劉 虎，王 健，阿比亞斯，陳 功，高天明，肇志強(qiáng)，辛海霞

（1水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，呼和浩特 010020；2內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，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(dāng)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(duì)水稻的消費(fèi)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(dāng)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(shù)被認(rèn)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(xué)者對(duì)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(shí)間對(duì)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(duì)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(píng)估了不同除草劑在機(jī)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(yàn)試驗(yàn)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(yàn)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(gè)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(yàn)，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(duì)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(jìn)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(chǔ)上，白開華等[10]分析了江蘇省省1961—2000年及未來一段時(shí)期內(nèi)的氣象數(shù)據(jù)，計(jì)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(jì)算了1955—2007年江蘇高郵灌區(qū)水稻灌溉需水量。考慮到天氣因素的變化，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(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)節(jié)水高產(chǎn)技術(shù)水稻不同生育期、月需水量、需水強(qiáng)度、模數(shù)系數(shù)及其變化規(guī)律進(jìn)行了分析，覆膜旱稻的需水強(qiáng)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(duì)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(jì)寧市開展了水稻節(jié)水灌溉試驗(yàn)以及作物蒸發(fā)蒸騰量ETc的理論計(jì)算模型研究。

目前對(duì)水稻的相關(guān)研究較常見，但是研究滴灌旱作水稻技術(shù)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(yīng)、經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)等方面的研究尚不多見。為了解決內(nèi)蒙古東部當(dāng)前面對(duì)的農(nóng)業(yè)水資源缺乏等制約當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)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(yàn)、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(duì)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(yàn)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(yàn)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(shí)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(xiàng)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(yàn)區(qū)田間土壤肥力含量

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)3個(gè)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(gè)處理均設(shè)置3次重復(fù)，共九個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積0.67 hm2。灌溉水量由電磁閥和水表控制，當(dāng)土壤含水量達(dá)到試驗(yàn)處理設(shè)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(shí)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(jī)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(xí)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(shè)置地下水觀測井1眼。

表2 膜下滴灌水稻試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)表 %

1.3 試驗(yàn)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(biāo)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(jì)測定。土壤物理性狀包括：在試驗(yàn)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(biāo)：每個(gè)生育期用卷尺測量株高一次；葉面積每個(gè)生育期一次，用LAI-2000植物冠層儀測定；莖粗每個(gè)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(shí)測定各處理水稻根部干物質(zhì)量。每個(gè)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(yùn)動(dòng)參數(shù)及地下水補(bǔ)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(dǎo)率和土壤水分含量之間的關(guān)系，是一組關(guān)于砂礫和粉粒含量與有機(jī)質(zhì)含量的函數(shù)。模塊輸入粉粒、砂礫、田間持水量、飽和導(dǎo)水率、土壤濕容重、有機(jī)質(zhì)百分含量，輸出凋萎系數(shù)、田間持水量、飽和導(dǎo)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?jǐn)U散率D和土壤中的導(dǎo)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(dǎo)水率為10.61 cm/d；土壤水分特征曲線見圖1b。

表3 項(xiàng)目區(qū)SPAW模擬的土壤水分特征值

圖1 SPAW模型計(jì)算結(jié)果

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

項(xiàng)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(bǔ)給，該方法所依循的原則是達(dá)西定律和質(zhì)量守恒原理。通過該方法對(duì)土壤水通量、潛水入滲和蒸發(fā)進(jìn)行了分析計(jì)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(fù)壓計(jì)，通過計(jì)算得該點(diǎn)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(fù)壓值。由上述方程(1)、(2)可計(jì)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(jì)算，見式(3)。

通過公式(3)計(jì)算得到試驗(yàn)區(qū)不同生育期地下水補(bǔ)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(bǔ)給計(jì)算表

2.2 膜下滴灌旱作水稻需水量

膜下滴灌需水量的計(jì)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(bǔ)給量，mm；M為生育期灌溉量，mm；Wt為計(jì)劃灌溉量生長期濕潤層由于計(jì)劃濕潤層和水量的增加，基本無變化，本項(xiàng)不計(jì)算；ΔW為生長期初、末期計(jì)劃濕潤層蓄水量，生長期初、末期土壤水分按常量計(jì)算，本項(xiàng)不計(jì)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(guān)外，還與水稻品系和種植模式等因素有關(guān)，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(shù)。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(gè)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(qiáng)度快速增加，直到拔節(jié)孕穗中期達(dá)到最大，之后進(jìn)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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?yàn)樵趥鹘y(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(duì)水田進(jìn)行灌溉，所以泡田定額較大，因此最大的需水強(qiáng)度出現(xiàn)在苗期，而進(jìn)入生長期，由于稻株經(jīng)常處理水淹狀態(tài)，因此，需水強(qiáng)度仍然相對(duì)較高，到了抽穗灌漿期，稻田要逐漸進(jìn)入曬田狀態(tài)，土壤中的水分逐漸減少，因此這個(gè)時(shí)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(shí)期與構(gòu)成產(chǎn)量性狀的關(guān)系極大。幼穗分化期及乳熟期干旱，對(duì)千粒重有影響，而對(duì)結(jié)實(shí)率和粒重影響的時(shí)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(yīng)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(shí)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(bǔ)充更多的水分。但是隨著生長的進(jìn)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(qiáng)，各個(gè)處理的水稻需水量均在逐步增加，需水量達(dá)到一個(gè)小高峰，此時(shí)需適量適時(shí)灌水。在7月底至8月初，外部環(huán)境溫度高，相對(duì)濕度低，平均日照時(shí)間增加，水稻進(jìn)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(shí)數(shù)的減少，旱稻覆膜需水強(qiáng)度和需水量有所下降?？梢?，膜下滴灌旱作水稻的需水量相對(duì)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(guān)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(duì)水稻產(chǎn)量指標(biāo)和需水量進(jìn)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(guān)，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(shí)粒為106.5個(gè)，高于傳統(tǒng)泡田的99.4個(gè)。膜下滴灌和傳統(tǒng)泡田的空癟率和千粒重基本相當(dāng)。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(gè)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(guān)系，在進(jìn)行作物需水量分析和最優(yōu)方案確定時(shí)，常以作物需水系數(shù)作為衡量指標(biāo)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(shí)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(qiáng)度較小。隨著生長發(fā)育的不斷推進(jìn)，植株和葉面積逐漸增大。進(jìn)入營養(yǎng)生長和生殖生長并進(jìn)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(qiáng)，所以其耗水量和耗水強(qiáng)度也會(huì)同步增大，到分蘗后期達(dá)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(duì)水分的需求也在逐漸減少，耗水量和耗水強(qiáng)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(shí)，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(qiáng)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(dá)到最大，之后進(jìn)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。