范永洋，劉 東,2,3,4

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與建筑學(xué)院，哈爾濱 150030；2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)水資源提高利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150030； 3.黑龍江省糧食產(chǎn)能提升協(xié)同創(chuàng)新中心，哈爾濱 150030；4.黑龍江省普通高校節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150030)

0 引 言

水稻節(jié)水控制灌溉在國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究中取得一定成果，但仍需投入人力物力去研究推廣，逐點(diǎn)駐地地實(shí)驗(yàn)，得出實(shí)驗(yàn)區(qū)域控灌最優(yōu)模式，就黑龍江省墾區(qū)的“十二五”規(guī)劃，以及2015年黑龍江省灌溉發(fā)展規(guī)劃[1]而言，在2015年，黑龍江省墾區(qū)會(huì)更大范圍的發(fā)展水稻種植，預(yù)計(jì)水稻種植面積到將發(fā)展到1.6×106hm2。根據(jù)2009的年統(tǒng)計(jì)，黑龍江省墾區(qū)水利工程總供水量為71.13億m3，然而用于農(nóng)業(yè)上的水量就已經(jīng)達(dá)到了70.46億m3，在這些農(nóng)業(yè)用水中灌溉水稻的水量為50.98億m3，是農(nóng)業(yè)總用水量的80.87%，是社會(huì)總水量的80.11%，水資源可持續(xù)支撐就成為一個(gè)非常重要的前提[2]，為響應(yīng)政策，同時(shí)考慮人口的增長(zhǎng)，水稻等作物種植力度要求正逐步擴(kuò)大，尤其耗水作物灌溉水利用率低，嚴(yán)重浪費(fèi)水資源，所以研究水稻灌水規(guī)律、水分利用率并尋找制定水稻最優(yōu)控制灌溉模式對(duì)發(fā)展節(jié)水增產(chǎn)型水稻有重大意義，具體包括緩解水資源開采利用壓力，使水資源得到合理配置，提高經(jīng)濟(jì)效益及綜合效益。并深入研究水稻的節(jié)水增產(chǎn)機(jī)理，研究和種植新型的水稻高產(chǎn)品種，探索新型的水稻節(jié)水灌溉技術(shù)，節(jié)約稻田的灌溉用水量[3]，推行節(jié)水增產(chǎn)型農(nóng)業(yè)具有重大意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地設(shè)在黑龍江省佳木斯市建三江管局大興農(nóng)場(chǎng)(見圖1中粗箭頭所指位置)農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展中心科技園區(qū)，位于農(nóng)場(chǎng)東北部。大興農(nóng)場(chǎng)地處東經(jīng)132°45′～133°18′，北緯46°49′～47°13′。土地面積800 km2，地勢(shì)低洼，土質(zhì)肥沃。全場(chǎng)有耕地面積2.2萬hm2，地下水資源豐富，適合于種植水稻等作物。大興農(nóng)場(chǎng)屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季漫長(zhǎng)、嚴(yán)寒而干燥，夏季短暫、溫暖而濕潤(rùn)，一年中四季分明，年平均氣溫1.7 ℃，最高氣溫34.3 ℃，最低氣溫-36.3 ℃。年平均降水量517 mm，年日照時(shí)數(shù)2 023.9 h，年蒸發(fā)量1 064.3 mm。氣候類型為寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候?qū)俚谌e溫帶，年積溫2 350～2 550 ℃左右，年無霜期為130～140 d， pH值6.4。前茬老稻田、秋翻[4]。圖1為利用Arcgis軟件所畫建三江管理局概貌圖。

圖1 建三江管理局大興農(nóng)場(chǎng)

1.2 試驗(yàn)作物與品種

本試驗(yàn)供試水稻品種：空育131。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)區(qū)采用小區(qū)對(duì)比法，隨機(jī)區(qū)組排列，基礎(chǔ)地力相同為前提，在排除水稻其他等技術(shù)措施影響的條件下，設(shè)計(jì)控制灌溉4個(gè)處理，分別是常灌，控灌I、控灌II、控灌Ⅲ，其中常灌作為對(duì)照實(shí)驗(yàn)，安排每個(gè)處理都是3次重復(fù)，則有12個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，小區(qū)布局均為10 m×10 m，總面積約1 200 m2。全生育期127 d，5月18日進(jìn)行人工插秧，9月29日收獲。種植密度每1平方米25穴?？毓喔魃谕寥浪挚刂粕舷抟姳?，土壤水分控制下限見表2，實(shí)驗(yàn)小區(qū)布置圖見圖2。

表1 各生育期不同處理的土壤水分控制上限 cm

注：表中上限為0 cm表示灌水時(shí)達(dá)到土壤含水率為飽和含水率54.5%。

表2 各生育期不同處理的土壤水分控制下限 %

注：表中下限用土壤水分占土壤飽和含水量的百分比表示(無水層情況下)，土壤飽和含水率為54.5%。

說明：常灌灌水水層30～50 mm，自然落干灌水。期間包括曬田，晾田。

灌水渠常灌1控灌Ⅱ-1控灌I-1控灌Ⅲ-1排水溝控灌Ⅱ-2控灌Ⅲ-2控灌I-2常灌2灌水渠控灌Ⅱ-3控灌I-3常灌3控灌Ⅲ-3排水溝

圖2小區(qū)試驗(yàn)布置圖

每個(gè)小區(qū)的施肥量的相同情況下，通過GStar-S406便攜式土壤水分速測(cè)儀測(cè)土壤含水量及溫度變化情況，每隔5 d觀測(cè)一次，利用試驗(yàn)小區(qū)小型氣象站觀測(cè)每日最高、最低氣溫，并記錄逐日降雨量和蒸發(fā)量。當(dāng)控制下限達(dá)到實(shí)驗(yàn)設(shè)置要求則由水泵灌水，需灌到各灌溉模式的上限；下雨天水層厚超50 mm排水，用電子水表計(jì)量各處理灌水量；測(cè)產(chǎn)計(jì)算理論產(chǎn)量，各處理測(cè)定有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、實(shí)粒數(shù)、千粒重等數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 灌水量

試驗(yàn)的每個(gè)處理各生育期的灌水量詳見表3。

從表3可以看出，控灌處理明顯比常灌省水。和常灌相比較，控制灌溉中控灌Ⅰ節(jié)水961.5 m3/hm2、控灌Ⅱ節(jié)水592.05 m3/hm2、控灌Ⅲ節(jié)水1 217.55 m3/hm2，這其中的最大節(jié)水量是1 217.55 m3/hm2；在節(jié)水率方面，和常灌相比較，分別是控灌Ⅰ18.14%、控灌Ⅱ11.17%、控灌Ⅲ22.97%，這其中最大的節(jié)水率是22.97%。結(jié)果表明控制灌溉對(duì)水稻的灌水量影響很大，和常規(guī)灌溉相比，控制灌溉條件下更加節(jié)水。就節(jié)水量和節(jié)水率而言，控灌Ⅰ的下限組合模式更適合試驗(yàn)小區(qū)。圖3各生育期灌水量可直觀體現(xiàn)出控灌優(yōu)勢(shì)。

表3 不同控制下限各處理的灌水量 m3/hm2

圖3 各生育期灌水量

2.2 各生育期氣溫變化

眾所周知，溫度對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育各個(gè)時(shí)期是有影響的，不同溫度對(duì)水稻的生長(zhǎng)發(fā)育起到至關(guān)重要的作用，甚至惡劣溫度會(huì)引起水稻減產(chǎn)甚至不產(chǎn)[5]。適宜的溫度有利于水稻的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)[6]，整個(gè)生育時(shí)期要求溫度有一定的規(guī)律性。通過水稻的感溫性[7]可知，水稻品種在適宜的生長(zhǎng)發(fā)育溫度范圍內(nèi)，高溫可使其生育期縮短，低溫可使其生育期延長(zhǎng)，水稻品種因受溫度影響而改變其生育期的特性。通過逐日記錄各個(gè)生育期氣溫，繪制各月月平均氣溫折線圖，見圖4。

圖4 全生育期各月平均氣溫

從圖4中可以看出各線段代表的各月最高和最低平均氣溫的氣溫差大致相同，整體大致成平行線，說明全生育期間內(nèi)氣溫溫差對(duì)稻田影響基本穩(wěn)定一致。并且縱觀5-9月份這5個(gè)月的最高平均氣溫波動(dòng)不大，說明生育期氣溫適宜。

由于4組試驗(yàn)各生育期時(shí)間段之間的區(qū)別并不大，故為簡(jiǎn)便避免不必要的繁瑣以及直觀而分析全生育期累計(jì)最高最低氣溫，只取常灌和控灌Ⅰ的生育期累計(jì)氣溫作圖，分別如圖5、圖6，分別分析以上兩圖,可以看出常灌最高最低氣溫走勢(shì)基本一致,而且常灌控灌Ⅰ各對(duì)應(yīng)的各生育期內(nèi)的累計(jì)氣溫差別不大,說明常灌、控灌受溫度影響相似，影響之間的差別基本可以忽略不計(jì)。

圖5 常灌各生育期累計(jì)氣溫

圖6 控灌Ⅰ各生育期累計(jì)氣溫

2.3 各生育期內(nèi)蒸發(fā)降水情況

降水量和氣溫一樣同樣是對(duì)水稻產(chǎn)量的一個(gè)影響因子，它是影響水稻各主要生長(zhǎng)階段長(zhǎng)短的主要?dú)庀笠蜃覽8]，抽穗開花期是水稻最大需水階段，其次為拔節(jié)孕穗期，所以降水量的多少直接影響到灌水量的多少，乃至是灌水還是不灌水，甚至是控灌中適時(shí)需要的排水。所以要處理好小區(qū)稻田中的灌水與降雨之間的關(guān)系，兩者很好的耦合對(duì)產(chǎn)量起到至關(guān)重要影響。同時(shí)，蒸發(fā)對(duì)灌水量也有相當(dāng)?shù)挠绊?，本試?yàn)由于田間小區(qū)試驗(yàn)，條件有限，以及對(duì)照實(shí)驗(yàn)與常規(guī)實(shí)驗(yàn)相鄰，試驗(yàn)小區(qū)面積不大，故不考慮滲漏、地下水流、土壤蓄存水量的變化量帶來的影響。

下面圖文形式說明的蒸發(fā)情況，如圖7為常灌生育期蒸發(fā)，圖8為控灌Ⅰ生育期蒸發(fā)；灌水與降水蒸發(fā)之間的關(guān)系，如圖9為常灌灌水與降雨減蒸發(fā)關(guān)系圖，圖10為控灌Ⅰ灌水與降雨減蒸發(fā)關(guān)系圖。

圖7 常灌各生育期蒸發(fā)

圖8 控灌Ⅰ各生育期蒸發(fā)

圖9 常灌灌水、降雨-蒸發(fā)關(guān)系

圖10 控灌Ⅰ灌水、降雨-蒸發(fā)關(guān)系

分析以上全生育期內(nèi)蒸發(fā)量圖，對(duì)照同生育期常灌蒸發(fā)量和累計(jì)氣溫，不難發(fā)現(xiàn)整體走勢(shì)相同，同理，此情況對(duì)于控灌Ⅰ同樣適合。同樣，對(duì)比常灌控灌Ⅰ的蒸發(fā)，兩者的全生育期內(nèi)走勢(shì)一致，氣溫和蒸發(fā)在整個(gè)分蘗期明天高于其他生育期。說明常灌、控灌受蒸發(fā)影響相似，影響之間的差別基本可以忽略不計(jì)。

同理，由于4組試驗(yàn)各生育期時(shí)間段之間的區(qū)別并不大，故為簡(jiǎn)便避免不必要的繁瑣以及直觀而分析常灌和控灌Ⅰ的全生育期灌水量與降雨-蒸發(fā)之間的關(guān)系圖，很明顯看出圖上兩線幾乎對(duì)稱，每個(gè)圖上的兩線上的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的水量值(Y坐標(biāo)值)相加得到的數(shù)字均在X坐標(biāo)軸左右。說明降雨蒸發(fā)對(duì)灌水影響比較大，同時(shí)說明常灌、控灌受降雨蒸發(fā)影響相似，影響之間的差別基本可以忽略不計(jì)。

2.4 產(chǎn) 量

在試驗(yàn)中水稻產(chǎn)量指標(biāo)主要有穗長(zhǎng)、穗粒數(shù)、穗數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒重。各處理產(chǎn)量指標(biāo)詳見表4，產(chǎn)量方差分析見表5。

對(duì)產(chǎn)量進(jìn)行單因素方差分析[9]，通過運(yùn)用SPSS分析，從結(jié)果得出F為116.473，大于F0.01(3,8)=7.6，說明產(chǎn)量受不同灌溉模式的影響，即不同的灌溉模式得到的產(chǎn)量差異比較大。

從產(chǎn)量指標(biāo)表中可以看出，各個(gè)產(chǎn)量性狀中，①結(jié)實(shí)率和有效穗數(shù)：控Ⅰ>控Ⅱ>控Ⅲ>常灌，排序走勢(shì)與灌水量一樣，說明在一定范圍內(nèi)有效穗數(shù)和結(jié)實(shí)率越高，灌水量則越高。②穗粒數(shù)：控Ⅰ>控Ⅱ>常灌>控Ⅲ，控Ⅰ、控Ⅱ區(qū)別不大，控Ⅲ在嚴(yán)格控水的情況下導(dǎo)致對(duì)穗粒數(shù)產(chǎn)生不利影響。③千粒重：控Ⅱ>控Ⅰ>控Ⅲ=常灌，幾種模式差別不大。常規(guī)灌溉各生育期供水充足并且分蘗期不控水，無效分蘗增多導(dǎo)致有效分蘗不多；千粒重與控Ⅲ相當(dāng)，比控Ⅰ、控Ⅱ低，產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及控Ⅰ、控Ⅱ。常灌產(chǎn)量最低，控Ⅰ產(chǎn)量最高達(dá)10 400.55 kg/hm2，控Ⅱ>控Ⅲ居中，控Ⅱ接近控Ⅰ，控Ⅲ接近常規(guī)灌溉，是由于控Ⅲ過低的控制下限導(dǎo)致營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)不足，抑制了生殖生長(zhǎng)，減少了水稻有穗粒數(shù)及千粒重致使產(chǎn)量降低。

表4 不同處理產(chǎn)量指標(biāo)

表5 產(chǎn)量單因素方差分析表

注：F0.01(3,8)=7.6。

2.5 水稻灌溉水利用效率

水稻灌溉水分利用率為灌溉水用量與產(chǎn)量之比。4種灌溉模式中控Ⅰ產(chǎn)量最高，灌水量較少，所以控Ⅰ灌溉水利用率最高為2.397 0 kg/m3，同時(shí)控Ⅱ雖然產(chǎn)量也較高但由于灌溉水用量較大，故控Ⅱ的灌溉水分利用率在控灌中最低，為2.177 6 kg/m3，對(duì)比而言，控Ⅲ產(chǎn)量和灌水量都較少，所以控Ⅲ利用率比控Ⅱ高，且與控Ⅰ相比較控Ⅰ灌水多產(chǎn)量低，故灌溉水分利用率控Ⅱ低于控Ⅰ(2.36 kg/m3)。相反常灌灌水量大于控灌，恰恰產(chǎn)量低于全部控灌試驗(yàn)，所以其灌溉水利用率最低，比控Ⅰ低25.22%。由此可以看出，控Ⅰ灌溉模式可以達(dá)到節(jié)水高產(chǎn)的效果，而常灌水分浪費(fèi)嚴(yán)重且達(dá)不到預(yù)期產(chǎn)量。結(jié)果見表6。

表6 4種灌溉模式水稻灌溉水分利用率

圖11 灌水量產(chǎn)量關(guān)系曲線

灌水量與產(chǎn)量的擬合如圖11所示，并建兩者的二階多項(xiàng)式回歸曲線[10]，方程表達(dá)為y=366.76x3-535.51x2+258.82x-40.405(R2=0.984 5)，在圖11中，一定灌水范圍內(nèi)，隨著水稻灌水量增加產(chǎn)量先增后減呈拋物狀，表明在一定灌水范圍內(nèi)產(chǎn)量會(huì)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)產(chǎn)量，會(huì)達(dá)到產(chǎn)量最高值，且灌水量低于或高于此范圍產(chǎn)量都會(huì)有所降低，眾所周知，像控Ⅲ缺水達(dá)到一定程度導(dǎo)致減產(chǎn)，其實(shí)常灌亦然，常灌大水漫灌始終大部分生育期內(nèi)保持水層，導(dǎo)致產(chǎn)量不高。對(duì)該一元二次方程，在一定灌水范圍內(nèi)得極值點(diǎn)(0.446 1, 1.044 9 )，在這一點(diǎn)處，產(chǎn)量達(dá)到最為高y=1.044 9 kg/m2，此時(shí)灌水量為x=0.446 1 m3/m2。

3 結(jié) 語

(1)4種灌溉模式全生育期灌水量常規(guī)最多為0.529 8 m3/m2，比控灌3個(gè)實(shí)驗(yàn)多10%～30%左右。反映出：4種灌溉模式各生育期返青期到分蘗末期為需水非敏感期所以要嚴(yán)格控制到上下限，同時(shí)拔節(jié)孕穗到抽穗開花期蓄水敏感，此時(shí)控水不要太嚴(yán)重，所以根據(jù)每個(gè)生育期對(duì)水分需求情況合理分配水資源。

(2)不同灌溉模式對(duì)水稻產(chǎn)量的影響有比較顯著的差別，控Ⅰ產(chǎn)量最高為1.039 5 kg/m2。產(chǎn)量指標(biāo)為：各灌溉模式結(jié)實(shí)率和有效穗數(shù)差距較大，千粒重次之，其余產(chǎn)量性狀差異不顯著。

(3)灌溉水分利用率表現(xiàn)了單方水生產(chǎn)水稻的量，比較全面體現(xiàn)灌溉模式優(yōu)良性。控Ⅰ高達(dá)2.397 0 kg/m3，由于控Ⅲ控水比較重所以利用率接近控Ⅰ，但是考慮到產(chǎn)量，所以四組實(shí)驗(yàn)，控Ⅰ最優(yōu)。

(4)控灌通過有效地節(jié)水、提高產(chǎn)量，從而提高水分利用率。通過灌水量產(chǎn)量回歸曲線，建立擬合方程，由相關(guān)系數(shù)R值可知兩者相關(guān)性顯著，并求得當(dāng)灌水量x=0.446 1 m3/m2時(shí)達(dá)到最高產(chǎn)量y=1.044 9 kg/m2。

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