涇惠渠灌區(qū)冬小麥夏玉米灌溉制度優(yōu)化研究

姚毛毛，王阿靜，陳新明

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院/旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100；2.陜西省永壽縣水利管理站，陜西 永壽 712300)

0 引 言

目前國(guó)家水資源短缺、水污染嚴(yán)重等問(wèn)題導(dǎo)致農(nóng)業(yè)用水供需矛盾日益突出，田間灌溉用水非常緊張，因此節(jié)水灌溉制度的研究具有重大意義[1]，非充分灌溉制度是節(jié)約水資源提高水分利用效率的主要方法之一[2]。國(guó)內(nèi)外研究表明，水分階段性虧缺對(duì)作物效益具有雙重性，不同生育階段對(duì)植物進(jìn)行缺水灌溉，不但不會(huì)降低作物的產(chǎn)量，反而會(huì)很大程度上提高作物的經(jīng)濟(jì)效益和水分利用效率[3]。玉米和小麥?zhǔn)俏覈?guó)北方的主要糧食作物，是農(nóng)產(chǎn)品的重要組成部分，但有些地區(qū)在小麥玉米種植期間，會(huì)出現(xiàn)過(guò)量灌水的現(xiàn)象，這樣不僅會(huì)抑制作物的生長(zhǎng)發(fā)育，而且很大程度上會(huì)造成水資源浪費(fèi)[4]。研究涇惠渠灌區(qū)作物的非充分灌溉制度，對(duì)提高灌區(qū)作物產(chǎn)量和水分利用效率的模式進(jìn)行深入研究，進(jìn)而找出適合本區(qū)域的節(jié)水、高產(chǎn)的灌溉方法，以期為灌區(qū)用水配水調(diào)度提供理論依據(jù)[5]。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2013-2016年，連續(xù)3個(gè)年度在陜西省咸陽(yáng)市涇陽(yáng)縣三渠鎮(zhèn)涇惠渠灌溉試驗(yàn)站大田進(jìn)行。此灌溉試驗(yàn)站的地理坐標(biāo)為東經(jīng)108°54′，北緯34°33′，海拔433.72 m，水源為井水，灌溉水量采用水表控制。灌區(qū)土壤肥沃，地勢(shì)平坦，氣候條件溫和，灌溉條件較好[6]。土壤以中壤土為主，容重為1.43 g/cm3，孔隙率46%，最大田間持水量(質(zhì)量含水率)為24.4%，耕種條件良好，地下水埋藏深度為30 m，故試驗(yàn)中地下水向上補(bǔ)給部分可忽略不計(jì)。

試驗(yàn)于2013年6月至2016年7月展開(kāi)。冬小麥分別于2013年10月10日、2014年10月15日、2015年10月16日撒種播種，供試品種為“鄭麥366”，該冬小麥品種具有矮稈、耐旱、耐后期高溫的特點(diǎn)。采用原種無(wú)種子處理，播種量為375 kg/hm2，底肥為冬小麥專用肥料，施肥量為700 kg/hm2。夏玉米分別于2013年6月8日、2014年6月17日，2015年6月10日采用玉米穴播機(jī)進(jìn)行播種，供試品種為“中科11”，播種量為45 kg/hm2，伴施種肥腐殖酸復(fù)混肥375 kg/hm2。

涇惠渠灌區(qū)多年平均降雨量565.4 mm，蒸發(fā)量1 178.3 mm，多年平均降雨天數(shù)81 d，年均氣溫13.4 ℃左右，1月份氣溫最低為-20.1 ℃，8月份最高氣溫為42.0 ℃。2013-2016年冬小麥夏玉米各年生育階段降雨量見(jiàn)表1。根據(jù)涇惠渠灌區(qū)30年的降雨資料排頻分析，其中2013-2016均接近枯水年。

表1 冬小麥夏玉米生育期內(nèi)的降雨量 mm

1.2 冬小麥夏玉米試驗(yàn)設(shè)計(jì)

依據(jù)冬小麥夏玉米生長(zhǎng)規(guī)律，參照作物耕作栽培和植物生理學(xué)方面的內(nèi)容，把冬小麥全生育期劃分為7個(gè)階段:播種期、出苗期、越冬期、返青期、拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期[7]。試驗(yàn)將夏玉米灌水時(shí)期分為5個(gè)階段：出苗期、壓茬期、拔節(jié)期、抽雄期和灌漿期。冬小麥夏玉米各設(shè)8個(gè)試驗(yàn)處理，每個(gè)處理重復(fù)兩次，夏玉米水分處理用H表示，冬小麥水分處理用T表示。試驗(yàn)為大田試驗(yàn)，小區(qū)隨機(jī)排列，每個(gè)小區(qū)長(zhǎng)×寬為20 m×2.6 m，小區(qū)四周設(shè)有保護(hù)區(qū)，供水源為井水，采用水表讀數(shù)計(jì)量。試驗(yàn)設(shè)計(jì)處理見(jiàn)表2和表3。

1.3 冬小麥夏玉米試驗(yàn)測(cè)定指標(biāo)與方法

(1)土壤含水率的測(cè)定。土壤含水率的測(cè)定方法采用土鉆取土烘干法，在每個(gè)小區(qū)前中后選取3個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)定土壤深度為0～100 cm，深度每隔10 cm選取一個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)定。在灌水期前后3 d和生育期內(nèi)每7 d測(cè)定1次，若有大量降雨需加測(cè)。

(2)冬小麥、夏玉米生理指標(biāo)測(cè)定。對(duì)于冬小麥產(chǎn)量的測(cè)定，是冬小麥?zhǔn)斋@時(shí)，在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)取1 m×1 m區(qū)域的長(zhǎng)勢(shì)平均且具有代表性的植株，用直尺和游標(biāo)卡尺測(cè)量植株根部到植株最高點(diǎn)的長(zhǎng)度即為株高，同樣方法測(cè)量穗長(zhǎng)。在室內(nèi)脫?？挤N，同時(shí)測(cè)定穗數(shù)，用電子天平(感量為0.01 g)稱千粒重和單位面積的產(chǎn)量,進(jìn)而折合計(jì)算每公頃產(chǎn)量。夏玉米生理指標(biāo)測(cè)定在每個(gè)生育期內(nèi)取3株具有代表性的植株，用游標(biāo)卡尺、直尺等測(cè)定夏玉米成熟后的株高、莖粗等生理指標(biāo)。夏玉米成熟后，進(jìn)行穗長(zhǎng)、穗粗等產(chǎn)量因素的測(cè)定，然后考種計(jì)算實(shí)收的百粒重與產(chǎn)量。

表2 2013-2016年夏玉米試驗(yàn)設(shè)計(jì)處理 m3/hm2

表3 2013-2016年冬小麥試驗(yàn)設(shè)計(jì)處理 m3/hm2

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析方法

試驗(yàn)采用Excel2010進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入和計(jì)算，DPS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析處理，LSD法進(jìn)行多重比較，運(yùn)用方差分析統(tǒng)計(jì)法分析不同生育期灌水組合對(duì)冬小麥、夏玉米產(chǎn)量及水分利用效率等的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

不同灌水組合對(duì)冬小麥、夏玉米的產(chǎn)量影響不同。2013-2016年不同灌水組合下冬小麥、夏玉米三年平均產(chǎn)量因素如表4和表5所示。

2.1 不同灌水組合對(duì)冬小麥夏玉米產(chǎn)量的影響

表4為不同處理下3年平均的夏玉米產(chǎn)量構(gòu)成要素表。由表4可知，不同灌水組合對(duì)夏玉米的株高及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響不同[8]。2013-2016年中，夏玉米不同灌水組合下三年平均株高在H3(壓茬灌+拔節(jié)灌)處理下達(dá)到最大值，顯著高于其他處理7.27%，說(shuō)明拔節(jié)期是夏玉米株高的需水敏感期，壓茬期和拔節(jié)期灌水對(duì)夏玉米的株高有很大促進(jìn)作用。H8(壓茬灌+灌漿灌)處理下夏玉米株高顯著低于其他處理7.3%，說(shuō)明灌漿期灌水或不灌水對(duì)夏玉米的株高并無(wú)顯著影響，因?yàn)楣酀{期夏玉米的生長(zhǎng)發(fā)育已趨于穩(wěn)定，株高增長(zhǎng)速率也趨于穩(wěn)定。

表4 2013-2016年不同灌水組合下夏玉米三年平均產(chǎn)量因素表

注：采用DPS軟件的LSD法進(jìn)行多重比較，表中以小寫(xiě)字母標(biāo)記5%顯著水平，字母相同表示差異不顯著，字母不同表示差異顯著，下同。

夏玉米的產(chǎn)量因素主要包括畝株數(shù)、穗粒重、百粒重。由表4可看出，H6(壓茬灌+拔節(jié)灌+抽雄灌)處理下玉米產(chǎn)量達(dá)到最大值，說(shuō)明夏玉米生育前期旱象明顯時(shí)，增加灌水次數(shù)可以提高夏玉米產(chǎn)量，這與張有菊[9]等的研究結(jié)論是一致的，而H2(壓茬灌)處理下的夏玉米產(chǎn)量顯著低于其他處理的6.48%，說(shuō)明壓茬期灌水對(duì)夏玉米產(chǎn)量并無(wú)顯著影響。穗粒重和百粒重受灌水處理影響較大，H6、H7(壓茬灌+拔節(jié)灌+灌漿灌)的平均穗粒重顯著高于其他處理的6.54%、3.23%，百粒重顯著高于其他處理的2.1%、1.74%，說(shuō)明生長(zhǎng)階段灌水次數(shù)多水分充足，夏玉米生長(zhǎng)狀況較好。而H2(壓茬灌)處理下的穗粒重顯著低于其他處理的5.2%，百粒重顯著低于其他處理的2.84%，說(shuō)明灌水次數(shù)少水分不充足對(duì)夏玉米的生長(zhǎng)狀況影響較大。

表5是2013-2016年不同灌水組合下冬小麥的平均產(chǎn)量因素表。由表5可知，冬小麥的株高以及各產(chǎn)量因素在不同的灌水組合下結(jié)果不同。

小麥株高隨著灌水次數(shù)和灌溉定額的增大呈現(xiàn)逐漸增高的趨勢(shì)。2013-2016年，小麥平均株高在T8(冬灌+拔節(jié)灌+灌漿灌)處理下達(dá)到最大值，灌水次數(shù)為兩次的T4、T5、T6之間相互比較株高差異性不大，但與T2(僅冬灌)處理下的小麥株高差異性顯著，分別增加了4.61%、7.24%、4.97%，這說(shuō)明冬灌對(duì)越冬期小麥株高增長(zhǎng)并無(wú)顯著影響，這一結(jié)果與劉泉斌[10]的研究結(jié)論是一致的，返青期、拔節(jié)期、抽穗期灌水對(duì)冬小麥的株高均有顯著影響，且T3(返青灌)處理下株高比T1(不灌水)處理下顯著增高4.26%，說(shuō)明返青灌對(duì)冬小麥株高有著顯著影響，冬小麥進(jìn)入返青期后，隨著溫度升高，小麥的需水量增大，所以返青期是冬小麥株高的需水敏感期。

表5 2013-2016年不同灌水組合下冬小麥年平均產(chǎn)量因素表

冬小麥的產(chǎn)量因素主要包括：穗粒數(shù)、畝株數(shù)、千粒重。2013-2016年，小麥三年平均產(chǎn)量在T7(冬灌+拔節(jié)灌+抽穗灌)、T8(冬灌+拔節(jié)灌+灌漿灌)處理下顯著高于其他處理下的產(chǎn)量。灌二水處理中，T4(冬灌+返青灌)>T6(冬灌+抽穗灌)>T5(冬灌+拔節(jié)灌)，T4處理下小麥產(chǎn)量最高，說(shuō)明返青期是冬小麥產(chǎn)量的需水敏感期。T2處理下三年平均產(chǎn)量顯著大于T1處理下的產(chǎn)量，且T1的小麥產(chǎn)量顯著低于其他所有處理，可見(jiàn)冬小麥的產(chǎn)量與需水量呈正相關(guān)關(guān)系，灌水次數(shù)越多，小麥產(chǎn)量越高。小麥三年平均穗粒數(shù)無(wú)顯著差異，T2處理下的穗粒數(shù)為最大值，說(shuō)明越冬期灌水可以增加小麥穗粒數(shù)。2013-2016年，T2處理下的三年平均株數(shù)顯著高于T1處理，這說(shuō)明冬小麥生育前期旱象明顯時(shí)，越冬期適當(dāng)灌水可以增加小麥的株數(shù)。T8處理下小麥千粒重達(dá)到最大值，且顯著高于T5，說(shuō)明灌漿期灌水對(duì)小麥的千粒重有顯著影響。

2.2 不同灌水處理下夏玉米冬小麥耗水量與產(chǎn)量的關(guān)系

根據(jù)不同灌水處理下夏玉米冬小麥年耗水量與年產(chǎn)量之間的關(guān)系，擬合繪制二次曲線圖。由圖1、3可知，冬小麥夏玉米產(chǎn)量和隨著耗水量的增加而增加[11]，但超過(guò)某一特定值之后，年產(chǎn)量卻隨年耗水量的增加而減少。由圖2可知，作物需水量受土壤水分、降雨量和氣候等外界條件影響，灌溉量增加，產(chǎn)量反而減少，水分利用效率降低，造成水資源的浪費(fèi)[12]。

圖1 2013-2014年夏玉米冬小麥耗水量與產(chǎn)量的關(guān)系

圖3 2015-2016年夏玉米冬小麥耗水量與產(chǎn)量的關(guān)系

圖2 2014-2015年夏玉米冬小麥耗水量與產(chǎn)量的關(guān)系

圖4 冬小麥夏玉米三年平均耗水量與產(chǎn)量的關(guān)系

表6 不同灌水處理下冬小麥夏玉米水分利用效率分析表

水分利用效率受作物耗水量和產(chǎn)量的影響，表6是不同灌水處理下的水分利用效率分析表。每年的產(chǎn)量之和由高到低排列，耗水量與產(chǎn)量在一定范圍內(nèi)呈正相關(guān)關(guān)系，耗水量越多，產(chǎn)量越高。由表6可以看出，隨著作物耗水量的增加，產(chǎn)量增加，水分利用效率呈下降趨勢(shì)，這一結(jié)果與吳寶建[13]的研究結(jié)論是一致的。從三年不同灌水處理下產(chǎn)量與耗水量的平均值看，T5與H1處理下的水分利用效率最高，與2014-2015年的結(jié)果是一致的，雖說(shuō)達(dá)到了節(jié)水的目的，但卻不符合高產(chǎn)的要求。T8與H6處理下的產(chǎn)量達(dá)到最高值，與2013-2014年的研究結(jié)果是一致的，但其水分利用效率較低。T4與H4的產(chǎn)量與水分利用效率相對(duì)較高，可同時(shí)滿足高產(chǎn)和節(jié)水的要求，因此，要在高產(chǎn)和節(jié)水之間做好協(xié)調(diào)，需要在合理的生長(zhǎng)階段內(nèi)對(duì)作物進(jìn)行灌溉，保證小麥在越冬期和返青期、玉米在壓茬期和抽雄期內(nèi)適宜的灌水量，即可做到高產(chǎn)和節(jié)水之間的協(xié)調(diào)，對(duì)提高水分利用效率有積極作用。

2.3 不同處理下冬小麥夏玉米經(jīng)濟(jì)效益分析

根據(jù)涇惠渠管理局提供的資料顯示，涇惠渠灌區(qū)2013-2016年種植小麥玉米各6 600 hm2，當(dāng)?shù)毓喔扔盟畠r(jià)格為0.2 元/m3，玉米收購(gòu)價(jià)格2.5 元/kg，小麥?zhǔn)召?gòu)價(jià)格為2.0 元/kg，得出不同灌水處理下小麥玉米的節(jié)水經(jīng)濟(jì)效益分析表如表7所示。

表7 不同處理下冬小麥夏玉米的節(jié)水經(jīng)濟(jì)效益分析表

節(jié)水灌溉與高產(chǎn)兩者之間的協(xié)調(diào)關(guān)系是灌溉水資源供需矛盾的主要問(wèn)題，過(guò)量灌溉不僅不會(huì)使作物增產(chǎn)，反而浪費(fèi)了水資源，過(guò)量節(jié)水必定會(huì)影響作物的產(chǎn)量，因此需要通過(guò)分析作物的節(jié)水經(jīng)濟(jì)效益確定合理的灌溉制度，做好兩者之間的協(xié)調(diào)。

從三年平均節(jié)水量與減產(chǎn)量來(lái)看，T5與H1處理下的節(jié)水量較多，但其減產(chǎn)量也較高，這與2015-2016年的研究結(jié)果是一致的。綜合考慮低減產(chǎn)量和高節(jié)水量，以益損比為基礎(chǔ)，T4與H4的益損比最大，且其產(chǎn)量與水分利用效率相對(duì)較高，可同時(shí)滿足節(jié)水和高產(chǎn)的要求，因此冬灌+返青灌、壓茬灌+抽雄灌有較好的節(jié)水經(jīng)濟(jì)效益，保證小麥在越冬期和返青期、玉米在壓茬期和抽雄期內(nèi)適宜的灌水量，能獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益。這與上述水分利用效率分析的結(jié)論是一致的。

3 結(jié) 論

(1)不同灌水處理對(duì)夏玉米和冬小麥株高和產(chǎn)量的影響不同。夏玉米壓茬期+拔節(jié)期是玉米株高增長(zhǎng)的關(guān)鍵時(shí)期，拔節(jié)期是株高的需水敏感期。灌漿期灌水對(duì)株高并無(wú)顯著影響。增加灌水次數(shù)可以提高夏玉米產(chǎn)量，拔節(jié)期是產(chǎn)量的需水敏感期。百粒重和穗粒重受灌水量影響較大，當(dāng)水分充足時(shí)，百粒重和穗粒重增加，一定程度下，百粒重和灌水量呈正相關(guān)關(guān)系，灌水量越大，百粒重越大。

冬小麥株高隨著灌水次數(shù)和灌溉定額的增多呈增高趨勢(shì)，返青期、拔節(jié)期、抽穗期灌水對(duì)冬小麥株高有顯著影響，返青期尤為顯著。在一定程度下，小麥的產(chǎn)量與需水量呈正相關(guān)關(guān)系，灌水量越大，產(chǎn)量越高，但超過(guò)一定范圍后，隨著灌水量的增大產(chǎn)量反而減少，水分利用效率降低。返青期是小麥產(chǎn)量的需水敏感期，冬灌+返青灌處理下小麥產(chǎn)量最高。越冬期適當(dāng)灌水可以增加小麥穗粒數(shù)和株數(shù)，灌漿期灌水對(duì)小麥的千粒重有顯著影響。

(2)水分利用效率受作物耗水量和產(chǎn)量影響，隨著灌水量增加，水分利用效率呈下降趨勢(shì)，T4與H4的產(chǎn)量與水分利用效率相對(duì)較高，能同時(shí)滿足高產(chǎn)和節(jié)水的要求，保證小麥在越冬期和返青期、玉米壓茬期和拔節(jié)期內(nèi)得到適宜的灌水量，做到了高產(chǎn)和節(jié)水之間的協(xié)調(diào)，對(duì)提高水分利用效率有促進(jìn)作用。

(3)綜合考慮低減產(chǎn)量和高節(jié)水量，以益損比為基礎(chǔ)，T4與H4的益損比最大，因此冬灌+返青灌、壓茬灌+抽雄灌有較好的節(jié)水經(jīng)濟(jì)效益，保證小麥在越冬期和返青期、玉米在壓茬期和拔節(jié)期內(nèi)適宜的灌水量，能獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益。因此，灌區(qū)追求高產(chǎn)的最優(yōu)灌溉制度是T8(冬灌+拔節(jié)灌+灌漿灌)與H6(壓茬灌+拔節(jié)灌+抽雄灌)，全生育期六次灌水，灌溉定額為6 900 m3/hm2。綜合考慮產(chǎn)量、水分利用效率和益損比，推薦涇惠渠灌區(qū)高效灌溉制度為T4(冬灌+返青灌)與H4(壓茬灌+抽雄灌)，全生育期四次灌水，灌溉定額為4 800 m3/hm2。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，合理的非充分灌溉制度不但不會(huì)造成作物減產(chǎn)，一定程度上還可提高水分的利用效率，實(shí)現(xiàn)最大的經(jīng)濟(jì)效益。