周姣艷 ，馬創(chuàng)業(yè)

（1.昆山市水務(wù)水文調(diào)度中心，江蘇 蘇州 215300；2.昆山水務(wù)工程建設(shè)管理處，江蘇 蘇州 215300）

0 引言

在我國，水稻常年種植面積高達(dá)3 000萬hm2，約占全國耕地面積的三分之一，約占全球水稻種植面積的五分之一[1]。截至2019 年年底，我國農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)為0.559，與發(fā)達(dá)國家相比仍具有較大差距[2]，因此推行稻田節(jié)水灌溉制度對(duì)我國農(nóng)業(yè)節(jié)水具有重要意義。

目前，已推行的水稻節(jié)水灌溉技術(shù)有間歇灌溉、淺濕灌溉、控制灌溉、薄露灌溉等[3-5]，主要特點(diǎn)是使水稻在某些生育期內(nèi)保持田面無水層或使稻田土壤處于非飽和狀態(tài)。在節(jié)水灌溉制度的制定與實(shí)施過程中，灌水時(shí)間與灌水量主要由灌水下限決定，而灌水下限主要通過土壤水分傳感器等儀器進(jìn)行監(jiān)測。但儀器測量結(jié)果的精確程度易受各種因素的影響，徐愛珍等[6]的研究結(jié)果表明，TDR法測定土壤含水率的絕對(duì)偏差和相對(duì)偏差隨著土壤含水量的增大而減小，土壤含水量在半濕潤條件下偏差最大；孫蕾等[7]也發(fā)現(xiàn)中子法只能測出較深土層中的水，而不能用于土表的薄層土。儀器不僅存在監(jiān)測精度低的問題，其購買成本和維護(hù)費(fèi)用也很高，這使其難以在水稻種植區(qū)內(nèi)推廣應(yīng)用。為使農(nóng)民能更簡便快速地掌握水稻的水分虧缺狀況，有研究采用足跡深度、稻田裂縫程度等土壤描述性指標(biāo)[8]，以此解決設(shè)備成本過高、監(jiān)測精度低等問題，但上述指標(biāo)主要依靠農(nóng)民的經(jīng)驗(yàn)判斷，其精確性無法保證，用其指導(dǎo)水稻灌溉尚存在明顯缺陷。

為解決上述問題，少量研究已經(jīng)開始關(guān)注以地下水埋深指導(dǎo)灌溉，徐俊增等[9]采用Hydrus-1D 模型模擬結(jié)果得出，以地下水埋深為指標(biāo)的控制下限來指導(dǎo)灌溉，可以準(zhǔn)確反映田間水分狀況，但實(shí)際種植效果尚不明確。本文采用盆栽實(shí)驗(yàn)，設(shè)置不同滲漏情況下的土壤環(huán)境，以此探究水稻生長發(fā)育情況以地下水埋深為指標(biāo)與以土壤含水率為指標(biāo)指導(dǎo)灌溉的差異性。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)在黑龍江省慶安縣和平鎮(zhèn)水稻灌溉試驗(yàn)中心（125°44'E、45°63'N）內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)區(qū)地處寒溫帶大陸性氣候區(qū)，年降雨集中在7—9 月，多年平均降雨為579 mm。當(dāng)?shù)厮旧L期一般為5 月中旬至10 月初，試驗(yàn)地土壤類型為寒地黑土。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用直徑50 cm、高60 cm 的圓柱形桶進(jìn)行盆栽試驗(yàn)。桶內(nèi)裝土深度為50 cm，根據(jù)田間容重按5 cm 一層回填、夯實(shí)。桶底設(shè)置厚度為5 cm 的細(xì)沙濾層，內(nèi)設(shè)透水管，透水管通過筒壁連接一控制閥門，通過閥門開度控制滲漏強(qiáng)度，即在觀測期內(nèi)每2 h 打開閥門排出定量的水，水量由滲漏強(qiáng)度換算成每2 h 的排水質(zhì)量，借助天平稱重實(shí)現(xiàn)排水量的精確測量。

試驗(yàn)通過控制圓桶底部的閥門開度設(shè)置3 種滲漏強(qiáng)度，即1 mm/d、2 mm/d、3 mm/d，分別用D1、D2、D3 表示，每種滲漏強(qiáng)度下均設(shè)置以土壤含水率為指標(biāo)（W1）和以地下水埋深為指標(biāo)（W2）的控制灌溉模式來指導(dǎo)灌溉，各生育期控制指標(biāo)如表1 所示。試驗(yàn)共設(shè)置6個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)。

表1 不同耗水強(qiáng)度下水稻控制灌溉不同生育期土壤含水率和地下水埋深控制指標(biāo)

試驗(yàn)水稻品種為龍慶稻9 號(hào)，種植密度為30 cm×15 cm，田間管理按當(dāng)?shù)厮痉N植習(xí)慣進(jìn)行管理。全生育期總施氮量為110 kg/hm2，按照基肥∶蘗肥∶穗肥=5∶3∶2 的比例施用；P2O5施45 kg/hm2，作基肥一次施用；K2O 按80 kg/hm2分別在基肥和幼穗分化期以1∶1 的比例施用兩次。5 月19 日移栽，9 月22日收割。

1.3 項(xiàng)目測定與方法

1.3.1 灌水量

在試驗(yàn)期內(nèi)，每個(gè)圓柱形桶單獨(dú)灌溉，在達(dá)到土壤表層有薄水層且排水管內(nèi)水位與圓柱形桶內(nèi)水位齊平時(shí)停止灌溉，采用量杯灌水，記錄灌水總量。若在觀測期內(nèi)遇降雨且雨后桶內(nèi)水層高度超過3 cm，記錄初始水層高度，土表排水至水層高度為3 cm。降雨量由氣象站直接給出，利用水量平衡計(jì)算方法，減去土表排水量，即為灌溉量。若在降雨后土表無水層，降雨量即為灌溉量。

1.3.2 土壤含水量

采用TDR 測量，烘干法校核。烘干法測土壤含水量時(shí)，在試驗(yàn)觀測周期內(nèi)，土壤樣品每日8：00 用土鉆取土；在觀測周期外的過渡期，每2 d 取一次土樣。取樣深度為40 cm，截取0~5 cm、5 cm~10 cm、10 cm~15 cm、15 cm~20 cm、20 cm~25 cm、25 cm~30 cm、30 cm~35 cm、35 cm~40 cm 共8 段，每段樣本取出后均用密封袋包裝，帶回實(shí)驗(yàn)室。烘干溫度為105℃，烘干時(shí)間為8 h，烘干前后土壤重量用高精度電子天平稱得。取土后需要及時(shí)填土，填土質(zhì)量必須與取土質(zhì)量相等。

1.3.3 地下水埋深

地下水埋深觀測利用安裝在桶內(nèi)的水位計(jì)自動(dòng)監(jiān)測，定期讀取數(shù)據(jù)并保存。

1.3.4 水稻生長指標(biāo)

在水稻生長期內(nèi)，每隔5 d 觀測一次植株株高、分蘗數(shù)，在分蘗期需加大分蘗數(shù)觀測頻率，可每隔2 d 觀測一次分蘗數(shù)。葉面積每隔10 d 觀測一次，采用長寬系數(shù)法測定盆栽內(nèi)所有植株，測量葉片的長與寬。在收割前考察有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、實(shí)粒數(shù)、千粒重，各處理單打單收，曬干揚(yáng)凈后，測定實(shí)際產(chǎn)量，確定灌溉水分利用率。

2 結(jié)果分析

2.1 水稻分蘗數(shù)與株高變化規(guī)律

水稻全生育期分蘗數(shù)與株高變化規(guī)律如圖1 所示，從圖1（a）中可以看出，所有處理下水稻分蘗的變化規(guī)律基本一致，均呈現(xiàn)出隨生育期的推進(jìn)先增大后逐漸減小的變化規(guī)律。相同滲漏強(qiáng)度下，在分蘗中后期前所有處理增長速率均一致，W2 處理下的分蘗數(shù)略高于W1 處理。分蘗中后期，所有處理的分蘗速率均加快，W2 處理下的分蘗速率均明顯高于W1 處理，分蘗數(shù)均達(dá)到峰值，兩種灌溉指標(biāo)下分蘗數(shù)達(dá)到峰值的時(shí)間基本一致，但W2 處理下的分蘗數(shù)峰值與W1 處理相比顯著增加，二者峰值在不同的滲漏強(qiáng)度處理D1、D2、D3 下的差異分別為16.48%、15.65%、16.67%。拔節(jié)孕穗期水稻分蘗進(jìn)入消退期，分蘗數(shù)逐漸減少直至趨于穩(wěn)定，但相同滲漏強(qiáng)度下，W2 處理的最終分蘗數(shù)均大于W1處理。

圖1 不同水分處理下的水稻全生育期分蘗數(shù)與株高變化規(guī)律

兩種灌溉指標(biāo)在不同滲漏強(qiáng)度下的水稻株高變化并無明顯差異，如圖1（b）所示。分蘗期—拔節(jié)孕穗期時(shí)，各處理生育前期株高增長迅速。進(jìn)入抽穗開花期后，株高增長速率變緩直至趨于平穩(wěn)，此時(shí)，相同滲漏強(qiáng)度下，W2 處理下的水稻株高均略高于W1處理。

2.2 葉面積指數(shù)變化規(guī)律

所有處理中水稻的LAI 變化規(guī)律同莖蘗動(dòng)態(tài)規(guī)律相似，如圖2 所示。分蘗前期LAI 較低，進(jìn)入分蘗中后期，隨著莖蘗的增加和葉片的生長，LAI 快速增大，在拔節(jié)孕穗后期—抽穗開花期達(dá)到全生育期的最大值。在滲漏強(qiáng)度相同的情況下，W2 處理下水稻LAI 峰值均高于W1 處理，兩者峰值在不同的滲漏強(qiáng)度處理D1、D2、D3 下差異分別為8.91%、19.67%、17.91%。此后因無效莖蘗消亡、葉片衰敗等原因，LAI 逐漸降低，W2 處理的最終LAI 仍高于相同狀態(tài)下的W1 處理。最大葉面積指數(shù)和最終葉面積指數(shù)在兩種灌溉指標(biāo)處理下的對(duì)比顯示，D1 處理的以地下水埋深為指標(biāo)的控制灌溉下過大的最大葉面積指數(shù)也伴隨著較大的后期葉面積消亡，D2 處理和D3 處理下的兩種灌溉指標(biāo)的葉面積消亡基本一致。

圖2 不同水分處理下的水稻全生育期LAI變化規(guī)律

2.3 水稻干物質(zhì)累積

不同處理下水稻生育期的干物質(zhì)累積量如圖3 所示，由圖可知，隨著水稻生育進(jìn)程的推進(jìn)，水稻干物質(zhì)累積量不斷增大。在同一滲漏強(qiáng)度處理下，除分蘗中期外，處在相同生育期的水稻干物質(zhì)累積量W2 處理均略高于W1 處理。D1 處理下，分蘗中期，相同滲漏強(qiáng)度下兩種灌溉指標(biāo)的干物質(zhì)累積量均相差不大；分蘗后期，由于分蘗數(shù)峰值的差異較大，W2 處理下的干物質(zhì)累積量比W1 處理高7.69%；拔節(jié)孕穗期，葉面積峰值差異較大，W2 處理下的干物質(zhì)累積量比W1 處理高9.32%；而后，伴隨無效莖蘗和葉面積的消亡，兩種灌溉指標(biāo)的差異逐漸縮小，可以看出，W2 處理下的無效莖蘗和葉面積的消亡高于W1 處理，D2、D3 處理的差異并不顯著。成熟期，水稻干物質(zhì)累積量達(dá)到最大，W2 處理下的最大干物質(zhì)累積量與W1 處理在不同滲漏強(qiáng)度D1、D2、D3 下的差異分別為4.07%、3.28%、2.02%。

圖3 不同處理下水稻生育期的干物質(zhì)累積量

2.4 水稻產(chǎn)量及灌溉水利用率

在相同滲漏強(qiáng)度下，以地下水埋深為指標(biāo)的控制灌溉產(chǎn)量均大于以土壤含水率為指標(biāo)的控制灌溉產(chǎn)量，如表2 所示。D3 處理下的兩種灌溉方式產(chǎn)量相差最大，以地下水埋深為指標(biāo)控制灌溉下的水稻比以土壤含水率為指標(biāo)控制灌溉下的水稻增產(chǎn)14.60%，D1 和D2 兩種滲漏強(qiáng)度下W2 相比W1 分別增產(chǎn)7.82%、3.80%。兩種灌溉方式均表現(xiàn)為滲漏強(qiáng)度越大，水稻產(chǎn)量越低。這可能是由于滲漏強(qiáng)度大的處理容易造成化肥等養(yǎng)分流失，作物得不到充分的養(yǎng)分補(bǔ)給，使得產(chǎn)量下降。由顯著性分析可知，在D1 和D3滲漏強(qiáng)度下，以地下水埋深為指標(biāo)的灌溉方式下的水稻產(chǎn)量與以土壤含水率為指標(biāo)的灌溉模式下的水稻產(chǎn)量差異顯著，表明以地下水埋深為指標(biāo)的灌溉方式相比以土壤含水率為指標(biāo)的灌溉方式具有更大的產(chǎn)量效益。在三種滲漏強(qiáng)度下W2 的灌水量均略高于W1，但相差小于5%。而對(duì)于灌溉水利用率，在D3滲漏強(qiáng)度下，以地下水埋深為指標(biāo)的灌溉方式相比以土壤含水率為指標(biāo)的灌溉方式具有更高的IWUE，其他兩種滲漏強(qiáng)度下則無明顯差異。

表2 不同處理下水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素

3 結(jié)論與討論

研究結(jié)果表明，將兩種節(jié)水灌溉技術(shù)下的水稻在作物生理生長、灌水量及水分生產(chǎn)率等方面進(jìn)行比較，在節(jié)水和增產(chǎn)層面上兩者并無顯著差異，表明以地下水埋深為指標(biāo)的控制灌溉能達(dá)到精準(zhǔn)灌溉與提高灌溉水利用率的目的。

在此次試驗(yàn)中，以地下水埋深為指標(biāo)控制灌溉的水稻最大分蘗數(shù)及有效分蘗數(shù)均比以土壤含水率為指標(biāo)的控制灌溉下的水稻大，這意味著以地下水埋深為指標(biāo)的控制灌溉比以土壤含水率為指標(biāo)的控制灌溉更能促進(jìn)水稻分蘗；以地下水埋深為指標(biāo)控制灌溉的水稻株高均大于以土壤含水率為指標(biāo)控制灌溉的水稻，在滲漏強(qiáng)度相同的情況下，以地下水埋深為指標(biāo)的控制灌溉比以土壤含水率為指標(biāo)的控制灌溉更能促進(jìn)水稻葉面積增大。但滲漏強(qiáng)度越大，LAI 峰值越小。隨著滲漏強(qiáng)度的增大，水稻的最終產(chǎn)量越低，這與欒雅珺等[10]的研究結(jié)果一致，造成此原因的結(jié)果可能是由于滲漏強(qiáng)度大的處理容易造成化肥等養(yǎng)分流失。

土壤含水率和田間無水層天數(shù)是水稻節(jié)水灌溉技術(shù)的主要控制指標(biāo)[11-13]，目前已經(jīng)得到較廣的推廣應(yīng)用，但是在成本投入和數(shù)據(jù)可靠性等方面仍存在很大的缺點(diǎn)。本研究通過對(duì)以地下水埋深和以土壤含水率為控制指標(biāo)的兩種節(jié)水灌溉技術(shù)下的水稻生長及水分利用率進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)以地下水埋深為指標(biāo)的控制灌溉對(duì)于水稻生長并無不良影響，而同價(jià)位的水位計(jì)測量精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于土壤水分傳感器。因此，以地下水埋深為指標(biāo)的控制灌溉遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于以土壤含水率為指標(biāo)的控制灌溉，使用地下水指導(dǎo)灌溉更有利于推廣節(jié)水灌溉。但本試驗(yàn)結(jié)果僅限于東北黑土地區(qū)，對(duì)于不同地區(qū)的節(jié)水灌溉地下水位下限仍需進(jìn)一步研究。