處理拔節(jié)期和開(kāi)花期灌水后不同區(qū)段土壤質(zhì)量含水量變異系數(shù)最低，有利于提高微噴帶在畦內(nèi)不同區(qū)域的水分均勻度，創(chuàng)造整畦小麥生長(zhǎng)的適宜土壤水分條件。

開(kāi)花至成熟期是小麥籽粒產(chǎn)量形成的關(guān)鍵時(shí)期。研究表明，灌水量增加75 mm，開(kāi)花至成熟期階段耗水量增加23.7 mm[24]。總灌水量一定時(shí)，噴灌4次處理的開(kāi)花至成熟期階段耗水量較噴灌3次和2次處理分別高41.2 mm和33.3 mm[11]。畦灌條件下，與畦長(zhǎng)120 m處理相比，畦長(zhǎng)80 m處理的灌水均勻度高6.0%，拔節(jié)至成熟期階段耗水量低26.87 mm[25]。本試驗(yàn)中，T1和T2處理下小麥拔節(jié)至開(kāi)花階段的耗水量低于T3處理，而開(kāi)花至成熟階段的耗水高于T3處理。表明T1和T2處理促進(jìn)了小麥籽粒灌漿期對(duì)水分的利用，有利于產(chǎn)量形成。

畦灌條件下，畦長(zhǎng)影響籽粒產(chǎn)量和水分利用效率。研究表明，畦長(zhǎng)30 m處理的產(chǎn)量較畦長(zhǎng)50 m處理高671.85 kg·hm-2，水分利用效率高2.18 kg·hm-2·mm-1[21]。亦有研究認(rèn)為，畦長(zhǎng)100 m處理籽粒產(chǎn)量和水分利用效率與畦長(zhǎng)50 m 處理無(wú)顯著差異，灌溉水利用效率低36.7%[26]。畦田面積相等下，畦長(zhǎng)50 m和畦長(zhǎng)70 m處理籽粒產(chǎn)量分別為6 159.1和6 147.5 kg·hm-2，較畦長(zhǎng)90 m處理分別高292.1和280.5 kg·hm-2[27]。本試驗(yàn)中，T1處理既高產(chǎn)，水分利用效率和灌溉水利用效率亦高，是最優(yōu)處理；T2產(chǎn)量和水分利用效率高，但灌溉水利用效率低于T1處理，是本試驗(yàn)的較優(yōu)處理。

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