吳 婕，鄧建偉，丁 林

(甘肅省水利科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730000)

近60a來，隨著河西內(nèi)陸區(qū)深入開發(fā)，經(jīng)濟(jì)社會用水逐年增長，致使下游生態(tài)水量銳減，出現(xiàn)了草場退化、濕地湖泊萎縮消失、地下水位下降、土地荒漠化及鹽漬化等生態(tài)環(huán)境問題[1- 3]，其中下游敦煌月牙泉和疏勒河尾閭的西湖國家自然保護(hù)區(qū)生態(tài)問題尤為突出[4- 6]。目前，疏勒河灌區(qū)灌溉面積達(dá)5×104hm2，農(nóng)業(yè)用水占總用水量達(dá)91.9%[7]，現(xiàn)狀節(jié)水灌溉率僅為32.41%[6]，說明該地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水相對粗放，存在漫灌等落后的灌水模式。對河西內(nèi)陸區(qū)來說，水資源短缺不僅是制約該地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸，也限制了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展。因此，通過分析作物生育期耗水規(guī)律以及作物耗水與降水關(guān)系，確定作物不同生育期所需水量和灌溉時(shí)間，提高水分利用效率對該地區(qū)尤為重要。目前，通過對旱作作物耗水特性，以及制定灌溉制度、水分利用等方面研究很多。田旭浪[8]等研究了春小麥在覆土深度5cm淺埋滴灌條件下的耗水規(guī)律，發(fā)現(xiàn)覆土淺埋滴灌水分利用效率明顯比地表滴灌高。王世杰[9]等通過調(diào)虧灌溉對膜下滴灌辣椒的生長指標(biāo)、耗水特性影響等研究，得出苗期中度水分調(diào)虧利于增產(chǎn)和提高水分效率。胡建強(qiáng)[10]等通過在阿勒泰多礫石砂土地區(qū)進(jìn)行膜下滴灌玉米耗水研究，提出了52.5mm的灌水定額適宜該地區(qū)的節(jié)水灌溉。侯慧芝[11]等人研究了甘肅中部全膜覆土穴播栽培技術(shù)對小麥產(chǎn)量及水分效率影響。黃濤[12]等人在石羊河流域進(jìn)行5種節(jié)水栽培措施實(shí)驗(yàn)研究，得出全膜壟作溝灌的耗水量最少，水分利用率最高，和常規(guī)的條膜平作相比節(jié)水32.5%，水分利用率提高32.5%。丁林[13]等選取向日葵等3種作物選用壟作溝播噴灌技術(shù)，分析適宜灌溉制度等指標(biāo)。徐寶山[14]等通過對玉米進(jìn)行地埋式滴灌、膜下滴灌、覆膜溝灌和大田畦灌4種不同灌水方式試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)地埋式滴灌耗水量最小，其次是膜下滴灌，大田畦灌最大，但水生產(chǎn)效益和水經(jīng)濟(jì)效益表現(xiàn)的規(guī)律相反。丁運(yùn)韜[15]等設(shè)置5個(gè)滴灌下限，研究了夾砂層土壤對玉米生長的影響。吳婕[16]從膜下滴灌辣椒生長指標(biāo)、品質(zhì)、耗水特性等方面研究，提出了適宜疏勒河灌區(qū)膜下滴灌辣椒灌溉制度?？傊?，關(guān)于作物耗水規(guī)律、水分利用效率等方面研究相對較多，但是針對主要作物耗水與降水耦合關(guān)系研究鮮有報(bào)道，有學(xué)者[17- 18]分別對玉米、谷子、春小麥和馬鈴薯進(jìn)行了作物需水與降水耦合分析研究，缺乏關(guān)于向日葵、辣椒的研究，尤其是河西內(nèi)陸區(qū)此類研究較少。本文選擇種植面積大的辣椒、向日葵、玉米，通過3種作物膜下滴灌耗水規(guī)律和水分利用效率試驗(yàn)研究，對其耗水規(guī)律與降水的耦合程度進(jìn)行定量分析，并比較分析不同灌水方式對水分利用效率及水經(jīng)濟(jì)效益增長幅度，以期為旱區(qū)作物高產(chǎn)和提高水生產(chǎn)效益提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本試驗(yàn)在玉門市新城區(qū)黃閘灣鄉(xiāng)梁子溝村開展，該區(qū)年平均氣溫7.3℃，年降水量不足70mm，年平均蒸發(fā)量卻是年降水量的近50倍，是典型大陸性荒漠氣候。試驗(yàn)地為中壤土質(zhì)，田間持水量為22.8%，土壤容重為1.46g/cm3。

1.2 試驗(yàn)布置與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選取向日葵、辣椒、玉米3種種植面積較大的作物，且采用膜下滴灌和覆膜管灌(即對照CK)灌溉方式做對比，小區(qū)面積60m2。向日葵、辣椒、玉米分別為玉門禾都谷豐農(nóng)業(yè)科技“HD601”、武威市綠洲種業(yè)公司“大板椒”、敦煌種業(yè)公司生產(chǎn)的“敦玉13”，3種作物均于4月中下旬播種，向日葵、辣椒播后均灌安種水，向日葵自6月中旬開始膜下滴灌灌水6次，CK1灌水3次；辣椒自6月上旬開始膜下滴灌灌水8次，CK2灌水5次。玉米自5月下旬開始灌第一水，膜下滴灌全生育期總計(jì)灌水10次，CK3灌水6次。具體灌溉試驗(yàn)方案見表1。

表1 疏勒河灌區(qū)主要作物灌溉試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

1.3 測定指標(biāo)與方法

土壤含水量通過TDR水分測定儀于播前、收獲后及每次灌水前后測定，并在作物生育期轉(zhuǎn)變階段及降雨后加測。作物成熟后，辣椒按每個(gè)小區(qū)采摘、稱重，向日葵、玉米每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取長勢均勻的9株植株進(jìn)行考種，并計(jì)算經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。計(jì)算種植效益時(shí)，要計(jì)入種子、農(nóng)藥、化肥、地膜、機(jī)械、滴灌帶、水費(fèi)等相關(guān)投入費(fèi)用。

有效降水量采用美國環(huán)保部1992年推薦的公式計(jì)算[19- 20]，公式如下：

(1)

式中，Pe—有效降水量，mm；P—降水量，mm。

作物不同生育期需水與降水的耦合度計(jì)算方法為：

(2)

式中，λ—作物不同生育期需水與降水的耦合度，其取值范圍為0～1.0，λ逾趨近于1，說明降水滿足作物需水程度越高，反之越低；ETc—作物相應(yīng)生育期的需水量，mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 降水量分析

2017年共降水22次，總降水量70.5mm，多年平均降水量69.2mm，距平百分率為1.9%，介于判斷正常降水判定標(biāo)準(zhǔn)-20%與20%之間，判定為降水正常年[21]。2017年全年降水主要集中在4—7月，占全年總降水量的96.6%。如圖1所示，日降雨量超過6mm的降雨只有4次，除7月20日的1次大雨(日降水量19.5mm)外，其它3次均不到10mm。疏勒河灌區(qū)位于河西內(nèi)陸區(qū)，屬于荒漠氣候，年降水量較少，且每次降水量大多不足6mm，在其還未滲入作物根系就已蒸發(fā)，對作物生長幾乎沒有作用，屬于無效降水，可見灌溉對疏勒河灌區(qū)農(nóng)業(yè)至關(guān)重要。

圖1 試驗(yàn)期間氣溫及降水變化情況

2.2 不同作物的耗水規(guī)律

2.2.1向日葵耗水規(guī)律分析

向日葵整個(gè)生育期僅有4次有效降雨，主要集中在苗期、現(xiàn)蕾期、開花期。如圖2所示，膜下滴灌和對照灌溉耗水規(guī)律基本相似，只是在耗水量大小上有所不同，其表現(xiàn)為灌水量越大耗水量越大。與CK1相比，膜下滴灌處理整個(gè)生育期平均耗水量比CK1低218.8mm，其中灌水量最小的SDG1較CK1小271.5mm，呈顯著性差異；向日葵耗水量最大峰值出現(xiàn)在開花期，開花期耗水量82.5～166.6mm，耗水模數(shù)均在28%以上，這一階段向日葵生長最旺盛，葉面積達(dá)到最大，制造較多的光合產(chǎn)物，干物質(zhì)快速地向花盤轉(zhuǎn)移，生理需水急劇增加；向日葵不同處理日耗水量均表現(xiàn)為先增長后減弱的變化趨勢，開花期日耗水量最大，其中開花期耗水強(qiáng)度最大的CK1為5.9mm·d-1，膜下滴灌各處理開花期耗水強(qiáng)度3.0～4.4mm·d-1，CK1與膜下滴灌各處理耗水強(qiáng)度呈顯著性差異；向日葵現(xiàn)蕾期至灌漿期這3個(gè)生育期的耗水模數(shù)均達(dá)20%以上，占總耗水量比例達(dá)75%以上，且耗水強(qiáng)度大于全生育期平均耗水強(qiáng)度，因此影響向日葵生長各指標(biāo)的是現(xiàn)蕾期、開花期、灌漿期這3個(gè)關(guān)鍵期。

圖2 不同灌水方式對向日葵生育階段性耗水的影響

2.2.2辣椒耗水規(guī)律分析

辣椒整個(gè)生育期僅有4次有效降雨，主要集中在苗期、開花期、坐果期。如圖3所示，膜下滴灌和對照灌溉耗水規(guī)律基本相似，只是在耗水量大小上有所不同，其表現(xiàn)為灌水量越大耗水量越大。與CK2相比，膜下滴灌處理整個(gè)生育期平均耗水量比CK2低150.0mm，其中灌水量最小的LDG1較CK2小193.3mm，呈顯著性差異；辣椒耗水量最大峰值出現(xiàn)在開花期，這一階段辣椒快速增長、葉片數(shù)增加，生理需水急劇增加，開花期耗水量111.1～156.6mm，耗水模數(shù)均在25%以上；辣椒不同處理日耗水量均表現(xiàn)為先增長后減弱的變化趨勢，坐果期日耗水量最大，其中坐果期CK2耗水強(qiáng)度為6.7mm·d-1、膜下滴灌各處理耗水強(qiáng)度3.9～5.3mm·d-1，CK2與膜下滴灌各處理耗水強(qiáng)度呈顯著性差異；辣椒開花期至膨大期耗水模數(shù)達(dá)65%以上，是影響辣椒生長各指標(biāo)的3個(gè)關(guān)鍵期。

圖3 不同灌水方式對辣椒階段性耗水的影響

2.2.3玉米耗水規(guī)律分析

玉米整個(gè)生育期僅有4次有效降雨，主要集中在苗期、拔節(jié)期、大口期、抽穗期。如圖4所示，膜下滴灌和對照灌溉耗水規(guī)律基本相似，只是在耗水量大小上有所不同，其表現(xiàn)為灌水量越大耗水量越大。與CK3相比，膜下滴灌處理整個(gè)生育期平均耗水量比CK3低407.2mm，其中灌水量最小的YDG1較CK3小440.7mm，呈顯著性差異；玉米最大峰值出現(xiàn)在灌漿期，此時(shí)作物蒸騰蒸發(fā)作用強(qiáng)烈，是淀粉、蛋白質(zhì)等儲存于籽粒的生殖生長階段，灌漿期耗水量59.3～127.7mm，耗水量和耗水模數(shù)達(dá)到了最大；玉米日耗水量均呈現(xiàn)先增長后減弱的變化趨勢，灌漿期耗水量和日耗水量也最大，其中灌漿期CK3耗水強(qiáng)度為7.1mm·d-1、膜下滴灌各處理耗水強(qiáng)度3.3～3.9mm·d-1，CK3與膜下滴灌各處理耗水強(qiáng)度呈顯著性差異；拔節(jié)期至灌漿期這4個(gè)生育期的耗水模數(shù)均在15%左右，占總耗水量比例達(dá)65%以上，因此影響玉米生長各指標(biāo)的是拔節(jié)期、大口期、抽穗期、灌漿期這4個(gè)關(guān)鍵期。

圖4 不同灌水方式對玉米階段性耗水的影響

2.3 生育期作物耗水與降水耦合分析

以向日葵、辣椒、玉米3種作物的第二處理為例，不同生育期耗水與降水的耦合度變化如圖5所示。圖中顯示，3種作物耗水與降水耦合度基本都隨著生育進(jìn)程逐漸降低，但辣椒在坐果期耦合度最高，玉米在抽穗期耦合度比大口期略有提高，隨后又逐漸降低。其中向日葵僅苗期耗水與降水的耦合度為0.13大于0.1，其余生育期均低于0.1；辣椒耗水與降水的耦合均低于0.1，但辣椒在坐果期耦合度略有提高；玉米在苗期和抽穗期耗水與降水的耦合分別為0.15、0.11，其余生育期均低于0.1。

圖5 向日葵、辣椒和玉米耗水量與降水不同生育期耦合度動態(tài)變化

向日葵、辣椒、玉米膜下滴灌第二處理全生育期耗水量分別為336.55、439.29、354.30mm，其中辣椒6月開花期(121.11mm)、向日葵7月開花期(96.23mm)、玉米8月灌漿期(65.64mm)是3種作物耗水最大時(shí)期，但6、7、8月降雨分別為13.7、32.7、1.0mm，向日葵、辣椒、玉米最大耗水期與降水的耦合度分別為0.08、0.05、0.00，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1.0，可見干旱農(nóng)業(yè)區(qū)降水量無法滿足向日葵、辣椒、玉米的需水量。

此外，對3種作物耦合度和不同生育期采用3次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，向日葵、玉米判定系數(shù)在0.80以上，辣椒判定系數(shù)為0.70。在3種作物不同生育期內(nèi)的耦合度λ均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1，表明作物僅靠降雨遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需水量，須通過農(nóng)業(yè)灌溉給補(bǔ)充作物生長水分。

2.4 不同作物產(chǎn)量、水分利用效率及經(jīng)濟(jì)效益

通過對向日葵、辣椒、玉米的產(chǎn)量、水分利用效率及經(jīng)濟(jì)效率分析，來揭示不同灌溉方式對種植效益的影響。從表2結(jié)果顯示，向日葵、辣椒、玉米不同灌溉處理之間的水分利用效率和水經(jīng)濟(jì)效益差距較為顯著。其中，向日葵SDG2、SDG3較對照CK1增產(chǎn)8.98%、5.17%，SDG1較對照減產(chǎn)17.04%，膜下滴灌處理較對照均有節(jié)水效益，其節(jié)水率均在30%以上；產(chǎn)量最高的SDG2凈效益最高22749.0元/hm2，投產(chǎn)比2.25，相比灌水量最多的對照CK1水分利用效率、水分經(jīng)濟(jì)效益提高79.74%，呈顯著差異。

表2 主要作物產(chǎn)量、水分利用效率及經(jīng)濟(jì)效率

辣椒LDG1、LDG2、LDG3較對照CK2增產(chǎn)5.62%、14.33%、9.83%，膜下滴灌處理較對照均有節(jié)水效益，其節(jié)水率均在25%以上；產(chǎn)量最高的LDG2凈效益最高22431.0元/hm2，投產(chǎn)比2.15，相比灌水量最多的對照CK2水分利用效率、水分經(jīng)濟(jì)效益提高了74.40%，呈顯著差異。

玉米YDG2、YDG3較對照CK3增產(chǎn)12.24%、8.78%，YDG1較對照減產(chǎn)3.23%，膜下滴灌處理較對照均有節(jié)水效益，其節(jié)水率均在45%以上；產(chǎn)量最高的YDG2凈效益最高10670.0元/hm2，投產(chǎn)比1.79，相比灌水量最多的對照CK3水分利用效率、水分經(jīng)濟(jì)效益提高了152.54%，呈顯著性差異。

從上看出，3種作物的膜下滴灌相比對照在提高水分利用效率和水經(jīng)濟(jì)效益等方面具有明顯優(yōu)勢，其中辣椒膜下滴灌平均水分利用效率最高，其次是玉米，向日葵最??；雖3種作物膜下滴灌水分利用效率之間具有差別明顯，但由于作物市場單價(jià)差異較大，最后導(dǎo)致這3種作物的水經(jīng)濟(jì)效益差異不顯著。說明在疏勒河灌區(qū)大力推廣膜下滴灌有利于水分利用效率和水經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)論

河西內(nèi)陸區(qū)干旱少雨，降水不能滿足作物生長和消耗的水分，為了該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展，發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)是解決河西內(nèi)陸區(qū)水資源短缺的首要途徑。水分是限制旱作農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要因素，因此研究產(chǎn)量與WUE能協(xié)同提高，即以較少水分實(shí)現(xiàn)盡可能多的產(chǎn)量，對保證糧食安全和節(jié)約水源具有戰(zhàn)略意義[22]。本文通過對主要作物耗水規(guī)律與降水的耦合程度進(jìn)行定量分析，并比較分析不同灌水方式的水分利用效率及水經(jīng)濟(jì)效益增長幅度，以期為旱區(qū)作物高產(chǎn)和提高水生產(chǎn)效益提供理論依據(jù)。為了具有更強(qiáng)的指導(dǎo)性作用，建議開展長系列的試驗(yàn)研究，進(jìn)一步完善和深入探討。