不同灌溉方式下水稻生长及水量运输规律试验研究

2022-09-29伯彦萍张春雷安美运朱伯文

水利规划与设计 2022年10期

伯彦萍，张春雷，安美运，朱伯文

(贵州省水利科学研究院，贵州贵阳 550000)

我国作为农业大国，也是最早种植水稻的国家之一，水稻的耕作历史有七千多年。然而，随着我国人口的不断增长，对稻谷的需求也日益增加。按照目前我国稻米的年消费量预测，到2030年我国的水稻需求量需增加30%以上[1]。由此可见，水稻生产为我国粮食安全及国家安全提供了有力保障，在我国国民经济发展中起着举足轻重的作用。我国作为水稻生产大国，用水量约占总用水量的45%，占农业用水总量的65%以上[2- 3]。然而，我国又是严重缺水的国家之一，人均水资源占有量仅相当于世界人均水平的1/4[4]。传统的水稻连续淹灌栽培模式耗水量大，这与我国日益紧缺的农业水资源供给相悼[5]。近年来，随着气候变暖、人口持续增长、城镇和工业的快速发展以及人民生活水平的不断提高，水资源危机日益加剧，已严重威胁着我国的水安全和粮食安全。研究并推广应用先进的水稻节水灌溉技术，以最小的水资源消耗来确保水安全和粮食安全势在必行。多年来，研究者开展了大量节水灌溉试验研究，并总结出了许多水稻节水灌溉技术，如能量调控灌溉技术[6]，作物分根区交替灌溉技术[7]、控制灌溉技术[8]，干湿交替灌溉[9]，无水层种稻[10]，覆膜旱种[11]，“薄、浅、湿、晒”灌溉模式[12]等。贵州省水利科学技术研究院为了解决贵州省农田灌溉工程性缺水的矛盾，探索出了适宜贵州水稻种植的模式——科学蓄雨型节水灌溉模式(简称“科蓄”)。徐建新[13]等通过进行连续的水稻节水灌溉试验证明了“科蓄”这一水稻灌溉模式的可行性。王玉萍[14]等结合近几年在贵州地区实施的水稻节水增产灌溉试验，提出在贵州地区科灌较科蓄增产效益更明显，科蓄较科灌则节水效果更明显，2种方式灌溉均较传统灌溉方式节水、增产增收效益显著。本试验通过比较分析不同灌溉方式水稻株高、产量、灌溉用水量、田面径流和地下淋溶水量、水分生产率，研究水稻灌、排水量运输规律，并从水分生产率角度寻找适宜贵州的水稻最佳节水灌溉方式[15- 16]。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验位于贵州省黔东南州天柱县，全县年降雨量在1200～1380mm，日照时间1198h，平均气温16.1℃，全年无霜期281d，冬无严寒，夏无酷暑，气候条件较为优越。试验水稻采用属籼型三系杂交水稻—宜香1979，种植间隔15cm×25cm。试验采用塑料箱进行改装，试验箱长×宽×高=102cm×69cm×61cm。为了便于分别收集田面径流水和渗漏水量，在箱体侧面分别设置3个出水口，通过阀门控制流量大小并分别用桶计量水量并取样。试验箱出水口阀门1用来控制田面水深，为了避免堵塞进口处用土工布和海绵等包裹。出水口阀门2用来控制渗漏溶液的流量大小，箱体底部铺碎石至集水管底部后覆土，集水管打排水孔后外部用土工布和海绵包裹，试验箱具体布置如图1所示。

图1 试验箱布置图

1.2 试验设计

本试验共设置3个处理水平，分别为传统淹灌、科学蓄雨灌溉、控制灌溉，每个处理水平重复3次。当地农事习惯主要采用的氮肥种类为氮肥(尿素)180kg/hm2、磷肥(过磷酸钙)90kg/hm2、钾肥(氯化钾)120kg/hm2，根据试验箱的面积计算出每盆的基肥-追肥的用量，其中每箱施用氮肥总量266g、磷肥总量189g、钾肥总量177.3g，并定期除草喷洒农药防治病虫害，不同灌溉方式下试验箱箱的施肥标准、施肥时间、施肥方法均相同。参照SL 13—2004《灌溉试验规范》、DB 2111/T 0006—2021《水稻种植技术规范》、《水稻科学蓄雨灌溉技术手册》等制定不同灌溉方式下水稻各生育期灌水方案，根据水层深度对不同灌溉方式进行控制。

1.3 数据采集与测定

(1)株高。从水稻移栽开始，每隔10d测量并记录不同灌溉方式下水稻株高。抽穗前为土面至每穴最高叶尖的高度，抽穗后为土面至最高穗顶的高度。

(2)产量。水稻成熟后，以试验箱为单位，数出不同灌溉方式下每个试验盆中穗数、每穗粒数，待稻粒干燥后用天平称出每个试验箱中稻粒重量。

(3)田面径流水量。根据试验设计控制稻田田间水层深度，当产生田面径流时通过计量桶中记录水量。

(4)淋溶水量。根据现场测定的土壤渗透系数调节淋溶水量出流大小并接入到计量桶中，每10d记录一次水量并取水样，当有降雨时适当增加观测频率。

(5)降雨量。根据现场自制雨量器测算。

(6)灌水量。当稻田田面有水层时候用标尺测定数据，记录灌水前后水深计算得到灌水量；若稻田田面无水层时，直接记录灌溉水量。注意不同处理下重复组灌水量基本保持一致。

2 结果与分析

2.1 水稻生长情况分析

2.1.1水稻株高

水稻的株高和产量有密切的关系，在一定范围内随着株高的增加，产量也相应增加，但这不是一个无限的比例，一般地株高应该控制在120cm以内为好，主要是累积一定的营养物质后，让养分逐步过渡到籽粒上，而且过高的情况下，容易造成倒伏，反而减产。表1为不同灌溉方式下水稻各生育阶段平均株高数据，根据表1中数据可以绘制出图2。从图表中可以看出这3种灌溉方式下水稻株高变化趋势相同，从返青期到乳熟期前株高都是随时间变化逐渐增长，而乳熟期后呈现少量负增长。不同灌溉方式下水稻株高最大值分别为：传统淹灌109.33cm，科学蓄雨灌溉113.80cm，控制灌溉113.67cm；不同灌溉方式下水稻株高最终值分别为：传统淹灌108.17cm，科学蓄雨灌溉113.67cm，控制灌溉113.33cm。从图1可以看出，传统淹灌在拔节孕穗期及以前株高一直大于科学蓄雨灌溉和控制灌溉的株高，在抽穗扬花期、乳熟期、黄熟期则是科学蓄雨灌溉株高最大，而传统淹灌模式下株高增长缓慢。

表1 不同灌溉方式下水稻各生育阶段平均株高单位:cm

图2 不同灌溉方式下水稻各生育阶段株高变化图

根据表1可以计算出不同灌溉方式下水稻株高的增长幅度，见表2，并画出不同灌溉方式水稻株高增长幅度变化图，如图3所示。从图表中可以看出，3种不同灌溉方式水稻株高增长幅度趋势基本一致，都呈现“高—低—低—高—低”的趋势，具体增长量与灌溉方式有关。从返青期到拔节孕穗期株高增长与具体灌溉方式基本无关，整体数值呈下降趋势，在拔节孕穗期3种不同灌溉方式增长幅度全部降到最低。从拔节孕穗期到抽穗扬花期水稻3种不同灌溉方式水稻增长均出现一个株高增长高峰，但株高增长幅度不同，说明在此生育期阶段内灌溉方式对株高变化有较明显的影响，其中控制灌溉株高增长幅度最大，传统淹灌株高增长幅度最小，这说明在拔节孕穗期到抽穗扬花期保持淹水状态对水稻株高生长有一定的抑制作用。从抽穗扬花期到乳熟期，3种灌溉方式下水稻株高增长幅度再度下降且数值基本一致，说明该生育期内灌溉方式对株高变化无明显影响。

表2 不同灌溉方式下水稻株高增长幅度单位:cm

图3 不同灌溉方式下水稻株高增长幅度变化图

2.1.2水稻产量

水稻产量的形成实质是水稻干物质积累、运转、分配的结果，水稻干物质量的积累决定了水稻的生物产量，而干物质量向穗部的分配决定了其经济产量。试验结束后将各个试验箱中的水稻进行收割，待稻粒干燥后用天平称出每个试验箱中稻粒重量并统计出来。表3为不同灌溉方式下水稻产量，从总体来看，试验中水稻产量均略高于田间水稻平均产量，这是由于试验箱中种植间距相对较密。3种不同灌溉方式下水稻产量有差异，说明不同灌溉方式对水稻产量有影响，其中科学蓄雨灌溉产量最高(792.92kg·hm-2)、控制灌溉次之(773.97kg·hm-2)，传统淹灌产量最低(732.90kg·hm-2)。可以看出田间传统淹灌稻谷颗粒更饱满、颜色金黄，试验箱中3种灌溉模式的稻谷外观上基本一致，颗粒略小于田间稻谷，这可能是由于田间水稻相对于试验箱中水稻土壤通透性较好、且田间水稻种植间距大于试验箱中水稻造成的。

表3 不同灌溉方式下水稻产量

2.2 水稻灌、排水量分析

整个试验过程中共降雨22次，水稻生育期内降雨量累计800mm。传统淹灌的灌水次数最多为30次，灌水量为230.7mm，产生径流12次；科学蓄雨灌溉共灌水25次，灌水量为230.7mm，产生径流2次；控制灌溉的灌水次数最少为21次，灌水量为213.7mm，产生径流4次。从灌水结果来看，传统淹灌的灌水次数最多，其次为科学蓄雨灌溉，控制灌溉的灌水次数最低。科学蓄雨灌溉的灌水次数虽然不是最低，但是其灌水量最少，相对于淹灌灌水量减少24.7%，相对于控制灌溉减少18.7%。根据统计结果：传统淹灌径流量为277.1mm、淋溶水量480.0mm，总排水量757.1mm；科学蓄雨径流量为14.9mm、淋溶水量420.3mm，总排水量435.2mm；控制灌溉径流量为85.1mm、淋溶水量398.1mm，总排水量483.2mm。从统计数据可以看出，降雨虽然造成了田面水溢流产生田面径流，但科学蓄雨灌溉较传统淹灌和控制灌溉均明显降低了产生径流次数与径流量，尤其较传统淹灌径流量降低约9倍，相对于控制灌溉仍可降低2倍的径流量。然而从淋溶量结果来看，不同灌溉方式的淋溶量排序为：传统淹灌>科学蓄雨灌溉>控制灌溉，这主要是由于控制灌溉历程较长和控水程度较大，淋溶量最低。

通过计算得到：传统淹灌的灌溉水利用率为0.477、科学蓄雨灌溉的灌溉水利用率为0.684、控制灌溉的灌溉水利用率为0.543。科学蓄雨灌溉相对于传统淹灌，灌溉水利用效率提高43.3%；相对于控制灌溉，灌溉水利用率提高26.0%。由于科学蓄雨灌溉在减少灌水量的同时并增加了水稻产量，因此也显著提高了水稻的灌溉水利用效率。综上可知，由于科学蓄雨灌溉在减少灌水量的同时增加了水稻产量，因此也显著提高了水稻的灌溉水利用效率。这主要是由于科学蓄雨灌溉在不影响高产的前提下，显著降低了降雨产生的径流次数和径流量。因此，在不降雨时可按照控制灌溉技术灌溉，降雨时，雨水不仅可以当作一次灌水，而且对于雨水形成的水层，可以超出上述灌溉技术的上限标准，这样不仅可以减少灌水，还可以减少排水负担，对于节水和利用降雨有很好的效果。不同灌溉方式下水稻排水总量图如图4所示。

图4 不同灌溉方式下水稻排水总量图

2.3 水分生产率

水分生产率是指单位水资源量在一定的作物品种和耕作栽培条件下所获得的产量或产值，单位为kg/m3或元/m3。它是衡量农业生产水平和农业用水科学性与合理性的综合指标。近年来，国内外越来越多地采用“水分生产率”来衡量水资源利用状况或灌区的用水管理水平。作物水分生产率指作物消耗单位水量的产出，其值等于作物产量(一般指经济产量)与作物净耗水量或蒸发蒸腾量之比值。水分生产率反映水量的投入产出效率，是节水灌溉与高效农业发展的重要指标之一。在“资源型缺水”时，水分生产率也是评价区域水分利用效率的最重要最客观的指标。因此，引入水分生产率，以反映水的利用效率及产生的经济效益。它不仅反映出水分消耗与作物产量的关系，而且还反映出作物甚至是非农业方面水分的利用情况。水分生产率计算公式如下：

(1)

式中，I—水分生产率，kg·m-3；Y—作物产量，kg·hm-2；ET—净耗水量或蒸发蒸腾量，m3·hm-2。

经计算，传统淹灌水分生产率为4.18kg·m-3、科学蓄雨灌溉水分生产率为5.67kg·m-3、控制灌溉水分生产率为4.79kg·m-3。通过结果可以看出科学蓄雨灌溉水分生产率最高，传统淹灌水分生产率最低，这说明科学蓄雨灌溉由于其高效利用了降雨，不仅能节约用水，还能提高水分生产率。