程光遠(yuǎn), 史海濱, 李瑞平, 王成剛, 于 洪, 王佐奎

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木建筑工程學(xué)院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018;2.內(nèi)蒙古呼倫貝爾市阿榮旗水務(wù)局, 內(nèi)蒙古 阿榮旗 162750)

內(nèi)蒙古東部地區(qū)噴灌灌溉制度及其經(jīng)濟(jì)效益

程光遠(yuǎn)1, 史海濱1, 李瑞平1, 王成剛1, 于 洪2, 王佐奎2

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木建筑工程學(xué)院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018;2.內(nèi)蒙古呼倫貝爾市阿榮旗水務(wù)局, 內(nèi)蒙古 阿榮旗 162750)

[目的] 為解決內(nèi)蒙古東部大興安嶺東南地區(qū)由于零灌溉所帶來的“單產(chǎn)不高，總產(chǎn)不穩(wěn)”等問題，確定適合于當(dāng)?shù)氐母弋a(chǎn)高效節(jié)水型灌溉制度。[方法] 以當(dāng)?shù)刂饕魑锎蠖篂楣┰囎魑?，開展了噴灌條件下的作物產(chǎn)量、水分生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)效益等方面的研究。[結(jié)果] 當(dāng)?shù)卦械牧愎喔绒r(nóng)業(yè)種植模式并不能為大豆的種植提供足夠的水分，采用噴灌技術(shù)追加2次灌溉，大豆可增產(chǎn)20.0%，但是經(jīng)濟(jì)效益并沒有提高；追加4水灌溉，雖然總收益最高，但是大豆的作物水分生產(chǎn)率卻相比3水灌溉小了很多，造成了不必要的水資源浪費(fèi)。[結(jié)論] 在開花期、結(jié)莢期和鼓粒期分別對(duì)大豆增加3次灌水定額為200 m3/hm2的灌水，不但可以提高大豆的產(chǎn)量(增產(chǎn)47.8%)，而且可以獲得最大的經(jīng)濟(jì)收益。

噴灌; 灌溉制度; 作物水分生產(chǎn)率; 經(jīng)濟(jì)效益

阿榮旗地處大興安嶺東南麓，是內(nèi)蒙古重要的糧食生產(chǎn)基地。該地區(qū)降雨較多，基本能滿足作物生長所需的水分，然而，當(dāng)?shù)亟涤甑臅r(shí)空分布極不平衡，造成了當(dāng)?shù)爻Ｄ瓿霈F(xiàn)單產(chǎn)不高、總產(chǎn)不穩(wěn)的現(xiàn)象[1]。因此，在該地區(qū)推廣新的灌溉技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)充灌溉，提出適用于該地區(qū)作物種植的灌溉制度對(duì)促進(jìn)當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)發(fā)展和糧食生產(chǎn)有著深遠(yuǎn)的意義和價(jià)值。由于該地區(qū)田塊較大，水資源相對(duì)較少，風(fēng)速相對(duì)較小，因此采用噴灌技術(shù)具有一定的運(yùn)用性及可行性。

噴灌作為一種先進(jìn)的節(jié)水技術(shù)，在中國很多地區(qū)已被廣泛采用。但是該項(xiàng)技術(shù)的推廣與發(fā)達(dá)國家相比仍存在很大的差距[2]。和地面灌溉相比，噴灌既具有節(jié)水、節(jié)省人力物力、減少占用耕地、提高產(chǎn)量等優(yōu)勢(shì)[3-4]，在灌水過程中還可以形成有益于植被生長的“小氣候”[5]。噴灌技術(shù)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，但受風(fēng)力的影響較大[6]。有研究表明，在噴灌過程中采用不同的灌溉制度，對(duì)作物的生育期、生長特性、主要農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量均有不同程度的影響[7]。因此，選擇一個(gè)最適合的噴灌灌溉制度對(duì)增加作物的產(chǎn)量、提高作物的經(jīng)濟(jì)收益具有實(shí)際的意義。

本文以當(dāng)?shù)氐闹饕魑锎蠖棺鳛楣┰囎魑?，結(jié)合當(dāng)?shù)氐姆N植習(xí)慣及氣候特征，選擇具有高效節(jié)水及增產(chǎn)能力的噴灌技術(shù)作為灌溉方式。針對(duì)大豆的需水特征[8]及當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c(diǎn)擬定3種不同的噴灌灌溉制度，并以當(dāng)?shù)夭还喔鹊膫鹘y(tǒng)種植模式進(jìn)行對(duì)照。分別對(duì)產(chǎn)量、作物水分生產(chǎn)率及經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析，以期確定適合當(dāng)?shù)卮蠖股L的最優(yōu)噴灌灌溉制度。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處內(nèi)蒙古自治區(qū)阿榮旗亞東鎮(zhèn)六家子示范區(qū)，位于東經(jīng)123°48′00″—123°54′20″，北緯48°29′20″—48°32′00″。地貌按形成方式可分為侵蝕構(gòu)造地形和堆積地形，地處高緯度地區(qū)，屬中溫帶大陸性半濕潤氣候，春季干旱多風(fēng)少雨，夏季溫?zé)岫啾┯?；秋季涼爽，歷時(shí)短；冬季寒冷干燥、少雪，歷時(shí)長。多年平均降水量為441.36 mm，主要集中在汛期的6—8月，這段時(shí)期也常有“伏吊”現(xiàn)象存在，降雨時(shí)空分布極不均勻，多年平均氣溫為3.77 ℃，極端最低氣溫-39.8 ℃，極端最高氣溫是38.5 ℃，多年平均蒸發(fā)量為1 615.11 mm，全年日照時(shí)數(shù)為2 429.83 h，多年平均風(fēng)速為2.867 m/s，無霜期較短，多年平均無霜期為132 d，歷年最大凍土深為2.70 m，多年平均相對(duì)濕度為57.5%。

2012年試驗(yàn)區(qū)屬于平水年，無防雨棚設(shè)置，設(shè)有獨(dú)立氣象站監(jiān)測(cè)大豆生長期(5月23日—9月30日)內(nèi)的各項(xiàng)氣象指標(biāo)。詳細(xì)氣象資料見表1。

該區(qū)地下水位埋深較大，大豆生育期內(nèi)地下水埋深均在7 m以下，對(duì)大豆長基本無影響。試驗(yàn)區(qū)土壤類型為黑土和暗棕壤土，機(jī)械組成為多礫質(zhì)粉壤土，土壤有效土層厚度在0.5～1.5 m，土壤容重平均為1.36 g/m3,土壤平均比重為2.68 g/cm3，土壤平均孔隙度為49.5%，田間持水率為24.8%，耕地范圍內(nèi)地力水平相對(duì)較高。

表1 2012年大豆生長期氣象資料

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與研究方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)?zāi)隇?012年，研究作物為大豆，采用當(dāng)?shù)爻Ｒ娖贩N北豆48作為試驗(yàn)品種。采用半固定式噴灌機(jī)1臺(tái)，進(jìn)行半固定式噴灌，噴灌機(jī)單井出水量50 m3/h，動(dòng)水位為20～40 m，每根干管長486 m，支管長117 m，控制面積13.33 hm2。試驗(yàn)中灌水處理采用相同灌水定額、不同灌水次數(shù)來設(shè)計(jì)，灌水定額為200 m3/hm2，灌水量由水表控制。

試驗(yàn)小區(qū)完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，南北走向，各處理小區(qū)面積54.0 m×117.0 m(3條支管)，試驗(yàn)區(qū)總面積21 060 m2(包括緩沖區(qū))。支管間距18 m，噴頭間距18 m，單支管長度117 m，結(jié)合當(dāng)?shù)貦C(jī)井出水情況，同時(shí)可支持14個(gè)噴頭同時(shí)工作，第1次灌水時(shí)控制灌4水小區(qū)的兩條支管1，2同時(shí)工作；第2次灌水時(shí)支管2，4先工作，然后1，3工作將灌4水和灌3水小區(qū)灌溉完成；第3次灌溉支管2，4先工作，然后支管1，3工作將灌4水和灌3水小區(qū)灌溉完成，再之后支管5，6工作將灌2水小區(qū)灌溉完成；第4次灌水同第3次灌水。灌水量由水表控制，試驗(yàn)施肥方式采用基肥隨播種1次施加方式，追肥在開花期進(jìn)行，采用拉溝施肥方式，每個(gè)小區(qū)中選取3個(gè)重復(fù)進(jìn)行不同指標(biāo)的測(cè)定。

由于，研究區(qū)農(nóng)民傳統(tǒng)的種植習(xí)慣是不進(jìn)行灌溉，所以采用不灌溉的小區(qū)作為對(duì)照，將生育期劃分為6個(gè)生育階段，按照不同生育階段為不同處理進(jìn)行灌溉，各階段灌水量見表2。

表2 半固定式噴灌試驗(yàn)區(qū)灌溉方案 m3/hm2

1.2.2 研究方法 采用小型氣象站對(duì)大豆生育期內(nèi)的氣象資料進(jìn)行收集；從作物播種開始，每10 d對(duì)各小區(qū)土壤含水量采用烘干法進(jìn)行采樣測(cè)定，測(cè)試區(qū)內(nèi)沿土壤垂向剖面按每20 cm為一層取土，直至100 cm；灌水前和灌水后各增加1次土樣，直到收割為止，計(jì)算每個(gè)生育期不同土層的平均含水率，分析不同灌水模式土壤水分變化的影響。

從作物出苗到收割，小區(qū)每隔10～15 d量測(cè)3 m×3 m范圍內(nèi)大豆植株的干物質(zhì)1次；作物成熟期對(duì)大豆籽粒產(chǎn)量進(jìn)行測(cè)定，大豆的籽粒產(chǎn)量是單位面積的株數(shù)、每株莢數(shù)、每莢粒數(shù)、每粒重的乘積，在每水分處理小區(qū)隨機(jī)取3處3 m×3 m范圍內(nèi)的大豆植株，測(cè)出每處籽粒的重量。并取出大豆10株作為樣本，測(cè)出每株粒數(shù)、莢數(shù)、百粒重等指標(biāo)，分別求得每個(gè)樣本的大豆籽粒產(chǎn)量，最后取平均值后折算成每種處理的hm2大豆籽粒產(chǎn)量。

根據(jù)水量平衡法計(jì)算作物實(shí)際騰發(fā)量[9-10]：

ETc=I+P+G-D-R-L+ΔW

(1)

式中：ETc——實(shí)際騰發(fā)量(mm);I——灌水量(mm);P——降雨量(mm);G——地下水補(bǔ)給量(mm);D——深層深漏(mm);R——側(cè)向排水(mm);L——地面徑流(mm); △W——生育階段始末根層土壤儲(chǔ)水量的變化(mm)。

灌溉試驗(yàn)區(qū)地下水位在作物生長期內(nèi)處于7 m以下，對(duì)大豆生長發(fā)育基本無影響，故G=0。各試驗(yàn)小區(qū)用田埂分開，其下埋設(shè)1.0 m深塑料薄膜，分別用于防止地面徑流和測(cè)向滲漏，故R=0，L=0。因采取噴灌措施，灌水定額較小，深層滲漏為0。

在求得各處理的實(shí)際騰發(fā)量ETc及大豆籽粒產(chǎn)量后，分別求得各處理的作物水分生產(chǎn)效率[11-13]。

WUE=Y/ETc

(2)

式中：WUE——作物水分生產(chǎn)效率(kg/m3)；Y——作物籽粒產(chǎn)量(kg/m3)。

為了在當(dāng)?shù)赝茝V噴灌技術(shù)，本研究針對(duì)耗水量、耗工、耗電量等成本，對(duì)比大豆的總產(chǎn)值對(duì)大豆的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了分析[14]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌水處理對(duì)土壤水分的影響

采用Surfer 9.3對(duì)不同土層、不同時(shí)間的土壤含水率采樣點(diǎn)均值進(jìn)行了插值，繪制不同灌溉制度下土壤含水率的時(shí)空分布圖(如圖1所示)。

從圖1中可以看出，CK，CL2，CL3處理的初始含水率基本相同，均在0.2左右，而CL4處理的初始含水率較小，為0.175，但與其他處理沒有明顯的顯著性差異。隨著降雨和灌水次數(shù)的增加，各處理中土壤含水率有了明顯的變化。其中，CL3，CL4處理的含水率變化較為明顯，這是由于該處理在大豆的全生育期內(nèi)進(jìn)行了3次或4次噴灌，增加了土壤的儲(chǔ)水量；而CK組變化最不明顯，這是因?yàn)樵撎幚碇械耐寥篮实脑黾觾H能依靠降雨，并無灌溉補(bǔ)充土壤水分。

因此可知，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行噴灌，可以增加土壤的含水率，提高土壤的儲(chǔ)水量，為作物生長提供充足的水分。

2.2 不同的灌水處理對(duì)大豆產(chǎn)量的影響

在大豆成熟后，通過上述研究方法對(duì)各處理的單位面積株數(shù)、單株產(chǎn)顆數(shù)、百粒重進(jìn)行測(cè)定，計(jì)算各處理作物籽粒產(chǎn)量(如圖2所示)。

在研究區(qū)按照傳統(tǒng)無灌溉模式進(jìn)行大豆的種植，產(chǎn)量較低，僅為2 323.6 kg/hm2。而采用噴灌措施，相同條件下灌水定額為400，600和800 m3/hm2，產(chǎn)量分別為2 788.96，3 281.96和3 433.82 kg/hm2，差異較為顯著。隨著灌溉定額的增加，產(chǎn)量明顯增加，各處理增產(chǎn)率分別為20.0%，41.2%，47.8%。表明當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)灌溉模式是不能滿足大豆生長的，在開花—鼓粒生育階段追加灌水，可以增加單株的產(chǎn)顆數(shù)量，因?yàn)樵撾A段大豆產(chǎn)粒需要一定的需水要求；通過對(duì)比CL4與其他處理可以看出，在出苗—開花期增加灌水，單位面積的植株數(shù)量隨之增多，這是由于增加了灌水量，使原有的一些缺水的植株得以存活，進(jìn)而增加了單位面積的植株數(shù)量，從而提高了作物的產(chǎn)量；雖然CL4處理下大豆的產(chǎn)量得到了增加，可是該處理的百粒種相比CL3卻要小很多，這可能是因?yàn)樵谠撎幚碇兄仓陻?shù)較多，所需的土壤肥力不能跟上水分的供給，反而使得產(chǎn)出大豆籽粒較小。

圖1 不同灌水制度下土壤含水率時(shí)空分布

圖2 不同灌水制度下的產(chǎn)量及參考指標(biāo)

因此，在研究區(qū)采用噴灌的方式可以很大程度上增加大豆的產(chǎn)量。僅通過產(chǎn)量來看，采取的灌溉制度應(yīng)該選擇CL3和CL4的灌溉制度。

2.3 噴灌對(duì)大豆作物水分生產(chǎn)率的影響

根據(jù)2012年的降雨量、灌水量、地下水補(bǔ)給量等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用水量平衡法分別對(duì)不同處理中的ETc進(jìn)行計(jì)算，并通過產(chǎn)量和ETc求取作物水分生產(chǎn)率進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表3。

通過表3可以看出，隨著灌水次數(shù)的增加，研究區(qū)大豆全生育期的ETc也隨之增加，但產(chǎn)量增幅更大，相應(yīng)的作物水分生產(chǎn)率也在增加。通過對(duì)比CK與CL2，CL3可以看出，全生育期無灌溉時(shí)作物水分生產(chǎn)率僅為2.14 kg/m3，隨著灌水次數(shù)的增加，作物水分生產(chǎn)率也相應(yīng)增加，然而對(duì)比CL3和CL4可以看出，增加了灌水次數(shù)，水分生產(chǎn)率卻降低了，說明在CL3處理時(shí)大豆對(duì)水分利用基本已達(dá)到了上限，雖然增加1次灌水，但是水量投入的產(chǎn)出比率并沒有增加。因此，應(yīng)選擇CL3處理的灌溉制度作為當(dāng)?shù)刈顑?yōu)的灌水制度。

表3 半固定式試驗(yàn)區(qū)作物騰發(fā)量及水分生產(chǎn)率

2.4 噴灌的經(jīng)濟(jì)效益分析

試驗(yàn)中，CK，CL2，CL3和CL4處理的灌水定額分別為0，400，600和800 m3，根據(jù)當(dāng)?shù)厮M(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，水費(fèi)單價(jià)為0.4元/m3；按照當(dāng)?shù)氐母髁?xí)慣，每1 hm2每天需耗人工7～8人，按8人計(jì)算，當(dāng)?shù)毓凸べM(fèi)用為100元/d；研究所采用的噴灌機(jī)每1 hm2耗電100 kW·h，當(dāng)?shù)仉妰r(jià)為0.5元/(kW·h)。參照2013年阿榮旗大豆平均單價(jià)3.5元/kg計(jì)算各處理的毛收益，進(jìn)而對(duì)研究區(qū)內(nèi)各方案的凈收益進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表4所示。

表4 半固定式噴灌試驗(yàn)區(qū)灌溉方案凈收益

通過表4可以看出，采用噴灌雖然增加了成本，但是很大程度的提高了凈收益。與CK噴灌處理對(duì)比，增加灌水次數(shù)的凈收益增長率分別為1%，21%和26%。說明在研究區(qū)采用噴灌進(jìn)行補(bǔ)充灌溉是必要的。對(duì)比各噴灌處理可以看出，只灌2水的小區(qū)單位面積收益要遠(yuǎn)小于灌3水和4水的小區(qū)，單位面積收益分別相差了19.83%和25.14%，而灌了4水與灌3水單位面積收益僅相差了4.42%，這說明CL3和CL4處理收益相差不大，但卻要遠(yuǎn)大于CL2處理。針對(duì)CL2處理雖然毛收益較高但成本也很高，因此，該處理的灌溉制度不可取。

3 討論與結(jié)論

3.1 討 論

目前，國內(nèi)大多采用滴灌和噴灌兩種灌溉節(jié)水方式進(jìn)行區(qū)域節(jié)水，這兩種節(jié)水方式均具有各自的特點(diǎn)及適用性。針對(duì)干旱、半干旱地區(qū)降雨較少、作物生育季風(fēng)速大和地塊較小等特點(diǎn)采用滴灌灌水方式更優(yōu)。但是對(duì)于內(nèi)蒙古東部地區(qū)來說，當(dāng)?shù)氐貕K較大、且不覆膜，作物生育季風(fēng)速較小、降雨相對(duì)較多，且時(shí)空分布極不均勻，在播種期及作物生育季內(nèi)的一定時(shí)段較為干旱，需要進(jìn)行補(bǔ)充灌溉。在生育季其他一些時(shí)段降雨較多，不需要灌溉，采用滴灌的灌水方式即浪費(fèi)資源，增加成本，又不能充分利用當(dāng)?shù)厮临Y源。因此，對(duì)于內(nèi)蒙古東部地區(qū)來說，采用噴灌灌溉制度對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)進(jìn)行農(nóng)業(yè)節(jié)水是最佳的選擇。

噴灌技術(shù)灌溉可以改善種植過程中的田間小氣候，提高土壤含水率及田間的濕度，有利于植物光合作用，提高作物產(chǎn)量。針對(duì)研究區(qū)而言，當(dāng)?shù)卦械墓喔戎贫然緦儆诹愎喔龋蠖沟姆N植產(chǎn)量只與降雨的多少有關(guān)，在豐水年大豆產(chǎn)量較高，枯水年大豆產(chǎn)量很低。采用噴灌技術(shù)不但可以改善種植過程中的小氣候，也可以為大豆的種植提供足夠的水分，大大提高當(dāng)?shù)卮蠖巩a(chǎn)量，進(jìn)而提高當(dāng)?shù)卮蠖沟氖找妗?/p>

3.2 結(jié) 論

(1) 在研究區(qū)實(shí)施噴灌技術(shù)可以有效改善土壤的墑情，提高土壤的儲(chǔ)水量，為作物生長提供充足的水分。

(2) 在研究區(qū)使用噴灌技術(shù)灌溉在很大程度上可以提高灌區(qū)的產(chǎn)量，隨著灌水次數(shù)的增加產(chǎn)量也會(huì)增加。

(3) 研究區(qū)最適合采用CL3處理的灌溉制度，該制度下的作物水分生產(chǎn)率最大，為2.69 km/m3。

(4) 盡管噴灌技術(shù)為當(dāng)?shù)氐拇蠖狗N植帶來了一定的成本，但是卻有很高的收益回報(bào)。

綜上所述，在內(nèi)蒙古大興安嶺東南麓地區(qū)采用噴灌技術(shù)種植大豆是可行的，可以為當(dāng)?shù)鼐用駧砀嗟氖找?，在?dāng)?shù)匾瞬捎肅L3的灌溉制度，即分別在開花期、結(jié)莢期和鼓粒期追加灌水定額為200 m3/hm2的灌水。

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Irrigation Scheduling and Economic Benefits of Sprinkler Irrigation in East Part of Inner Mongolia

CHENG Guangyuan1, SHI Haibin1, LI Ruiping1, WANG Chenggang1, YU Hong2, WANG Zuokui2

(1.CollegeofWaterConservancyandCivilEngineering,InnerMongoliaUniversity,Hohhot,InnerMongolia010018,China; 2.WaterAffairsBureauofArunBanner,HulunBuir,InnerMongolia,ArunBanner,InnerMongolia162750,China)

[Objective] In order to address the “l(fā)ow yield” issue caused by no irrigation in the east Greater Khingan Range region of Inner Mongolia, high yield and high efficiency irrigation programs are needed in this region. [Methods] We took the traditional soybean as the test crop, to investigate the crop yield, water productivity and economic benefits under sprinkler irrigation system. [Results] The local agriculture model could not provide enough water for soybean growth without irrigations. The soybean yield increased by 20% when irrigated 2 times by using the sprinkler irrigation technique, but the economic benefits were not improved. The total soybean yield was the highest when irrigated 4 times by using the sprinkler irrigation technique, but the soybean crop water productivity was lower, compared to the crop irrigated by 3 times, and unnecessary waste of water resources occurred. [Conclusion] By 3 times irrigation with 200 m3/hm2quota of water in different growing periods (flowering, fruiting and seed filling periods) of soybean, the soybean production can be increased by 47.8%, and the maximum economic benefits can be obtained.

sprinkler irrigation; irrigation system; crop water productivity; economic benefits

2014-06-21

2014-08-14

內(nèi)蒙古自治區(qū)水利“十二五”重大科技示范項(xiàng)目“內(nèi)蒙古新增四個(gè)千萬畝節(jié)水灌溉工程科技支撐項(xiàng)目”子課題“淺山丘陵區(qū)大田作物噴滴灌綜合節(jié)水技術(shù)集成研究與示范”(20121036)

程光遠(yuǎn)(1990—),男(蒙古族),內(nèi)蒙古錫林郭勒盟人,碩士研究生,研究方向節(jié)水灌溉理論與新技術(shù)。 E-mail:18647956280@163.com。

史海濱(1961—),男(漢族),山西省太谷縣人,博士,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事研究方向節(jié)水灌溉理論與新技術(shù)方面研究。E-mail:shi_haibin@sohu.com。

A

1000-288X(2015)05-0284-05

S275.5