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涇惠渠灌區(qū)冬小麥非充分灌溉模式研究

2018-07-06 00:58:28魏志莉曹曉華陳新明
節(jié)水灌溉 2018年6期
關(guān)鍵詞:冬灌利用效率冬小麥

魏志莉,李 強(qiáng),曹曉華,陳新明

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院,陜西 楊凌 712100;2.旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 楊凌 712100;3.陜西省涇惠渠灌溉管理局,陜西 三原 713800)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展,水資源供需矛盾越來越突出,從整體上提高農(nóng)業(yè)用水效率已成為緩解用水危機(jī)的根本措施,農(nóng)作物的非充分灌溉成為提高農(nóng)業(yè)用水效率的主要手段之一。任何農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)都必須充分考慮土壤--作物--水分的關(guān)系,實(shí)現(xiàn)水--土--作物關(guān)系的最優(yōu)協(xié)調(diào)[1]。國(guó)內(nèi)外研究表明:水分階段性虧缺對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育具有雙重性,在特定生育期使作物處于水分脅迫,不但不會(huì)減產(chǎn),還可節(jié)約用水量[2,3]。在水資源日益緊張的今天,如何利用水分虧缺的雙重性,研究作物非充分灌溉模式,對(duì)提高農(nóng)業(yè)用水效率,保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)持續(xù)發(fā)展具有重大的科學(xué)意義。涇惠渠灌區(qū)位于陜西省關(guān)中平原中部,是一個(gè)從涇河自留引水的大型灌區(qū),現(xiàn)有設(shè)施灌溉面積9.7 萬hm2,有效灌溉面積8.8 萬hm2,灌區(qū)以占全省2.4%的耕地,生產(chǎn)全省5.8%的糧食,提供商品糧占全省的10%,是陜西省重要的糧食生產(chǎn)基地之一[4]。隨著農(nóng)業(yè)用水要求的提高,涇惠渠灌區(qū)開始了非充分灌溉試驗(yàn)的嘗試,但目前還沒有具體可行的灌溉制度及模式。

因此,本研究采用理論與試驗(yàn)相結(jié)合的方式,研究涇惠渠灌區(qū)冬小麥不同生育期灌水量組合對(duì)其生理生長(zhǎng)、產(chǎn)量及其構(gòu)成因素、水分利用效率和節(jié)水經(jīng)濟(jì)效益的影響,分析冬小麥不同生育期的虧水灌溉最佳組合方式,提出合理的非充分灌溉制度模式,為確定灌區(qū)合理的灌水方案提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2012年10月至2016年6月在陜西省咸陽市涇陽縣三渠鎮(zhèn)涇惠渠灌區(qū)試驗(yàn)站進(jìn)行。試驗(yàn)站地理坐標(biāo)為東經(jīng)108°54′,北緯34°33′,海拔433.72 m,水源為井水,灌溉用水量通過水表讀數(shù)計(jì)量。土壤以中壤土為主,容重為1.43 g/cm3,孔隙率46%,入滲系數(shù)在150 mm/hm2左右,最大田間持水量(質(zhì)量含水率)為24.4%,耕種條件良好,地下水埋藏深度30 m,故試驗(yàn)中地下水向上補(bǔ)給部分可忽略不計(jì)。小麥試驗(yàn)地前茬為玉米,每年夏玉米收后,10月中旬足熵散播小麥,小麥播量375 kg/hm2,品種為“豫麥49”,次年6月上旬收獲。底肥為小麥專用肥,播量為750 kg/hm2。

涇陽縣屬溫帶大陸季風(fēng)性氣候,根據(jù)國(guó)家氣象網(wǎng)陜西涇陽站氣象資料顯示,1986-2016年平均降雨量443.4 mm,蒸發(fā)量1 218.9 mm,但降雨多集中在夏季,小麥生育期多年平均降雨量175.9 mm,蒸發(fā)量559.6 mm,其有效降雨量不足小麥需水量的50%,較為干旱。2013-2016年小麥生育期內(nèi)氣象資料見表1,根據(jù)30年的降雨資料排頻分析,其中2013,2014年為枯水年,2015,2016年為平水年。

表1 冬小麥生育期內(nèi)氣象資料表 mm

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地的田間排列采用順序排列法,布設(shè)于灌溉站第二耕作區(qū)中部,根據(jù)冬小麥的生育特點(diǎn)和灌區(qū)的農(nóng)作習(xí)慣,將冬小麥生育期劃分為分蘗期、越冬期、返青期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期及成熟期7個(gè)階段。關(guān)中地區(qū)不同降水年型降水總量以及季節(jié)特征不同,但總體表現(xiàn)為越冬期及返青----拔節(jié)期缺水較為嚴(yán)重[5],考慮上述因素,將灌水期分為冬灌、返青灌、拔節(jié)灌、抽穗灌和灌漿灌。本試驗(yàn)共設(shè)8個(gè)處理,水分處理用TR表示,每個(gè)處理設(shè)重復(fù)2次,采用大田小區(qū)試驗(yàn),每個(gè)小區(qū)面積為20×2.6 m2,四周設(shè)有保護(hù)區(qū)。試驗(yàn)處理和灌溉定額詳見表2。

1.3 試驗(yàn)測(cè)定指標(biāo)與方法

(1)土壤含水率測(cè)定。在播種前、收獲后以及每次灌水前后3 d進(jìn)行土壤含水率的測(cè)定。方法采用土鉆取土烘干法,在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)前中后各取1個(gè)測(cè)點(diǎn),每個(gè)測(cè)點(diǎn)在0~100 cm土壤深度范圍每隔10 cm取一個(gè)樣進(jìn)行測(cè)定,若有大量降雨則加測(cè)。

表2 冬小麥不同生育期灌水試驗(yàn)設(shè)計(jì) m3/hm2

(2)小麥株高、產(chǎn)量測(cè)定。小麥成熟后,每個(gè)小區(qū)取面積為1 m2長(zhǎng)勢(shì)平均具有代表性的植株,采用直尺和游標(biāo)卡尺測(cè)量從根基部到株高最高點(diǎn)即為株高。繼而測(cè)定穗長(zhǎng)等產(chǎn)量性狀,然后進(jìn)行脫粒考種,測(cè)定穗粒數(shù),計(jì)算千粒重、每平方米產(chǎn)量和最終產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析方法

試驗(yàn)采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入和計(jì)算,DPS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析處理,LSD法進(jìn)行多重比較,運(yùn)用方差分析統(tǒng)計(jì)法分析不同生育期灌水組合對(duì)冬小麥生理生態(tài)和產(chǎn)量及水分利用效率等的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌水量對(duì)冬小麥株高的影響

不同生育期灌水量組合對(duì)小麥生長(zhǎng)發(fā)育有不同的影響,受水分脅迫時(shí),植株體內(nèi)生理結(jié)構(gòu)、代謝活動(dòng)發(fā)生變化,從而改變植株生長(zhǎng)狀況。株高是體現(xiàn)植物生長(zhǎng)發(fā)育及冠層對(duì)水分效應(yīng)的重要指標(biāo)[6],表3為2013-2016年不同灌水處理下冬小麥成熟后的株高。由表3知,灌水次數(shù)不同,植株株高差異顯著;隨著灌水量即灌溉定額的增大,株高總體呈現(xiàn)增加趨勢(shì),TR8(冬灌+拔節(jié)灌+灌漿灌)處理株高最大。在2013年,2015年中,灌2水處理TR4、TR5、TR6三者相比較,植株株高無顯著差異,但與僅冬灌的處理TR2相比,株高均有顯著差異,2013年分別增加了0.8%,5.3%和6.6%,2015年分別增加了7.0%,9.0%和5.6%,這說明返青灌、拔節(jié)灌、抽穗灌對(duì)冬小麥株高呈顯著性影響,且處理TR3株高顯著大于TR1,兩年分別增加了2.9%和4.8%。返青期后,由于氣溫升高,冬小麥進(jìn)入快速生長(zhǎng)時(shí)期,需水量也增加,故應(yīng)避免該階段的水分虧缺,保證返青期、拔節(jié)期的土壤水分含量,對(duì)冬小麥株高增長(zhǎng)有積極的影響,這一結(jié)果與高振曉[7]、劉泉斌[8]等的研究結(jié)果是一致的。

2.2 不同灌水量對(duì)冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因子的影響

表4為不同灌水處理下2013-2016年冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因子分析表,冬小麥產(chǎn)量構(gòu)成因子主要有株數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重、產(chǎn)量。

表3 不同灌水處理冬小麥株高

表4 不同灌水處理冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因子分析表

由表4知,各處理情況下,2013年、2014年TR2(冬灌)與TR1(不灌)相比株數(shù)差異顯著,分別增加了8.6%和7.7%,2015年、2016年株數(shù)差異并不顯著,但TR2比TR1分別增加了8.6%和14.8%,這說明冬小麥生育前期旱象明顯時(shí),適當(dāng)?shù)亩鄷?huì)增加冬小麥的分蘗數(shù),進(jìn)而增加株數(shù),是冬小麥豐產(chǎn)的基礎(chǔ)[9];2013年、2014年、2016年穗粒數(shù)無顯著差異,2015年中TR3(返青灌)穗粒數(shù)最小,與TR4(冬灌+返青灌)相比差異達(dá)到顯著,說明冬灌可增加冬小麥穗粒數(shù);在千粒重方面,TR8(冬灌+拔節(jié)灌+灌漿灌)相比TR5(冬灌+拔節(jié)灌)和TR1(不灌)差異均達(dá)到顯著水平,較TR5分別增長(zhǎng)了16%、11.5%、8.2%和8.5%,這說明冬小麥千粒重與灌漿期水分供應(yīng)密切相關(guān),灌漿期水分脅迫會(huì)使冬小麥的千粒重降低;較TR1分別增長(zhǎng)了32.3%、20.7%、10.7%和15.3%,所以千粒重和灌水量也密切相關(guān),呈正相關(guān)關(guān)系,灌水量越多,千粒重越大[10]。

冬小麥產(chǎn)量與灌水量呈正相關(guān)關(guān)系,首先TR1(不灌)處理下,產(chǎn)量顯著低于所有處理,隨著灌水次數(shù)即灌溉定額的增加,產(chǎn)量也顯著增加;灌2水處理下,2013年產(chǎn)量大小為TR4(冬灌+返青灌)>TR6(冬灌+抽穗灌)>TR5(冬灌+拔節(jié)灌),冬灌+返青灌最佳,但差異不顯著;2014年、2015年結(jié)果相同;2016年為TR4(冬灌+返青灌)>TR5(冬灌+拔節(jié)灌)>TR6(冬灌+抽穗灌),冬灌+返青灌最佳,差異顯著;冬小麥生育中期是植株生長(zhǎng)和營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)的旺盛期,營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)需要水分的調(diào)運(yùn)送到果實(shí)中去,這個(gè)階段缺水的話會(huì)使果實(shí)缺乏營(yíng)養(yǎng)造成不可逆轉(zhuǎn)的產(chǎn)量減少,即使復(fù)水也難以彌補(bǔ),所以返青期應(yīng)是影響冬小麥產(chǎn)量的敏感時(shí)期,應(yīng)保證該階段的水分供應(yīng),這與王聲峰[11]等人“拔節(jié)期為影響冬小麥產(chǎn)量的關(guān)鍵時(shí)期,返青期可適度缺水”的結(jié)論稍有不同,這與關(guān)中地區(qū)降雨總體表現(xiàn)為冬小麥返青期缺水、抽穗期降水較多有關(guān)。灌3水處理下,TR8(冬灌+拔節(jié)灌+灌漿灌)>TR7(冬灌+拔節(jié)灌+抽穗灌),且大于任何灌2水處理,差異顯著,所以抽穗-灌漿期也是影響冬小麥產(chǎn)量的關(guān)鍵時(shí)期[12],此外,涇惠渠灌區(qū)為小麥、玉米連作的種植結(jié)構(gòu),冬小麥灌漿期灌水也可保證夏玉米播種期的土壤水分[13]。2013年所有處理產(chǎn)量偏低,該降雨年型雖為枯水年,但是在灌漿期降雨過多,造成冬小麥根系早亡導(dǎo)致產(chǎn)量偏低。2016年所有處理產(chǎn)量比其他年份高,是因?yàn)樵摻涤昴晷蜑槠剿?,在灌漿期降雨量比2014年、2015年高,但比2013年低,灌漿期的水分供給合適,故而產(chǎn)量高??梢姡酀{期只能適當(dāng)灌水,過多過少都會(huì)影響產(chǎn)量。保證返青期、抽穗-灌漿期的水分供應(yīng)是提高冬小麥產(chǎn)量的保證,其他生育階段如分蘗期、成熟期的水分脅迫不會(huì)顯著影響產(chǎn)量。

2.3 不同處理下冬小麥耗水量及水分利用效率分析

不同生育期灌水組合下,冬小麥的耗水量和產(chǎn)量都存在一定的差異,所以其水分利用效率也有一定差別。植物的水分利用效率(WUE)指消耗1 m3的水獲得的產(chǎn)量[14]:

(1)

式中:WUE為水分利用效率,kg/m3;Y為冬小麥在漑灌溉制度下的產(chǎn)量,kg/hm2;P為冬小麥生育期內(nèi)的自然降水量,m3/hm2;I為該灌溉制度下的灌水總量,m3/hm2;WE為冬小麥?zhǔn)斋@后0~100cm耕作層土壤中的儲(chǔ)水量,m3/hm2;WI為冬小麥播種前0~100 cm耕作層土壤中的儲(chǔ)水量,m3/hm2。

由上式計(jì)算不同處理下冬小麥的耗水量以及水分利用效率,用數(shù)學(xué)方法來量化表示產(chǎn)量與耗水量的關(guān)系,對(duì)耗水量與產(chǎn)量數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合,圖1為冬小麥最終產(chǎn)量和其整個(gè)生育階段耗水量之間的關(guān)系。由圖1知,在一定范圍內(nèi),小麥的產(chǎn)量隨著耗水量的增加而增加,但不是無限制的,對(duì)擬合結(jié)果較好的2014年、2016年曲線進(jìn)行求導(dǎo)可得冬小麥產(chǎn)量最高時(shí)的耗水量范圍是6 600~8 900 m3/hm2之間,過量的供水會(huì)使植物地上冠層過分生長(zhǎng),營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向小麥粒籽轉(zhuǎn)移慢,不僅影響冬小麥的產(chǎn)量,還會(huì)造成對(duì)水資源的浪費(fèi)[14]。

圖1 冬小麥產(chǎn)量與耗水量的關(guān)系

表5為不同處理下冬小麥水分利用效率分析表。由表5知,隨著灌水次數(shù)的增加,水分利用效率呈降低趨勢(shì)。灌一水的情況下水分利用率最高,2013年,TR1的WUE最高,為2.87 kg/m3,2014年、2015年,TR3的WUE最高,分別為2.17、2.14 kg/m3,雖達(dá)到了節(jié)水的目的,但其不符合高產(chǎn)的實(shí)際要求。灌2水處理下,TR4的WUE最大,2014年、2015年、2016年結(jié)果相同。由此可見,灌2水時(shí),冬灌+返青灌是冬小麥水分利用效率提高的最佳灌水方式。處理TR7、TR8雖能獲得高產(chǎn)量,但其水分利用效率較低,與其他處理差異顯著,且TR8>TR7,可見在灌漿期灌水比抽穗期灌水的水分利用效率高。所以,要在高產(chǎn)和節(jié)水之間做好協(xié)調(diào),需合理分配灌水時(shí)期,在滿足冬小麥最需灌水的返青期基礎(chǔ)上,適當(dāng)保證灌漿期的水分,即可實(shí)現(xiàn)高產(chǎn),又可最大程度的節(jié)水,對(duì)冬小麥水分利用效率的提高有積極的作用。

表5 不同處理下冬小麥水分利用效率分析表

2.4 不同處理下冬小麥節(jié)水經(jīng)濟(jì)效益分析

如今發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)成為了解決日益嚴(yán)重的水資源矛盾的主要方法,但過量節(jié)水勢(shì)必影響農(nóng)作物的產(chǎn)量,因此有必要通過節(jié)水經(jīng)濟(jì)效益分析來確定灌區(qū)合理的灌溉制度,達(dá)到節(jié)水和高產(chǎn)的統(tǒng)一。根據(jù)涇惠渠管理局提供的資料顯示,涇惠渠灌區(qū)2013-2016年共種植冬小麥6 600 hm2,當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)灌溉用水價(jià)格為0.2 元/m3,小麥?zhǔn)召?gòu)價(jià)格按2.5 元/kg計(jì),得到不同處理下冬小麥的節(jié)水經(jīng)濟(jì)效益分析表如表6,由表6知:2013年,處理TR1(不灌)節(jié)水量最多,但同時(shí)減產(chǎn)量也較高,綜合考慮低減產(chǎn)率和高節(jié)水率,以益損比為基礎(chǔ),處理TR2(冬灌)益損比最大,在2次灌水處理中,益損比大小為TR4>TR6>TR5;2014年,2015年,處理TR3(返青灌)益損比最大,在2次灌水處理中,益損比大小為TR4>TR6>TR5,冬灌+返青灌處理有較好的節(jié)水經(jīng)濟(jì)效益;所以返青灌也是影響冬小麥經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵時(shí)期,保證返青期灌水能獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益,這與上述水分利用效率分析的結(jié)論是一致的。

3 結(jié) 論

(1)不同生育期灌水量對(duì)小麥生長(zhǎng)發(fā)育影響不同,就株高而言,灌水次數(shù)不同,植株株高差異顯著;隨著灌溉定額的增大,株高總體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。冬灌對(duì)株高影響不大,而返青灌、拔節(jié)灌、抽穗灌均影響冬小麥株高,其中返青灌尤為顯著,所以返青期是冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育的需水敏感期。

(2)不同灌水量對(duì)冬小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因子影響很大。小麥生育前期旱象情況下,適當(dāng)冬灌會(huì)增加冬小麥的株數(shù)及穗粒數(shù);在千粒重方面,灌漿期水分脅迫會(huì)使冬小麥的千粒重顯著降低,且千粒重和灌水量呈正相關(guān)關(guān)系,灌水量越多,千粒重越大;冬小麥產(chǎn)量與灌水量呈正相關(guān)關(guān)系,隨著灌水次數(shù)即灌溉定額的增加,產(chǎn)量也顯著增加,但不是無限制的,由耗水量----產(chǎn)量擬合曲線可得冬小麥產(chǎn)量最高時(shí)的耗水量范圍是6 600~8 900 m3/hm2,過量的供水不僅會(huì)影響冬小麥的產(chǎn)量,還會(huì)造成對(duì)水資源的浪費(fèi)。此外返青期和抽穗-灌漿期是影響冬小麥產(chǎn)量的重要時(shí)期,應(yīng)保證此階段的水分供應(yīng),其他生育階段的水分脅迫,不會(huì)對(duì)產(chǎn)量造成顯著的影響。

表6 不同處理下冬小麥的節(jié)水經(jīng)濟(jì)效益分析表

(3)不同灌水處理中,處理TR1(不灌)節(jié)水量最多,但產(chǎn)量較低;處理TR8(冬灌+拔節(jié)灌+灌漿灌)雖能獲得最高的產(chǎn)量,但節(jié)水量最少,水分利用效率較低;返青灌是獲得冬小麥WUE較高的關(guān)鍵生育期,也是影響冬小麥經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵期。要在高產(chǎn)和節(jié)水之間做好協(xié)調(diào),需合理分配灌水時(shí)期,在滿足冬小麥需水的返青期基礎(chǔ)上,適當(dāng)保證灌漿期的水分,實(shí)現(xiàn)最大的經(jīng)濟(jì)效益。

(4)平水年和枯水年降雨年型下,涇惠渠灌區(qū)追求高產(chǎn)的最優(yōu)灌溉制度是冬灌+拔節(jié)灌+灌漿灌,全生育期3次灌水,灌溉定額為3 600 m3/hm2;綜合考慮產(chǎn)量、灌溉水利用系數(shù)及節(jié)水經(jīng)濟(jì)效益的最優(yōu)灌溉制度是冬灌+返青灌,全生育期2次灌水,灌溉定額為2 550 m3/hm2。另外,不管是平水年還是枯水年降雨年型,在冬小麥生育期后期降雨較多時(shí),灌漿期可不灌水,最優(yōu)灌溉制度仍是冬灌+返青灌,全生育期2次灌水,灌溉定額為2 550 m3/hm2。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明返青灌和灌漿灌是涇惠渠灌區(qū)冬小麥需水的重要時(shí)期。本試驗(yàn)未設(shè)返青灌+灌漿灌處理,所以未能獲得此處理下的試驗(yàn)結(jié)果作為對(duì)比,需進(jìn)一步完善研究,另外對(duì)節(jié)水效果合理性可作進(jìn)一步分析。

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