不同灌水量下出水口数量对畦灌水流推进和小麦产量的影响

2020-06-13王丽玄王利书程东娟

节水灌溉 2020年5期

王丽玄，王利书，程东娟

(河北工程大学，河北邯郸 056021)

0 引言

黄淮海地区是中国小麦主产区，而该区水资源总量仅占全国的7%左右，水资源供需矛盾是限制农业生产的主要因素[1]。并且受气候的影响，该区的降雨主要集中在夏季，不能够满足小麦生长期的需求[2]，所以灌溉和提高小麦水分利用效率是提高小麦高产的重要措施[3-5]。地面畦灌是目前该区的主要灌溉形式之一，具有灌溉成本低、易于实施等优点[6]，但也由于管理不当，普遍存在灌水均匀度差、水肥利用效率低等问题。研究畦灌下灌水量和出水口数量对畦灌水流推进和小麦产量的影响，对指导该区小麦节水高产栽培具有重要意义。

前人主要研究了入畦单宽流量、不同畦宽、不同畦长、不同畦灌改水成数单因素下对水流特性和小麦产量的影响[7-10]，亦有学者研究了灌溉模式、灌水量和灌水时期对小麦耗水特性和籽粒产量的影响[11-14]。对于水流特性的研究，胡昊等研究表明入沟流量对灌水质量和水流推进影响最大[15]；郑和祥等利用SIRMOD模型、SRFR模型和田间实测方法分别计算灌水效率和灌水均匀度，对畦田灌水质量进行评价[16]。关于大田条件不同灌水量下不同出水口数量对畦灌水流推进和小麦产量的研究鲜见报道。

本研究在河北宁晋县原种场开展不同灌水量下不同出水口数量对畦灌水流推进和小麦产量的影响研究，以期为制定小麦节水高产栽培的畦灌适宜灌水量和出水口数量提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

该试验于2017-2018年在河北省邢台市宁晋县原种场(114°53′E, 37°37′N)进行。宁晋县海拔25～35 m，处于暖温带大陆性气候区，属半湿润气候。年平均气温13 ℃，1月平均气温-4.2 ℃，4月平均气温14 ℃，7月平均气温26.7 ℃，10月平均气温13.4 ℃。极端最低气温-23.3 ℃，极端最高气温41.9 ℃。年平均降水量501 mm，年内分配不均，年际变化较大。

1.2 试验设计

试验设2个因素、3个水平，2个因素分别为灌水量和出水口数量。灌水量设60 mm(W1)、75 mm(W2)2个水平，每个灌水量下设1孔(D1)、2孔(D2)、3孔(D3)3个不同出水口数量。共设6个处理，每个处理设3次重复，畦灌小区10 m×6 m。

表1 冬小麦生育时期灌水量 mm

1.3 测定项目与方法

(1)水流推进曲线的测定。灌溉试验开始前沿畦长方向，距畦首每隔1 m插入一根塑料直尺，保持竖直，用于观测水流到达的距离。灌溉水进入畦首时开始计时，当水流推进前锋锋面的2/3水面宽度到达竖尺横断面时，作为水流推进到该观测点处的推进时间。

(2)土壤含水量的测定。于小麦生育期灌水前后，在每个取样区间内均以10 cm 为一层取0～100 cm 各土层土样，用烘干法测定土壤含水量。

(3)不同生育阶段农田耗水量、土壤贮水消耗量、耗水强度和耗水模系数。

土壤贮水消耗量按照以下公式计算：

根据水量平衡法计算农田耗水量，公式如下：

ET1-2=ΔW+M+P

式中：ET1-2为生育阶段耗水量；ΔW为土层编号；n为土壤层次总数；γi为第i层土壤干容重，g/cm3；Hi为第i层土壤厚度，cm；θi1为第i层土壤时段初的含水量，以占干土重的百分数计；θi2为第层土壤时段末的含水量，以占干土重的百分数计；M为时段内的灌水量；P为有效降水量。

耗水强度=各生育阶段农田耗水量/生育阶段天数

耗水模系数=各生育阶段农田耗水量/农田总耗水量×100%

水分利用效率=产量/生育期农田总耗水量

(4)测产。成熟期在不同区段取1 m双行收获，考查有效穗数，每个小区随机取30株，分别考查每穗粒数、千粒重等性状。

2 结果分析

2.1 灌水量和出水口数量对水流推进的影响

本试验对不同灌水量下，不同出水口数量的水流推进数据进行测定分析，水流推进过程均符合幂函数。由图1和图2可以看出水流推进时间随着出水口数量的增大而增大，各处理下的水流推进耗时有差别，D1处理耗时最短。W1处理下，D1处理的水流推进到距畦首10 m处的时间分别较D2、D3处理减少了11.2%和12.0%。可能是因为D1的流量大，从而水流推进速度快。拔节期各处理下的水流推进的耗时明显比返青期的短，可能是因为第1次灌水后，土壤变密实，表层土壤入渗能力减小，明显加快了水流推进的速度。

图1 返青期不同出水口数量对水流推进的影响

图2 拔节期不同出水口数量对水流推进的影响

2.2 灌水量和出水口数量对土壤平均含水量变异系数的影响

表2给出了不同处理下灌后0～60 cm土层平均含水量的变异系数(灌后24 h测量)，返青期和拔节期，不同灌水量下出水口数量对0～60 cm土壤平均含水量的影响趋势基本一致。D1处理距畦首10 m处土壤含水量显著高于畦首；D2处理不同观测点含水量无显著差异；D3处理畦首土壤含水量显著高于其他观测点。返青期不同处理土壤平均含水量的变异系数表现为W1D3>W2D3>W2D1>W1D1>W2D2>W1D2，拔节期不同处理土壤平均含水量的变异系数表现为W1D3>W2D1>W2D3>W1D1>W1D2>W2D2，处理间差异显著。上述结果表明，不同出水口数量影响了畦内土壤水分分布，D2处理灌水后可能使整个畦田迅速形成水面，从而土壤水分能均匀下渗，有利于提高畦田的灌水均匀度。不同处理的拔节期的变异系数小于返青期的变异系数，经过一次灌水，土壤变密实，土壤水分更均匀下渗。相同出水孔数量下不同灌水量的变异系数相差不大，说明灌水量对土壤水分分布均匀度影响不大。

表2 不同处理0～60 cm土层平均含水量变异系数

注：不同小写字母表示表示处理间差异显著(P<0.05)，下同。

2.3 灌水量和出水口数量对生育期耗水影响

2.3.1 灌水量和出水口数量对土壤贮水消耗量的影响

由图3可以看出，返青-拔节期，降雨较少，灌水不能满足小麦生长的要求，需要消耗土壤水。0～20 cm土层，相同灌水量处理下，D2处理的土壤贮水消耗量小于其他处理；W2处理的土壤贮水消耗量大于W1处理。20～60 cm土层，D2处理的贮水消耗量为负值，说明储存了部分土壤水。

拔节-扬花期，0～100 cm土层的土壤贮水消耗量表现为D3>D1>D2，说明D3处理的水分进行了较多的无效的耗散。拔节-扬花期降雨较多，同时灌水，所以主要以蓄水为主。W1处理下，0～20 cm土层，D2和D1处理储水量大于D3处理；20～60 cm土层，D1处理消耗土壤水，D2处理储存水分，远大于D3处理；60～100 cm土层，D1和D3处理土壤贮水消耗量小于D2处理。W2处理下，0～60 cm土层，D2处理的土壤贮水消耗量小于其他处理，说明D2处理能储存更多的水分。同时W2处理的蓄水量大于W1处理。

扬花-灌浆期，降雨较少，土壤水成为耗水的主要部分。0～20 cm土层，相同灌水量下，D2处理的土壤贮水消耗量大于其他处理，尤其W2D2处理明显大于其他处理。20～60 cm土层，W1处理下，各出水口数量下的土壤贮水消耗量无明显差异；W2处理下，土壤贮水消耗量表现为D2>D3>D1，说明D2处理对20～60 cm土层的土壤贮水利用能力强。60～100 cm土层，相同灌水量处理下，D1处理的土壤贮水消耗量大于其他处理。相同出水口数量下，W2处理在20～60 cm土层的土壤贮水消耗量大于W1处理。

灌浆-收获期，没有降雨，逐渐消耗储存在土体中的土壤水。相同灌水量处理下，不同出水口数量的0～20 cm土层土壤贮水消耗量的差异不大。W1处理下，20～60 cm土层的土壤贮水消耗量表现为D2>D3>D1，60～100 cm土层，D1处理大于其他处理。W2处理下，20～60 cm 土层的土壤贮水消耗量无显著差异，60～100 cm土层，D1处理的土壤贮水消耗量大于其他处理。

综上所述，W2D2处理能够有效地调节不同土层的土壤水分，20～60 cm土壤贮水的利用能力强，以供小麦根系吸收利用。

2.3.2 灌水量和出水口数量对小麦生育期耗水特性影响

由表3可知，冬小麦生育期内，各阶段耗水量、耗水强度和耗水模系数，呈先增大后减小的趋势。其中拔节-扬花期的耗水量最多，约占生育期总耗水量的37%～41%，耗水强度以扬花-灌浆期最大。返青-拔节期的耗水量D1和D3处理大于D2处理，此阶段以土壤蒸发为主；说明D1和D3处理有更多的水分进行无效的耗散。拔节-扬花期，随着植株生长，气温升高，植株蒸腾和棵间蒸发增强，耗水迅速增加。此阶段降雨与灌溉能为小麦生长提供充足的水分，D1、D3与D2处理差异显著。说明D1与D3更多的水分进行无效的耗散。扬花-灌浆期虽然历时较短，但是耗水模系数达到了20%～22%，各处理间差异显著，D2处理耗水量显著高于其他处理。同时耗水强度扬花-灌浆期各处理间差异显著。灌浆-成熟期各处理仍保持较高的耗水量，但差异不显著。在相同出水口数量下，不同灌水量相比，全生育期总耗水量表现为W2>W1。灌水量对小麦生育期耗水影响较大，W2比W1处理平均增加了8.5%，尤其是返青-拔节期和拔节-扬花期不同灌水量的耗水差异显著，与灌水时间相吻合，说明耗水量随灌水量的增加而增加。

图3 不同处理土壤贮水消耗量

表3 各处理小麦不同生育阶段的耗水量、耗水强度和耗水模系数

注：ET为耗水量；CD为耗水强度；CP为耗水模系数。

2.4 灌水量和出水口数量对小麦生长指标的影响

由图4可以看出，不同处理的小麦拔节期-灌浆期，小麦株高呈增高趋势，拔节期-抽穗期增长迅速，抽穗期到灌浆期增长缓慢。全生育期，灌水量W2较W1的小麦株高有优势，最大增幅达到7.9%，尤其到灌浆期W2与W1处理差异显著。从拔节-灌浆期，在各灌水量处理下，D2处理的株高大于其他处理，并且差异显著。其中W2D2处理的小麦株高最大，并与其他处理差异显著。

图4 不同处理对小麦株高和干重的影响

不同处理的干物质随着小麦的生长在不断地积累。从拔节-灌浆期，W2处理的小麦干物质积累量显著高于W1处理。其中W2D2处理的干物质积累量达到最大，增幅最大达到12.1%。并与其他处理差异显著。拔节期除了W2D1和W2D2处理，其他处理差异不显著。抽穗期和灌浆期，在各灌水量处理下，不同出水口数量的干物质积累量表现为D2>D1>D3，并且各处理间差异显著。

2.5 灌水量和出水口数量对冬小麦产量及水分利用效率的影响

各处理冬小麦的千粒重、有效穗数、穗粒数等产量指标见表4。从产量构成因素来看，在相同灌水量下，不同出水口数量处理相比，千粒重、有效穗数、穗粒数均表现为D2>D1>D3，W1处理下，D2与D3处理的千粒重、有效穗数、穗粒数都达到了差异显著，W1D2比W1D3处理的3个因素分别增大了8.6%、4.3%、5.7%；D1处理的各因素与其他处理差异不显著。W2条件下，D2处理的千粒重、有效穗数、穗粒数与其他处理差异明显，相同出水口数量下，千粒重、有效穗数、穗粒数随灌水量增加而增加，但差异不显著。从产量来看，相同灌水量下，不同出水口数量的产量表现为D2>D1>D3，各处理间差异显著。W1D2比W1D1和W1D3处理分别增大了10.4%和19.7%，W2D2比W2D1和W2D3处理分别增大了6.1%和18.3%。相同出水口数量下，W1处理的产量大于W2处理，并且差异显著。从水分利用效率来看，相同灌水量下，D2处理的水分利用效率高于其他处理，并且差异显著。W1D2比W1D1和W1D3处理分别增大了12.7%和18.6%，W2D2比W2D1和W2D3处理分别增大了13.0%和17.2%，D1大于D2处理，但差异不显著。相同出水口数量下，W2的水分利用效率大于W1处理，但差异不显著。综合来看，W2D2处理增加了小麦产量和提高了水分利用效率。