壟作溝播噴灌條件下作物耗水及適宜灌溉制度研究

丁 林，王以兵，王文娟

(甘肅省水利科學研究院，甘肅 蘭州)

全膜壟作溝播栽培是在克服傳統(tǒng)栽培(平作)許多不利因素的基礎上發(fā)展起來的一種耕作栽培技術，是旱作農(nóng)業(yè)上一項突破性的創(chuàng)新技術[1]。壟作溝播通過改變地表形狀的土壤耕作，改善土壤水、肥、氣、熱狀況，通過覆蓋抑蒸、膜面集水、壟溝種植技術為一體，最大限度地保蓄灌溉水、收集天然降水，使地面蒸發(fā)降到最低，同時還能使灌溉水和降雨集中入滲于作物根部，被作物有效利用，實現(xiàn)了集水、保墑、抗旱[2- 5]，促進作物生長，提高作物產(chǎn)量[6- 8]的目的，目前已在我國北方旱作農(nóng)業(yè)區(qū)大量應用。而噴灌技術早已大面積推廣應用，其節(jié)水增產(chǎn)效果顯著，且技術較為成熟。已有學者研究表明，壟作溝播噴灌技術結(jié)合了溝播集雨與噴灌技術的優(yōu)點，改善了作物生長環(huán)境與農(nóng)田小氣候[9- 13]。本文針對石羊河流域水資源短缺、用水效率低下等問題，根據(jù)壟作溝播噴灌技術的特點及適宜種植作物，研究當?shù)剡m宜噴灌的主要作物葵花、棉花、茴香在壟作溝播噴灌條件下的產(chǎn)量效應、耗水特征及適宜灌溉技術，對作物水分高效利用、解決缺水問題及新型節(jié)水栽培技術的推廣具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗于2014年4月—2015年9月在甘肅省水利科學研究院民勤灌溉試驗站進行。試驗區(qū)地處民勤綠洲和騰格里沙漠交界地帶，屬典型的大陸性荒漠氣候。研究區(qū)氣候干燥，降水稀少，蒸發(fā)量大，風沙多，自然災害頻繁。多年平均氣溫7.8℃，多年平均降水110mm，多年平均蒸發(fā)量2644mm。該區(qū)域光熱資源豐富，年日照時數(shù)3028h，≥0℃積溫3550℃，≥10℃積溫3145℃，無霜期150d。試驗區(qū)土質(zhì)0～60cm為粘壤土，60cm以下逐漸由粘壤土變?yōu)樯橙劳粒寥榔骄葜貫?.54g·cm-3，灌溉水為地下水，礦化度0.91g/L。

1.2 試驗設計

試驗以葵花、棉花、茴香為研究作物，以不同灌水定額各設4個處理，以常規(guī)覆膜地面灌溉為對照，每個處理重復3次，每種作物在同一塊試驗田，噴灌系統(tǒng)相對獨立，同種作物內(nèi)試驗小區(qū)隨機布置，三種作物共計48個試驗小區(qū)。噴灌處理依據(jù)少量多次原則及作物生育期持續(xù)時間設置灌水次數(shù)，其中葵花6次，棉花7次，茴香6次；對照處理灌水次數(shù)與當?shù)卮筇锓N植一致，其中葵花4次，棉花5次，茴香4次。

田間噴灌工程為半固定式噴灌，噴頭布置方式采用正方形布置，每個小區(qū)面積6.5m×6.5m，噴頭噴嘴流量為1m3/h，射程為6.5m，噴頭間距8.0m，噴頭工作壓力0.25MPa。對照區(qū)(CK)的面積為6.5m×6.5m，種植方式采用覆膜平作，灌溉方式為膜上灌。試驗區(qū)壟溝規(guī)格為大小壟，大壟寬70cm，小壟寬40cm，溝深15cm，用雙壟溝播機完成起壟覆膜，作物種植行距均為大小行，大行距70cm，小行距40cm?？ㄟx擇品種“美葵901”，種子播在壟溝內(nèi)，每穴1～2粒，株距20cm，每穴留苗1株，理論保苗7.50～8.25萬株/hm2。棉花選用品種“碩豐2號”，種子播在壟溝內(nèi)，每穴1～2粒，株距15cm，每穴留苗1株，理論保苗12.00～13.00萬株/hm2。茴香選用品種“2011002號”民勤茴香，種子播在壟溝內(nèi)，每穴1～2粒，株距20cm，每穴留苗1株，理論保苗7.50～8.25萬株/hm2。各處理用P2O5300kg/hm2，N 165kg/hm2做底肥，葵花在開花期和灌漿期與灌水同步各追施N 69kg/hm2，棉花在開花期和花鈴期灌水時各追施N 69kg/hm2，茴香在開花期和成熟期在灌水時各追施N 69kg/hm2。試驗數(shù)據(jù)均為2014、2015兩年數(shù)據(jù)平均值。試驗采用壟溝規(guī)格及作物種植模式如圖1所示，試驗小區(qū)灌水技術參數(shù)設計見表1。

表1 各試驗處理灌水參數(shù)設計

圖1 雙壟溝播噴灌壟溝模式及栽培示意圖

1.3 測定指標與方法

土壤含水率：用HD2土壤水分速測儀結(jié)合土鉆取土烘干法測定土壤含水率，深度為0～100cm的土層中每20cm為一層測定，整個生育期內(nèi)每隔8～10d測定一次，降水及灌水前后進行加測，每個處理分別在壟頂和溝內(nèi)埋設測管。

灌水量：采用管道輸水，每個試驗小區(qū)用閘閥控制灌溉，灌水量由水表量測。

作物指標：株高在生育期每隔10d用卷尺測定，莖粗在生育期每隔10d用游標卡尺測定，干物質(zhì)在每個生育期每小區(qū)取5株自然晾干后測定，根據(jù)種植密度計算單位面積干物質(zhì)。

作物產(chǎn)量：收獲期在每個小區(qū)中隨機選取兩點，每點取樣5～10株，將兩個點的樣品合成一個樣，進行考種；收獲時按各小區(qū)單收，計算各小區(qū)產(chǎn)量。

作物耗水量：按下式計算

式中，ET—階段耗水量，mm；γi—第i層土壤干容重，g·cm-3；Hi—第i土層的厚度，cm；Wi—第i土層的土壤含水量(干土重的百分率，壟頂和溝內(nèi)平均值)；M—時段內(nèi)的灌水量，mm；P—時段內(nèi)的有效降水量，mm；K—時段內(nèi)的地下水補給量，mm；C—時段內(nèi)地面徑流量。

本試驗期間無高強度長時間的大降水，在計算耗水量時，將5mm以下的降水不予考慮，各灌水處理灌水定額均小于100mm，因此不考慮深層滲漏。

氣象資料：通過TRM-ZS3全自動氣象站(錦州陽光氣象科技有限公司)觀測記載溫濕度、降水、蒸發(fā)、風速、日照等氣象因素。試驗期間降水及氣溫變化如圖2所示。

圖2 試驗期間(2014年5月—2012年9月)降水及氣溫變化

1.4 數(shù)據(jù)分析及處理方法

用Excel2007進行數(shù)據(jù)處理和制圖，用DPS(v6.05)統(tǒng)計軟件做相關分析。

表2 三種作物生育旺盛期生長指標分析

注：小寫字母表示0.05水平上差異顯著。大寫字母表示0.01水平上差異顯著。

表3 三種作物各生育階段耗水情況 單位：mm

2 結(jié)果與分析

2.1 不同作物生長指標分析

作物植株生長和干物質(zhì)積累是作物光合作用產(chǎn)物的最佳表現(xiàn)形式，選擇作物生長旺盛期(7月中旬)的生長指標開展研究，在一定程度上可代表各灌水處理對作物產(chǎn)量形成的影響。由表1可以看出三種作物在噴灌條件下株高、莖粗、干物質(zhì)積累均隨灌水量的大小有所變化，灌水量越大，上述指標也越大，但隨灌水量增長的趨勢不斷減緩。在生育旺盛期三種作物株高、莖粗無顯著差異；干物質(zhì)積累方面，葵花噴灌處理KT4與其與處理有極顯著差異，棉花MT1與其與處理有極顯著差異，茴香各處理間無差異。雖然對照處理灌水最多，但其生長指標均不是最高，主要是由于對照處理每次灌水間隔時間較長，在部分時段造成了水分虧缺，影響了作物生長，尤其對干物質(zhì)形成有較大影響。而噴灌處理在適宜的灌溉定額下發(fā)揮了少量多次的作用，使土壤水分較少處于虧缺狀態(tài)，灌溉水能充分被作物吸收利用，提高了利用率，對作物生長起到了積極作用。

2.2 不同作物各生育期耗水規(guī)律

通過對三種作物全生育期土壤水分變化過程的監(jiān)測，分析計算了壟作溝播噴灌條件下葵花、棉花、茴香各生育階段的耗水情況，結(jié)果見表3。不同生育期需水量明顯不同。三種作物常規(guī)灌溉CK各生育期耗水量均高于噴灌處理。三種作物各生育期的耗水量均隨灌水定額的增加而增加，在生育旺盛期耗水量普遍較大，成熟期耗水量普遍較小。結(jié)合各處理灌水情況可以看出，灌水量越大對原有土壤水及降水利用率相對越低，灌水量越小則相反，如葵花(生育期125d左右)KT1處理利用土壤水及降水66.0mm，而KCK處理利用土壤水及降水只有52.2mm；棉花(生育期175d左右)MT1處理利用土壤水及降水85.2mm，而MCK處理利用土壤水及降水只有71.9mm；茴香(125d左右)HT1處理利用土壤水及降水57.9mm，而HCK處理利用土壤水及降水只有48.0mm。就全生育期耗水情況來看，由于噴灌處理灌溉定額較小，在噴灌條件下三種作物耗水普遍較小，其中葵花KCK處理耗水最大為412.2mm，較KT1多160.2mm；棉花MCK處理耗水最大為521.9mm，較MT1多243.2mm；茴香HCK處理耗水最大為408.0mm，較HT1多164.1mm。

表4 三種作物不同灌水條件下產(chǎn)量及水分利用效率

注：小寫字母表示0.05水平上差異顯著。大寫字母表示0.01水平上差異顯著。

2.3 產(chǎn)量及水分利用效率

不同作物在不同灌水處理下產(chǎn)量及水分利用效率見表4。比較各作物不同處理產(chǎn)量可得，葵花噴灌處理較對照是增產(chǎn)的，其中KT3處理增產(chǎn)幅度最大，達到了5.97%，KT1處理最小為1.22%；棉花處理只有MT2、MT3、MT4處理較對照是增產(chǎn)的，分別增產(chǎn)1.41%、4.14%和2.26%，而MT1處理較對照是減產(chǎn)的，減產(chǎn)幅度為5.25%；茴香只有HT2、HT3、HT4處理較對照是增產(chǎn)的，分別增產(chǎn)6.84%、5.60和4.61%%，而HT1處理較對照是減產(chǎn)的，減產(chǎn)幅度為0.59%；在噴灌處理中灌水量最大的KT4、MT4、HT4產(chǎn)量不是最高，說明在灌水量適宜范圍作物產(chǎn)量可達到較高值，過多灌水對增加產(chǎn)量影響不大，但總體來說三種作物各灌水處理間產(chǎn)量無顯著差異。就農(nóng)田水分利用效率來說，葵花、棉花對照處理KCK、MCK與噴灌處理有顯著差異，茴香HT4和HCK與其余處理有顯著差異。噴灌處理農(nóng)田水分利用效率相對較高，灌水量最多的對照處理CK水分利用效率相對較低，三種作物對照處理農(nóng)田水分利用效率分別為1.44、0.89、0.74kg/m3；T1處理最高，分別為2.29、1.48、1.17kg/m3，較CK分別提高59.0%、66.3%、58.1%，由此表明，在一定范圍內(nèi)，適當減小灌水量可以提高水分利用效率。在考慮到三種作物節(jié)水、增產(chǎn)、高效的綜合效應后，認為葵花的KT3處理、棉花的MT3處理、茴香的HT2處理的灌水模式在實際應用中可根據(jù)作物種植條件選擇應用。

2.4 經(jīng)濟效益分析

三種作物不同灌水條件下經(jīng)濟效益分析見表5。通過試驗并根據(jù)該灌區(qū)現(xiàn)狀結(jié)合當?shù)厥袌稣{(diào)查，對研究作物生產(chǎn)成本進行了估算。其中投入包括勞力、機械、化肥、地膜、種子、農(nóng)藥、水電費等，產(chǎn)出包括籽粒(籽棉)產(chǎn)、秸稈等。三種作物投入方面，葵花、茴香對照KCK、HCK與其余處理有及顯著差異；棉花對照KCK與其余處理有及顯著差異，MT1與其他噴灌處理有顯著差異。三種作物灌水量最高的常規(guī)灌溉KCK、MCK、HCK處理并沒有獲得最高的凈收入，葵花噴灌處理凈收入均高于常規(guī)灌溉處理KCK，其中KT3凈收入最高，為16575.3元/hm2，與常規(guī)灌溉KCK相比凈收入多1338.0元/hm2，增加8.79%；棉花噴灌處理MT2、MT3、MT4凈收入高于常規(guī)灌溉處理MCK，其中MT3凈收入最高，為18288.4元/hm2，與常規(guī)灌溉MCK相比凈收入多907.6元/hm2，增加5.23%；茴香噴灌處理HT2、HT3、HT4凈收入高于常規(guī)灌溉處理HCK，其中HT2凈收入最高，為16765.0元/hm2，與常規(guī)灌溉HCK相比凈收入多1549.5元/hm2，增加10.19%。除了葵花灌水最少的噴灌KT1處理凈收入高于KCK外，棉花、茴香灌水量最少的MT1、HT1，凈產(chǎn)值均較小。三種作物噴灌處理在噴灌設備、壟溝種植等生產(chǎn)過程中投入較多，其中投入最大的KT4、MT4、HT4處理較CK投入分別增加1.91%、2.34%、1.97%，但噴灌處理增產(chǎn)、節(jié)水、節(jié)肥效果顯著。由以上可以看出，壟作溝播噴灌在適當灌水情況下不僅能提高產(chǎn)量，而且凈收入也明顯提高。但在實際應用中應考慮作物種植區(qū)水資源狀況、土壤和氣候特點，選擇適當?shù)膰姽喙嗨坎⒔Y(jié)合農(nóng)藝、耕作等措施可達到節(jié)水增產(chǎn)的目的，取得較好的收益。

2.5 不同作物適宜壟作溝播噴灌灌溉制度

根據(jù)三種作物種植特點、生育階段耗水規(guī)律、水分利用、產(chǎn)量及經(jīng)濟效益指標，在2a田間試驗的基礎上，結(jié)合研究區(qū)土壤、氣候、水資源情況提出葵花、棉花、茴香適宜壟作溝播噴灌灌溉制度見表6。由表6可知，葵花全生育期適宜灌水定額297mm，灌水次數(shù)6次；棉花全生育期適宜灌溉定額291mm，灌水次數(shù)7次；茴香全生育期適宜灌水定額279mm，灌水次數(shù)6次。三種作物播種后第一次灌水均選擇較大灌水定額，主要是作物播種后表層土壤含水率較低，灌水較少時影響出苗，其他生育階段根據(jù)不同作物需水要求選擇適宜灌水定額。

表5 三種作物不同灌水條件下經(jīng)濟效益分析

注：小寫字母表示0.05水平上差異顯著。大寫字母表示0.01水平上差異顯著。

表6 三種作物適宜壟作溝播噴灌灌溉制度

3 結(jié)論

通過研究壟作溝播噴灌條件下葵花、棉花、茴香三種作物的耗水規(guī)律、產(chǎn)量、水分利用效率與效益，并根據(jù)上述作物栽培特點提出了適宜的壟作溝播噴灌節(jié)水高產(chǎn)栽培與灌溉模式相關結(jié)論。

(1)三種作物在壟作溝播噴灌條件下較常規(guī)灌溉均有節(jié)水效果，并可提高土壤水及降水的利用率。

(2)適宜的灌水定額噴灌處理下(葵花的KT3處理、棉花的MT3處理、茴香的HT2處理)在節(jié)水同時還能提高產(chǎn)量，其中KT3處理增產(chǎn)5.97%，MT3處理增產(chǎn)4.14%,HT2增產(chǎn)6.84%。

(3)噴灌處理投入較多，但噴灌處理增產(chǎn)、節(jié)水、節(jié)肥效果顯著，在適宜的灌水定額下噴灌處理凈收入均較高。

本研究結(jié)合了壟作溝播與噴灌的優(yōu)點，利用壟溝集水作用，除漂移損失的部分水量外，落地水量及作物莖稈下流水量均可得到充分利用，較常灌溉可減少灌水量，此模式改善了農(nóng)田水分狀況，對提高作物產(chǎn)量有益。由于試驗在民勤綠洲開展，得出的研究結(jié)論中的指標與數(shù)據(jù)可能與類似地區(qū)相關研究有一定差異，但總體結(jié)果及變化趨勢卻沒有差異。在實際應用中應考慮作物種植區(qū)水資源狀況、土壤和氣候特點，選擇適當?shù)膲抛鳒喜姽喙嗨坎⒔Y(jié)合農(nóng)藝、耕作等措施就可達到節(jié)水增產(chǎn)的目的，取得較好的收益。