豫東地區(qū)引黃灌區(qū)冬小麥耗水量對比研究

王孟楨，楊宏飛，張俊峰，馮躍華，姜 楠，高子樂

（1.河南省豫東水利工程管理局 三義寨分局，河南 蘭考 475300； 2.河南省豫東水利工程管理局，河南 開封 475000； 3.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004； 4.河南省黃河中下游水資源節(jié)約集約利用工程技術(shù)研究中心，河南 開封 475004）

河南省位于黃河流域中下游，是我國糧食生產(chǎn)大?。?］，也是農(nóng)業(yè)用水較多的省份。 2020 年，河南省糧食總產(chǎn)量首次超過675 億kg，并連續(xù)第4 年穩(wěn)定在650 億kg以上；當(dāng)年河南省糧食播種面積為10 738 794 hm2，其中冬小麥和夏玉米占播種面積的85%以上［2］。 同時(shí)，河南省也是我國嚴(yán)重缺水的地區(qū)之一，豫東地區(qū)地處黃河下游，引黃灌區(qū)以農(nóng)業(yè)用水為主［3－5］。 因此，明確引黃灌區(qū)主要作物冬小麥的耗水量及生育期內(nèi)分布規(guī)律，不僅有利于灌區(qū)節(jié)水增產(chǎn)提質(zhì)增效，提高水資源節(jié)約集約利用整體水平，也可為國家糧食戰(zhàn)略工程河南核心區(qū)更好地發(fā)揮引領(lǐng)作用提供參考［6－7］。

目前，針對冬小麥的作物需水量、灌水量、缺水量等方面的研究，一些學(xué)者從時(shí)間、空間等不同角度出發(fā)建立了計(jì)算分析模型，取得了豐碩成果［6－7］。 田靜等［8］對中亞五國棉花和冬小麥的需水量變化進(jìn)行了分析及預(yù)測，分析了2006—2015 年中亞地區(qū)灌溉農(nóng)業(yè)用地以及棉花和冬小麥的需水量變化，利用CAMarkov 方法預(yù)測了2030 年灌溉農(nóng)地的變化，以及未來中亞地區(qū)農(nóng)業(yè)需水狀況。 劉鈺等［9］、倪廣恒等［10］、馬黎華等［11］、王景雷等［12］對全國范圍內(nèi)主要農(nóng)作物的灌溉需水量、灌溉水利用系數(shù)進(jìn)行了測算和分析，對農(nóng)作區(qū)凈灌溉需水量進(jìn)行了模擬及不確定性分析。 尹海霞等［13］、劉曉英等［14］分別對黑河流域、華北地區(qū)主要作物需水量變化趨勢進(jìn)行了分析預(yù)測。 楊榮贊等［15］對小麥生育期內(nèi)田間土壤水分動態(tài)變化過程進(jìn)行了模型模擬，分析了冬小麥生育期內(nèi)田間土壤水分動態(tài)變化過程及其對降水的響應(yīng)情況，采用土壤水量平衡模型對土壤含水量變化過程進(jìn)行模擬。 李志等［16］對蘇北地區(qū)不同水文年冬小麥需水量與灌水量進(jìn)行了分析，確定了冬小麥生育期前期、快速發(fā)育期、生育期中期和生育期后期的作物需水量。 曹大禹等［17］對華北平原冬小麥、夏玉米作物虧缺水量空間分布進(jìn)行了研究，結(jié)合冬小麥、夏玉米的作物系數(shù)得出作物需水量，基于ArcGIS 繪制了華北平原虧缺水量等值線圖。 宋妮等［18］、劉小剛等［19］、馬志紅等［20］、周迎平等［21］、姬興杰等［22］對河南省主糧作物需水量變化趨勢與成因、河南省參考作物蒸散量變化特征及其氣候影響進(jìn)行了不同時(shí)段、不同作物、不同影響因子的深入分析。 常迪等［23］采用土壤水分動態(tài)隨機(jī)模型對河南省人民勝利渠灌區(qū)冬小麥灌溉需水量進(jìn)行了模擬和時(shí)空特征研究。 高志永等［24］采用TFPW?MK 法對河南省三義寨引黃灌區(qū)冬小麥等3 種作物需水量變化特征進(jìn)行研究，借助通徑分析法探究其變化成因及趨勢。

以上對于作物需水量的研究主要集中在利用各種模型，對不同的區(qū)域、時(shí)段、作物進(jìn)行需水量的變化特征分析和趨勢模擬［25］；對于冬小麥需水量的研究主要集中在需水量空間分布、變化成因及影響因子確定。但是，針對河南省引黃灌區(qū)冬小麥的耗水量，從試驗(yàn)角度出發(fā)進(jìn)行灌溉方法設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)觀測、收集分析等方面的研究，還顯得很匱乏，這對于引黃灌區(qū)如何更好地推廣和落實(shí)最嚴(yán)格的水資源管理制度，以及如何科學(xué)地規(guī)劃灌區(qū)未來發(fā)展都帶來不利的影響。 因此，急需深入開展引黃灌區(qū)冬小麥耗水量試驗(yàn)研究，有效地提升灌區(qū)水資源利用的水平，服務(wù)引黃灌區(qū)的高質(zhì)量發(fā)展。

1 研究區(qū)域概況及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 研究區(qū)域概況

柳園口灌區(qū)地處河南省開封市境內(nèi)，位于東經(jīng)114°21′— 114°47′、北緯34°35′—34°53′，屬淮河流域惠濟(jì)河水系，包括開封市、開封縣、杞縣的一部分，涉及11 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)82 個(gè)行政村，灌區(qū)人口29.35 萬［26］。 灌區(qū)內(nèi)主要作物除冬小麥外，還有水稻、玉米、棉花、大豆等，其中冬小麥的種植面積達(dá)到灌區(qū)總面積的68.3%［27］。

1.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源

本研究采用的氣象、灌溉試驗(yàn)等數(shù)據(jù)均來自河南省豫東水利工程管理局惠北水利科學(xué)試驗(yàn)站。 該站的地理位置為東經(jīng)114°31′、北緯34°46′，代表區(qū)域?yàn)楹幽鲜×鴪@口引黃灌區(qū)，選取了該站1999—2019 年逐日地面氣象觀測資料，包括日降水量、日水面蒸發(fā)量、日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、日空氣相對濕度、日日照時(shí)數(shù)、日平均風(fēng)速等數(shù)據(jù)［28］。

惠北水利科學(xué)試驗(yàn)站成立于1958 年，擁有約74.17 km2的試驗(yàn)區(qū)，其中耕地面積0.56 萬hm2。 該站試驗(yàn)區(qū)位于開封縣東部，屬于淮河水系惠濟(jì)河流域。受大陸性季風(fēng)氣候影響，四季分明，屬于半濕潤半干旱氣候帶，多年平均氣溫為14.1 ℃，多年平均降水量為626.7 mm，其中7—9 月降水量約占全年的70%，冬春季多風(fēng)少雨、氣候干燥；全年中3—8 月為相對集中的蒸發(fā)期，蒸發(fā)量占到全年蒸發(fā)量的69%，多年平均水面蒸發(fā)量為1 350 mm；多年平均日照時(shí)數(shù)為2 267.6 h，光熱資源豐富，無霜期210 ～240 d［29］。 試驗(yàn)區(qū)位于黃河沖積河間低平地塊，地勢平坦，由西北向東南微斜，地面高程69.20～63.20 m，平均地面坡降1／3 000 ～1／4 000。 土壤母質(zhì)為黃河沖積物，土層厚度為300 ～400 m，屬于第四系全新統(tǒng)地層。 氣候和土壤質(zhì)地與柳園口引黃灌區(qū)有較大的相似性，其資料對于柳園口引黃灌區(qū)具有較強(qiáng)的代表性。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了獲取河南省開封市柳園口引黃灌區(qū)主要作物冬小麥生育期的耗水量值，分別設(shè)計(jì)了大棚3 個(gè)測坑P1、P2、P3，大田3 個(gè)測坑T1、T2、T3，全程試驗(yàn)監(jiān)測冬小麥在整個(gè)生育期219 d 的耗水、生長、收獲、考種等情況及數(shù)據(jù)。 在大棚測坑底部鋪設(shè)了黑白膜、頂部設(shè)有透明棚頂，大田測坑底部鋪設(shè)有透氣防滲砂毯，這些措施有效地減少了地下水、降雨對小麥耗水量試驗(yàn)的干擾，保證耗水量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1.3.1 大棚冬小麥耗水量試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在惠北水利科學(xué)試驗(yàn)站內(nèi)開展大棚和大田兩項(xiàng)試驗(yàn)。 大棚尺寸為10 m×8 m，沿南北方向設(shè)3 個(gè)磚砌方形測坑，長×寬×深為2 m×2 m×1 m，坑內(nèi)土壤為中壤土原狀回填，密度按1.45 g／cm3計(jì)算。

將冬小麥全生育期劃分為非需水關(guān)鍵期和需水關(guān)鍵期兩個(gè)部分，每個(gè)部分設(shè)不同水分控制下限，上限均為100%田間持水量，共3 個(gè)處理。 大棚冬小麥灌溉試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)方案見表1。 試驗(yàn)各處理均設(shè)1 個(gè)重復(fù)，測坑四周設(shè)有保護(hù)區(qū)，平面布置如圖1 所示（圖中紅色線段表示測點(diǎn)位置）。

表1 大棚冬小麥灌溉試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)方案 %

圖1 測坑測點(diǎn)布置示意

1.3.2 大田冬小麥耗水量試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間沿南北方向設(shè)4 個(gè)磚砌方形測坑（其中一個(gè)不采用），長×寬×深為4 m×4 m×1 m，坑內(nèi)底部和四周均鋪設(shè)透氣防滲砂毯，防止周圍水分互相影響，取大田土壤（中壤土）分層回填。 將冬小麥全生育期劃分為需水關(guān)鍵期和非需水關(guān)鍵期兩個(gè)部分，每個(gè)部分設(shè)不同水分控制下限，上限均為100%田間持水量，其中1個(gè)為對照CK，共3 個(gè)處理。 冬小麥灌溉試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)方案見表2。

表2 大田冬小麥灌溉試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)方案 %

1.3.3 冬小麥種植及灌溉方式設(shè)計(jì)

冬小麥品種為河南省柳園口引黃灌區(qū)常用品種囤麥127。 施底肥，條播，測坑內(nèi)東西方向的2 個(gè)種植行距離測坑邊壁10 cm，其他行距20 cm。 大棚和大田兩項(xiàng)試驗(yàn)的供水裝置設(shè)計(jì)如下。

（1）大棚試驗(yàn)：大棚東北角設(shè)置供水箱，分別連通每個(gè)測坑，由電磁閥控制測坑進(jìn)水。 每個(gè)測坑內(nèi)種植9 行小麥，每行之間配備一根滴灌管，每根滴灌管設(shè)6個(gè)額定流量為2 L／h 的滴頭。

（2）大田試驗(yàn)：每個(gè)測坑中心位置均設(shè)有1 臺水分傳感器。 3 個(gè)測坑中心位置均設(shè)有土壤墑情監(jiān)測儀，自土壤表面沿縱剖面向下，依次在10、30、50 cm 處埋設(shè)3 支探頭，監(jiān)測土壤含水量。

1.3.4 觀測項(xiàng)目

觀測項(xiàng)目包含基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、作物生長發(fā)育過程、土壤含水量及作物耗水量、冬小麥生長數(shù)據(jù)、考種數(shù)據(jù)等。 播種前測坑基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括試驗(yàn)地的經(jīng)度、緯度和海拔，土壤類型、容重、飽和含水量，田間持水量，凋萎含水量，土壤鹽分含量，灌溉水質(zhì)，土壤養(yǎng)分狀況等。 試驗(yàn)過程中，記錄施肥時(shí)間、種類、數(shù)量，灌溉日期，灌水定額，降水時(shí)間及降水量。 土壤含水量及作物耗水量測定分為大棚試驗(yàn)和大田試驗(yàn)兩部分。 作物生長發(fā)育進(jìn)程調(diào)查冬小麥生長過程中出現(xiàn)重要特征的時(shí)間，予以反映作物生長發(fā)育進(jìn)程，將生育期劃分為播種、出苗、主葉、分蘗、越冬、返青、起身、拔節(jié)、孕穗、抽穗、開花、乳熟（灌漿）、成熟（收獲）。 冬小麥生長數(shù)據(jù)調(diào)查為群體密度、株高和葉面積指數(shù)，均是反映作物群體發(fā)育程度的重要形態(tài)指標(biāo)。 冬小麥考種數(shù)據(jù)包括單位面積成穗數(shù)、每穗粒數(shù)、千粒重及產(chǎn)量等。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 生育期調(diào)查結(jié)果

冬小麥播種日期為2019 年10 月29 日，收獲日期為2020 年6 月3 日。 冬小麥生育期調(diào)查結(jié)果見表3。

表3 冬小麥生育期調(diào)查結(jié)果

2.2 數(shù)據(jù)分析

（1）引黃灌區(qū)冬小麥全生育期劃分為需水關(guān)鍵期和非需水關(guān)鍵期，大棚3 個(gè)測坑為P1、P2、P3，大田3個(gè)測坑為T1、T2、CK，設(shè)不同水分控制下限，上限均為100%田間持水量。 冬小麥兩個(gè)時(shí)期的灌水量見表4，非關(guān)鍵期灌水量的最小值是P1 測坑，最大值是P3 測坑；關(guān)鍵期灌水量的最小值是P1 測坑，最大值是CK測坑。 全生育期總灌水量最小值是P1 測坑，最大值是CK 測坑，這與6 個(gè)測坑的灌溉試驗(yàn)處理完全一致，P1 測坑的非需水關(guān)鍵期灌水控制下限標(biāo)準(zhǔn)是最低的，P3 和CK 兩個(gè)測坑在需水關(guān)鍵期灌水量控制下限標(biāo)準(zhǔn)是最高的。

表4 冬小麥灌溉試驗(yàn)數(shù)據(jù)

（2）大棚3 個(gè)測坑與大田3 個(gè)測坑的灌水方式不同。 大棚測坑采用了8 根滴灌管，電磁閥自動控制出水；大田測坑采用大水漫灌，人工取土樣測土壤含水量，水表記錄灌水量數(shù)據(jù)。 根據(jù)試驗(yàn)最終獲得小區(qū)產(chǎn)量，計(jì)算出每立方米水產(chǎn)量即單位水生產(chǎn)效率，大棚3個(gè)測坑中P1 測坑的每立方米水產(chǎn)量最高， 為2.09 kg／m3；每千克小麥耗水量最少，為0.48 m3／kg。大田3 個(gè)測坑中T1 測坑的每立方米水產(chǎn)量最高，為2.64 kg／m3；每千克小麥耗水量最少，為0.38 m3／kg（見表5）。

表5 冬小麥產(chǎn)量及每立方米水產(chǎn)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)

對比大棚3 個(gè)測坑和大田3 個(gè)測坑的平均值，大田測坑每立方米水產(chǎn)量比大棚測坑的高0.33 kg／m3，大田測坑的每千克小麥耗水量比大棚測坑的少0.06 m3／kg，說明產(chǎn)量的增量變化顯著大于水量的增量變化。

（3）大棚3 個(gè)測坑冬小麥考種的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中，P1測坑的1 m2樣點(diǎn)的有效穗數(shù)、平均株高、平均穗長、生物產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量等指標(biāo)均最高，見表6。 大田3 個(gè)測坑中CK 測坑的平均穗長、每穗粒數(shù)、千粒重、生物產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量等指標(biāo)均是最高的。

表6 1 m2 樣點(diǎn)冬小麥考種相關(guān)數(shù)據(jù)

對比冬小麥大棚3 個(gè)測坑和大田3 個(gè)測坑的考種數(shù)據(jù)平均值，大田測坑的7 個(gè)指標(biāo)均優(yōu)于大棚測坑的，見表7。

表7 1 m2 樣點(diǎn)大棚測坑與大田測坑考種試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

（4）根據(jù)前述研究結(jié)果和2000—2019 年逐日氣象數(shù)據(jù)計(jì)算的河南省柳園口引黃灌區(qū)冬小麥生育期灌溉需水量多年平均值為453.291 mm，與成林等［30］根據(jù)1958—2013 年逐日氣象資料計(jì)算的開封市冬小麥凈灌溉需水量多年平均值469.70 mm 比較接近。 2020年冬小麥生育期降水量為176.4 mm，根據(jù)文獻(xiàn)中采用經(jīng)驗(yàn)頻率曲線法來確定作物生育期的不同水文年型，確定了開封市冬小麥生長期的典型水文年，即經(jīng)驗(yàn)頻率25%、50%、75%分別對應(yīng)豐水年、平水年、枯水年［17］。 經(jīng)過對比，2020 年屬于平水年，結(jié)合2013 年（也為平水年）做過的冬小麥生育期作物需水量試驗(yàn)為406.60 mm，與CK 對照組的灌水量417.045 mm 接近，也進(jìn)一步證明試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確可靠。

3 結(jié)論

（1）通過試驗(yàn)得出冬小麥全生育期總灌水量，大棚中的最小值是P1 測坑、每公頃灌水量為1 871.70 m3，大田中的最小值是T1 測坑、每公頃灌水量為2 865.15 m3；6 個(gè)測坑中灌水量的最大值是CK 測坑，每公頃灌水量為4 170.45 m3。

（2）大棚3 個(gè)測坑P1、P2、P3，大田3 個(gè)測坑T1、T2、CK，均設(shè)不同水分控制下限，上限均為100%田間持水量。 6 個(gè)測坑中P1 測坑在非需水關(guān)鍵期、需水關(guān)鍵期的灌水下限控制標(biāo)準(zhǔn)是最低的，分別為50%田間持水量、55%田間持水量，同時(shí)由于大棚3 個(gè)測坑采用了滴灌管灌溉，電磁閥自動控制出水，因此P1 測坑在全生育期的灌水量是最少的，但其每立方米水產(chǎn)量在大棚3 個(gè)測坑中是最高的，每千克小麥耗水量是最少的。 從提高灌區(qū)水資源的利用效率角度考慮，P1 測坑設(shè)計(jì)的生育期、非生育期灌水下限控制標(biāo)準(zhǔn)，以及灌溉方式都具有顯著的節(jié)水效果。

（3）對比大棚3 個(gè)測坑和大田3 個(gè)測坑的平均值，大田測坑每立方米水產(chǎn)量比大棚測坑的高0.33 kg／m3，大田測坑的每千克小麥耗水量比大棚測坑的少0.06 m3／kg；對比冬小麥考種試驗(yàn)數(shù)據(jù)大棚3 個(gè)測坑和大田3 個(gè)測坑的平均值，大田測坑的7 個(gè)指標(biāo)均優(yōu)于大棚測坑的。 因此，大田測坑的節(jié)水增產(chǎn)效果顯著優(yōu)于大棚測坑，主要原因是在測坑底部鋪設(shè)了透氣防滲砂毯，一方面有效地阻止了水分下滲，具有良好的保墑效果；另一方面砂毯具有良好的透氣性，有利于小麥的根部生長。

（4）根據(jù)6 個(gè)測坑灌水量和產(chǎn)量的對比可知，灌水量與產(chǎn)量有著密切的正相關(guān)關(guān)系。 6 個(gè)測坑中T1測坑的每立方米水產(chǎn)量最高，為2.64 kg／m3，每千克小麥耗水量最少，為0.38 m3／kg，其在非需水關(guān)鍵期、需水關(guān)鍵期的灌水下限控制標(biāo)準(zhǔn)分別為田間持水量的55%和60%。 P1 測坑的全生育期總灌水量為181.238 mm，只有灌區(qū)冬小麥平均灌水量的41.3%。T1 測坑的全生育期總灌水量為286.509 mm，只有灌區(qū)平均灌水量的63.2%，其單位面積產(chǎn)量為0.755 kg／m2，為河南省平均單位面積產(chǎn)量的118.8%，試驗(yàn)證明節(jié)水增產(chǎn)效果明顯。 大田3 個(gè)測坑采用大水漫灌，是最接近引黃灌區(qū)農(nóng)田正常的灌溉方式，因此T1 的非需水關(guān)鍵期、需水關(guān)鍵期的灌水下限控制標(biāo)準(zhǔn)，配合底部鋪設(shè)透氣防滲砂毯，適合在引黃灌區(qū)中推廣使用，以提高節(jié)水增產(chǎn)效果。