不同灌溉定额对膜下滴灌水稻耗水特征及水分生产效率的影响

丁 峰，蒲胜海，吕玉平，马晓鹏，沈晓明，莫 彦

(1.新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所/农业部西北绿洲农业环境重点实验室，乌鲁木齐 830091；2.新疆农业科学院粮食作物研究所，乌鲁木齐 830091；3.昌吉回族自治州环境监测站，新疆昌吉 831100；4.中国水利水电科学研究院水利研究所，北京 100038)

0 引 言

【研究意义】水稻产量约占我国粮食总产量的40%，为第一大粮食作物[1-3]。水稻在三大粮食作物中比较优势明显，也是水量消耗最多的作物[4-6]。新疆水稻面积，水资源短缺是制约水稻生产的主要因素[7]。膜下滴灌技术应用于水稻生产，水稻旱作能够有效扩大新疆水稻种植面积[7,8]。旱作灌溉模式的产量、耗水量、水分利用效率等是北方干旱区研究的热点技术[9,10]。【前人研究进展】王怀博[11]确定了膜下滴灌旱作水稻合理的地下水补给量，明确了膜下滴灌不同品种旱作水稻实际需水量和需水规律，提出膜下滴灌不同品种旱作水稻适宜的土壤水分下限[12]。何进宇等[13]研究发现，灌溉、氮肥、磷肥均对滴灌水稻增产具有极显著的作用，其作用大小依次为灌溉定额>施氮量>施磷量。田志莲等[14]对膜下滴灌旱作水稻土壤水分下限试验研究表明，土壤水分下限为θ田处理的叶绿素、光合作用较其它处理好。徐强等[15]指出，滴灌水稻分蘖期水分调控时应充分考虑干旱胁迫的补偿效应，水稻分蘖期轻中度控水有利于滴灌水稻光合作用和产量的提高。侯健伟等[16]认为，新疆膜下滴灌水稻各时期最佳灌溉量为：苗期 82.7 mm，分蘖期 198.5 mm，拔节期 213.3 mm，抽穗杨花期 155.6 mm，灌浆期 265.2 mm 和成熟期 111.1 mm，全生育期灌水量为 1 026.4 mm。【本研究切入点】前人的研究工作对于新疆地区的滴灌水稻灌水量、各生育期耗水特征关注较少，研究还不够充分。研究新疆地区滴灌水稻的各生育期耗水特征和水分利用率。【拟解决的关键问题】以膜下滴灌栽培的水稻品种宁28为研究对象，设置不同膜下滴灌灌水量处理，分析膜下滴灌水稻各生育阶段的耗水特性，为制定膜下滴灌水稻合理的灌溉制度提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验点位于新疆乌鲁木齐市区以北25 km新疆农业科学院国家灰漠土肥力与肥料效应监测基地(N 43°95'26"，E 87°46'45")。试验区属典型的中亚干旱区山地一绿洲生态系统，海拔高度600 m，年均降雨量310 mm，年均蒸发量2 570 mm，干燥度8.29，年平均气温7.7℃，平均日照时数2 594 h，无霜期156 d。试验站土壤质地为砂质壤土，容重1.25 g/cm3，pH为7.90，有机碳8.80 g/kg，全氮0.87 g/kg，全磷0.67 g/kg，全钾19.80 g/kg，有效氮55.20 mg/kg，速效磷3.40 mg/kg，速效钾288 mg/kg。

选择水稻品种宁28为研究对象。各滴灌处理采用“干播湿出”(在播种后滴灌出苗水)。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

2019年4月30日播种，9月15日左右结束，根据乌鲁木齐地区往年的ET0从4月30日到9月15日的ET0为763 mm，取763 mm为灌溉水量中值，设5个滴灌灌溉定额处理，分别为ET0的0.6、0.7、1、1.1、1.2倍。

试验种植模式为株行距配置为10+20+10+20(cm)，株距9 cm，滴灌毛管铺设在两窄行作物中间，1膜2管8行，各处理播种量为每穴8粒，各处理施肥管理一致，全生育期施肥总量为厩肥15 t/hm2，水溶性有机肥120 kg/hm2，纯氮300 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2、K2O 75 kg/hm2。基肥在临秋冬翻地时一次性施用厩肥和P2O5。苗期肥分3次随水滴施纯氮30 kg/hm2、K2O 15 kg/hm2。分蘖肥分3次随水滴施纯氮110 kg/hm2、K2O 10 kg/hm2。拔节肥分3次随水滴施纯氮110 kg/hm2、K2O 25 kg/hm2、有机肥60 kg/hm2。穗肥分4次随水滴施纯氮50 kg/hm2、K2O 25 kg/hm2、有机肥60 kg/hm2。其他田间管理措施保持一致。在水稻生长期间同滴灌系统等量随水滴施。水稻3叶期时每个小区各随机选取3个点作为田间调查点。表1，表2

表1 乌鲁木齐地区ET0Table 1 ET0 of Rice Growth Period in Urumqi(mm)

表2 不同处理灌溉定额Table 2 Irrigation quotas for different treatments(mm)

1.2.2 测定指标

1.2.2.1 土壤水分

使用北京东方润泽生态科技股份有限公司生产的智墒(云智能土壤水温传感器)对土壤中0～1 m深度的土壤水分监测。

1.2.2.2 产量

水稻成熟时，每个处理取3穴测定水稻产量构成，包括单株有效穗数、每穗总粒数、每穗实粒数、每穗空粒数、成穗率和千粒重，后收割各处理测产。

1.2.2.3 作物耗水量

农田水分平衡方程式可写为[17]：

ETT=P+I-ΔW.

(1)

式中ΔW为作物生育期间土壤储水变化量，即土壤贮水消耗量(mm)，P为该时段降水量(mm)，ETc为作物生育期耗水量(mm)，包括植株蒸腾量与植株间地表蒸发量；I为灌溉用水量(mm)。

应用土壤湿度和土壤容重，根据土壤水分贮量公式[2]，计算各时段不同深度的土壤贮水量。

W=10×r×v×h.

(2)

式中W为不同深度土壤贮水量(mm)，r为土壤相对湿度(%)，v为土壤平均容重(g/cm3)，h为土层深度(cm)，10为换算系数。

1.2.2.4 叶面积指数

分别于拔节期、齐穗期和成熟期选取长势一致具有代表性的单株完全叶作为标准叶，测量其长宽，按照叶面积=0.75×长×宽(成熟期经验系数为0.67)，烘干称重后换算整穴叶面积，以计算叶面积指数LAI，每个处理随机选取3穴；LAI衰减指数=(灌浆期LAI-成熟期LAI)/灌浆期LAI。

1.2.2.5 作物水分生产率

作物单位耗水量产出的籽粒产量，WUE=Y/ETc。

1.3 数据处理

试验数据采用Excel 2003进行整理，采用SPSS 19.0软件进行统计分析，计算各处理性状的平均值进行相关性分析。使用Origin 8.5作图。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉定额对膜下滴灌水稻产量构成的影响

研究表明，不同水分处理下膜下滴灌水稻单位面积穗数达到显著差异水平，W5>W3>W4>W2>W1；不同灌水量穗长为W4>W2>W3>W5>W1；不同灌水量的每穗粒数表现为：W4>W3>W5>W2>W1；不同灌水量的千粒重表现为W2>W4>W5>W3>W1，W1处理与其他4个处理差异显著，W2、W3、W4、W5处理之间千粒重无显著差异；不同灌水量的空瘪率为 W1>W2>W3>W5>W4；不同灌水量的实际产量为W5>W4>W3>W2>W1，各处理之间的实际产量差异显著，W5处理的水稻产量最高，达到6 508.5 kg/hm2，W5处理的水稻产量比W4、W3、W2、W1处理分别增加了21.95%、61.58%、136.94%和458.43%。表3

表3 不同灌水量处理水稻产量及产量构成Table 3 Yield and yield composition of rice treated with different irrigation amounts

2.2 不同灌溉定额对膜下滴灌水稻耗水量的影响

研究表明，不同灌水量处理膜下滴灌水稻各生育阶段的耗水量、耗水强度、耗水模数，各灌水量处理的耗水量均随灌水量增加而增加，5个处理水稻生育期内耗水量均表现为拔节孕穗期>分蘖期>灌浆期>苗期>成熟期>抽穗扬花期；不同水分处理下的水稻各生育期的耗水强度各处理整体趋势一致，前期耗水强度较低后来不断升高至拔节孕穗期水稻耗水强度达到最大值，而后呈逐渐下降的趋势。

耗水强度总体表现为拔节孕穗期>抽穗扬花期>灌浆期>分蘖期>成熟期>苗期。在膜下滴灌水稻全生育期5个水分处理的耗水强度分别为3.75 mm/d(W1)、4.33 mm/d(W2)、5.76 mm/d(W3)、6.30 mm/d(W4)、7.14 mm/d(W5)。膜下滴灌水稻耗水强度和耗水模数最大的时期在拔节孕穗期，耗水强度分别为4.92 mm/d(W1)、5.64 mm/d(W2)、7.96 mm/d(W3)、8.58 mm/d(W4)、9.42 mm/d(W5)，阶段耗水模数分别为22.98%、22.80%、24.15%、23.82%、23.06%；抽穗扬花期是膜下滴灌水稻的另一个需水高峰耗水强度达到4.28～8.91 mm/d，各处理的耗水模数介于7.91%～8.73%；分蘖期水稻根系、叶片、分蘖生长都较快，使得这个阶段的水稻需水强度的较高，各处理耗水强度为3.99～7.67 mm/d，耗水模数为21.89%～22.55%；成熟期各处理耗水强度为3.14～5.96 mm/d，耗水模数为10.18%～11.72%；苗期植株较小、叶面积低其自身的需水量较低，该时期水稻的耗水强度较小，各处理耗水强度为2.61～4.63 mm/d，耗水模数为17.24%～20.75%。表4

表4 不同灌水量处理水稻耗水量Table 4 Water consumption of rice treated with different irrigation amounts

2.3 不同灌溉定额对膜下滴灌水稻生长的影响

研究表明，各处理叶面积指数随着生育进程的推进逐渐增大，到灌浆期时达到最大值，灌浆期之后叶面积指数开始下降。各处理叶面积指数总体趋势表现为W5>W4>W3>W2>W1。分蘖期叶面积指随着灌水量增加逐渐增大，各处理分别为1.35(W1)、2.13(W2)、2.17(W3)、2.18(W4)、2.34(W5)，各处理之间差异不显著；灌浆期叶面积指数达到全生育期最大值，各处理表现为W5>W4>W3>W2>W1，W5处理的叶面积指数与W1、W2、W3、W4处理相比分别高出31.15%、33.20%、29.15%、3.24%；计算各处理叶面积衰减指数分别为18.28%(W1)、12.03%(W2)、6.46%(W3)、3.04%(W4)、2.93%(W5)。随着灌水量减少叶面积衰减指数逐渐增大，叶片表现出早衰特征。表5

表5 不同灌溉定额对膜下滴灌叶面积指数Table 5 Leaf area index of drip irrigation under mulch with different irrigation quotas

各处理植株高度随着生育进程的推进逐渐增大，成熟期各处理株高表现为W5>W4>W3>W2>W1。苗期株高随着灌水量增加逐渐增大，各处理分别为13.45 cm(W1)、15.63 cm(W2)、16.78 cm(W3)、18.79 cm(W4)、20.45 cm(W5)；成熟期株高达到全生育期最大值，各处理表现为W5>W4>W3>W2>W1，W5处理的株高与W1、W2、W3、W4处理相比分别高出25.21%、12.99%、3.58%和1.49%。表6

表6 不同灌溉定额对膜下滴灌株高Table 6 Plant height of drip irrigation under mulch with different irrigation quotas

2.4 不同灌溉定额对膜下滴灌水稻水分生产率的影响

研究表明，水分生产效率与全生育期灌水量为对数关系曲线。各处理水分生产效率表现为W5>W4>W3>W2>W1，W5处理水分生产率最高为0.64 kg/m3，其产量为6 508.5 kg/hm2；W5处理与W4、W3、W2、W1处理水分生产率相比分别提高7.61%、30.48%、43.62%和193.06%，W5处理为较适宜的水分处理。图1

图1 各处理产量、水分生产率与耗水量的曲线拟合Fig.1 Curve fitting of yield,water productivity and water consumption of each treatment

3 讨 论

研究表明，灌水量减少空瘪率升高，表现为W1>W2>W3>W5>W4，导致产量下降，W5处理的水稻产量比W4、W3、W2、W1处理分别增加了21.95%～458.43%。研究认为，随着灌水量减少叶面积衰减指数逐渐增大，叶面积衰减指数分别为18.28%(W1)、12.03%(W2)、6.46%(W3)、3.04%(W4)、2.93%(W5)。叶片表现出早衰特征，与前人结果一致，土壤水分不足，会使叶片过早衰老枯黄，不利于灌浆，最终秕粒较多，从而使产量降低[18,19]。

侯建伟等[16]认为膜下滴灌水稻耗水量最大的时期在拔节孕穗期，日均耗水量和耗水模比系数最大的时期也在拔节孕穗期。这与研究结果一致，滴灌水稻耗水强度和耗水模数最大的时期在拔节孕穗期，前人试验是在控制灌水下限条件下进行的，耗水强度较高一些。试验耗水强度较耗水强度分别为4.92～9.42 mm/d，阶段耗水模数分别为22.80%～24.15%。

韩姝娴等[18]研究表明，抽穗开花期是水稻生育过程中需水强度最大的时期，拔节孕穗期次之。这与研究结果不一致，研究认为抽穗扬花期是膜下滴灌水稻的第2个需水高峰耗水强度达到4.28～8.91 mm/d，但由于该时期较短，各处理的耗水模数仅仅只占到7.91%～8.73%。这可能与试验地区气候差异及水稻品种不同有关。

研究结果表明，耗水模数：拔节孕穗期>分蘖期>灌浆期>苗期>成熟期>抽穗扬花期。这与前人的结果一致，水稻全生育期内的蒸腾耗水变化规律总体呈现出生育前期较低—中期较高—后期逐渐衰减的趋势，孕穗、扬花、乳熟期为需水关键期[20]。提出拔节孕穗期和分蘖期为膜下滴灌水稻关键需水期。而徐强等[15 ]认为滴灌水稻分蘖期具有较好补偿效应，轻中度控水有利于提高滴灌水稻光合作用和产量。后续研究可从发掘滴灌水稻分蘖期节水潜力入手。

4 结 论

4.1水稻各生育阶段耗水强度变化规律一致，即拔节孕穗期>抽穗扬花期>灌浆期>分蘖期>成熟期>苗期；各生育期耗水量表现为拔节孕穗期>分蘖期>灌浆期>苗期>成熟期>抽穗扬花期。拔节孕穗期、分蘖期为膜下滴灌水稻关键需水期，尤其在拔节孕穗期水稻对水分最敏感。在膜下滴灌水稻全生育期5个水分处理的耗水强度分别为3.75 mm/d(W1)、4.33 mm/d(W2)、5.76 mm/d(W3)、6.30 mm/d(W4)、7.14 mm/d(W5)。

4.2随着灌溉定额减少会使叶片过早衰老枯黄，不利于灌浆，最终秕粒较多，从而使产量降低。叶面积衰减指数逐渐增大，叶片表现出早衰特征。各处理叶面积衰减指数分别为18.28%(W1)、12.03%(W2)、6.46%(W3)、3.04%(W4)、2.93%(W5)。

4.3水分生产效率与全生育期灌水量的对数关系曲线，水稻产量与灌水量为指数关系，水稻产量随着灌水量的增加而提高。水稻产量随着耗水量的增加而增加，不同灌水量对产量影响显著，W5处理灌溉定额达到1 020.67 mm，水分生产率最高为0.64 kg/m3，其产量为6 508.5 kg/hm2。