內(nèi)蒙古東部膜下滴灌旱作水稻作物需水量與產(chǎn)量研究

劉 虎，王 健，阿比亞斯，陳 功，高天明，肇志強，辛海霞

（1水利部牧區(qū)水利科學研究所，呼和浩特 010020；2內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學，呼和浩特 010020；3內(nèi)蒙古扎賚特旗水利局，內(nèi)蒙古興安盟 137600；4內(nèi)蒙古科右前旗農(nóng)牧和科技局，內(nèi)蒙古興安盟 137600）

0 引言

就種植數(shù)量而言，水稻在當今世界上居前列，絕大多數(shù)人選擇將水稻作為他們的主要食物。2010年以來，人們對水稻的消費和需求在不斷增加，而種植生產(chǎn)水稻需要大量的淡水，其中70%的農(nóng)業(yè)水資源用于水稻灌溉。由于工業(yè)、城市生活用水的增加、淡水資源總量減少，農(nóng)業(yè)淡水資源總體占比逐漸下降。在當前這種淡水資源有限的趨勢下，水稻旱作（覆膜旱作）栽培技術被認為是維持或改良稻米生產(chǎn)能力的有效途徑之一。

目前，國內(nèi)外學者對旱作水稻的田間管理、作物需水特性、產(chǎn)量特征等方面開展了一些研究。Du等[1]于1998和1999年的雨季，在越南平昌地區(qū)的研究了種子處理、播種量、播種時間對旱作水稻生長發(fā)育和雜草生長抑制的影響。Singh等[2]研究了水稻間作、麥茬覆蓋和除草劑對旱作水稻除草和優(yōu)化產(chǎn)量的效果。國際水稻研究所的Chauhan等[3]在2011年的雨季和2012年的旱季評估了不同除草劑在機械化播種的免耕旱種水稻生長過程中效果。Smith[4]在不同的生育期和不同的生長速率下，以不同處理的方式使用除草劑，以控制插秧和旱作水稻中的不同雜草的生長過程。Liu等[5]研究了中國中部地區(qū)2012和2013年水稻種植的生長、產(chǎn)量和水分利用效率，研究表明旱作直播水稻的籽粒產(chǎn)量與移栽水稻不同品種、不同年份的產(chǎn)量基本一致，旱作播水稻比移栽淹水水稻耗水量少15.3%，旱作直播水稻的氮素利用效率在2012年和2013年分別提高了20.3%和11.2%。

楊樺等[6]、季飛等[7]在黑龍江省慶安國家灌溉試驗試驗站和查哈陽地區(qū)開展的水稻不同生育階段受旱的非充分灌溉試驗表明，單生育階段內(nèi)中度水分虧缺狀態(tài)有利于水稻生長。趙宏亮等[8]為了分析在秸稈全量還田條件下水稻各個方面的狀態(tài)，在黑龍江現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)水田區(qū)開展了不同灌溉方式的水稻灌溉試驗，間歇灌溉和控制灌溉的處理的水稻的生長狀況最佳。李軻等[9]對不同灌水量的濕潤灌和淹灌水稻葉片生理及水分利用率進行的研究顯示，淹灌的最終產(chǎn)量有明顯改善，增產(chǎn)率為5.89%～13.97%。在HadCM3模式的基礎上，白開華等[10]分析了江蘇省省1961—2000年及未來一段時期內(nèi)的氣象數(shù)據(jù)，計算了水稻全生育階段參考作物騰發(fā)量與需水量的變化特征。通過FAO56法，羅玉峰等[11]計算了1955—2007年江蘇高郵灌區(qū)水稻灌溉需水量?？紤]到天氣因素的變化，高郵灌區(qū)水稻灌溉用水需求顯著增加。李榮超等[12]以安徽省天長市旱稻地膜覆蓋試驗數(shù)據(jù)為基礎，對節(jié)水高產(chǎn)技術水稻不同生育期、月需水量、需水強度、模數(shù)系數(shù)及其變化規(guī)律進行了分析，覆膜旱稻的需水強度和蒸散量分別降低了1.7 mm/d和195.9 mm(29.94%)。何圓球等[13]在溫室開展的旱作水稻研究表明土壤含水率和磷對旱稻的耗水量和水分利用效率影響顯著。彭世彰等[14]在安徽省滁州市和山東省濟寧市開展了水稻節(jié)水灌溉試驗以及作物蒸發(fā)蒸騰量ETc的理論計算模型研究。

目前對水稻的相關研究較常見，但是研究滴灌旱作水稻技術較少，特別是內(nèi)蒙古自治區(qū)東部膜下滴灌旱作水稻需水量和需水規(guī)律、合理灌溉定額、種植模式、灌水方式、水肥效應、經(jīng)濟評價等方面的研究尚不多見。為了解決內(nèi)蒙古東部當前面對的農(nóng)業(yè)水資源缺乏等制約當?shù)厣鐣?jīng)濟發(fā)展的瓶頸問題，本研究基于水量平衡原理，通過灌溉小區(qū)試驗、示范區(qū)監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集，分析了不同灌溉方式下水稻最終產(chǎn)量形成及作物需水系數(shù)，提出了內(nèi)蒙古東部旱稻膜下滴灌需水量及不同生育期的需水量規(guī)律。研究成果對未來持續(xù)提高內(nèi)蒙古東部地區(qū)膜下滴灌旱作水稻這一特色產(chǎn)業(yè)的綜合生產(chǎn)能力具有重大意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

膜下滴灌旱作水稻試驗地選擇在內(nèi)蒙古扎賚特旗好力保鄉(xiāng)五家子村，綽爾河南岸，地理位置為46°43'33.9"N，123°10'02.4"E。田間地表高度為海拔160 m。試驗研究區(qū)地勢平緩，土壤肥力較低，土壤厚度約為40 cm，質(zhì)地主要為壤土和沙壤土。年均太陽輻射131.5 kJ/cm2，年均日照時間2855 h。年均氣溫3.1℃，≥10℃積溫多年平均為2528～2786℃。多年平均無霜期135天。年濕度為0.39～0.58，屬半濕潤半干旱區(qū)，年均降水量為428 mm，蒸發(fā)量為1958 mm。

項目區(qū)內(nèi)田間持水量為24%～29%，土壤容重1.24～1.34 g/cm3，土壤陽離子交換量CEC 1.15～1.42 cmol/kg，鹽分含量0.26～0.30%，pH 7.2。土壤養(yǎng)分含量見表1。

表1 試驗區(qū)田間土壤肥力含量

1.2 試驗設計

試驗共設3個處理：膜下滴灌(MD)、無膜滴灌(DG)和傳統(tǒng)插秧泡田(CK)，處理如表2所示。各個處理均設置3次重復，共九個試驗小區(qū)，每個小區(qū)面積0.67 hm2。灌溉水量由電磁閥和水表控制，當土壤含水量達到試驗處理設置的下限，即開始灌水，灌至土壤含水量上限。水分處理的具體時期及方案見表2。MD和DG處理的采用1膜2管4行種植模式(10 cm+50 cm+10 cm)，膜寬 1.15 m，種植幅寬 1.2 m，株距10 cm，穴距10 cm，毛管布置在寬行。播種采用機播，每穴10粒。人工插秧采用CK處理，密度按照內(nèi)蒙古東部種植習慣，行距取30 cm，穴距取15 cm，每穴栽種5株。所有處理均勻施肥，施肥量為氮肥120 kg/hm2、磷肥50 kg/hm2、鉀肥75 kg/hm2。其中氮肥按照底肥:拔節(jié)期:孕穗期=5:3:2的比例施入；鉀肥按苗期:孕穗期=1:1施入，苗期做底肥一次施入，孕穗期分2次施入；磷肥作底肥一次性施入。地塊中央設置地下水觀測井1眼。

表2 膜下滴灌水稻試驗處理設計表 %

1.3 試驗觀測內(nèi)容

觀測數(shù)據(jù)包括氣象數(shù)據(jù)、地下水深度、土壤物理特征、土壤含水量、作物生長狀況指標和作物產(chǎn)量。

氣象資料來源于扎賚特旗氣象站和田間氣象站(HOBO U30)，氣象數(shù)據(jù)包括：日照、蒸發(fā)、溫度等。地下水埋深：通過水位計測定。土壤物理性狀包括：在試驗開始前測定含水率、田間持水量、土壤容重、孔隙度，土壤含水量及溫度采用ET-60/100云智能管式土壤水分儀（智墑）。作物生長狀況指標：每個生育期用卷尺測量株高一次；葉面積每個生育期一次，用LAI-2000植物冠層儀測定；莖粗每個生育期一次，用卡尺測定。作物產(chǎn)量：在測定冠部各器官干物質(zhì)量的同時測定各處理水稻根部干物質(zhì)量。每個測坑選取5穴，每穴選取1株，在植株附近就近取樣，以整株為宜。用尼龍網(wǎng)袋收集水稻根部及斷根部分并將其沖洗干凈。

2 膜下滴灌旱作水稻需水規(guī)律研究

2.1 水分運動參數(shù)及地下水補給量研究

本研究采用SPAW(Soil-Plant-Air-Water)模型中的Soil Water Characteristic用于估算土壤中的持水特性，該模塊主要是通過一組廣義方程來描述土壤張力、電導率和土壤水分含量之間的關系，是一組關于砂礫和粉粒含量與有機質(zhì)含量的函數(shù)。模塊輸入粉粒、砂礫、田間持水量、飽和導水率、土壤濕容重、有機質(zhì)百分含量，輸出凋萎系數(shù)、田間持水量、飽和導水率和土壤濕容重，模型界面見1a。

首先確定了土壤水分的參數(shù)，即土壤中的水分擴散率D和土壤中的導水率K等，見表3土壤水分特征值。通過SPAW模型模擬得到土壤水分飽和導水率為10.61 cm/d；土壤水分特征曲線見圖1b。

表3 項目區(qū)SPAW模擬的土壤水分特征值

圖1 SPAW模型計算結(jié)果

通過D值和土壤水分特征曲線推求土壤導水率K，得到土壤導水率計算公式(1)，式中θ為土壤含水率。

項目區(qū)作物生長期地下水位變幅在1.2 m左右，存在一定地下水補給，該方法所依循的原則是達西定律和質(zhì)量守恒原理。通過該方法對土壤水通量、潛水入滲和蒸發(fā)進行了分析計算。為測量土壤水勢的能量梯度變化，在作物根部的上下位置Z1和Z2安裝了負壓計，通過計算得該點處的通量如式(2)所示。

其中：△z=z2-z1，h=(h2+h1)/2。

式中：h1、h2為z1和z2位置的負壓值。由上述方程(1)、(2)可計算t1-t2之間每單位面積的地下水流量Q(z1-2)。某一斷面流量Q(z)同樣可由Q(z1-2)計算，見式(3)。

通過公式(3)計算得到試驗區(qū)不同生育期地下水補給，其結(jié)果見表4。

表4 膜下滴灌水稻生育期內(nèi)地下水補給計算表

2.2 膜下滴灌旱作水稻需水量

膜下滴灌需水量的計算遵循水量平衡原則：ET=P0+K+M+Wt+ΔW，式中ET為作物期需水量，mm；P0為生育期有效降雨量，mm；K為生育期地下水補給量，mm；M為生育期灌溉量，mm；Wt為計劃灌溉量生長期濕潤層由于計劃濕潤層和水量的增加，基本無變化，本項不計算；ΔW為生長期初、末期計劃濕潤層蓄水量，生長期初、末期土壤水分按常量計算，本項不計算。膜下滴灌旱作水稻的需水特性與規(guī)律除了與氣候、土壤等環(huán)境條件有關外，還與水稻品系和種植模式等因素有關，具有一定的區(qū)域限制。而在同一地區(qū)的同種類別，則主要取決于栽培方式和栽培技術。膜下滴灌水稻需水特征及規(guī)律見表5。

表5 膜下滴灌水稻的需水特性與規(guī)律

膜下滴灌水稻整個生育階段作物需水量為608.4mm，苗期的需水量和模比系數(shù)最小，為31.1 mm和5.12%，抽穗灌漿期最大，為250.8 mm和41.22%。從需水量來看，拔節(jié)孕穗期所需需水量最大，為5.22 mm/d，其次是分蘗后期，為4.58 mm/d，苗期的需水量最少，為2.83 mm/d。就其變化規(guī)律而言，自分蘗后期開始，耗水強度快速增加，直到拔節(jié)孕穗中期達到最大，之后進入拔節(jié)孕穗后期呈逐漸減小的趨勢；需水系數(shù)在全生育期中抽穗灌漿期為最大0.96，其后的拔節(jié)孕穗期、分蘗期和苗期分別為0.37、0.14和0.05，呈漸次遞增的變化趨勢。

2.3 不同灌溉處理的水稻作物不同生育階段需水量

由表6可知，無膜滴灌的全階段需水量為651.7 mm，其中抽穗灌漿期需水量最大為254.7 mm，其次為拔節(jié)孕穗期和分蘗期的240.1 mm和分蘗期118.4 mm，苗期的需水量最小為38.5 mm。全生育階段中分蘗期的需水強度最大為5.92 mm/d，其次是拔節(jié)孕穗期和抽穗灌漿期的5.33 mm/d和4.24 mm/d，苗期最小3.5 mm/d。整體而言，較膜下滴灌高，這只要是由于生長早期沒有薄膜的水汽阻隔作用，所以需水強度比較大，在拔節(jié)孕穗期和抽穗灌漿期，由于稻田基本都已經(jīng)被稻桿和葉片全面覆蓋，棵間蒸發(fā)將至最低，主要需水量為葉片蒸騰作用，因此生長的中后期的需水強度與膜下滴灌水稻比較接近。

表6 不同處理的各生育階段需水量(mm)/需水強度(mm/d)

傳統(tǒng)插秧泡田灌溉水稻的全生育期需水量為1647.1 mm，其中拔節(jié)孕穗期需水量最大為628.4 mm，其次為抽穗灌漿期和分蘗期的432.6 mm和分蘗期355.4 mm，苗期的需水量最小為230.7 mm。全生育階段中苗期的需水強度最大為20.97 mm/d，其次是分蘗期和拔節(jié)孕穗期的17.77 mm/d和7.21 mm/d，抽穗灌漿期最小7.21 mm/d。這主要是因為在傳統(tǒng)的水稻種植中，水稻插秧前，需要將耕層土壤浸透，以利于翻耕和插秧，并對水田進行灌溉，所以泡田定額較大，因此最大的需水強度出現(xiàn)在苗期，而進入生長期，由于稻株經(jīng)常處理水淹狀態(tài)，因此，需水強度仍然相對較高，到了抽穗灌漿期，稻田要逐漸進入曬田狀態(tài)，土壤中的水分逐漸減少，因此這個時期的需水量最小。

根據(jù)膜下灌溉水稻的需水量分析，水稻生育期間的干旱時期與構(gòu)成產(chǎn)量性狀的關系極大。幼穗分化期及乳熟期干旱，對千粒重有影響，而對結(jié)實率和粒重影響的時期是出穗期＞減數(shù)分蘗期＞乳熟期＞幼穗分化期，因此增加灌水次數(shù)應著重在幼穗至乳熟期。在此期間，為了提高膜下滴灌水稻產(chǎn)量需適時增加灌溉次數(shù)和灌水量。

2.4 不同灌溉處理的水稻不同月份需水量

從不同月份需水量來看，膜下滴灌的需水量比無膜滴灌的需水量總體而言小。裸地與覆膜相比，需水量更高。土壤水分蒸發(fā)在沒有覆膜的情況下更快，田間貯水量減少，需要補充更多的水分。但是隨著生長的進行，覆膜與不覆膜滴灌水稻在不同月份的需水量差異逐漸減少。

由圖2所示，6月初，隨著溫度上升，輻射增強，各個處理的水稻需水量均在逐步增加，需水量達到一個小高峰，此時需適量適時灌水。在7月底至8月初，外部環(huán)境溫度高，相對濕度低，平均日照時間增加，水稻進入了抽穗開花期，水稻蒸騰作用劇烈，該階段水稻需水量最為旺盛。9月中旬，由于氣溫和日照時數(shù)的減少，旱稻覆膜需水強度和需水量有所下降?？梢?，膜下滴灌旱作水稻的需水量相對集中，主要集中分布在生育中后期。在此期間維持供水，有利于穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，提高作物水分利用效率。

圖2 水稻不同月份的需水量變化情況

3 膜下滴灌旱作水稻作物產(chǎn)量與需水系數(shù)研究

水稻產(chǎn)量與灌溉方式以及需水量存在著密切的關系。在內(nèi)蒙古東部地區(qū)，傳統(tǒng)水稻以及膜下滴灌水稻的種植生產(chǎn)主要靠灌溉，因此為了提高糧食產(chǎn)量、節(jié)約水資源，需要對水稻產(chǎn)量指標和需水量進行分析。

膜下水稻最終產(chǎn)量與成粒率、千粒重、單位面積的有效穗數(shù)等產(chǎn)量構(gòu)成因素有關，且高產(chǎn)的品種并不是孤立的依靠單一的某一因子獲得高產(chǎn)，只有平衡產(chǎn)量的組成部分并相互協(xié)調(diào)，才能獲得最高的產(chǎn)量。從表7可知，膜下滴灌的穗數(shù)為278.1萬/hm2，略少于傳統(tǒng)泡田的296.1萬/hm2，而膜下滴灌的實粒為106.5個，高于傳統(tǒng)泡田的99.4個。膜下滴灌和傳統(tǒng)泡田的空癟率和千粒重基本相當。通過測產(chǎn)可知膜下滴灌的產(chǎn)量6251 kg/hm2，比傳統(tǒng)泡田的6970.5 kg/hm2，降低了8.9%。

表7 膜下滴灌水稻產(chǎn)量與需水系數(shù)分析

作物需水系數(shù)是一個重要的參數(shù)，通過它可以反映出水稻產(chǎn)量與需水量之間的關系，在進行作物需水量分析和最優(yōu)方案確定時，常以作物需水系數(shù)作為衡量指標和參選條件。需水系數(shù)K=ET/W，式中：K為需水系數(shù)(m3/kg)；ET為需水量(m3/hm2)；W為產(chǎn)量(kg/hm2)。膜下滴灌的需水系數(shù)最低，為0.96 m3/kg，其次是無膜滴灌水稻，為1.05 m3/kg，傳統(tǒng)插秧泡田水稻的需水系數(shù)最高，為2.36 m3/kg。膜下滴灌水稻的需水系數(shù)較傳統(tǒng)插秧泡田減少了59.5%。

4 結(jié)果與討論

膜下滴灌旱作水稻的需水特性和變化規(guī)律是由于旱作水稻本身的生理需水特性（內(nèi)因）和氣候因素、栽培方式等外界環(huán)境條件（外因）所共同決定的。在分蘗前期，植株矮小，處于營養(yǎng)生長階段，此時農(nóng)田水分的消耗主要是棵間蒸發(fā)，由于薄膜的作用，加上氣溫低蒸發(fā)弱，故而其需水量和需水強度較小。隨著生長發(fā)育的不斷推進，植株和葉面積逐漸增大。進入營養(yǎng)生長和生殖生長并進的旺盛生長期，需要吸收大量的水分和養(yǎng)分，而外界的蒸發(fā)能力也逐漸增強，所以其耗水量和耗水強度也會同步增大，到分蘗后期達到高峰。抽穗以后，隨著下部葉片的逐漸枯萎，綠色功能葉面積的減小和外界蒸發(fā)能力下降，植株本身對水分的需求也在逐漸減少，耗水量和耗水強度又呈下降的變化趨勢。

總體而言，內(nèi)蒙古東部興安盟地區(qū)膜下滴灌水稻全生育期（5月中旬到9月下旬）需水量為608.4 mm，作物系數(shù)為0.89，其生育階段土壤含水率占飽和含水量的85%～100%時，產(chǎn)量最大，為6351 kg/hm2。各生育階段的需水量和模比系數(shù)以苗期最小，為31.1 mm和5.12%，抽穗灌漿期最大，為250.8 mm和41.22%。需水強度總體而言，自分蘗后期開始快速增加，直到拔節(jié)孕穗中期達到最大，之后進入拔節(jié)孕穗后期呈逐漸減小的趨勢；需水系數(shù)在全生育期中抽穗灌漿期為最大0.96，依次是拔節(jié)孕穗期、分蘗期和苗期，分別為0.37、0.14和0.05，呈漸次遞增的變化趨勢。