何 幸,陳小強,馬顯瑩,盧曉鵬,李 靖
(1.云南農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院, 昆明 650201;2.云南省水利水電科學研究院, 昆明 650032;3.云南農(nóng)業(yè)大學城鄉(xiāng)規(guī)劃設計研究院,昆明 650201)
我國是全世界水資源極其短缺的國家之一,人均只有2 100 m3,僅為世界平均水平的28%,水資源匱乏嚴重制約著我過經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計,截至2013年底,全國有效灌溉面積0.63億hm2,其中節(jié)水灌溉工程面積0.27億hm2,占有效灌溉面積的43%。高效節(jié)水灌溉面積0.14 億hm2,占有效灌溉面積的 22%,其中低壓管道輸水0.07億hm2、噴灌0.03億hm2、微灌0.04億hm2[1]?;仡櫸覈咝Ч?jié)水技術(shù)發(fā)展的歷程,較其他節(jié)水發(fā)達國家晚了很多,1970年左右開始采用噴灌節(jié)水技術(shù),直到1989年末才開始采用滴灌技術(shù)。農(nóng)業(yè)灌溉用水量約占總水資源的65%,灌溉水利用系數(shù)較低,水資源浪費嚴重[2]。因此,采用高效節(jié)水灌溉技術(shù)對我國水資源的可持續(xù)發(fā)展和利用至關(guān)重要。本課題組結(jié)合國內(nèi)外近期研究成果,以蔬菜和核桃為研究對象,采用滴灌灌溉方式,深入探討和對比采用滴灌和漫灌時蔬菜和核桃的灌溉用水量及其節(jié)水效益,為規(guī)?;?jié)水灌溉方式選擇和節(jié)水效益分析研究作進一步的補充,更好地完善節(jié)水灌溉功能的評價。
試驗于2014年1月至2015年1月在云南省姚安縣太平鎮(zhèn)和光祿鎮(zhèn)進行。
試驗地位于云南省楚雄州姚安縣太平鎮(zhèn)和光祿鎮(zhèn)。太平鎮(zhèn)試驗地的中心地理坐標為N 25°25′18.30″,E 101°14′31.50″,海拔2 051 m,土壤質(zhì)地為沙質(zhì)紅壤。光祿鎮(zhèn)試驗地的中心地理坐標為N 25°35′47.41″,E 101°13′52.86″,海拔1 866 m,土壤為沙質(zhì)紅壤。姚安縣多年平均氣溫15.3 ℃,多年平均最高氣溫20.9 ℃,多年平均最低氣溫8.6℃,年平均降雨量770.4 mm,年平均蒸發(fā)量為2 453.4 mm。太平鎮(zhèn)和光祿鎮(zhèn)試驗地土壤基本理化性質(zhì)分別見表1和表2。
表1 太平鎮(zhèn)供試土壤基本理化性質(zhì)
表2 光祿鎮(zhèn)供試土壤基本理化性質(zhì)
太平鎮(zhèn)選用植物為核桃,在姚安盛輝林業(yè)有限公司的核桃基地劃定試驗區(qū)域,選取生長了2 a的漾濞核桃植株作供試植株,掛果時長為8 a。光祿鎮(zhèn)選用豌豆,生長周期為120 d。在云南姚安青美農(nóng)業(yè)科技發(fā)展有限公司蔬菜種植基地劃定試驗區(qū)域。
試驗共設置了2種姚安縣當?shù)胤N植規(guī)模較大的經(jīng)濟作物植株類型(核桃和豌豆),在滴灌工程實施的區(qū)域和未實施區(qū)域?qū)υ囼烅椖窟M行觀測。其中,在太平鎮(zhèn)的核桃區(qū)域,選取5條毛管上共68株和未布設滴灌工程的68株核桃作本試驗核桃測試項目的觀測對象。在光祿鎮(zhèn)的種植蔬菜區(qū)域,在實施滴灌和未實施滴灌(采用澆灌方式)區(qū)域各選取了0.133 hm2(2 畝)豌豆種植地塊作本試驗蔬菜測試項目的觀測對象。在試驗過程中,均按照滴灌區(qū)企業(yè)和澆灌區(qū)農(nóng)民的實際灌水量做好每次灌水記錄,在測試項目中,均嚴格按照2種灌溉方式的觀測項目同步進行。
(1)氣象資料。本試驗借助云南省水利水電科學研究院在光祿鎮(zhèn)田間安裝的渦動系統(tǒng)觀測試驗期內(nèi)的降雨及其他氣象指標。
(2)灌水量測定。試驗共對核桃和豌豆2種植株選定觀測區(qū)域,在選定的太平鎮(zhèn)核桃測試區(qū)和光祿鎮(zhèn)的豌豆測試區(qū)滴灌的末級5條毛管上各安裝B級DN-32型計量水表,計量精度為0.000 1 m3,以觀測在滴灌條件下2種植株的年灌溉水量。由于試驗區(qū)旁仍有滴灌工程未實施區(qū)域,故在未布設滴灌設施的地塊外(采用澆灌的灌溉方式)選擇面積和種植植株種類及株數(shù)相同的地塊,通過在每次灌溉前用計量桶記錄每種植株的灌溉水量,年末時把年內(nèi)各次灌溉水量相加得出年灌溉水量。
(3)植株性狀指標。本試驗以核桃和豌豆為測試對象,在2014年1月5日至2015年1月1日觀測期內(nèi),對定點68株核桃的株高、胸徑、葉片總數(shù)及葉片總質(zhì)量進行滴灌和澆灌的橫向?qū)Ρ扔^測與記錄。對豌豆的生物量進行滴灌與澆灌的對比觀測和記錄,研究2種灌溉條件下植株生長狀況。對豌豆每季收獲前,選定6株帶回實驗室,將豌豆的植株和根系洗凈晾干后稱其鮮重,再放進烘箱105 ℃殺青0.5 h,然后在65~70 ℃烘干至恒重,測定干重[3],然后根據(jù)公式(根系密度=活根干重/取樣器體積) 將其轉(zhuǎn)化為根系密度。
(4)土壤含水率和土壤溫度。本試驗采用儀器直接測定土壤含水量和土壤溫度。土壤含水量和土壤溫度分別采用Delta-T針式土壤水分儀(ML-2X)和DIGITAL-Thermometer溫度計直接測定。核桃觀測深度為0~10、10~20、20~30和30~60 cm,豌豆觀測深度為0~10、10~20、20~30 cm。在每次降雨或灌水事件后第2天早上9∶00對每個小區(qū)的選定點位進行測定,在測定土壤含水率的同時,測定該土層深度的土壤溫度。
試驗所得數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2007、SPSS 19.0等計算機軟件進行計算、整理和統(tǒng)計分析。
2014年1月5日至2015年1月1日觀測期內(nèi)共計降雨79次,降雨867.4 mm,具體降雨情況見表3。由表3可知,觀測期內(nèi)6月、7月和8月份占總觀測期降雨量的72.37%,而其余月份降雨量則明顯偏少,植株對灌溉要求迫切。
(1)不同灌溉方式下核桃灌水量。在2014年1月5日至2015年1月1日試驗期內(nèi),核桃試驗區(qū)核桃灌水情況見表4。數(shù)據(jù)表明,采用滴灌灌溉方式是人工澆灌時單次灌水量的1/3,灌溉次數(shù)較人工澆灌少了11次,單株年用水量和試驗區(qū)年總用水量較人工澆灌減少了76.58%。這說明,采用滴灌的灌溉方式,對灌溉用水缺少的姚安縣而言,既能減少灌溉用水的使用量,又能保證植株正常生長,是當?shù)剡m宜采用的高效節(jié)水灌溉方式。
表3 2014年1月至2015年1月試驗期內(nèi)降雨特征
表4 試驗期內(nèi)太平鎮(zhèn)核桃植株灌水情況
(2)不同灌溉方式下豌豆灌水量。在與核桃試驗區(qū)相同時間段的試驗期內(nèi),對光祿鎮(zhèn)豌豆試驗區(qū)的灌水情況見表5。數(shù)據(jù)表明,試驗期內(nèi)不同灌溉方式的作物種植次數(shù)相同,均為3次,0.133 hm2(2 畝)試驗區(qū)滴灌比人工澆灌灌溉方式的灌水量減少了78.67%。由于采用滴灌的灌溉方式,可以根據(jù)田塊實際土壤含水率,適時適宜地對植株進行灌溉,在不影響植株生長的情況下,提高了灌溉水利用效率,節(jié)約水資源。
表5 試驗期內(nèi)光祿鎮(zhèn)豌豆植株灌水情況
(1)不同灌溉方式下核桃植株性狀。核桃植株在試驗期內(nèi)植株性狀表見表6。數(shù)據(jù)表明,采用不同的灌水方式,植株生長狀況不盡一致。從2014年1月5日至2015年1月1日,在株高指標中,滴灌灌溉方式下增加了12.3 cm,人工澆灌方式下增加了11.0 cm;在胸徑指標中,滴灌灌溉方式下增加了2.8 cm,人工澆灌的增加了2.6 cm;在節(jié)距指標中,在植株定點觀測點位,滴灌灌溉方式下增加了0.9 cm,人工澆灌下增加了0.8 cm;在葉片數(shù)指標中,2種灌溉中采用人工澆灌的灌溉方式較滴灌在峰值時多了5片葉片。說明采用滴灌灌溉方式,核桃植株在科學合理的灌溉制度指導下,更有利于核桃植株的生長和發(fā)育。
表6 試驗期內(nèi)太平鎮(zhèn)核桃植株性狀
注:表中數(shù)值為不同灌溉方式下68株核桃在每次試驗下觀測值的平均值。
(2)不同灌溉方式下豌豆植株生物量。試驗期內(nèi)共計種植了3季豌豆,每季收獲前取6株帶回實驗室測定結(jié)果見表7。數(shù)據(jù)表明,在根系指標中,采用滴灌灌溉下根系密度較人工澆灌增加了4.67%;在地上生物量指標中,滴灌條件下均比人工澆灌大,鮮重和干重分別較人工澆灌提高了9.23%和6.42%,在地下生物量指標中,采用滴灌灌溉方式鮮重和干重指標較人工澆灌增加了7.80%和5.70%。由于根系是植株汲取土壤養(yǎng)分和水分的重要器官,采用滴灌灌溉方式,能有效增加植株根系密度,促進植株生長,增加植株生物量。
表7 試驗期內(nèi)光祿鎮(zhèn)豌豆植株生物量表
注:表中數(shù)值為不同灌溉方式下3季豌豆在每次收獲前各取6株觀測值的平均值±標準差。
對核桃和豌豆試驗區(qū)在試驗期內(nèi)各次觀測的土壤含水量和土壤溫度值匯總見表8。數(shù)據(jù)表明,在核桃和豌豆試驗區(qū),采用2種灌溉方式,各土層深度處土壤含水量和土壤溫度差異不大。說明采用不同灌溉方式,最終到達植株根部附近的水量相當,而土壤溫度亦是如此,結(jié)合2.2節(jié)灌溉水量的相差懸殊,進一步證明滴灌在減少灌水量的同時,而實際最終被植株吸收和利用的水量不會因為灌溉方式的不同而產(chǎn)生影響。
表8 試驗期內(nèi)核桃豌豆試驗區(qū)土壤含水量和土壤溫度
(1)在灌溉水量上,據(jù)表2可知,在核桃試驗區(qū),采用滴灌灌溉方式是人工澆灌時單次灌水量的1/3,灌溉次數(shù)較人工澆灌少了11次,單株年用水量和試驗區(qū)年總用水量較人工澆灌減少了76.58%。在豌豆試驗區(qū),試驗期內(nèi)不同灌溉方式的作物種植次數(shù)相同,均為3次,0.133 hm2試驗區(qū)滴灌比人工澆灌灌溉方式的灌水量減少了78.67%。滴灌較落后的人工澆灌而言,極大節(jié)約了緊缺的水資源。針對節(jié)水灌溉,很多學者已經(jīng)作了大量研究:王玉明[4]等人通過對馬鈴薯膜下滴灌的研究,表明采用更高效的膜下滴灌比露地滴灌馬鈴薯平均增產(chǎn)26%,水分利用提高28.5%,灌水的平均生產(chǎn)效率提高26%;蘇薈[5]通過研究新疆地區(qū)采用的高效節(jié)水灌溉技術(shù),用計量和模型的方法評價了新疆兵團和新疆地方農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)選擇的績效,系統(tǒng)闡述了作為我國高效節(jié)水灌溉技術(shù)利用最全面的新疆在近幾十年來所取得成效與經(jīng)驗;賀城[6]等人對現(xiàn)階段我國范圍內(nèi)的灌溉技術(shù)體系現(xiàn)狀進行了系統(tǒng)性的總結(jié)和概括。
(2)在植株性狀上,據(jù)表4和表5,在植株品種和苗齡一致的情況下,采用滴灌的灌溉方式較人工澆灌有明顯優(yōu)勢。滴灌灌溉方式下核桃株高增加了12.3 cm,人工澆灌方式下增加了11.0 cm;在胸徑指標中,滴灌灌溉方式下增加了2.8 cm,人工澆灌的增加了2.6 cm;對豌豆而言,采用滴灌灌溉下根系密度較人工澆灌增加了4.67%,地上生物量指標中,鮮重和干重分別較人工澆灌提高了9.23%和6.42%,在地下生物量指標中,采用滴灌灌溉方式在鮮重和干重指標較人工澆灌增加了7.80% 和5.70%,滴灌較傳統(tǒng)人工澆灌有明顯的種植優(yōu)勢。
對于不同灌溉方式對植株生長的影響,前人已通過各種研究方法取得了很多研究成果:杜太生[7]和Kang S Z[8]通過對根區(qū)研究了對植株產(chǎn)量和生長性狀的研究,表明根區(qū)交替滴灌技術(shù)可以使棉籽產(chǎn)量比常規(guī)滴灌處理提高21.1%,總水分利用效率和灌溉水利用效率分別提高17.9%和20.9%;蘇永中[9]等人在不同土壤條件下研究了節(jié)水灌溉對棉花產(chǎn)量和灌溉水生產(chǎn)力的影響;張耗[10]等人通過研究節(jié)水灌溉對抗旱水稻品種產(chǎn)量的影響和生理基礎的影響,表明節(jié)水灌溉條件下較好的根系性能和地上部植株較強的生理活性是其高產(chǎn)與水分高效利用的重要生理基礎。
(3)在土壤含水量和土壤溫度指標上,表8數(shù)據(jù)表明,核桃和豌豆植株種植試驗區(qū)各土層深度處土壤含水量和土壤溫度差異不大。筆者認為,雖然人工澆灌較滴灌灌溉水量大很多,但實際表征出在植株根系附近,2種灌溉方式并無太多差異。
綜上表明,在缺水型地區(qū)采用滴灌的灌溉方式有助于節(jié)約水資源。然而,由于節(jié)水灌溉技術(shù)實施難度大,資金投入高,管理維護成本高,單純依靠農(nóng)民或個別企業(yè)資金能力,難以大面積成規(guī)模發(fā)揮節(jié)水灌溉具有的巨大潛力,國家應從政策、資金、管理等方面對節(jié)水灌溉進行適當傾斜,才能使節(jié)水灌溉技術(shù)惠及更多老百姓和小企業(yè)。
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