甘肅民勤地區(qū)春小麥長畦田分段灌溉與波涌灌溉技術(shù)適應(yīng)性田間試驗研究

黃興法，孫旻昊，劉 博

(中國農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院，北京 100083)

0 引言

畦灌在我國農(nóng)業(yè)灌溉中應(yīng)用十分廣泛，適宜于小麥等密植作物，具有操作簡單、工程投資少、管理方便等優(yōu)點。但是，畦灌灌水量不易控制，水分利用效率較低，易導致不必要的水資源浪費。而目前我國采用畦灌的許多地區(qū)還不具備全面轉(zhuǎn)換為滴灌、噴灌等高效節(jié)水灌溉方式的條件，因此在畦灌基礎(chǔ)上，進一步研究可以相對節(jié)省水資源的技術(shù)措施具有十分重要的意義。畦灌的主要技術(shù)參數(shù)包括畦田規(guī)格、改口成數(shù)、單寬流量等，不少學者已經(jīng)進行過詳細地研究。

我國小畦灌技術(shù)居世界領(lǐng)先，取得了很好的節(jié)水效果。而對長畦灌方面的灌水均勻度和節(jié)水效果還有待提高。李益農(nóng)等[1]提出畦田越長，水平畦灌系統(tǒng)的性能越會下降，并且田塊的平整狀況也會限制畦田的長度，平整度較差時應(yīng)用短畦，而平整度較好時畦長甚至可以達到100 m。李久生等[2]研究了砂土條件下不同畦田寬度的灌水效率，發(fā)現(xiàn)寬度為1 m時灌水效率最低，2和3 m時灌水效率提高，當畦田寬度增加到4 m時灌水效率又下降，這說明寬度的取值不宜過小或過大。冀傳允等[3]和王洋等[4]研究了不同改口成數(shù)對畦灌水分分布和小麥生長的影響，指出改口成數(shù)越高水分分布越均勻，綜合考量85%～90%改口成數(shù)最為適宜。李益農(nóng)等[1]指出加大入畦單寬流量可以取得更好的灌水質(zhì)量，但需注意過大入畦單寬流量會對畦田土壤產(chǎn)生沖刷。王福霞等[5]通過田間試驗得出了適宜的覆膜畦灌技術(shù)參數(shù)。趙印英等[6]利用地面灌溉水流運動模擬及地面灌水技術(shù)優(yōu)化模型，對畦田長度和單寬流量等參數(shù)進行了優(yōu)化。鄭和祥等[7]優(yōu)化畦田規(guī)格的同時也比較了相應(yīng)的單寬流量，較大的畦田規(guī)格其單寬流量也要相應(yīng)提高。聶衛(wèi)波等[8]將多種畦灌灌水技術(shù)要素組合在一起進行優(yōu)化比較，發(fā)現(xiàn)入畦單寬流量和改口成數(shù)對畦灌灌水效率、灌水均勻度、儲水效率的影響較大，而對畦長、坡度的影響較小。畢慶生等[9]通過試驗研究，提出了畦田灌溉隨水施肥的節(jié)水節(jié)肥和水肥一體化質(zhì)量控制的適宜參數(shù)。

對于長畦田(畦長超過100 m)，波涌灌溉是解決其灌水均勻性低、深層滲漏大等問題較好的措施。波涌灌溉是指將水流按一定的時間或流程周期，分階段對農(nóng)田進行灌溉。在畦灌下使用波涌灌能達到節(jié)水、保肥、減時、省力、增加灌水均勻度和投資費用小等效果。辛琪等[10]對3種不同波涌灌溉處理對水流推進速度、灌水均勻度、水分利用效率及小麥產(chǎn)量的影響進行了田間試驗研究，結(jié)果表明間隔交替波涌灌溉可顯著提高水分利用效率。傅渝亮等[11]利用Green-Ampt和Philip入滲模型，建立了波涌灌間歇入滲分區(qū)模型。張元元等[12]研究了普通連續(xù)畦灌、波涌畦灌、交替間隔波涌畦灌和固定間隔波涌畦灌4種不同畦灌方式下的冬小麥莖稈抗倒伏能力(包括冬小麥重心高度、鮮質(zhì)量、莖稈抗折力、彎曲彈性模量和抗倒伏指數(shù)等)。波涌灌溉對于我國西北、華北、東北等壤土分布范圍極廣的旱作區(qū)均可適用，但目前在我國推廣應(yīng)用面積并不樂觀。

民勤位于我國西北河西走廊，臨近騰格里沙漠，屬于石羊河流域下游，降水稀少、蒸發(fā)量大。農(nóng)業(yè)為當?shù)刂鳟a(chǎn)業(yè)，水資源的匱乏已經(jīng)嚴重制約當?shù)亟?jīng)濟的發(fā)展，在民勤地區(qū)發(fā)展節(jié)水灌溉，對該地區(qū)的節(jié)水事業(yè)、未來的發(fā)展有著極其重要的現(xiàn)實意義。而目前，民勤地區(qū)春小麥灌溉以畦灌等地面灌溉為主，對其技術(shù)參數(shù)的研究較少，還有進一步優(yōu)化的空間。本文通過大田試驗，對春小麥長畦田采取波涌灌溉和分段灌溉方式，總結(jié)其在西北干旱地區(qū)的適應(yīng)性，歸納出適宜民勤地區(qū)春小麥種植的長畦田波涌灌和分段灌溉具體的技術(shù)參數(shù)。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗地情況介紹

2019年3—7月在甘肅省武威市民勤縣重興鄉(xiāng)新地村榮騰農(nóng)場進行春小麥波涌灌溉技術(shù)參數(shù)優(yōu)化的田間試驗。試驗地農(nóng)場位于北緯38°37′，東經(jīng)102°49′，處于騰格里沙漠與綠洲的交界地區(qū)，屬于溫帶大陸性氣候，氣候干燥，降水量少，多年平均降水量110 mm，多年平均蒸發(fā)量2 644 mm；極端最高氣溫39.5 ℃，極端最低氣溫-27.3 ℃，平均氣溫7.8 ℃，晝夜溫差大，超過15 ℃；光資源豐富，年日照時數(shù)3 028 h；無霜期150 d，最大凍土深度1.15 m，最大地下水埋深18.0～25.0 m。

試驗田0～60 cm土層土壤基礎(chǔ)有效養(yǎng)分含量如表1所示。試驗田0～100 cm土層土壤質(zhì)地等理化性質(zhì)如表2所示。

表1 試驗田土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分含量

表2 試驗田土壤理化性質(zhì)

1.2 試驗設(shè)計

試驗種植的小麥品種為“永良4號”和“壟春30號”，用播種機進行機械化播種，小麥種植行距15 cm，播種量450 kg/hm2。

灌溉采用畦灌方式。試驗共設(shè)置2個小麥品種(“永良4號”“壟春30號”)和2種灌水方式(分段灌溉即“小白龍”灌水、波涌灌溉)，其中“小白龍”灌水方式是采用白色塑料軟管(管徑90 mm)進行的田間地面灌水。畦灌試驗共計4種處理，每個處理小區(qū)長120 m，寬2.8 m，種植16行小麥，于小麥播種前對試驗區(qū)域進行激光平地，試驗地塊的設(shè)計縱坡為0，入畦單寬流量為4 L/(m·s)。畦灌試驗設(shè)置如表3所示。每個處理設(shè)置3個重復小區(qū)，每個小區(qū)間設(shè)置2 m寬的隔離帶。

表3 畦灌小麥試驗處理設(shè)置

1.3 灌溉和施肥制度

1.3.1灌溉制度

根據(jù)調(diào)研了解到，當?shù)卮盒←溡话愎嗨?次，每次灌水量在900～1 200 m3/hm2，總灌溉定額在4 500～6 000 m3/hm2，基本上10～15 d灌水一次。

本試驗灌水頻率設(shè)置為10 d，于2019年5月6日進行第1次灌水，生育期凈灌水定額按田間持水量上下限控制，凈灌水定額按式(1)計算。

m=0.1γh(β2-β1)

(1)

式中m——灌水定額，mm

γ——計劃濕潤層內(nèi)土壤干容重，g/cm3

H——計劃濕潤層深度，cm

β1——允許土壤含水率下限， %

β2——允許土壤含水率上限， %

在本次試驗中，土壤干容重取當?shù)?～60 cm土層的平均值1.5 g/cm3，計劃濕潤層深度取60 cm，灌水上下限分別取田間持水量的100%和65%，田間持水量取0～60cm土層的平均值20%，計算得到凈灌水定額為63 mm。根據(jù)往年畦灌試驗經(jīng)驗，63 mm的理論灌水數(shù)值過小，在灌水過程中水流無法行進到畦尾。往年畦灌試驗畦田長度不超過70 m，灌水定額在80 mm左右(即地面灌水效率約80%)，考慮到本試驗中畦田長度延長到120 m，地面灌水效率降低到75%左右，所以將灌水量提高到85 mm。全生育期共灌水6次，灌溉定額510 mm。

由于畦灌試驗小區(qū)長度較長，將整個小區(qū)分為3段，灌水也分3次進行，3次灌水的灌水量相等，用支管上的水表來監(jiān)測灌水量，具體情況如圖1所示。其中，圖中的數(shù)字(1、2、3)表示灌水順序，1號為最先灌溉的區(qū)域，2號、3號依次排列。

圖1 長畦田波涌灌溉和分段灌溉(“小白龍”灌水)方式示意

波涌灌是2個處理小區(qū)交替進行，當一個小區(qū)的1號區(qū)域灌溉完畢后，打開相鄰小區(qū)的控制閥門，灌溉相鄰小區(qū)的1號區(qū)域；灌完后再返回原小區(qū)灌溉2號區(qū)域，以此類推。以一次灌水工程舉例，有兩個相鄰的灌水小區(qū)A3和A4，先灌溉A3的1號區(qū)域，灌水定額85 mm(根據(jù)地塊尺寸，即灌水9.52 m3)，灌完后，關(guān)閉A3小區(qū)灌水閥門，再灌A4的1號區(qū)域，灌水定額相同；灌完后，關(guān)閉A4小區(qū)灌水閥門，再灌溉A3的2號區(qū)域，灌水定額相同；……，直到灌水小區(qū)A3和A4全部灌水完畢。

分段灌溉即“小白龍”灌水則從畦尾的1號區(qū)域開始灌水，灌水定額與波涌灌處理的相同；灌完后將軟管接頭處拆開，移去前一段灌水軟管，開始對2號區(qū)域灌水，灌水定額相同；灌完后再移去最后一段軟管，開始對3號區(qū)域灌水，灌水定額相同。因此，“小白龍”灌水是把一條畦從頭到尾一次性灌完，不需要兩個小區(qū)交替。以圖中的實際灌水過程為例，先從“小白龍”軟管的最遠端向1號區(qū)域灌水9.52 m3后，打開2號和3號區(qū)域中間的軟管接頭，移去前一段軟管，向2號區(qū)域灌水9.52 m3；最后再打開畦首的軟管接頭，向3號區(qū)域灌水9.52 m3。整條畦的灌水結(jié)束。

1.3.2施肥制度

小麥全生育期內(nèi)施入280 kg/hm2的N、150 kg/hm2的P2O5、120 kg/hm2的K2O，施加尿素(N>46%)481 kg/hm2、磷酸二銨(N>18%、P2O5>46%)326 kg/hm2和硫酸鉀(K2O>51%)235.4 kg/hm2。其中，磷肥和鉀肥作為底肥一次性全部施入；50%的氮肥作為底肥施入，余下的50%分別在二水、三水和四水時按15%、25%和10%的比例施入。

1.4 觀測指標及方法

在每次灌水、施肥前24 h、灌水后48 h及收獲前取土樣并裝自封袋。取樣位置自畦尾開始每隔20 m取一點采集，共6個測點，每個測點取樣深度為1 m，分0～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm共5層。

(1)采用烘干法測量土壤含水率。

(2)采用水量平衡法計算畦灌春小麥耗水量，利用相臨兩次灌水活動測量的灌前土壤含水率和灌后土壤含水率計算該時段內(nèi)的耗水量。

(3)作物生長指標的測定，包括莖數(shù)、株高、葉面積指數(shù)和干物質(zhì)。從春小麥出苗后開始記錄每個觀測點內(nèi)的春小麥莖數(shù)，每個生育期測量1次。在每個試驗小區(qū)隨機選擇3個觀測點(15 cm×50 cm)進行測量。在春小麥進入拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期、乳熟期的主要生育階段，每個試驗小區(qū)取10株小麥，測量株高、葉面積和植株(葉、莖、穗)干物質(zhì)等生長指標。

(4)產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的測定。在春小麥成熟后，每個試驗小區(qū)前后選取3個規(guī)格為1 m×1 m的正方形樣方，測量記錄單位面積內(nèi)的小麥總穗數(shù)，將樣方內(nèi)所有春小麥進行脫粒稱質(zhì)量，并測量麥粒含水率，然后將每個樣方的質(zhì)量統(tǒng)一為含水率為13%時的質(zhì)量，視為小麥產(chǎn)量；測量每個樣方內(nèi)的小麥千粒質(zhì)量；在小區(qū)前后兩個部分分別隨機選擇5株小麥進行考種，測量春小麥的產(chǎn)量構(gòu)成因素，包括穗長、小穗數(shù)、穗粒數(shù)、小穗密度和穗密度。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 有效降雨量

用雨量筒測量小麥全生育期試驗區(qū)的降水情況，本次試驗?zāi)攴莨灿涗浀接行Ы涤?次，春小麥全生育期有效降雨量如表4所示，累計降雨量為62.7 mm。

表4 小麥生育期有效降雨量

春小麥畦灌全生育期灌水施肥制度如表5所示。

表5 畦灌灌水施肥制度

2.2 畦灌灌水均勻度

灌水均勻度可以直觀地反映灌水效果，可按照式(2)進行計算。

式中CUw——灌水均勻度

Zi——灌后各測點水分入滲深度，mm

n——測點數(shù)

根據(jù)灌水后入滲深度測定值計算出的灌水均勻度如表6所示。

表6 畦灌各處理灌水均勻度

從表6中可以看出，C1、C2處理的灌水均勻度要稍大于C3、C4處理，這說明“小白龍”灌水方式的灌水均勻度要稍優(yōu)于波涌灌。

2.3 畦灌春小麥耗水規(guī)律

畦灌春小麥日均耗水量、累計耗水量如圖2所示?？梢钥闯?，畦灌春小麥各處理耗水規(guī)律基本相同，隨著春小麥的生長，日均耗水量呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律。苗期作物耗水量較低，隨著作物的生長，在拔節(jié)期末抽穗期初日均耗水量達到頂峰，最大值為8.94 mm/d，直到灌漿期，畦灌春小麥耗水量一直維持在一個很高的水平，到了灌漿期末，小麥生長基本結(jié)束，耗水量開始逐漸降低，直至成熟，最終日均耗水量為4.72～5.67 mm/d。

圖2 畦灌春小麥耗水量變化

累計耗水量各處理基本相同，C1～C4處理總耗水量分別為592.51、595.06、576.16和580.79 mm，表明C1、C2處理和C3、C4處理存在一定差距，主要是最后的乳熟期至成熟這段時間耗水量差異所致。

2.4 畦灌春小麥生長指標

2.4.1株高

畦灌春小麥各處理株高變化如圖3所示。從圖3中可以看出，畦灌春小麥株高的增長速度在拔節(jié)期最快，到了抽穗期增長速度減慢，春小麥株高基本固定。拔節(jié)期C3、C4處理株高較C1、C2處理高，說明采用波涌灌可以使春小麥生育期前期長得更高。兩種小麥品種進行比較，C1、C3處理與C2、C4處理株高無明顯差距，說明在地面灌溉下“壟春30號”和“永良4號”無顯著差距。畦灌最終春小麥株高在67.79～72.81 cm。

圖3 畦灌春小麥各處理株高變化

2.4.2群體動態(tài)與葉面積指數(shù)

畦灌春小麥群體動態(tài)變化如表7所示。從表7中可以看出，畦灌春小麥群體動態(tài)變化呈現(xiàn)先增加后減少的規(guī)律，拔節(jié)期總莖數(shù)最大，之后無效分蘗逐漸死亡，群體數(shù)量開始減少。畦灌春小麥最終成穗數(shù)在733.28萬～799.89萬株/hm2，最終成穗數(shù)大于基本苗數(shù)。畦灌第1次灌水時間為5月7日，說明第1次記錄數(shù)據(jù)沒有受到灌水處理影響，C1和C2處理的總莖數(shù)較低。比較最后一次數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，C2、C3和C4處理總莖數(shù)數(shù)據(jù)相近，C1處理明顯較少。

表7 畦灌春小麥群體動態(tài)變化

畦灌春小麥葉面積指數(shù)變化規(guī)律如圖4所示?？梢钥闯觯韫啻盒←溔~面積指數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律，抽穗期達到最大值，各處理最大值為4.97，之后逐漸降低，最終葉面積指數(shù)為2.74～2.97。

圖4 畦灌春小麥葉面積指數(shù)變化

2.5 畦灌春小麥產(chǎn)量構(gòu)成因素

從各小區(qū)前后部分各隨機取5株小麥，共計10株小麥，進行考種，結(jié)果如表8所示。從表8中可以看出，畦灌春小麥產(chǎn)量構(gòu)成因素各數(shù)值中，“壟春30號”小麥在穗長、小穗數(shù)、穗粒數(shù)上顯著優(yōu)于“永良4號”，小穗密度上兩者無明顯差距。比較兩種灌水方式，“小白龍”灌水處理稍優(yōu)于波涌灌處理，但是其差異沒有品種間的差異大。

2.6 畦灌春小麥產(chǎn)量及水分利用效率

畦灌春小麥產(chǎn)量、理論產(chǎn)量和水分利用效率如表9所示。從表9中可以看出，畦灌春小麥最終產(chǎn)量C3處理最優(yōu)，為波涌灌和“壟春30號”小麥的組合，比較C1處理和C3處理發(fā)現(xiàn)，C3處理各數(shù)據(jù)均優(yōu)于C1處理，所以認為“壟春30號”更適合波涌灌灌水方式。而C2處理和C4處理無明顯差距，“小白龍”灌水方式下C2處理的產(chǎn)量、穗數(shù)等數(shù)據(jù)稍優(yōu)。比較兩個小麥品種，C2、C3和C4處理最終產(chǎn)量差距不大，C3處理稍高，所以認為品種對畦灌春小麥的影響不大。考慮到波涌灌實際灌水過程中操作簡單，并且前期投資更少，認為波涌灌比較適合民勤地區(qū)，具有較大的推廣應(yīng)用前景。

3 結(jié)論

(1)田間水分均勻性：“小白龍”灌水的平均灌水均勻度為0.78，波涌灌的平均灌水均勻度為0.74。

(2)春小麥耗水規(guī)律：畦灌春小麥各處理耗水規(guī)律基本相同，日均耗水量呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律。在拔節(jié)期末抽穗期初日均耗水量達到頂峰，最大值為8.94 mm/d，灌漿期后耗水量開始逐漸降低，最終日均耗水量為4.72～5.67 mm/d。

(3)產(chǎn)量及水分利用效率：“壟春30號”小麥在穗長、小穗數(shù)、穗粒數(shù)上顯著優(yōu)于“永良4號”，灌水方式對產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響不大。最終產(chǎn)量和水分利用效率C3處理最高，分別為9 392.7 kg/hm2和1.63 kg/m3。各處理的千粒質(zhì)量、最終成穗數(shù)無明顯差異。

考慮到波涌灌實際操作簡單，前期投入更少，認為波涌灌比較適合作為民勤地區(qū)長畦田的灌水方式。