干旱区春小麦垄作沟灌灌水质量评价指标研究

孙克翠，张新民，金建新，王文娟，王雪苗

(1.甘肃农业大学工学院， 甘肃 兰州 730070；

2.甘肃省水土保持科学研究所， 甘肃 兰州 730020；

3.宁夏农林科学院， 宁夏 银川 750002； 4.甘肃省水利科学研究院， 甘肃 兰州 730000)



干旱区春小麦垄作沟灌灌水质量评价指标研究

孙克翠1，张新民2，金建新3，王文娟4，王雪苗1

(1.甘肃农业大学工学院， 甘肃 兰州 730070；

2.甘肃省水土保持科学研究所， 甘肃 兰州 730020；

3.宁夏农林科学院， 宁夏 银川 750002； 4.甘肃省水利科学研究院， 甘肃 兰州 730000)

摘要：为了提高干旱区春小麦垄作沟灌的灌水质量，建立灌水技术参数优化模型，本试验研究垄沟参数(垄坡、垄宽、沟深、沟宽)、灌水技术参数(沟长、沟坡、入沟流量)之间的五种不同组合对垄作沟灌小麦的灌水质量评价指标、产量及水分利用效率的影响。结果表明：在田面坡度和沟型等参数不变的情况下，以第一次灌水为例，随着入沟流量的增长，10m测点的横向灌水均匀度T1、T2、T4和T5分别较T3处理降低了5.05%、10.1%、4.04%和9.09%，30m测点的横向灌水均匀度T1、T2、T4和T5分别较T3处理降低了7.96%、11.8%、2.15%和10.75%，田面坡度与各测点的横向灌水均匀度呈现负增长的规律；T4处理平均灌溉水利用率最高，T4较T1、T2、T3和T5分别增加了4.76%、5.94%、0.36%和2.9%；沟长50 m、垄宽40 cm、入沟流量1.5 L·s(-1)、田面坡度1/1000的参数组合为垄作沟灌春小麦适应生长的最优组合，此组合下小麦各生育期的平均田间灌溉水利用率最高为85.3%，小麦产量最高为9 142.87 kg·hm(-2)，同时水分利用效率亦达最高为29.18 kg·hm(-2)·mm(-1)。

关键词：垄作沟灌；灌水质量评价；春小麦；产量；水分利用效率

垄作沟灌技术具有显著的节水增产作用，据研究，垄作较传统平作节水40%[1-2]。目前，小麦垄作技术的应用主要局限在冬小麦区，研究工作集中于垄作小麦的节水效应、田间小气候的变化对小麦生理生态效应的影响等[3]。刘刚才等研究表明，在丘陵旱地0.5 m深的土层内垄作较传统平作多贮水15 mm，年贮水量约增加6 mm[4]。张永久[5]、邓斌[6]研究了甘肃河西内陆区垄作春小麦各生育阶段生理性状、产量构成因子及水分利用率。Faci[7]于2000年提出了灌水质量指数，把作物实际需水量与灌溉水量之间的关系用净灌溉需水量与田间灌水总量的比值来表示。高传昌[8]研究了小麦、玉米一体化垄作田间沟灌试验针对粉砂壤土提出合理的灌水沟顶宽40 cm，沟深20 cm，田面坡度1/1000。张永久[5]研究提出张掖地区合理垄宽为60 cm，沟宽15 cm。张新民[9]提出了干旱地区粉砂质粘壤土和粘土宜采用合理垄宽为20～50 cm和20～35 cm。但上述研究未将垄作沟灌技术参数与灌水质量评价结合。本文通过研究不同的垄沟参数(垄坡、垄宽、沟深、沟宽)、灌水技术参数(沟长、沟坡、入沟流量)之间的组合对灌水均匀度、田间灌溉水利用率、产量和水分利用率的影响，为干旱区春小麦垄作沟灌生产实践提供了技术指导。

1材料与方法

1.1试验区概况

试验在甘肃省水利科学研究院民勤节水农业生态建设试验示范基地进行，试验区位于民勤县城以北约13.5 km处，东经130°05′10″，北纬38°37′18″，海拔约1 250 m，属于绿洲和腾格里沙漠交界地带的典型荒漠气候，降雨稀少，蒸发量大，风沙多，自然灾害频繁。多年平均气温7.8℃，极端最高气温39.5℃，极端最低气温-27.3℃，多年平均降雨量110 mm，多年平均蒸发量2 644 mm，日照时数3 028 h，≥10℃积温3 145℃，>0℃积温3 550℃，无霜期150 d，最大冻土深115 cm，地下水埋深18～25 m，试验区土质为沙质粘壤土，播种前 0～60 cm土层平均土壤容重为1.46 g·cm-3，田间持水量为22.27 %，速效钾177 mg·kg-1，速效磷74 mg·kg-1，有机质13%，液态氮含量12 mg·kg-1。

1.2试验设计

供试品种为永良4号春小麦，将小麦生育期划分为出苗分蘖期(4月1日～4月20日)、拔节期(4月21日～5月8日)、抽穗期(5月9日～5月27日)、开花期(5月28日～6月13日)、灌浆期(6月14日～7月1日)、成熟期(7月2日～7月20日)等生育阶段进行分析。本试验采用机械播种，起垄、播种、整形、镇压一次性完成，于三月下旬播种，统一施肥，播种量为1 050 kg·hm-2。以王文娟[10-11]等的试验为基础，利用WinSRFR模型对不同垄沟参数与灌水技术参数组合下进行数值模拟，根据模拟所得到的灌水均匀度DU与灌水效率AE指标对灌水质量进行评价，模拟采用垄坡、垄宽、沟深与沟长、沟坡、入沟流量正交组合进行，总计81个正交组合，试验所采取的部分模拟结果如表1所示。选取该5组灌溉质量较高的组合为处理进行验证，采用对比设计，每个处理3个重复，共15个小区。具体试验设计如表2。

表1　WinSRFR模型对各参数组合下的部分模拟结果

表2　试验设计方案

试验区灌水方法为沟灌，利用水表严格控制水量。根据民勤春小麦的灌溉制度全生育期灌水5次，灌水定额为600 m3·hm-2，时间分别于出苗分蘖期、拔节期、抽穗期、开花期、成熟期。成熟期灌水定额为375 m3·hm-2。垄作沟灌栽培技术，开沟起垄，垄宽为40 cm，在垄面上种植3行小麦，垄宽为50 cm，在垄面上种植4行小麦，行距均为10 cm，小区总面积1 072 m2，机械起垄播种。各处理锄草、施肥、松土等田间管理均保持一致。

1.3测定项目及方法

1) 用经纬仪测定各处理的田面坡度，测量结果如表1所示。

2) 土壤含水率。

小麦播种前、主要生育阶段灌水前后和收获前一天每个重复沿着沟长方向分别在10 m和30 m位置选择三个取样点，每个取样点分别在垄坡、沟底中部、垄背中心处垂直向下每隔10 cm取样测定土壤含水率，取样最大深度为80 cm。采用烘干法测定土壤含水率。

3) 水分利用效率E。

E=产量/ET(播种时土壤含水量+生育期灌水量+有效降水量-收获期土壤含水量)。

4) 产量测定。

成熟后各处理随机在垄上收割长度为1 m的小麦测产，统计各小区的穗数，穗长，单穗颗粒数，样本籽粒晾晒达到通常的标准后，除去空秕粒，采用随机选取1 000粒小麦籽粒，称重，3次重复(组内差值不大于3%)取均值，为千粒重。

1.4数据处理

1) 灌水均匀度是指在灌溉范围内，田间土壤湿润的均匀程度。利用各代表点的土壤含水率根据式(1)计算每次灌水横向均匀度和纵向均匀度。

(1)

2) 田间灌溉水利用率也叫灌水效率，是作物根系活动层要求的储水量与灌入的总水量之比。储水效率是计划湿润层灌水量与计划湿润层需水量的比值。分别在小麦各生育期灌水前和灌水后48h之后取土测出土壤含水率，利用公式(2)和式(3)计算出田间灌溉水利用率与储水效率。

(2)

(3)

式中：Ed为田间灌溉水利用率；Es为储水效率；Ws为计划湿润层灌水量，mm；Wf为田间总灌水量，mm；Wn为计划湿润层需水量，mm。

3) 用Excel 2003软件对原始数据进行甄别处理，用SPSS 19.0统计分析软件对数据进行方差分析。

2结果与分析

研究地面灌溉水分入渗与运移规律可以提高灌水质量，而提高灌水质量必须对灌水技术要素进行合理优化。目前地面灌溉灌水质量评价的指标主要有田间灌溉水利用率、储水效率、灌水均匀度，依据这三项指标可评价灌水质量，确定灌水技术要素优化组合，一般要求田间灌水效率大于等于85%，灌水均匀度大于等于80%[12]。邓斌[6]使用SIRMOD模型指导灌水，对垄作固定道(PRB)、平作固定道(ZT)、垄作(FRB)、传耕作(CONV)四种栽培方式春小麦的灌水均匀度、不同生育时期的灌水下限以及水分利用效率进行了研究。

2.1灌水均匀度

2.1.1横向灌水均匀度由表3可知，10 m测点T3处理在第一次灌水的横向均匀度最高，较T2和T5增加了10.1%和9.1%，且与T2和T5处理差异性显著(P<5%)；第二次灌水T3和T4处理与T1、T2、T5差异性显著；第三次灌水T3与其他处理差异性显著；第四次灌水T3与T2和T5处理差异性显著；由于T3处理沟长较短，入沟流量较小，坡度平缓，水流侧向入渗较均匀故此处理的横向灌水均匀度高。30 m测点在各次灌水后的横向均匀度与10 m测点的变化规律近似。

在其它参数不变的情况下，垄宽与各测点的横向均匀度呈现负增长的规律，由于垄宽的增大，灌溉后水分不能均匀渗透到垄体中部[13]；在田面坡度和沟型等条件不变的情况下，随着入沟流量的增长，各测点的横向灌水均匀度降低，相同的灌水定额条件下，随着入沟流量的增加，灌入沟内的时间就会相应的减少，横向灌水均匀度就会降低；在垄宽和入沟流量等条件不变的情况下，田面坡度与各测点的横向灌水均匀度呈现负增长的规律，进一步验证了杨玫等[14]的研究结果。

2.1.2纵向灌水均匀度各处理的垄面、垄坡和垄沟纵向灌水均匀度的分析结果如表4所示。结果表明：垄面纵向灌水均匀度第一次灌水后T3处理与T1、T2、T4处理差异性显著(P<5%)，第三次灌水后T4与T2处理差异性显著；垄坡纵向灌水均匀度第二次灌水后T4、T5处理与其他处理差异性显著，第四次灌水T4处理与T1、T2、T3处理差异性显著；垄沟纵向灌水均匀度第三次灌水后T1、T2处理与其他处理存在显著性差异，第四次灌水T4处理均匀度最高，与其他处理差异性显著。由于在各次灌水时土壤的墒情不同，耕作层土壤养分发生了改变，土壤容易板结，小麦各生育期的需水量不同，各处理间小麦的生理指标之间存在差异，进而影响了灌水均匀度，T4处理的纵向均匀度较其他处理高，说明选择合理的垄宽、沟长和入沟流量能够提高作物的纵向灌水均匀度。在其他参数一定的情况下，随着垄宽的增大，各处理垄面、垄坡和垄沟的纵向灌水均匀度呈现逐渐递减的趋势；在垄宽和田面坡度等条件不变的情况下，随着流量的增加，垄面、垄坡和垄沟的纵向均匀度降低。

表3　横向灌水均匀度

注：不同的小写字母表示在5%水平上差异显著。

Note: Different lowercase letters meant significant difference at 0.05 level．

表4　纵向灌水均匀度

注：不同的小写字母表示在5%水平上差异显著。

Note: Different lowercase letters meant significant difference at 0.05 level.

2.2田间灌溉水利用率与储水效率

在灌水定额均为600 m3·hm-2的条件下，不同垄沟参数与灌水技术参数共同影响下，春小麦不同处理的各生育期的灌溉水利用率见表5。抽穗开花期小麦的田间灌溉水利用率达到峰值，在85.25%～92.25%之间变化，开花灌浆期是小麦需水关键期，灌溉水利用率较高；出苗期小麦植株较小，地面裸露部分较多，棵间蒸发较大所以灌溉水利用率低；成熟期小麦需水量减少，因此灌水定额降低为375 m3·hm-2。

由表5可知，在其他参数一定的情况下，随着垄宽的增大各生育期的灌溉水利用率呈现递减的趋势，在入沟流量等相等的条件下，由于垄宽的增加使灌水沟内发生侧向入渗的时间较长，自由入渗水量增加，小麦有效利用的水分减小；在其他参数一定的情况下，沟长与各生育期的灌溉水利用率呈现负增长的趋势。由于在入沟流量与灌水定额等相同的条件下，随着沟长的增加，使沟首发生了深层渗漏，作物对水分的吸收利用率降低，从而导致灌溉水利用率降低。T4处理平均灌溉水利用率达到峰值为85.30%，T2处理平均灌溉水利用率最低为80.23%，较T4处理降低了5.94%，T4处理平均灌溉水利用率较T1、T3、T5分别增加了4.76%、0.36%、2.9%。由以上分析可得各处理在整个生育期内的平均灌溉水利用率基本呈现出T4、T3、T5、T1、T2依次降低的趋势。

表5　小麦各生育期的田间灌溉水利用率

注：不同的小写字母表示在5%水平上差异显著。

Note: Different lowercase letters meant significant difference at 0.05 level.

表6　小麦各生育期的储水效率

注：不同的小写字母表示在5%水平上差异显著。

Note: Different lowercase letters meant significant difference at 0.05 level.

由表6可知，春小麦不同处理的储水效率在抽穗开花期达到峰值，在98.65%～76.02%之间变化。在其他参数一定的情况下，随着垄宽的增大各生育期的储水效率呈现递减的趋势，由于垄宽的增加，垄面种植小麦的行数增加，小麦对计划湿润层的需水量增加，储水效率就会相应的降低；在其他参数一定的情况下，入沟流量与储水效率呈现负增长的规律，在灌水量等条件相同的情况下，入沟流量较小灌入沟内的时间就会增加，均匀度较高，从而增加了土壤的储水效率。T3处理的平均储水效率为78.63%，较T1、T2、T4和T5增加了9.75%、9.27%、9.26%和16.28%，且差异性显著(P<5%)。虽然T3处理横向灌水均匀度与储水效率最高，但T3处理的灌溉水利用率小于85%，由上述分析可得T4处理是灌水质量评价的优化组合。

2.3不同处理对小麦产量及水分利用效率的影响

不同的垄作技术参数对春小麦产量和水分利用效率的分析结果如表7所示。

表7　不同处理模式下小麦产量和水分利用效率对比

注：不同的小写字母表示在5%水平上差异显著。

Note: Different lowercase letters meant significant difference at 0.05 level.

结果表明：不同处理之间产量的差异性显著，T4处理产量最高，达到9 142.87 kg·hm-2，较T1和T3处理分别增产10.5%和10.2%。T2处理的产量最低，仅为7 282.37 kg·hm-2，较T4处理降低了20.3%，由于T2处理垄宽较宽、沟长较长，对沟中水分的竞争力较强，因此水分的不足限制了植株的生长。T5处理的穗长与穗粒数均高于其他处理，但由于T5处理的穗数较低，故T5的产量低于T4。说明适宜的垄宽可以最大限度地发挥垄上小麦的充分受光和边行优势，有利于改善群体的通风和透光条件，提高作物产量[15-16]。此外T4处理水分利用效率最高，达到29.18 kg·hm-2·mm-1，分别较T1、T2和T3增加了11.7%、20.4%、10.7%，且差异性显著(P<0.05)，说明合理的垄沟参数与灌水技术参数可以使个体与群体的生产力得以协调发展，因此选择适宜小麦生长的沟长、垄宽和入沟流量有利于土壤水分的高效利用，提高小麦的产量及水分利用效率，进一步验证了柏立超[15]等研究结果。

3讨论与结论

通过研究垄沟参数(垄坡、垄宽、沟深、沟宽)、灌水技术参数(沟长、沟坡、入沟流量)之间的优化组合对垄作沟灌小麦灌水均匀度、田间灌溉水利用率、产量及水分利用效率的影响，得出结论：在其他参数不变的情况下，入沟流量与各测点的横向灌水均匀度呈现逐渐降低的趋势，田面坡度与各测点的横向灌水均匀度呈现负增长的规律。在其他参数一定的情况下，随着垄宽的增大各生育期的灌溉水利用率呈现递减的趋势，沟长与各生育期的灌溉水利用率呈现负增长的趋势。沟长50 m、垄宽40 cm、入沟流量1.5 L·s-1、田面坡度1/1000的参数组合为垄作沟灌春小麦适宜生长的最优组合，此组合下小麦各生育期的平均田间灌溉水利用率最高为85.3%，小麦产量最高为9 142.87 kg·hm-2，同时水分利用效率亦最高为29.18 kg·hm-2·mm-1。

参 考 文 献：

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Research on quality evaluation index of irrigation water on spring wheat in arid areas with ridge tillage and furrow irrigation

SUN Ke-cui1, ZHANG Xin-min2, JIN Jian-xin3, WANG Wen-juan4, WANG Xue-miao1

(1.CollegeofEngineering,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou,Gansu730070,China;2.ResearchInstituteofWaterandSoilConservationofGansu,Lanzhou,Gansu730020,China;3.NingxiaAcademyofAgricultureandForestry,Yinchuan,Ningxia750002,China;4.GansuResearchInstituteforWaterConservancy,Lanzhou,Gansu730000,China)

Abstract：In order to improve the irrigation quality on spring wheat in arid areas by furrow irrigation, the optimization model for irrigation technical parameters had been established. The research was conducted through five combinations between furrow parameters (ridge slope, ridge width, groove depth and groove width) and irrigation technical parameters (groove length, ditch slope and ditch inflow). Eventually influences on the evaluation indexes of irrigation water quality, the yield, and water use efficiency of ridge culture wheat were observed by furrow irrigation. The result showed that as exemplified by the first irrigation, under the condition of invariable parameters such as surface slope and furrow type, with the growth of the ditch flow, the lateral irrigation uniformity (LIU) of 10 m measuring points by T1, T2, T4 and T5 were decreased by 5.05%, 10.1%, 4.04% and 9.09% from that by T3 treatment, and LIU at 30 m measuring points by T1, T2, T4 and T5 was decreased by 7.96%, 11.8%, 2.15% and 10.75% from that by T3 treatment, respectively. A negative growth between the slope of the field surface and the irrigation uniformity of each point was observed. Moreover, the average water utilization by T4 treatment was the highest, increased by 4.76%, 5.94%, 0.36% and 2.9% from that by T1, T2, T3 and T5. It was further found that the parameter combination (groove length 50m, ridge width 40 cm, water volume 1.5 L·s(-1) into the furrows, the slope of field 1/1000) was optimal for the growth of wheat. Under such condition, the average water utilization was 85.3%, the yield of wheat was 9 142.87 kg·hm(-2) and the water use efficiency was 29.18 kg·hm(-2)·mm(-1), all reaching the highest.

Keywords:furrow irrigation; water quality evaluation; spring wheat; yield; water use efficiency

中图分类号：S275

文献标志码：A

作者简介：孙克翠(1990—)，女，甘肃靖远人，在读硕士，主要从事农业节水灌溉技术与理论的研究。 E-mail：643304201@qq.com。通信作者：张新民(1965—)，男，甘肃庆阳人，正高级工程师，博士，硕士生导师，主要从事农业水资源利用研究。E-mail：xmzhgs@aliyun.com.cn。

基金项目：国家自然科学基金项目“干旱区春小麦垄作沟灌技术参数研究”(51169002)

收稿日期：2015-03-15

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.02.40

文章编号：1000-7601(2016)02-0252-06