旱地小麥深層防堵滲灌應(yīng)用研究

席吉龍，楊 娜，王 珂，張建誠，姚景珍

（山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所，山西運(yùn)城044000）

0 引言

黃土高原旱作麥區(qū)是中國主要旱地小麥大范圍連片產(chǎn)區(qū)，面積約200萬hm2。該區(qū)黃土覆蓋一般達(dá)30～300 m，地下水埋藏較深、開發(fā)困難。如何利用有限雨水提高農(nóng)作物生產(chǎn)力顯得尤為重要[1]。20世紀(jì)80年代以來，中國北方半干旱農(nóng)業(yè)區(qū)開展了雨水匯集利用技術(shù)的研究，把雨水集流技術(shù)、雨水貯存技術(shù)運(yùn)用到小麥、棉花、果樹等作物上[2-4]。在作物需水關(guān)鍵時(shí)期或干旱時(shí)期進(jìn)行有限補(bǔ)水灌溉，顯著提高了作物的產(chǎn)量和水分利用效率[5]。但是，在雨水高效利用上尚未形成科學(xué)合理的灌溉技術(shù)及作物栽培技術(shù)[6-7]。集雨補(bǔ)灌技術(shù)由地面灌溉補(bǔ)水向微灌補(bǔ)水、精準(zhǔn)補(bǔ)水轉(zhuǎn)變。滲灌是一種新型的有效地下灌溉技術(shù)，滲灌就是按照作物需水要求，通過低壓管道系統(tǒng)與安裝在末級管道上的特制灌水器，將水和作物生長所需的養(yǎng)分以較小的流量，均勻準(zhǔn)確地直接輸送到作物根部附近的土層中的灌溉水方法[8]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，管道輸水可節(jié)水20%～30%，噴灌可節(jié)水50%，微灌可節(jié)水60%～70%，滴灌和滲灌可節(jié)水80%以上[9]。滲灌具有節(jié)水、節(jié)能、降濕、增溫、改善土壤結(jié)構(gòu)、增加產(chǎn)量、改善作物品質(zhì)、減少病蟲害等優(yōu)點(diǎn)[10-13]。但存在一次投資成本大，滲灌管較易堵塞，不同作物灌溉管埋深度不同、滲水均勻性不穩(wěn)定、地下維修不便、機(jī)械化作業(yè)受限等原因，制約了滲灌技術(shù)大面積推廣應(yīng)用。為提高水分利用率和生物轉(zhuǎn)化效率，開展了小麥集雨滲灌關(guān)鍵農(nóng)藝技術(shù)研究，2012年在山西省農(nóng)科院棉花所夏縣牛家凹農(nóng)場，建立了0.67 hm2小麥深層防堵滲灌試驗(yàn)示范園，并與其他抗旱節(jié)水增產(chǎn)技術(shù)相配套，實(shí)現(xiàn)小麥水分綜合高效利用，以期為旱地小麥集雨補(bǔ)灌技術(shù)的推廣應(yīng)用提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)時(shí)間、地點(diǎn)

研究田間試驗(yàn)于2012年10月—2017年6月連續(xù)5年在山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所牛家凹試驗(yàn)農(nóng)場進(jìn)行。

1.2 試驗(yàn)材料

供試小麥品種均為國審麥‘運(yùn)旱618’，由山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所‘運(yùn)旱618’育種家提供。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 設(shè)滲灌與不滲灌2個(gè)處理，小區(qū)面積120 m2，重復(fù)3次。依據(jù)當(dāng)?shù)貧夂?、降雨量及小麥生長發(fā)育需水情況，靈活掌握滲水時(shí)間，一般滲水時(shí)間在返青—拔節(jié)期，每次滲水450 m3/hm2，具體滲水量及5年小麥生育期內(nèi)的降水量見表1，降水量數(shù)據(jù)由試驗(yàn)地氣象觀測站提供。

表1 連續(xù)5年降雨量及滲灌處理灌水情況

播前旋耕整地，于10月5—10日機(jī)械旋耕播種，播量150 kg/hm2左右。各處理施肥、除草、防治病蟲害及其他管理方法相同，小麥?zhǔn)斋@時(shí)測產(chǎn)，并進(jìn)行室內(nèi)考種，以小區(qū)實(shí)產(chǎn)折算為公頃產(chǎn)量。

1.3.2 深層防堵滲灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與技術(shù)參數(shù)

（1）滲灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)組成。水源由集雨蓄水池提供，潛水泵提水，機(jī)泵外安裝濾清器和壓力表，輸配水管道由干管、分管、支管、雙管微滲管組成。雙管微滲管系在16 mm線管上打孔，孔度1～1.5 mm，孔間距20～30 cm，把打好孔的線管外套內(nèi)徑18 mm橡塑微滲灌管（揚(yáng)州市恒輝化工有限公司生產(chǎn)）。雙管微滲管埋于田間深度45 cm。滲灌系統(tǒng)前支管上安裝閥門和水表便于統(tǒng)計(jì)灌水量。

（2）滲灌的技術(shù)參數(shù)。滲水管宜順小麥種植行布置；滲水管的埋設(shè)深度45 cm；滲水管的間距1.2 m；滲水管的長度50 m；滲灌的灌水定額450 m3/hm2；主管上安裝過濾器，用80～100目的紗網(wǎng)。

1.4 調(diào)查測定項(xiàng)目

1.4.1 土壤含水量測定 采用土鉆人工取土，試驗(yàn)期每年于小麥播前和收獲時(shí)鉆取1 m深，每10 cm取1份土放入鋁盒中，稱鮮重后，在105℃下烘至恒重，稱干重并測定土壤含水量。

1.4.2 水分利用率的計(jì)算方法[14]見公式(1)。

作物耗水量用農(nóng)田水分平衡法計(jì)算，如式(2)[15]。

式中：滲漏、截留和徑流不計(jì)，ΔW為冬小麥耗水量，W1為播種前的土壤含水量，W2為收獲時(shí)的土壤含水量，P為灌溉量，I為降水量。

1.4.3 灌溉效益的計(jì)算 見公式(3)[16]。

式中：IB為灌溉效益[kg/(hm2·mm)]，ΔY為灌溉后增加的產(chǎn)量(kg/hm2)，I為實(shí)際灌水量(mm)。

1.4.4 產(chǎn)量小麥成熟后，每個(gè)小區(qū)實(shí)收120 m2，并進(jìn)行室內(nèi)考種，脫粒曬干稱重折算為標(biāo)準(zhǔn)含水率產(chǎn)量。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

用Microsoft Excel 2012進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算,所有數(shù)據(jù)用SPSS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用t測驗(yàn)法進(jìn)行平均數(shù)顯著性比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 深層滲灌冬小麥的產(chǎn)量結(jié)果及產(chǎn)量結(jié)構(gòu)

由表2可見，各年滲灌處理的穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重都顯著高于對照。滲灌處理比對照增產(chǎn)47.5%～478.0%，其中2013年冬春連旱對照生長發(fā)育嚴(yán)重受阻，株高僅45 cm，產(chǎn)量僅649.6 kg/hm2，滲灌處理補(bǔ)水3次，共補(bǔ)水135 mm，增產(chǎn)幅度最大。增產(chǎn)的主要原因是在小麥需水關(guān)鍵期補(bǔ)水，促進(jìn)了小麥分蘗成穗，使穗多穗大粒重，小麥產(chǎn)量顯著提高。

2.2 深層滲灌小麥耗水量與水分利用效率

表3列出了2013—2017年冬小麥生長期內(nèi)水分收支情況，小麥播前土壤儲水量大于收獲土壤水分量，滲灌處理與對照降雨量相同，滲灌處理在小麥起身期限量補(bǔ)水，各年度灌水處理的耗水量都大于對照處理，水分利用率平均值為17.14 kg/(hm2·mm)，較對照提高2.6～8.1 kg/(hm2·mm)，提高了15.0%～245.5%，灌溉效率為5.7～9.4 kg/(hm2·mm)，干旱年型水分利用率、灌溉效率提高幅度最大。

2.3 深層滲灌經(jīng)濟(jì)效益分析

以本試驗(yàn)為例，工程費(fèi)用包括集雨蓄水池、提水潛水泵、管道、滲灌管、施肥過濾器、壓力表、計(jì)量水表、施工費(fèi)等，集雨蓄水池按20年折舊，其他按10年折舊。蓄水池容積300 m3，供應(yīng)0.67 hm2小麥田關(guān)鍵期補(bǔ)水量。年折舊費(fèi)集雨蓄水池375元/hm2，提水潛水泵300元/hm2，管道90元/hm2，施工費(fèi)300元/hm2施肥過濾器60元/hm2，工程費(fèi)用年折舊費(fèi)合計(jì)1125元/hm2。

表2 連續(xù)5年深層防堵滲灌系統(tǒng)產(chǎn)量及產(chǎn)量結(jié)構(gòu)

表3 5年深層滲灌各處理小麥耗水量與水分利用效率

經(jīng)濟(jì)效益是深層滲灌工程安裝完畢正常運(yùn)行后所增加的產(chǎn)量和品質(zhì)提高所增加的產(chǎn)值。按本試驗(yàn)連續(xù)5年產(chǎn)量平均值計(jì)算，小麥價(jià)格以市場價(jià)2.36元/kg計(jì)算。表4列出了深層滲灌與對照的投入及收入情況，可見滲灌純收益6849元/hm2比對照3150元/hm2多3699元，凈效益比對照提高117.4%。

滲灌具有節(jié)省開支產(chǎn)投比高的特點(diǎn)，不同的滲灌設(shè)計(jì)、滲灌用材料、滲灌作物滲水工程投入是不一樣的，生產(chǎn)資料、水電費(fèi)、人工管理費(fèi)也不同。

3 結(jié)論與討論

有限的集雨補(bǔ)水滲灌對小麥增產(chǎn)效果十分顯著，馮利平等[15]研究滲灌比旱地增產(chǎn)62.3%，滲灌可明顯提高冬小麥水分利用效率，滲灌處理水分利用效率平均為13.25 kg/(hm2·mm)；宋文品等[17]認(rèn)為，滲灌增加了小麥穗粒數(shù)、千粒重，提高了籽粒產(chǎn)量；春滲每公頃產(chǎn)小麥5151 kg，比對照增產(chǎn)33.7%；與傳統(tǒng)的露地條播相比滲灌覆蓋栽培技術(shù)平均增產(chǎn)1601.2 kg/hm2，增產(chǎn)率達(dá)38.0%。本研究5年補(bǔ)水滲灌試驗(yàn)增產(chǎn)幅度為47.5%～478%。

黃土高原東部的山西省多年歷史數(shù)據(jù)顯示小麥的旱情發(fā)生在播期的占7.0%，春旱占26%，拔節(jié)期—灌漿期旱的頻率占21.7%[18]。收集雨在春旱、夏初旱時(shí)滲灌，從時(shí)間和空間上主動(dòng)調(diào)節(jié)雨水分配，使水分供給與小麥關(guān)鍵需水期吻合。在小麥需水的關(guān)鍵時(shí)期補(bǔ)水，使小麥度過干旱脅迫的難關(guān)，待小麥根系發(fā)育完善后既能利用土壤深層水，也能在降雨季節(jié)到來之時(shí)，更好地利用天然降水，提高降水利用率。這也正是集雨補(bǔ)灌生態(tài)農(nóng)業(yè)以極少量的供水調(diào)動(dòng)土壤深部水，充分利用天然水，使作物獲得較高增產(chǎn)效果的原理所在。

表4 深層滲灌與對照5年純收益比較 元/hm2

與常規(guī)灌溉相比，地下滲灌明顯降低了全生育期的水分消耗[19]，水利用效率最高[20]；小麥滲灌比噴灌節(jié)水43.9%，水分利用率比噴灌提高35.2%，比旱地提高62.7%[15]；小麥滲管埋深20cm滲灌水分利用效率提高14.59%[21]；灌溉效率達(dá)到 13～56 kg/(hm2·mm)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了常規(guī)灌溉達(dá)到的水平[1]；本研究5年滲灌水分利用率提高了2.6～8.1 kg/(hm2·mm)，平均17.1 kg/(hm2·mm)，比對照提高15.0%～245%，灌溉效率5.7～9.4kg/(hm2·mm)。

冬小麥的次生根群主要分布在0～50 cm土壤中，占總根量的80%，初生根達(dá)2 m深。種子根、次生根發(fā)揮各自不同的作用。滲灌管深埋45 cm條件下，滲灌主要增加了40～80 cm土層含水量，冬小麥耗水的主要來源除降水和灌溉外，播前土壤儲水的有效利用對冬小麥高產(chǎn)非常關(guān)鍵，冬小麥灌漿期間主要利用下層土壤水分[22]。裴艷婷認(rèn)為[21]，深層土壤水對產(chǎn)量和水分利用效率具有重要作用；Kirkegaard等[23]發(fā)現(xiàn)，在澳大利亞旱作條件下冬小麥1.35～1.85 m土層中多吸收10.5 mm的水分，就能增產(chǎn)0.62 t/hm2。小麥滲灌能抑制表層土壤蒸發(fā)，埋深40 cm以下，也便于機(jī)械化操作，但帶來表層0～10 cm水分向上浸潤相對不足，在小麥出現(xiàn)播期和幼苗期干旱時(shí)難以滿足水分需求。

集雨滲灌以提高水分利用轉(zhuǎn)化效率為中心，在雨水生物轉(zhuǎn)化中使集蓄的雨水盡可能多地轉(zhuǎn)化為生物量[24]，因此推廣集雨滲灌要與基本農(nóng)田建設(shè)、耕作保墑、覆蓋、優(yōu)良品種、水肥耦合、化學(xué)抗旱等技術(shù)配套，構(gòu)成完整的黃土高原集雨滲灌旱作農(nóng)業(yè)技術(shù)體系，提高農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

基于黃土高原極其缺水和土質(zhì)適宜滲灌的特點(diǎn)，使得這項(xiàng)技術(shù)得到迅速發(fā)展[8]，由于滲灌技術(shù)在小麥上的應(yīng)用還不是非常成熟的技術(shù)，要將水文、材料、農(nóng)業(yè)水土工程、水土保持、土壤、農(nóng)藝等學(xué)科有機(jī)結(jié)合在一起，實(shí)行協(xié)同攻關(guān)，研究集成集雨滲灌的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。因地制宜建立具有區(qū)域特色的集雨滲灌工程技術(shù)體系，不斷提高集雨滲灌綜合效益，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，推動(dòng)綠色環(huán)保型水資源高效利用。