泾惠渠灌区冬小麦夏玉米灌溉制度优化研究

姚毛毛，王阿静，陈新明

(1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院/旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西杨凌 712100；2.陕西省永寿县水利管理站，陕西 永寿 712300)

0 引 言

目前国家水资源短缺、水污染严重等问题导致农业用水供需矛盾日益突出，田间灌溉用水非常紧张，因此节水灌溉制度的研究具有重大意义[1]，非充分灌溉制度是节约水资源提高水分利用效率的主要方法之一[2]。国内外研究表明，水分阶段性亏缺对作物效益具有双重性，不同生育阶段对植物进行缺水灌溉，不但不会降低作物的产量，反而会很大程度上提高作物的经济效益和水分利用效率[3]。玉米和小麦是我国北方的主要粮食作物，是农产品的重要组成部分，但有些地区在小麦玉米种植期间，会出现过量灌水的现象，这样不仅会抑制作物的生长发育，而且很大程度上会造成水资源浪费[4]。研究泾惠渠灌区作物的非充分灌溉制度，对提高灌区作物产量和水分利用效率的模式进行深入研究，进而找出适合本区域的节水、高产的灌溉方法，以期为灌区用水配水调度提供理论依据[5]。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2013-2016年，连续3个年度在陕西省咸阳市泾阳县三渠镇泾惠渠灌溉试验站大田进行。此灌溉试验站的地理坐标为东经108°54′，北纬34°33′，海拔433.72 m，水源为井水，灌溉水量采用水表控制。灌区土壤肥沃，地势平坦，气候条件温和，灌溉条件较好[6]。土壤以中壤土为主，容重为1.43 g/cm3，孔隙率46%，最大田间持水量(质量含水率)为24.4%，耕种条件良好，地下水埋藏深度为30 m，故试验中地下水向上补给部分可忽略不计。

试验于2013年6月至2016年7月展开。冬小麦分别于2013年10月10日、2014年10月15日、2015年10月16日撒种播种，供试品种为“郑麦366”，该冬小麦品种具有矮秆、耐旱、耐后期高温的特点。采用原种无种子处理，播种量为375 kg/hm2，底肥为冬小麦专用肥料，施肥量为700 kg/hm2。夏玉米分别于2013年6月8日、2014年6月17日，2015年6月10日采用玉米穴播机进行播种，供试品种为“中科11”，播种量为45 kg/hm2，伴施种肥腐殖酸复混肥375 kg/hm2。

泾惠渠灌区多年平均降雨量565.4 mm，蒸发量1 178.3 mm，多年平均降雨天数81 d，年均气温13.4 ℃左右，1月份气温最低为-20.1 ℃，8月份最高气温为42.0 ℃。2013-2016年冬小麦夏玉米各年生育阶段降雨量见表1。根据泾惠渠灌区30年的降雨资料排频分析，其中2013-2016均接近枯水年。

表1 冬小麦夏玉米生育期内的降雨量 mm

1.2 冬小麦夏玉米试验设计

依据冬小麦夏玉米生长规律，参照作物耕作栽培和植物生理学方面的内容，把冬小麦全生育期划分为7个阶段:播种期、出苗期、越冬期、返青期、拔节期、抽穗期和灌浆期[7]。试验将夏玉米灌水时期分为5个阶段：出苗期、压茬期、拔节期、抽雄期和灌浆期。冬小麦夏玉米各设8个试验处理，每个处理重复两次，夏玉米水分处理用H表示，冬小麦水分处理用T表示。试验为大田试验，小区随机排列，每个小区长×宽为20 m×2.6 m，小区四周设有保护区，供水源为井水，采用水表读数计量。试验设计处理见表2和表3。

1.3 冬小麦夏玉米试验测定指标与方法

(1)土壤含水率的测定。土壤含水率的测定方法采用土钻取土烘干法，在每个小区前中后选取3个测点，每个测点测定土壤深度为0～100 cm，深度每隔10 cm选取一个测点进行测定。在灌水期前后3 d和生育期内每7 d测定1次，若有大量降雨需加测。

(2)冬小麦、夏玉米生理指标测定。对于冬小麦产量的测定，是冬小麦收获时，在每个试验小区取1 m×1 m区域的长势平均且具有代表性的植株，用直尺和游标卡尺测量植株根部到植株最高点的长度即为株高，同样方法测量穗长。在室内脱粒考种，同时测定穗数，用电子天平(感量为0.01 g)称千粒重和单位面积的产量,进而折合计算每公顷产量。夏玉米生理指标测定在每个生育期内取3株具有代表性的植株，用游标卡尺、直尺等测定夏玉米成熟后的株高、茎粗等生理指标。夏玉米成熟后，进行穗长、穗粗等产量因素的测定，然后考种计算实收的百粒重与产量。

表2 2013-2016年夏玉米试验设计处理 m3/hm2

表3 2013-2016年冬小麦试验设计处理 m3/hm2

1.4 数据处理及分析方法

试验采用Excel2010进行数据录入和计算，DPS软件进行数据统计分析处理，LSD法进行多重比较，运用方差分析统计法分析不同生育期灌水组合对冬小麦、夏玉米产量及水分利用效率等的影响。

2 试验结果分析

不同灌水组合对冬小麦、夏玉米的产量影响不同。2013-2016年不同灌水组合下冬小麦、夏玉米三年平均产量因素如表4和表5所示。

2.1 不同灌水组合对冬小麦夏玉米产量的影响

表4为不同处理下3年平均的夏玉米产量构成要素表。由表4可知，不同灌水组合对夏玉米的株高及产量构成因素的影响不同[8]。2013-2016年中，夏玉米不同灌水组合下三年平均株高在H3(压茬灌+拔节灌)处理下达到最大值，显著高于其他处理7.27%，说明拔节期是夏玉米株高的需水敏感期，压茬期和拔节期灌水对夏玉米的株高有很大促进作用。H8(压茬灌+灌浆灌)处理下夏玉米株高显著低于其他处理7.3%，说明灌浆期灌水或不灌水对夏玉米的株高并无显著影响，因为灌浆期夏玉米的生长发育已趋于稳定，株高增长速率也趋于稳定。

表4 2013-2016年不同灌水组合下夏玉米三年平均产量因素表

注：采用DPS软件的LSD法进行多重比较，表中以小写字母标记5%显著水平，字母相同表示差异不显著，字母不同表示差异显著，下同。

夏玉米的产量因素主要包括亩株数、穗粒重、百粒重。由表4可看出，H6(压茬灌+拔节灌+抽雄灌)处理下玉米产量达到最大值，说明夏玉米生育前期旱象明显时，增加灌水次数可以提高夏玉米产量，这与张有菊[9]等的研究结论是一致的，而H2(压茬灌)处理下的夏玉米产量显著低于其他处理的6.48%，说明压茬期灌水对夏玉米产量并无显著影响。穗粒重和百粒重受灌水处理影响较大，H6、H7(压茬灌+拔节灌+灌浆灌)的平均穗粒重显著高于其他处理的6.54%、3.23%，百粒重显著高于其他处理的2.1%、1.74%，说明生长阶段灌水次数多水分充足，夏玉米生长状况较好。而H2(压茬灌)处理下的穗粒重显著低于其他处理的5.2%，百粒重显著低于其他处理的2.84%，说明灌水次数少水分不充足对夏玉米的生长状况影响较大。

表5是2013-2016年不同灌水组合下冬小麦的平均产量因素表。由表5可知，冬小麦的株高以及各产量因素在不同的灌水组合下结果不同。

小麦株高随着灌水次数和灌溉定额的增大呈现逐渐增高的趋势。2013-2016年，小麦平均株高在T8(冬灌+拔节灌+灌浆灌)处理下达到最大值，灌水次数为两次的T4、T5、T6之间相互比较株高差异性不大，但与T2(仅冬灌)处理下的小麦株高差异性显著，分别增加了4.61%、7.24%、4.97%，这说明冬灌对越冬期小麦株高增长并无显著影响，这一结果与刘泉斌[10]的研究结论是一致的，返青期、拔节期、抽穗期灌水对冬小麦的株高均有显著影响，且T3(返青灌)处理下株高比T1(不灌水)处理下显著增高4.26%，说明返青灌对冬小麦株高有着显著影响，冬小麦进入返青期后，随着温度升高，小麦的需水量增大，所以返青期是冬小麦株高的需水敏感期。

表5 2013-2016年不同灌水组合下冬小麦年平均产量因素表

冬小麦的产量因素主要包括：穗粒数、亩株数、千粒重。2013-2016年，小麦三年平均产量在T7(冬灌+拔节灌+抽穗灌)、T8(冬灌+拔节灌+灌浆灌)处理下显著高于其他处理下的产量。灌二水处理中，T4(冬灌+返青灌)>T6(冬灌+抽穗灌)>T5(冬灌+拔节灌)，T4处理下小麦产量最高，说明返青期是冬小麦产量的需水敏感期。T2处理下三年平均产量显著大于T1处理下的产量，且T1的小麦产量显著低于其他所有处理，可见冬小麦的产量与需水量呈正相关关系，灌水次数越多，小麦产量越高。小麦三年平均穗粒数无显著差异，T2处理下的穗粒数为最大值，说明越冬期灌水可以增加小麦穗粒数。2013-2016年，T2处理下的三年平均株数显著高于T1处理，这说明冬小麦生育前期旱象明显时，越冬期适当灌水可以增加小麦的株数。T8处理下小麦千粒重达到最大值，且显著高于T5，说明灌浆期灌水对小麦的千粒重有显著影响。

2.2 不同灌水处理下夏玉米冬小麦耗水量与产量的关系

根据不同灌水处理下夏玉米冬小麦年耗水量与年产量之间的关系，拟合绘制二次曲线图。由图1、3可知，冬小麦夏玉米产量和随着耗水量的增加而增加[11]，但超过某一特定值之后，年产量却随年耗水量的增加而减少。由图2可知，作物需水量受土壤水分、降雨量和气候等外界条件影响，灌溉量增加，产量反而减少，水分利用效率降低，造成水资源的浪费[12]。

图1 2013-2014年夏玉米冬小麦耗水量与产量的关系

图3 2015-2016年夏玉米冬小麦耗水量与产量的关系

图2 2014-2015年夏玉米冬小麦耗水量与产量的关系

图4 冬小麦夏玉米三年平均耗水量与产量的关系

表6 不同灌水处理下冬小麦夏玉米水分利用效率分析表

水分利用效率受作物耗水量和产量的影响，表6是不同灌水处理下的水分利用效率分析表。每年的产量之和由高到低排列，耗水量与产量在一定范围内呈正相关关系，耗水量越多，产量越高。由表6可以看出，随着作物耗水量的增加，产量增加，水分利用效率呈下降趋势，这一结果与吴宝建[13]的研究结论是一致的。从三年不同灌水处理下产量与耗水量的平均值看，T5与H1处理下的水分利用效率最高，与2014-2015年的结果是一致的，虽说达到了节水的目的，但却不符合高产的要求。T8与H6处理下的产量达到最高值，与2013-2014年的研究结果是一致的，但其水分利用效率较低。T4与H4的产量与水分利用效率相对较高，可同时满足高产和节水的要求，因此，要在高产和节水之间做好协调，需要在合理的生长阶段内对作物进行灌溉，保证小麦在越冬期和返青期、玉米在压茬期和抽雄期内适宜的灌水量，即可做到高产和节水之间的协调，对提高水分利用效率有积极作用。

2.3 不同处理下冬小麦夏玉米经济效益分析

根据泾惠渠管理局提供的资料显示，泾惠渠灌区2013-2016年种植小麦玉米各6 600 hm2，当地灌溉用水价格为0.2 元/m3，玉米收购价格2.5 元/kg，小麦收购价格为2.0 元/kg，得出不同灌水处理下小麦玉米的节水经济效益分析表如表7所示。

表7 不同处理下冬小麦夏玉米的节水经济效益分析表

节水灌溉与高产两者之间的协调关系是灌溉水资源供需矛盾的主要问题，过量灌溉不仅不会使作物增产，反而浪费了水资源，过量节水必定会影响作物的产量，因此需要通过分析作物的节水经济效益确定合理的灌溉制度，做好两者之间的协调。

从三年平均节水量与减产量来看，T5与H1处理下的节水量较多，但其减产量也较高，这与2015-2016年的研究结果是一致的。综合考虑低减产量和高节水量，以益损比为基础，T4与H4的益损比最大，且其产量与水分利用效率相对较高，可同时满足节水和高产的要求，因此冬灌+返青灌、压茬灌+抽雄灌有较好的节水经济效益，保证小麦在越冬期和返青期、玉米在压茬期和抽雄期内适宜的灌水量，能获得较高的经济效益。这与上述水分利用效率分析的结论是一致的。

3 结 论

(1)不同灌水处理对夏玉米和冬小麦株高和产量的影响不同。夏玉米压茬期+拔节期是玉米株高增长的关键时期，拔节期是株高的需水敏感期。灌浆期灌水对株高并无显著影响。增加灌水次数可以提高夏玉米产量，拔节期是产量的需水敏感期。百粒重和穗粒重受灌水量影响较大，当水分充足时，百粒重和穗粒重增加，一定程度下，百粒重和灌水量呈正相关关系，灌水量越大，百粒重越大。

冬小麦株高随着灌水次数和灌溉定额的增多呈增高趋势，返青期、拔节期、抽穗期灌水对冬小麦株高有显著影响，返青期尤为显著。在一定程度下，小麦的产量与需水量呈正相关关系，灌水量越大，产量越高，但超过一定范围后，随着灌水量的增大产量反而减少，水分利用效率降低。返青期是小麦产量的需水敏感期，冬灌+返青灌处理下小麦产量最高。越冬期适当灌水可以增加小麦穗粒数和株数，灌浆期灌水对小麦的千粒重有显著影响。

(2)水分利用效率受作物耗水量和产量影响，随着灌水量增加，水分利用效率呈下降趋势，T4与H4的产量与水分利用效率相对较高，能同时满足高产和节水的要求，保证小麦在越冬期和返青期、玉米压茬期和拔节期内得到适宜的灌水量，做到了高产和节水之间的协调，对提高水分利用效率有促进作用。

(3)综合考虑低减产量和高节水量，以益损比为基础，T4与H4的益损比最大，因此冬灌+返青灌、压茬灌+抽雄灌有较好的节水经济效益，保证小麦在越冬期和返青期、玉米在压茬期和拔节期内适宜的灌水量，能获得较高的经济效益。因此，灌区追求高产的最优灌溉制度是T8(冬灌+拔节灌+灌浆灌)与H6(压茬灌+拔节灌+抽雄灌)，全生育期六次灌水，灌溉定额为6 900 m3/hm2。综合考虑产量、水分利用效率和益损比，推荐泾惠渠灌区高效灌溉制度为T4(冬灌+返青灌)与H4(压茬灌+抽雄灌)，全生育期四次灌水，灌溉定额为4 800 m3/hm2。

上述实验结果表明，合理的非充分灌溉制度不但不会造成作物减产，一定程度上还可提高水分的利用效率，实现最大的经济效益。