井灌区控制灌溉模式水稻灌水规律研究

2016-03-24范永洋

节水灌溉 2016年6期

范永洋，刘东,2,3,4

(1.东北农业大学水利与建筑学院，哈尔滨 150030；2.农业部农业水资源提高利用重点实验室，哈尔滨 150030； 3.黑龙江省粮食产能提升协同创新中心，哈尔滨 150030；4.黑龙江省普通高校节水农业重点实验室，哈尔滨 150030)

0 引言

水稻节水控制灌溉在国内外学者研究中取得一定成果，但仍需投入人力物力去研究推广，逐点驻地地实验，得出实验区域控灌最优模式，就黑龙江省垦区的“十二五”规划，以及2015年黑龙江省灌溉发展规划[1]而言，在2015年，黑龙江省垦区会更大范围的发展水稻种植，预计水稻种植面积到将发展到1.6×106hm2。根据2009的年统计，黑龙江省垦区水利工程总供水量为71.13亿m3，然而用于农业上的水量就已经达到了70.46亿m3，在这些农业用水中灌溉水稻的水量为50.98亿m3，是农业总用水量的80.87%，是社会总水量的80.11%，水资源可持续支撑就成为一个非常重要的前提[2]，为响应政策，同时考虑人口的增长，水稻等作物种植力度要求正逐步扩大，尤其耗水作物灌溉水利用率低，严重浪费水资源，所以研究水稻灌水规律、水分利用率并寻找制定水稻最优控制灌溉模式对发展节水增产型水稻有重大意义，具体包括缓解水资源开采利用压力，使水资源得到合理配置，提高经济效益及综合效益。并深入研究水稻的节水增产机理，研究和种植新型的水稻高产品种，探索新型的水稻节水灌溉技术，节约稻田的灌溉用水量[3]，推行节水增产型农业具有重大意义。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地设在黑龙江省佳木斯市建三江管局大兴农场(见图1中粗箭头所指位置)农业技术发展中心科技园区，位于农场东北部。大兴农场地处东经132°45′～133°18′，北纬46°49′～47°13′。土地面积800 km2，地势低洼，土质肥沃。全场有耕地面积2.2万hm2，地下水资源丰富，适合于种植水稻等作物。大兴农场属寒温带大陆性季风气候，冬季漫长、严寒而干燥，夏季短暂、温暖而湿润，一年中四季分明，年平均气温1.7 ℃，最高气温34.3 ℃，最低气温-36.3 ℃。年平均降水量517 mm，年日照时数2 023.9 h，年蒸发量1 064.3 mm。气候类型为寒温带大陆性季风气候属第三积温带，年积温2 350～2 550 ℃左右，年无霜期为130～140 d， pH值6.4。前茬老稻田、秋翻[4]。图1为利用Arcgis软件所画建三江管理局概貌图。

图1 建三江管理局大兴农场

1.2 试验作物与品种

本试验供试水稻品种：空育131。

1.3 试验设计

试验区采用小区对比法，随机区组排列，基础地力相同为前提，在排除水稻其他等技术措施影响的条件下，设计控制灌溉4个处理，分别是常灌，控灌I、控灌II、控灌Ⅲ，其中常灌作为对照实验，安排每个处理都是3次重复，则有12个试验小区，小区布局均为10 m×10 m，总面积约1 200 m2。全生育期127 d，5月18日进行人工插秧，9月29日收获。种植密度每1平方米25穴。控灌各生育期土壤水分控制上限见表1，土壤水分控制下限见表2，实验小区布置图见图2。

表1 各生育期不同处理的土壤水分控制上限 cm

注：表中上限为0 cm表示灌水时达到土壤含水率为饱和含水率54.5%。

表2 各生育期不同处理的土壤水分控制下限 %

注：表中下限用土壤水分占土壤饱和含水量的百分比表示(无水层情况下)，土壤饱和含水率为54.5%。

说明：常灌灌水水层30～50 mm，自然落干灌水。期间包括晒田，晾田。

灌水渠常灌1控灌Ⅱ-1控灌I-1控灌Ⅲ-1排水沟控灌Ⅱ-2控灌Ⅲ-2控灌I-2常灌2灌水渠控灌Ⅱ-3控灌I-3常灌3控灌Ⅲ-3排水沟

图2小区试验布置图

每个小区的施肥量的相同情况下，通过GStar-S406便携式土壤水分速测仪测土壤含水量及温度变化情况，每隔5 d观测一次，利用试验小区小型气象站观测每日最高、最低气温，并记录逐日降雨量和蒸发量。当控制下限达到实验设置要求则由水泵灌水，需灌到各灌溉模式的上限；下雨天水层厚超50 mm排水，用电子水表计量各处理灌水量；测产计算理论产量，各处理测定有效穗数、穗粒数、实粒数、千粒重等数据。

2 结果与分析

2.1 灌水量

试验的每个处理各生育期的灌水量详见表3。

从表3可以看出，控灌处理明显比常灌省水。和常灌相比较，控制灌溉中控灌Ⅰ节水961.5 m3/hm2、控灌Ⅱ节水592.05 m3/hm2、控灌Ⅲ节水1 217.55 m3/hm2，这其中的最大节水量是1 217.55 m3/hm2；在节水率方面，和常灌相比较，分别是控灌Ⅰ18.14%、控灌Ⅱ11.17%、控灌Ⅲ22.97%，这其中最大的节水率是22.97%。结果表明控制灌溉对水稻的灌水量影响很大，和常规灌溉相比，控制灌溉条件下更加节水。就节水量和节水率而言，控灌Ⅰ的下限组合模式更适合试验小区。图3各生育期灌水量可直观体现出控灌优势。

表3 不同控制下限各处理的灌水量 m3/hm2

图3 各生育期灌水量

2.2 各生育期气温变化

众所周知，温度对水稻生长发育各个时期是有影响的，不同温度对水稻的生长发育起到至关重要的作用，甚至恶劣温度会引起水稻减产甚至不产[5]。适宜的温度有利于水稻的高产稳产[6]，整个生育时期要求温度有一定的规律性。通过水稻的感温性[7]可知，水稻品种在适宜的生长发育温度范围内，高温可使其生育期缩短，低温可使其生育期延长，水稻品种因受温度影响而改变其生育期的特性。通过逐日记录各个生育期气温，绘制各月月平均气温折线图，见图4。

图4 全生育期各月平均气温

从图4中可以看出各线段代表的各月最高和最低平均气温的气温差大致相同，整体大致成平行线，说明全生育期间内气温温差对稻田影响基本稳定一致。并且纵观5-9月份这5个月的最高平均气温波动不大，说明生育期气温适宜。

由于4组试验各生育期时间段之间的区别并不大，故为简便避免不必要的繁琐以及直观而分析全生育期累计最高最低气温，只取常灌和控灌Ⅰ的生育期累计气温作图，分别如图5、图6，分别分析以上两图,可以看出常灌最高最低气温走势基本一致,而且常灌控灌Ⅰ各对应的各生育期内的累计气温差别不大,说明常灌、控灌受温度影响相似，影响之间的差别基本可以忽略不计。

图5 常灌各生育期累计气温

图6 控灌Ⅰ各生育期累计气温

2.3 各生育期内蒸发降水情况

降水量和气温一样同样是对水稻产量的一个影响因子，它是影响水稻各主要生长阶段长短的主要气象因子[8]，抽穗开花期是水稻最大需水阶段，其次为拔节孕穗期，所以降水量的多少直接影响到灌水量的多少，乃至是灌水还是不灌水，甚至是控灌中适时需要的排水。所以要处理好小区稻田中的灌水与降雨之间的关系，两者很好的耦合对产量起到至关重要影响。同时，蒸发对灌水量也有相当的影响，本试验由于田间小区试验，条件有限，以及对照实验与常规实验相邻，试验小区面积不大，故不考虑渗漏、地下水流、土壤蓄存水量的变化量带来的影响。

下面图文形式说明的蒸发情况，如图7为常灌生育期蒸发，图8为控灌Ⅰ生育期蒸发；灌水与降水蒸发之间的关系，如图9为常灌灌水与降雨减蒸发关系图，图10为控灌Ⅰ灌水与降雨减蒸发关系图。

图7 常灌各生育期蒸发

图8 控灌Ⅰ各生育期蒸发

图9 常灌灌水、降雨-蒸发关系

图10 控灌Ⅰ灌水、降雨-蒸发关系

分析以上全生育期内蒸发量图，对照同生育期常灌蒸发量和累计气温，不难发现整体走势相同，同理，此情况对于控灌Ⅰ同样适合。同样，对比常灌控灌Ⅰ的蒸发，两者的全生育期内走势一致，气温和蒸发在整个分蘖期明天高于其他生育期。说明常灌、控灌受蒸发影响相似，影响之间的差别基本可以忽略不计。

同理，由于4组试验各生育期时间段之间的区别并不大，故为简便避免不必要的繁琐以及直观而分析常灌和控灌Ⅰ的全生育期灌水量与降雨-蒸发之间的关系图，很明显看出图上两线几乎对称，每个图上的两线上的点对应的水量值(Y坐标值)相加得到的数字均在X坐标轴左右。说明降雨蒸发对灌水影响比较大，同时说明常灌、控灌受降雨蒸发影响相似，影响之间的差别基本可以忽略不计。

2.4 产量

在试验中水稻产量指标主要有穗长、穗粒数、穗数、结实率和千粒重。各处理产量指标详见表4，产量方差分析见表5。

对产量进行单因素方差分析[9]，通过运用SPSS分析，从结果得出F为116.473，大于F0.01(3,8)=7.6，说明产量受不同灌溉模式的影响，即不同的灌溉模式得到的产量差异比较大。

从产量指标表中可以看出，各个产量性状中，①结实率和有效穗数：控Ⅰ>控Ⅱ>控Ⅲ>常灌，排序走势与灌水量一样，说明在一定范围内有效穗数和结实率越高，灌水量则越高。②穗粒数：控Ⅰ>控Ⅱ>常灌>控Ⅲ，控Ⅰ、控Ⅱ区别不大，控Ⅲ在严格控水的情况下导致对穗粒数产生不利影响。③千粒重：控Ⅱ>控Ⅰ>控Ⅲ=常灌，几种模式差别不大。常规灌溉各生育期供水充足并且分蘖期不控水，无效分蘖增多导致有效分蘖不多；千粒重与控Ⅲ相当，比控Ⅰ、控Ⅱ低，产量远远不及控Ⅰ、控Ⅱ。常灌产量最低，控Ⅰ产量最高达10 400.55 kg/hm2，控Ⅱ>控Ⅲ居中，控Ⅱ接近控Ⅰ，控Ⅲ接近常规灌溉，是由于控Ⅲ过低的控制下限导致营养供应不足，抑制了生殖生长，减少了水稻有穗粒数及千粒重致使产量降低。

表4 不同处理产量指标

表5 产量单因素方差分析表

注：F0.01(3,8)=7.6。

2.5 水稻灌溉水利用效率

水稻灌溉水分利用率为灌溉水用量与产量之比。4种灌溉模式中控Ⅰ产量最高，灌水量较少，所以控Ⅰ灌溉水利用率最高为2.397 0 kg/m3，同时控Ⅱ虽然产量也较高但由于灌溉水用量较大，故控Ⅱ的灌溉水分利用率在控灌中最低，为2.177 6 kg/m3，对比而言，控Ⅲ产量和灌水量都较少，所以控Ⅲ利用率比控Ⅱ高，且与控Ⅰ相比较控Ⅰ灌水多产量低，故灌溉水分利用率控Ⅱ低于控Ⅰ(2.36 kg/m3)。相反常灌灌水量大于控灌，恰恰产量低于全部控灌试验，所以其灌溉水利用率最低，比控Ⅰ低25.22%。由此可以看出，控Ⅰ灌溉模式可以达到节水高产的效果，而常灌水分浪费严重且达不到预期产量。结果见表6。

表6 4种灌溉模式水稻灌溉水分利用率

图11 灌水量产量关系曲线

灌水量与产量的拟合如图11所示，并建两者的二阶多项式回归曲线[10]，方程表达为y=366.76x3-535.51x2+258.82x-40.405(R2=0.984 5)，在图11中，一定灌水范围内，随着水稻灌水量增加产量先增后减呈抛物状，表明在一定灌水范围内产量会达到预期目标产量，会达到产量最高值，且灌水量低于或高于此范围产量都会有所降低，众所周知，像控Ⅲ缺水达到一定程度导致减产，其实常灌亦然，常灌大水漫灌始终大部分生育期内保持水层，导致产量不高。对该一元二次方程，在一定灌水范围内得极值点(0.446 1, 1.044 9 )，在这一点处，产量达到最为高y=1.044 9 kg/m2，此时灌水量为x=0.446 1 m3/m2。