間歇灌溉模式不同間歇時(shí)間下江淮丘陵區(qū)水稻耗水規(guī)律及其節(jié)水效益研究

張 亮，曹秀清，蔣尚明，王 礦，劉 佳

(安徽省水利部淮河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究院 水利水資源安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 合肥 230088)

0 引 言

水稻生育期耗水量，包括水稻需水量與田間損失水量，前者指水稻植株蒸騰與棵間蒸發(fā)水量，與水稻品種、種植地及氣候等因素有關(guān)；后者包括水稻生育期田間滲漏量與排水量，與灌溉制度及田間管理水平等因素有關(guān)[1]。通過(guò)引入節(jié)水灌溉技術(shù)，可有效減少水稻生育期內(nèi)耗水量，提高降雨有效利用率，同時(shí)兼具增產(chǎn)和減少農(nóng)業(yè)面源污染的功能[2]。依據(jù)不同的土壤類型、地形及氣候等條件，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種節(jié)水灌溉技術(shù)，包括“淺、濕、曬”灌溉，間歇灌溉，控制灌溉以及蓄雨型灌溉技術(shù)等[3,4]。研究發(fā)現(xiàn)，“薄水層-濕潤(rùn)-短暫落干”的循環(huán)狀態(tài)對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育及節(jié)水較有利，但受限于灌溉定額過(guò)小、田間渠系水分損失較大與降雨利用率過(guò)低等問(wèn)題，基于此，間歇灌溉模式因蓄雨空間大、滲漏損失小而逐漸受到重視[5]。早期研究表明，在不降低產(chǎn)量的同時(shí), 間歇灌溉能較大幅度發(fā)揮節(jié)水效益[6,7]。張祖蓮等在湖北省漳河三干渠團(tuán)林灌溉試驗(yàn)站研究了間歇灌溉下水稻的節(jié)水效果，發(fā)現(xiàn)該灌溉模式可有效減少不必要的滲漏量，提高降雨利用率，且一定程度上減少了稻田騰發(fā)量[8]。除節(jié)水外，間歇灌溉模式對(duì)水稻增產(chǎn)、病蟲防治、土壤有機(jī)質(zhì)保持、抑制溫室氣體排放均有較好的效果[9-12]。但目前針對(duì)間歇灌溉的研究仍處于較初級(jí)階段[4]，為更深入地探索其節(jié)水機(jī)理與效果，確定水稻生育期各階段的適宜灌溉間歇時(shí)間，需在更多地區(qū)、土壤及氣候條件下開展相關(guān)研究。

江淮丘陵區(qū)介于長(zhǎng)江與淮河之間，國(guó)土面積4.4 萬(wàn)km2，耕地面積136.7 萬(wàn)hm2，屬亞熱帶-暖溫帶過(guò)渡氣候區(qū)，氣候溫和，四季分明，雨量適中，光照充足，有利于單季中稻的生長(zhǎng)，是重要的水稻集中產(chǎn)區(qū)和商品糧基地[13]。該區(qū)耕地面積占安徽省總耕地面積的31.8%，但水資源量?jī)H占全省的21.8%，這導(dǎo)致水資源供給嚴(yán)重不足，旱災(zāi)頻發(fā)[14]。盡管面臨水資源短缺問(wèn)題，江淮丘陵區(qū)多數(shù)區(qū)域仍保留傳統(tǒng)漫灌的方式，造成水資源嚴(yán)重浪費(fèi)。因此，本研究擬以江淮丘陵區(qū)為例，探討間歇灌溉模式下不同間歇時(shí)間對(duì)水稻耗水規(guī)律及節(jié)水效益的影響，為該區(qū)域水稻節(jié)水灌溉技術(shù)的推廣提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2015年6-9月在安徽省試驗(yàn)重點(diǎn)站—肥東農(nóng)水綜合試驗(yàn)站進(jìn)行，該站位于安徽省合肥市肥東縣境內(nèi)(31.94°N，117.49°E)，地處江淮丘陵區(qū)中部，多年平均降雨量約900 mm，且在月、季及年際分布不均，6-9月份降雨量占全年總量的55.3%，多年降雨量極值比介于2.1～2.5[15]。肥東縣土壤多為水稻土(馬肝土)、黃褐土及黃棕壤[16]，試驗(yàn)區(qū)土壤類型以馬肝土為主，干容重為1.35 g/cm，有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮、全磷及速效磷含量分別12.7 g/kg、1.31 g/kg、77.0 mg/kg、1.53 g/kg及17.7 mg/kg，pH值為5.7，土壤結(jié)構(gòu)不良且通透性較差，適耕期相對(duì)較短。試驗(yàn)站內(nèi)有24(1～24號(hào))處固定式測(cè)坑，分4個(gè)區(qū)域(1-4號(hào))布置，每個(gè)區(qū)域含測(cè)坑6處，設(shè)有活動(dòng)式雨棚，地下廊道及設(shè)備間，每處測(cè)坑均配備溢流桶。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在水稻測(cè)坑中進(jìn)行，種植水稻品種為兩相優(yōu) I號(hào)，測(cè)坑規(guī)模為2 m×2 m(長(zhǎng)×寬)。采用3號(hào)區(qū)域內(nèi)的6組測(cè)坑(13～18號(hào))開展水稻試驗(yàn)，雨棚全生育期開啟，降雨直接進(jìn)入測(cè)坑內(nèi)。水稻于5月12日播種，育秧后于6月11日移栽至測(cè)坑，試驗(yàn)測(cè)坑處理共設(shè)4個(gè)生育期階段，包括：分蘗期、拔節(jié)期、抽穗開花期及成熟期，具體日期劃分見表1。

測(cè)坑試驗(yàn)分3個(gè)處理組處理：T1處理為對(duì)照組，即落干后立即灌水至上限水層；T2處理為短時(shí)間歇組，即落干后間隔較短時(shí)間灌水；T3處理為長(zhǎng)時(shí)間歇組，即落干后間隔較長(zhǎng)時(shí)間灌水。每個(gè)處理重復(fù)2次，具體試驗(yàn)方案見表2。

表1 2015年6-9月水稻試驗(yàn)生育期階段劃分Tab.1 Growth period division of rice from June to September 2015

1.3 觀測(cè)項(xiàng)目

(2)土壤含水量測(cè)定。在水稻落干處理階段，田面無(wú)水層時(shí)，需分層取土測(cè)定含水量，土壤含水量采用取土烘干法進(jìn)行測(cè)定。

表2 水稻試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案Tab.2 Experiment design of rice

(3)排水量測(cè)定。每次降雨過(guò)程后，測(cè)坑內(nèi)超過(guò)蓄雨水深的水量通過(guò)溢流管流入位于地下室的溢流桶中。溢流桶帶有刻度，可測(cè)定溢流水量，進(jìn)一步求得測(cè)坑排水量。

(4)氣象數(shù)據(jù)的測(cè)定。包括：降雨、蒸發(fā)、最高氣溫、最低氣溫、日照時(shí)數(shù)、濕度、風(fēng)速等。采用試驗(yàn)站自動(dòng)氣象站與周邊氣象局?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)比確定。

(5)水稻考種數(shù)據(jù)的測(cè)定。包括：株高、穗長(zhǎng)、穗粒數(shù)、千粒重及產(chǎn)量等數(shù)據(jù)，各測(cè)坑水稻收割后隨機(jī)取25株測(cè)定相關(guān)指標(biāo)。

1.4 相關(guān)指標(biāo)計(jì)算

(1)水稻耗水量。根據(jù)水量平衡，當(dāng)田面有水層時(shí)，各生育期內(nèi)水稻耗水量ET為：

ET=h1-h2+P+M-R

(1)

式中：ET為時(shí)段內(nèi)水稻耗水量，mm；h1為內(nèi)時(shí)段初測(cè)坑田面水位，mm；h2為內(nèi)時(shí)段末測(cè)坑田面水位，mm；P為時(shí)段內(nèi)降雨量，mm；M為時(shí)段內(nèi)測(cè)坑灌水量，mm；R為時(shí)段內(nèi)測(cè)坑排水量，mm。

當(dāng)水稻處于落干階段，田面無(wú)水層時(shí)，采用土壤含水量推求水稻當(dāng)日耗水量。

(2)有效降雨量。根據(jù)研究目的、條件的不同，有效降雨量Pe有不同定義。這里以天然降雨P(guān)中最終進(jìn)入稻田部分作為有效降雨量。采用水量平衡法推求，見下式：

Pe=P-R

(2)

式中：Pe為時(shí)段內(nèi)有效降雨量，mm；P為時(shí)段內(nèi)降雨量，mm；R為時(shí)段內(nèi)測(cè)坑排水量，mm。

(3)降雨利用率。降雨利用率以天然降雨P(guān)中有效降雨量Pe所占比重表示，見下式：

η=Pe/P×100%

(3)

式中：η為降雨利用率，%；Pe為時(shí)段有效降雨量，mm；P為時(shí)段降雨量，mm。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19.0(Statistical Product and Service Solutions)軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。其中，主要采用SPSS中的“單因素方差分析”模塊對(duì)不同處理組之間各項(xiàng)指標(biāo)的均值進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

圖1描述了在不同試驗(yàn)方案下水稻生育期內(nèi)的逐日耗水過(guò)程。由圖1可知，對(duì)照組(T1)在水稻各生育期內(nèi)的耗水量整體上多于短時(shí)間歇組(T2)與長(zhǎng)時(shí)間歇組(T3)，說(shuō)明間歇灌溉能顯著減少水稻耗水量。對(duì)比不同間歇處理組的結(jié)果可知，T3組水稻耗水量整體小于T2組，特別在抽穗開花期及成熟期，T3組相對(duì)于T2組耗水量顯著減小。說(shuō)明相對(duì)于短時(shí)間歇組，長(zhǎng)時(shí)間歇灌溉可進(jìn)一步降低水稻生育期耗水量，這在抽穗開花期及成熟期更為顯著。

圖1 不同處理下測(cè)坑水稻生育階段逐日耗水過(guò)程Fig.1 Daily water consumption process of rice growing stage in test-pit under different experimental schemes

表3為水稻生育期各階段耗水量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，由表3可知，T1組水稻耗水總量最多，達(dá)到884.30 mm；T2組次之，為733.07 mm；T3組耗水量最少，僅610.53 mm。從水稻生育期各階段看，T1組耗水量普遍多于T2、T3組，這與圖1結(jié)論一致，說(shuō)明間歇處理可顯著減少水稻生育期各階段耗水量。另一方面，長(zhǎng)時(shí)間歇組相對(duì)短時(shí)間歇組可進(jìn)一步減小水稻耗水量。在分蘗期，T2、T3組耗水量相對(duì)T1組降低幅度分別為7.30%與13.55%，其中T3組耗水量較T1組顯著降低。而在拔節(jié)期T2、T3組耗水量相對(duì)T1組降低幅度分別達(dá)到28.09%及32.17%，T2、T3組間耗水量差異不顯著。在抽穗開花期，間歇灌溉可顯著降低水稻耗水量，且長(zhǎng)時(shí)間歇灌溉模式下水稻耗水量顯著低于短時(shí)間歇灌溉，T2、T3耗水量較T1組分別減小17.59%及46.30%。在成熟期，T3組耗水量顯著低于T1組，說(shuō)明長(zhǎng)時(shí)間歇灌溉有利于進(jìn)一步減小水稻耗水量?？傮w來(lái)說(shuō)，由于間歇灌溉落干后存在一定的灌水時(shí)間間隔，使得稻田滲漏量顯著減少，相應(yīng)耗水量也隨之降低。長(zhǎng)時(shí)間歇灌溉模式下，稻田滲漏量及耗水量的減小相對(duì)于短時(shí)間歇灌溉更為顯著。

表3 不同試驗(yàn)方案下水稻生育期內(nèi)各階段耗水量 mm

表4為不同處理下水稻生育期各階段的有效降雨量及降雨利用率，由表4可知，各試驗(yàn)組主要在分蘗期及拔節(jié)期發(fā)生溢流。在分蘗期，稻田測(cè)坑溢流較多，有效降雨量較小，降雨利用率較低，T1、T2及T3組的降雨利用率依次升高，分別為46.39%，50.88%及53.6%。在拔節(jié)期，T1組溢流損失偏多，降雨利用率僅為38.41%，T2組降雨利用率高達(dá)97.31%，T3組降雨全部得到利用。在抽穗開花期及成熟期，由于降雨量較小，無(wú)溢流產(chǎn)生，各試驗(yàn)組降雨利用率均為100%。從水稻各生育期平均情況看，T1組降雨利用率最小，為53.45%，T2組次之，T3組最高，為71.38%，說(shuō)明間歇灌溉不僅可以減少水稻耗水量，也可顯著提高降雨利用率。由于長(zhǎng)時(shí)間歇灌溉模式下測(cè)坑對(duì)雨水的蓄積能力相對(duì)于短時(shí)間歇灌溉更強(qiáng)，即蓄雨空間更大，故有效降雨量及降雨利用率均為最高。

表5為不同處理下水稻灌溉水量、植株形態(tài)及產(chǎn)量等因素的對(duì)比情況，由表5可知，T1組水稻生育期灌溉總水量最多，為593.88 mm，T2組次之，為357.58 mm，T3組灌水最少，僅222.72 mm。說(shuō)明采用間歇灌溉可顯著減少生育期內(nèi)水稻灌溉水量，

而長(zhǎng)時(shí)間歇灌溉模式下水稻節(jié)水效果更顯著。同時(shí)觀察不同處理下水稻的生長(zhǎng)形態(tài)及產(chǎn)量等指標(biāo)，由表5可知，T2、T3組水稻株高、千粒重及產(chǎn)量均大于T1組，穗長(zhǎng)及穗粒數(shù)均小于T1組。T3組較T2組株高、穗長(zhǎng)及穗粒數(shù)均有減小，而千粒重及產(chǎn)量則對(duì)應(yīng)增大。這說(shuō)明間歇灌溉在發(fā)揮節(jié)水效應(yīng)的同時(shí)不會(huì)造成減產(chǎn)，一定程度上還能增加產(chǎn)量，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間歇灌溉尤為明顯，但植株形態(tài)受到落干的影響，特別是穗長(zhǎng)及穗粒數(shù)受到一定抑制，短時(shí)間歇處理下水稻株高最高。

表5 不同試驗(yàn)方案下水稻灌溉水量、植株形態(tài)及產(chǎn)量等因素Tab.5 Irrigation water, plant morphological characteristics, yield of rice and other factors under various experimental schemes

整體而言，水稻灌溉水量受耗水量及降雨利用率影響，在間歇灌溉模式下，水稻耗水量的減小與降雨利用率的提升均能顯著提高節(jié)水效益。長(zhǎng)時(shí)間歇灌溉相對(duì)于短時(shí)間歇灌溉，可進(jìn)一步提升節(jié)水效果。從水稻生育期內(nèi)各階段來(lái)看，間歇灌溉在分蘗期與拔節(jié)期通過(guò)同時(shí)降低水稻耗水量與提高降雨利用率達(dá)到節(jié)水效果，在抽穗開花期及成熟期則主要通過(guò)降低水稻耗水量發(fā)揮節(jié)水效益。

3 結(jié) 論

江淮丘陵區(qū)為安徽省重要的水稻生產(chǎn)基地，探索經(jīng)濟(jì)節(jié)水的灌溉方式可為該區(qū)域水稻節(jié)水灌溉技術(shù)的推廣提供科學(xué)依據(jù)。本研究以安徽省肥東農(nóng)水綜合試驗(yàn)站測(cè)坑試驗(yàn)為依托，分析了間歇灌溉模式下不同間歇時(shí)間對(duì)江淮丘陵區(qū)水稻生育期各階段耗水量、降雨利用率、灌溉水量、植株形態(tài)及產(chǎn)量等因素的影響，研究了其節(jié)水效益，主要結(jié)論如下。

(1)在水稻生育期各階段，采用間歇灌溉處理有利于降低耗水量，長(zhǎng)時(shí)間歇灌溉模式可進(jìn)一步減小水稻耗水量，這在抽穗開花期更為顯著。

(2)間歇灌溉一定程度上可減少溢流損失，稻田測(cè)坑在長(zhǎng)時(shí)間歇處理下比短時(shí)間歇處理蓄雨空間更大，更能充分利用降雨，其有效降雨量及降雨利用率均最高。

(3)間歇灌溉可有效減少水稻生育期灌溉水量，采用長(zhǎng)時(shí)間歇灌溉的節(jié)水效果普遍更好。采用間歇灌溉模式在節(jié)水的同時(shí)可增加水稻千粒重及產(chǎn)量，但受落干影響，植株穗長(zhǎng)、穗粒數(shù)受到一定抑制。

(4)在分蘗期與拔節(jié)期，間歇灌溉通過(guò)降低水稻耗水量及提高降雨利用率達(dá)到節(jié)水效果，而在抽穗開花期及成熟期主要通過(guò)減小水稻耗水量發(fā)揮節(jié)水效益。長(zhǎng)時(shí)間歇組(分蘗期：6 d，拔節(jié)期：4 d，抽穗開花期：4 d，成熟期：6 d)在不影響產(chǎn)量的情況下，節(jié)水效益最為明顯。

(5)水稻各生育期內(nèi)的生長(zhǎng)發(fā)育及需水狀況受水稻品種、土壤及氣候等因素影響，實(shí)踐中應(yīng)根據(jù)區(qū)域?qū)嶋H情況，結(jié)合田間試驗(yàn)確定適宜的間歇灌溉時(shí)間。