不同间歇时间灌溉对水稻产量及水分利用效率的影响

吴汉，柯健，何海兵，尤翠翠，时光宇*，武立权, 3

不同间歇时间灌溉对水稻产量及水分利用效率的影响

吴汉1，柯健2，何海兵2，尤翠翠2，时光宇1*，武立权2, 3

（1. 安徽省淠史杭灌区灌溉试验总站，安徽 六安 237158；2. 安徽农业大学 农学院，合肥230036；3. 江苏省现代作物生产协同创新中心，南京 210095）

【】研究易推广、适宜江淮地区的水稻高产水分高效利用的节水灌溉模式，有利于当地水稻生产的可持续发展。于2015年和2016年在固定式水泥测坑内设置不同间歇灌溉时间处理W1（穗分化前水层落干后3～5 d，穗分化后水层落干1～3 d的补充灌溉）和W2（穗分化前水层落干后7～9 d，穗分化后水层落干3～5 d的补充灌溉），以常规淹灌（W0）为对照，研究间歇灌溉条件下补充灌溉的间歇时间及其对水稻产量及水分利用效率的影响。W0处理产量为8.01～9.40 t/hm2，W1、W2处理与W0处理无显著差异。与W0处理相比， W1、W2处理总需水量分别减少了3.64%～4.74%、5.63%～8.72%；W2处理的需水量低于W1、W0处理不同灌溉方式主要是通过影响穗分化期和灌浆结实期的需水量来影响总需水量，与W0处理相比， W1、W2处理穗分化期的需水量分别下降了0.66%～10.72%、4.54%～7.33%，灌浆结实期的需水量分别下降了4.67%～18.47%、20.76%～25.95%，且在2016年达到显著水平（<0.05）。W1、W2处理较W0处理分别显著减少了7.50%～41.85%、31.00%～43.94%的灌水量，分别减少了1、1～2次灌水。2 a的灌水利用效率以W2处理下的最高（3.79～12.66 kg/m3），分别较W0和W1处理提高了43.02%～98.74%、5.59%～22.26%；降水利用率也显著高于W0和W1处理。穗分化前水层落干后7～9 d，穗分化后水层落干3～5 d的补充灌溉方式能有效减少灌水量、灌排水次数，提高灌溉水利用效率和降水利用率，稳定水稻产量，是较为适合江淮地区的稻田高产水分高效利用的间歇灌溉方式。

间歇灌溉；间歇时间；水稻产量；水分利用效率

0 引 言

水稻是我国最主要的粮食作物之一，全国大约有2/3人口以稻米为主食[1]。然而，随着人口不断增加，在现有耕地面积上提高水稻单产，对保障我国粮食安全具有重要意义[2]。水稻是粮食用水的第一大户, 稻田灌溉用水量约占农业用水总量的70%[3]。目前，水稻生产的灌溉方式主要以常规淹灌为主，用水量达6 000～9 000 m3/hm2，耗水量巨大，浪费严重[4]。江淮丘陵地区特别是江淮分水岭地区水资源缺乏，其地表水资源主要来自大气降水，区内大部分地区多年平均降雨量在850～1 000 mm，其中，6―8月降雨占全年降雨量的50%左右，由于坡陡流急，加之高岗丘陵区塘库水面较少，拦蓄能力不足，使本地区内本来不充裕的降水大量流失到区外，常导致夏季暴雨洪涝、伏秋季干旱。此外随着人口的增长、城镇和工业的发展、全球气候的变化以及环境污染的加重，用于灌溉的水资源愈来愈匮乏，严重威胁到水稻生产的发展[5]。因此需要研究适合江淮丘陵地区节水高产水资源高效利用的生产模式。

近年来，国内外科研工作者在水稻节水灌溉方式和技术及其对水稻生长发育、产量影响等方面进行了大量研究[6-9]，主要包括旱作、覆盖栽培、控制灌溉、干湿交替灌溉（间歇灌溉）等。目前，对节水灌溉技术在提高水稻水分利用效率方面的作用已有明确认识，节水灌溉较常规淹灌能显著提高水分利用效率，减少耗水量[10]。然而关于节水灌溉技术对水稻产量影响的研究结果不一致，刘立军等[11]研究结果显示增产，Cabangon等[12]研究显示减产。综合考虑，干湿交替灌溉表现出一定的节水性和高产性，是当前节水灌溉技术的研究热点。与传统灌溉方式相比，采用干湿交替方式有利于创造良好的根系形态、提高根系活力，提升光合生产、水稻群体生长质量等[7,10,13]，此外，间歇灌溉方式下可减少农田氮素的径流损失[10]，有助于提高氮素利用效率。但是目前干湿交替灌溉节水高产模式仍处于基础研究层面，生产应用比较少，其中一个主要原因可能是研究中补充灌溉下限难于掌握，比如以土壤水势或土壤含水率来进行判断，当土壤水势降低到-15 kPa时或土壤含水率降到田间饱和含水率60%～70%时补充灌溉，农民难以掌握，不易推广。基于此，本研究设置阶段性的间歇灌溉时间数，以常规淹灌为对照，研究不同间歇时间灌溉对水稻产量及水分利用率影响，以期探索适宜于江淮丘陵地区推广应用的水稻间歇灌溉制度，为当地水稻节水高产提供一定理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地点与材料

试验于2015—2016年在安徽省淠史杭灌区灌溉试验总站内（117.55°E，31.80°N）进行。年平均气温15 ℃，平均降水量1 100 mm，平均蒸发量800 mm，平均日照时间2 040 h，无霜期220～230 d。pH值为7.5，土壤有机质量19.6 g/kg，全氮量1.2 g/kg，全磷量0.3 g/kg，全钾量13.2 g/kg。试验期间的气象数据如图1所示，由试验站内安装的小型自动气象站提供。

图1 试验期间的气象数据

表1 不同灌溉方式的水分管理方案

1.2 试验设计

试验在固定式水泥测坑内进行，测坑尺寸为2.5 m×1.6 m×1.0 m（长×宽×深），测坑内填有黏性水稻土。设计了3种不同的灌溉方式：淹水灌溉（W0）；穗分化前水层落干后3~5 d，穗分化后水层落干1~3 d的补充灌溉（W1）；穗分化前水层落干后7~9 d，穗分化后水层落干3~5 d的补充灌溉（W2）3个处理，水分管理如表1所示，以农田水位作为田间水分控制指标，中间数值为灌水适宜上限，右边数值为降雨时允许蓄水深度；间歇时间表示田间无水层后到再次灌水的时间。返青期保持10～30 mm；收获前2周断水，自然落干。

供试品种为中籼杂交稻冈优渝九，分别于2015年4月14日、2016年4月7日播种；2015年5月26日、2016年5月25日人工移栽，株行距为20 cm× 21 cm。各处理总施氮量为150 kg/hm2，按基肥、分蘖肥、穗肥质量比为6: 2: 2的比例施用；各处理施用K2O 94.5、P2O563 kg/hm2，均一次性基施。病、虫、草害防治同高产田块。

1.3 测定内容与方法

1.3.1 水位

首先在靠近测坑砼壁一侧标定测坑田面基准点（代表测坑田面高程），测量基准点至砼壁顶点的距离，测坑田面有水层时，用测针测量砼壁顶点至水面的距离1。则田面水层深度=-1。

1.3.2 灌排水量

灌水量由流量计直接读出。若雨后田间水位超过最大蓄水深度，按照水位处理设计方案进行排水，排水前后的水层深度变化量即为排水量。试验在水泥测坑内进行，每日田间渗漏量为0 mm。

1.3.3 土壤含水率

在测坑内用土钻随机取5个0~20、20~40、40~60 cm的土样，称质量后置于烘箱中烘干至恒质量，计算土壤含水率。

1.3.4 产量及其构成因素

于收获前每小区选取3个连续的20穴水稻计算有效穗数，再取相同茎蘖数植株10穴进行室内考种，计算结实率、千粒质量，并实收记产。

1.3.5 需水量

根据《灌溉试验规范（SL13－2015）》方法进行计算。测坑田面有水层时，需水量计算式为：

d=1-2++-， （1）

式中：d为水稻日需水量（mm）；1为第1日初田面水深（mm）；2为层坑内第2日初田面水层深度（mm）；为第1日内降水量（mm）；为第1日内灌水量；（mm）为第1日内排水量（mm）。

测坑田面无水层时，这一时段内的需水量计算为：

式中：1-2为水稻时段1-2的需水量（mm）；为土壤层次号数；为土壤层次总数目；γ第层土壤干体积质量（g/cm3）；H为第层土壤的厚度（cm）；W1为第层土壤在时段始的含水率（干土质量的百分率）；W2为第层土壤在时段末的含水率（干土质量的百分率）；为时段内降水量（mm）；为时段内灌水量（mm）；为时段内排水量（mm）。

1.3.6 作物系数

c=/0， （3）

式中：c为作物系数；为水稻需水量（mm）；0为参考作物蒸腾蒸发量（mm），根据《灌溉试验规范（SL13－2015）》中的彭曼-蒙蒂斯（Penman-Monteith）公式计算所得。

1.3.7 水分利用参数

=/， （4）

式中：为水分生产率(kg/m3)；为水稻产量(kg/m2)；为需水量(m3/m2)。

WUE= (-)/×100% ， （5）

式中：WUE为降水利用率（%）；为降水量（mm）；为排水量（mm）。

WUE=/， （6）

式中：WUE为灌水利用系数（kg/m3）；为水稻产量（kg/m2）；为灌水量（m3/m2）。

测得数据采用Excel 2016和SPSS 19.0软件进行分析与处理，采用OriginPro 2018作图。

2 结果与分析

2.1 不同间歇时间灌溉对稻田灌排水量的影响

由图2、表2可知，年份和灌溉方式及二者的交互作用显著影响着稻田的灌水量、排水量和水稻的需水量。2015年水稻生长期间的降水量（632.7 mm）要高于2016年（569.8 mm），且2015年穗分化后的降水分布更为均匀（穗分化后日降水量变异系数2015年为0.30，2016年为0.91）。W1、W2处理下较常规淹水灌溉（W0）分别显著减少了7.50%~41.85%、31.00%~43.94%的灌水量，此外灌水次数分别减少了1、1~2次。W2处理的需水量、灌水量要低于W1处理的，且在2016年达到显著水平。间歇灌溉下的排水量及排水次数亦要小于W0处理；W2处理下的排水量在2015年与W1处理的无显著差异，而在2016年要显著低于W1处理。常规淹灌（W0）处理下的水稻需水量为467.00～501.03 mm，W1、W2处理与之相比分别显著下降了3.64%~4.74%、5.63%~8.72%。

图2 不同间歇时间灌溉下田间水位变化

表2 不同间歇时间灌溉对灌水量和排水量的影响

注 不同小写字母表示同一年份不同处理在0.05 水平上差异显著；**，*和ns分别表示处理在0.01，0.05水平上差异显著和差异不显著，下同。

Note Values followed by different lowercase within a column represent significant difference at 5% probability level of different treatments in the same year；**, *and ns : significant at 0.01 and 0.05 probability level, and not significant, respectively. The same as below.

2.2 不同间歇时间灌溉对水稻需水特性的影响

由表3可知，年份显著影响着水稻穗分化期、抽穗期、结实期的需水量；灌溉方式显著影响着水稻穗分化期和结实期的需水量；二者的交互作用显著影响着穗分化期和抽穗期的需水量。在穗分化期，与W0处理相比，W1处理减少了0.66%～10.72%的需水量，在2015年达到显著水平；W2处理的需水量减少了4.54%～7.33%，2 a均达到显著水平。在结实期，与W0处理相比，W1处理减少了4.67%～18.47%的需水量，在2015年达到显著水平；W2处理的需水量减少了20.76%～25.95%，2 a均达到显著水平。W1、W2处理在2015年各阶段需水量和总需水量均无显著差异，而在2016年，W2处理的总需水量要显著低于W1处理，这是由于穗分化期和结实期的需水量下降。

年份显著影响着水稻分蘖期、穗分化期、抽穗期的作物系数；灌溉方式显著影响着水稻穗分化期、结实期和整个生育期的作物系数；二者的交互作用显著影响着水稻穗分化期、抽穗期、结实的作物系数。作物系数呈先增大后减小的趋势，2015年在穗分化期达到最大，而2016年在抽穗期达到最大。各个时期的作物系数均以W0处理下的最大。在2015年，穗分化期、结实期、全生育期的作物系数表现为W0处理>W1处理=W2处理；而在2016年，穗分化期、结实期的作物系数表现为W0处理=W1处理>W2处理，全生育期的作物系数表现为W0处理>W1处理>W2处理。

表3 不同间歇时间灌溉对水稻各生育时期需水量和作物系数的影响

注 分蘖期表示水稻从返青以后至穗分化以前。

Note Tillering stage indicates that from regreened to panicle initiation.

表4 不同间歇时间灌溉对水稻产量及其构成因素的影响

2.3 不同灌溉方式对水稻产量及其构成因素的影响

由表4可知，不同灌溉处理下对水稻产量及其构成因素并无明显的影响。而年份对水稻产量及其构成因素有着极其显著的影响。2015年的水稻平均产量为9.62 t/hm2，而2016年的水稻平均产量为7.82 t/hm2，下降了18.71%。从产量构成因素来看，2016年的有效穗数、千粒质量、结实率较2015年的均明显下降，而每穗粒数显著增加。

2.4 不同间歇时间灌溉对水稻水分生产率的影响

由表5可知，年份与灌溉方式显著影响着水分生产率和灌水利用效率，二者的交互作用显著影响着灌水利用效率。W1、W2处理下水分生产率要高于W0处理的，在2016年达到显著水平。W1处理的2 a灌水利用效率分别为11.99、3.10 kg/m3，要高于W0处理下的，其中2015年达到显著水平。2 a的灌水利用效率以W2处理下的最高（3.79～12.66 kg/m3），分别较W0处理和W1处理提高了43.02%～98.74%、5.59%～22.26%。

表5 不同间歇时间灌溉对水分利用效率的影响

3 讨 论

3.1 不同间歇时间灌溉对水稻产量的影响

以往研究发现，不同水分管理影响着水稻的产量及其构成因素[13-15]。何海兵等[13]研究结果表明，与淹水灌溉相比，干湿交替灌溉显著提高了水稻的产量及其构成因素，这是因为水稻生育期内多次处于非淹灌条件下或一直处于饱和含水率状态，与传统淹灌栽培相比，提高了根区溶氧能力，促进根系发育，产量水平也较传统淹灌处理有不同程度的增加[16]。

而本研究结果表明，间歇灌溉处理下的水稻产量及其构成因素较常规淹灌的无明显差异，而不同间歇灌溉处理之间的差异也不明显。这可能是因为品种和生态环境不同造成的。此外，2016年分蘖后期降雨过于集中，使得有效穗数较2015年明显下降；灌浆期积温下降和太阳辐射减少致使千粒质量、结实率显著下降，最终导致2016年的产量较2015年的显著下降。

3.2 不同间歇时间灌溉对水稻水分利用的影响

不同灌溉模式对水稻的需水规律有着显著的影响。刘路广等[17]对鄂北地区水稻需水特性进行研究时发现，与浅灌模式和中蓄模式相比，湿润模式水稻耗水量和灌水量明显降低。本试验结果与杨文新等[18]的研究结果一致，水稻需水量、需水强度、需水模比系数在不同灌灌溉方式下发生明显变化，这可能是不同的灌溉方式改变了水稻根系[19]，从而改变了水稻需水特性。本试验结果表明，不同灌溉方式主要是通过影响穗分化期、灌浆结实期的需水量来影响总的需水量，这可能是因为这2个生育时期时间较长，干湿交替灌溉的节水效果明显。而分蘖期和抽穗开花期的需水量并无显著差异，可能是因为分蘖期水稻根系尚未发育完全，且分蘖期田间水位差异不大，处理效果未达到预期；抽穗期时间短且田间一直有水层。此外前人研究结果表明作物系数在抽穗开花期最大，而本试验结果显示2015年在穗分化期最大，而2016在抽穗开花期最大，造成这种差异的原因可能是2015年穗分化期温度较高。

不同的灌溉方式显著影响着水稻的水分利用效率。赵宏亮等[15]研究认为，间歇灌溉较淹水灌溉不仅提高了产量，还提高了水分利用效率。杨文新[18]的试验结果表明水稻控制灌排模式能显著提高灌溉水利用系数，而且产量水平与浅湿灌溉没有差异。试验结果表明，与常规淹灌相比，间歇灌溉能够显著提高水分生产率、灌水利用系数和降雨利用率。W1处理与W2处理的灌溉水利用效率和降水利用率在2015年无显著差异，可能是因为2015年雨量更充沛且穗分化后降水更为均匀，使得2个水分管理的差异不明显。

4 结 论

与常规淹灌相比，穗分化前水层落干后7～9 d，穗分化后水层落干3～5 d的补充灌溉方式能有效减少灌水量、灌排水次数，显著提高灌溉水利用效率和降水利用率，稳定水稻产量，是较为适合江淮地区的稻田高产水分高效利用的间歇灌溉方式。

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Experimental Study on the Effects of Different Intermittent Irrigations on Yield and Water Use Efficiency of Rice

WU Han1, KE Jian2, HE Haibing2, YOU Cuicui2, SHI Guangyu1*, WU Liquan2, 3

(1. Irrigation Experiment Central Station of Pishihang Irrigation District of Anhui Province, Lu’an 237158, China; 2. College of Agronomy, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, China; 3. Jiangsu Collaborative Innovation Center for Modern Crop Production, Nanjing 210095, China)

【】Improving irrigation water use efficiency has become increasingly pressing for developing sustainable irrigation, and the objective of this paper is to investigate experimentally the impact of different intermittent irrigations on yield and water use efficiency of rice.【】The field experiment was conducted at Jianghuai region in southeast China, in which we compared two intermittent irrigations: supplemental irrigation by keeping a water layer over the soil surface for 3~5 days prior to the panicle initiation and then another 13 days after the panicle initiation (W1), supplemental irrigation by keeping a water layer over the soil surface for 7~9 days before the panicle initiation and then another 3~5 days after the panicle initiation (W2). In each treatment, we measured grain yield and water use efficiency in both 2015 and 2016; the conventional flooding irrigation served as the control (W0).【】The rice yield in W0 was 8.01~9.40 t/hm2, not differing significantly from that in W1 and W2. Compared to W0, W1 and W2 reduced total evapotranspiration () by 3.64%~4.74% and 5.63%~8.72% respectively, with the discrepancy between W1 and W2 caused mainly by their different impact on ET in the panicle initiation and gain-filling stages. Compared with W0, W1 and W2 reduced ET by 0.66%~10.72% and 4.54%~7.33% during the panicle stage, and by 4.67%~18.47% and 20.76%~25.95% during the gain-filling stage, respectively; the reduction in ET was significant in 2016. Compared to W0, W1 and W2 saved irrigation amount by 7.50%~41.85% and 31.00%~43.94% and irrigation times by 1 and 1~2, respectively. Apart from efficacy in using precipitation, W2 was also most efficient in using irrigation water (3.79~12.66 kg/m3) and was 43.02%~98.74% and 5.59%~22.26% higher than W0 and W1, respectively.【】Supplemental irrigation by keeping a water layer over soil surface for 7~9 days prior to the panicle initiation and then another 3~5 days after the panicle initiation can effectively reduce irrigation amount and frequency without compromising rice yield. It also improved use efficiency of both irrigation water and precipitation and is thus the optimal intermittent irrigation method for rice in Jianghuai region.

intermittent irrigation; intermittent time; rice yield; water use efficiency

S511；S157

A

10.13522/j.cnki.ggps.2019032

1672 - 3317（2020）01 - 0037 - 08

吴汉, 柯健, 何海兵, 等. 不同间歇时间灌溉对水稻产量及水分利用效率的影响[J]. 灌溉排水学报, 2020, 39(1):37-44.

WU Han, KE Jian, HE Haibing, et al. Experimental study on the effects of different intermittent irrigations on yield and water use efficiency of rice [J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2020, 39(1): 37-44.

2019-04-25

国家重点研发计划项目(2017YFD0301305)；安徽省自然科学基金项目(1908085MC67，1808085QC70)；安徽省攻关项目(1804h07020150)

吴汉（1992-），男。助理农艺师，主要从事水稻节水灌溉技术研究。E-mail: wh18255372060@163.com

时光宇（1963-），男。农业技术推广研究员，主要从事水稻节水灌溉技术研究。E-mail: 719703328@qq.com

责任编辑：赵宇龙