非充分灌溉下寒地井灌稻田生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益

聶曉++王毅勇

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2016.10.038

摘要：通過田間試驗(yàn)，研究間歇灌（IT）、濕潤灌（MT）、淹灌（CSF）不同灌溉方式下寒地井灌稻田的生理生態(tài)用水、土壤溫度、水稻產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益。結(jié)果表明：非充分灌溉（IT、MT）顯著減少了稻田本田期的生態(tài)用水量，與CSF相比，IT、MT分別節(jié)省生態(tài)用水24.1%、32.9%；非充分灌溉（IT、MT）顯著增加了深層（10～15 cm）土壤溫度，IT和MT的10、15 cm地溫分別比CSF增加7.9%和11.1%、9.4%和13.4%；非充分灌溉（IT、MT）的產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)凈效益、經(jīng)濟(jì)效率均顯著高于淹灌，與CSF相比，IT和MT的產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)凈效益、經(jīng)濟(jì)效率分別提高12.2%和13.1%、28.9%和 32.6%、108.6%和150.4%。可見，非充分灌溉（IT、MT）在節(jié)約生態(tài)用水的同時(shí)具有明顯的產(chǎn)量優(yōu)勢(shì)，經(jīng)濟(jì)效益、經(jīng)濟(jì)效率均顯著提高。

關(guān)鍵詞：寒地井灌稻田；非充分灌溉；生理生態(tài)用水；土壤溫度；經(jīng)濟(jì)效益

中圖分類號(hào)： S275.8；S275.9；S511.07文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2016）10-0151-03

收稿日期：2016-02-29

基金項(xiàng)目：中國科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程項(xiàng)目（編號(hào)：KZCX2-YW-Q06-03）；吉林省長春市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展支撐計(jì)劃（編號(hào)：12XN38）。

作者簡介：聶曉（1984—），女，山東臨沂人，博士，講師，主要從事農(nóng)田節(jié)水和水熱過程研究。E-mail：xiaonie84@163.com。水稻生產(chǎn)是維系糧食安全的重要因素之一，同時(shí)也是大的耗水因素。傳統(tǒng)的淹灌耗水量達(dá)6 000～9 000 m3/hm2，灌溉水利用效率低，造成水資源嚴(yán)重浪費(fèi)，在一定程度上加劇了水資源的短缺[1]。水資源高效利用模式的研究已經(jīng)成為當(dāng)代水稻研究領(lǐng)域的重要內(nèi)容之一，非充分灌溉正是適應(yīng)水資源危機(jī)而提出的節(jié)水灌溉方式，其節(jié)水效果和節(jié)水機(jī)理已經(jīng)取得了一定的研究成果[2-6]。寒地稻區(qū)的熱量條件是限制稻田高產(chǎn)的重要因素之一，且大水漫灌以及人為地、無節(jié)制地抽取地下水資源導(dǎo)致寒地井灌稻區(qū)地下水位普遍下降，造成“吊泵”和“漏斗”現(xiàn)象[5]。本研究從節(jié)水增溫、高值化角度出發(fā)，初步探討了寒地井灌稻田非充分灌溉下的稻田生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益，提出了2種適宜寒地井灌稻區(qū)的節(jié)水增溫、高產(chǎn)高效的非充分灌溉方式，為非充分灌溉在寒地井灌稻區(qū)的推廣和應(yīng)用提供依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2013年在黑龍江省農(nóng)墾建三江分局的洪河農(nóng)場進(jìn)行，該地點(diǎn)位于三江平原腹地。試驗(yàn)區(qū)中心地理坐標(biāo)為47.35 °N、133.31 °E，海拔高度為55.6 m，具有溫帶大陸性季風(fēng)氣候。年平均氣溫為1.9 ℃，7月平均氣溫為22.0 ℃，全年最高、最低氣溫分別為37.0、-38.0 ℃，≥10 ℃積溫為 2 400～2 700 ℃，無霜期約為125 d，年降水量約為600 mm，且7—9月的降水量占全年降水量的60%。供試田是1995年由沼澤化草甸開墾而來的耕地，為全年一熟一冬休閑型，屬于寒地井灌稻田。土壤類型為水稻土，稻田土壤干密度為 1.18 g/cm3，孔隙度為59%，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.9%，pH值為6.53，土壤飽和含水率（質(zhì)量）為37.2%[5]。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)間歇灌（IT）、濕潤灌（MT）、傳統(tǒng)淹灌（CSF）3種灌溉方式，其中IT、MT屬于非充分灌溉。3種灌溉方式具有不同的土壤水分調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)，淹灌（CSF）：返青期水層在0～3 cm，黃熟期落干，其他生育期均保持在5～10 cm水層；間歇灌（IT）：返青期水層在0～3 cm，黃熟期落干，其他生育期水層上限為3 cm，下限為土壤飽和含水率的70%～80%；濕潤灌（MT）：返青期水層控制在0～3 cm，黃熟期落干，其他生育期水層上限為1 cm，下限為土壤飽和含水率的70%～80%。3種灌溉方式均采用遇降雨深蓄不排的管理措施[5]。采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，每種灌溉處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，共9個(gè)試驗(yàn)小區(qū)。小區(qū)設(shè)置為10 m×10 m，小區(qū)之間用加寬加高的田埂隔開；為防止側(cè)滲對(duì)試驗(yàn)的影響，小區(qū)四周及田埂采用0.06 mm的塑料膜圍隔，埋至表土下30 cm深。2013年供試水稻品種為龍粳26，于2013年5月20日插秧，栽植密度為株行距13 cm×30 cm，各小區(qū)于同年8月中旬排水曬田，并于同年9月23日收割。各小區(qū)施肥、病蟲害防治、除草等田間管理措施采用當(dāng)?shù)氐某Ｒ?guī)管理方法。

1.3測定指標(biāo)及方法

1.3.1生理生態(tài)用水稻田蒸散和滲漏通過非稱質(zhì)量式蒸滲儀（有底和無底測坑）進(jìn)行測定，有底和無底測坑規(guī)格為 2 m×2 m，深30 cm。有底測坑底部及四壁用塑料膜完全圍隔，由于避免了滲漏的影響，測坑內(nèi)的耗水量均通過蒸散損失掉；無底測坑只在四壁（至表土下30 cm深）用塑料膜圍隔，其內(nèi)的耗水量為蒸散與滲漏之和。通過對(duì)灌溉水量、降水量、田間水層或土壤蓄水變化量的記錄，根據(jù)水量平衡法可求得3種灌溉方式下稻田的蒸散量和滲漏量。

稻田土壤棵間蒸發(fā)利用小型蒸滲儀進(jìn)行測定，小型蒸滲儀置于行間，口徑25 cm、深35 cm，高出田間10 cm。每天采用電子天平（精度為0.001 kg）進(jìn)行稱質(zhì)量，并于降雨和灌溉前后加測。通過前后2次的質(zhì)量差，進(jìn)行面積換算可得到相應(yīng)時(shí)段下相應(yīng)灌溉方式的棵間蒸發(fā)量；不同灌溉方式的水稻蒸騰量（生理用水）即為相應(yīng)灌溉方式的蒸散量與棵間蒸發(fā)量之差。滲漏量與棵間蒸發(fā)量之和即為稻田生態(tài)用水。

1.3.2土壤溫度插秧后采用JL-04型多點(diǎn)土壤溫度記錄儀全天候自動(dòng)觀測IT、MT、CSF小區(qū)的0、5、10、15 cm土壤溫度T0、T5、T10、T15。溫度測量精度為±0.2 ℃，監(jiān)測步長為 1 h。

1.3.3產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成水稻成熟時(shí)，各試驗(yàn)小區(qū)布設(shè)樣方進(jìn)行考種測產(chǎn)。每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)各取5個(gè)樣方，每個(gè)樣方面積為1 m×1 m，各試驗(yàn)小區(qū)按樣方分別考種，測定水稻產(chǎn)量構(gòu)成要素，包括單位面積有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率、千粒質(zhì)量等，同時(shí)計(jì)算每個(gè)樣方的理論籽粒產(chǎn)量。每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)單打單收，曬干揚(yáng)凈后，測定實(shí)際籽粒產(chǎn)量。

1.3.4經(jīng)濟(jì)效益及經(jīng)濟(jì)效率水稻價(jià)格采用2013年黑龍江省水稻市場價(jià)格3.00元/kg，計(jì)算單位面積水稻產(chǎn)量所得的經(jīng)濟(jì)效益，公式為：經(jīng)濟(jì)效益=水稻產(chǎn)量×水稻價(jià)格。生產(chǎn)成本包括單位面積土地承包費(fèi)、灌溉消耗的柴油費(fèi)、農(nóng)具購買或租用費(fèi)、勞動(dòng)力雇傭費(fèi)以及種子、農(nóng)藥、化肥的費(fèi)用。計(jì)算經(jīng)濟(jì)凈效益和經(jīng)濟(jì)效率，公式為：經(jīng)濟(jì)凈效益=經(jīng)濟(jì)效益-生成成本；經(jīng)濟(jì)效率=經(jīng)濟(jì)凈效益/灌溉水量。

2結(jié)果與分析

2.1不同灌溉方式的稻田生理生態(tài)用水

稻田耗水量包括生態(tài)用水（棵間蒸發(fā)、稻田滲漏）和生理用水（植株蒸騰），而生態(tài)用水中相當(dāng)一部分水分的消耗對(duì)水稻生長發(fā)育無效，甚至?xí)?duì)水稻產(chǎn)生不利影響[7]。由不同灌溉方式下稻田本田期生理生態(tài)用水情況（表1）可知，稻田生態(tài)用水量（蒸發(fā)量和滲漏量）表現(xiàn)為CSF>IT>MT，IT、MT與淹灌相比分別節(jié)省生態(tài)用水96.9、132.4 mm，相當(dāng)于24.1%、32.9%，非充分灌溉（IT、MT）與傳統(tǒng)淹灌的生態(tài)用水量差異顯著（P<0.05）。與淹灌相比，IT、MT小區(qū)的水稻蒸騰量分別減少4.7%、3.7%，在95%置信區(qū)間內(nèi)差異不顯著，表明非充分灌溉（IT、MT）并未對(duì)水稻生理用水造成顯著影響。表1顯示，IT、MT小區(qū)水稻蒸騰量占總耗水量的比例分別比淹灌小區(qū)高5.6%、8.9%，非充分灌溉（IT、MT）在一定程度上增加了生理用水的比例，減少無效耗水的比例，提高水分的利用效率?？梢?，非充分灌溉在對(duì)稻田生理用水影響很小的情況下，通過保持稻田淺水層或無水層的方法減少稻田的生態(tài)用水量[8-9]。

2.2不同灌溉方式的稻田土壤溫度

由14：00時(shí)刻不同灌溉方式下稻田本田期土壤溫度的平均值（表2）可知，非充分灌溉（IT、MT）增加了各層土壤溫度，并顯著增加了10、15 cm土壤溫度。與傳統(tǒng)淹灌相比，間歇灌的10、15 cm土壤溫度分別增加7.9%、9.4%，濕潤灌的10、15 cm地溫分別增加11.1%、13.4%。表2顯示，非充分灌溉（IT、MT）不僅顯著增加了各層土壤平均溫度（T0～15），還降低了各層土壤間的溫度差異。IT小區(qū)稻田0 cm土壤溫度平均比5、10、15 cm土壤溫度高1.0、2.3、3.5 ℃，MT小區(qū)稻田 0 cm 土壤溫度平均比5、10、15 cm土壤溫度高0.7、1.8、2.9 ℃，CSF小區(qū)稻田0 cm土壤溫度平均比5、10、15 cm土壤溫度高1.5、3.5、4.9 ℃?？梢?，非充分灌溉（IT、MT）小區(qū)稻田潛水層或無水層，使得太陽輻射對(duì)深層（10～15 cm）土壤溫度的影響變大，顯著增加深層（10～15 cm）土壤溫度，有利于寒地水稻根系生長發(fā)育，為水稻獲得高產(chǎn)打下基礎(chǔ)[10]。

2.3不同灌溉方式的稻田產(chǎn)量及其構(gòu)成要素

由不同灌溉處理下水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成要素（表3）可知，與淹灌相比，IT、MT灌溉處理的理論籽實(shí)產(chǎn)量分別提高117%、13.9%， 實(shí)際籽實(shí)產(chǎn)量分別提高12.2%、13.1%。非充分灌溉（IT、MT）顯著提高了水稻產(chǎn)量，MT的增產(chǎn)效果略優(yōu)于IT處理，但差異不顯著。從產(chǎn)量構(gòu)成來看，非充分灌溉（IT、MT）與淹灌的產(chǎn)量差異主要由單位面積有效穗數(shù)的差異造成，與傳統(tǒng)淹灌相比，IT、MT灌溉的有效穗數(shù)分別增加 9.8%、10.8%，非充分灌溉（IT、MT）與傳統(tǒng)淹灌的有效穗數(shù)差異顯著（P<0.05）。每穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率、千粒質(zhì)量等構(gòu)成要素略有差異，但在95%置信區(qū)間內(nèi)差異不顯著?？梢姡浅浞止喔龋↖T、MT）有利于水稻的有效分蘗及其物質(zhì)生產(chǎn)，從而增大水稻“庫”容，增加水稻產(chǎn)量[11-12]。

2.4不同灌溉方式的稻田經(jīng)濟(jì)效益及經(jīng)濟(jì)效率

3種灌溉方式生產(chǎn)成本的差異來自灌溉消耗的柴油費(fèi)。由不同灌溉方式稻田的經(jīng)濟(jì)效益及經(jīng)濟(jì)效率（表4）可知，與傳統(tǒng)淹灌相比，IT、MT稻田灌溉消耗的柴油費(fèi)分別減少了543.97、671.43元/hm2。表4顯示，3種灌溉方式下的經(jīng)濟(jì)效益、經(jīng)濟(jì)凈效益、經(jīng)濟(jì)效率的大小均表現(xiàn)為MT>IT>CSF。與傳統(tǒng)淹灌相比，IT、MT稻田的經(jīng)濟(jì)凈效益分別提高289%、32.6%。非充分灌溉（IT、MT）小區(qū)在顯著提高經(jīng)濟(jì)效益和經(jīng)濟(jì)凈效益的同時(shí)，顯著減少了灌溉水量，因此非充分灌溉（IT、MT）小區(qū)的經(jīng)濟(jì)效率也顯著高于傳統(tǒng)淹灌，IT、MT稻田的經(jīng)濟(jì)效率分別比淹灌提高108.6%、150.4%。MT的經(jīng)濟(jì)效益和經(jīng)濟(jì)凈效益均優(yōu)于IT處理，但差異不顯著，而MT的灌溉水量顯著低于IT處理，因此MT的經(jīng)濟(jì)效率顯著高于IT處理。可見，非充分灌溉（IT、MT）可顯著提高灌溉水的利用效率，在節(jié)約水資源的同時(shí)增加稻田的經(jīng)濟(jì)效益。

3結(jié)論與討論

與傳統(tǒng)淹灌相比，間歇灌、濕潤灌分別節(jié)省生態(tài)用水 24.1%、32.9%。非充分灌溉（IT、MT）與淹灌的稻田本田期滲漏量、蒸發(fā)量、總耗水量均差異顯著（P<0.05），非充分灌溉（IT、MT）的稻田本田期生理用水（蒸騰量）略低于傳統(tǒng)淹灌，但差異不顯著。與傳統(tǒng)淹灌相比，非充分灌溉（IT、MT）不僅顯著增加了深層（10～15 cm）土壤溫度，同時(shí)也縮小了各層土壤溫度之間的差異，有利于寒地井灌水稻根系的生長發(fā)育。非充分灌溉（IT、MT）顯著增加了寒地井灌稻田單位面積的有效穗數(shù)，進(jìn)而顯著提高了稻田產(chǎn)量。與傳統(tǒng)淹灌相比，間歇灌、濕潤灌的有效穗數(shù)分別增加了9.8%、10.8%，實(shí)際籽粒產(chǎn)量分別提高12.2%、13.1%。濕潤灌的有效穗數(shù)和產(chǎn)量略高于間歇灌，但差異不顯著?？梢?，在寒地稻區(qū)采取非充分灌溉，不僅節(jié)約生態(tài)用水、降低灌溉成本，并能顯著增加水稻產(chǎn)量。間歇灌、濕潤灌顯著提高了寒地井灌稻田的經(jīng)濟(jì)效益、經(jīng)濟(jì)凈效益、經(jīng)濟(jì)效率，是北方寒地井灌稻區(qū)2種較適宜的非充分灌溉方式，具體采用的灌溉方式應(yīng)結(jié)合不同水稻品種和土壤質(zhì)地開展進(jìn)一步研究。

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