内蒙古东部膜下滴灌旱作水稻作物需水量与产量研究

刘 虎，王 健，阿比亚斯，陈 功，高天明，肇志强，辛海霞

（1水利部牧区水利科学研究所，呼和浩特 010020；2内蒙古农业大学，呼和浩特 010020；3内蒙古扎赉特旗水利局，内蒙古兴安盟 137600；4内蒙古科右前旗农牧和科技局，内蒙古兴安盟 137600）

0 引言

就种植数量而言，水稻在当今世界上居前列，绝大多数人选择将水稻作为他们的主要食物。2010年以来，人们对水稻的消费和需求在不断增加，而种植生产水稻需要大量的淡水，其中70%的农业水资源用于水稻灌溉。由于工业、城市生活用水的增加、淡水资源总量减少，农业淡水资源总体占比逐渐下降。在当前这种淡水资源有限的趋势下，水稻旱作（覆膜旱作）栽培技术被认为是维持或改良稻米生产能力的有效途径之一。

目前，国内外学者对旱作水稻的田间管理、作物需水特性、产量特征等方面开展了一些研究。Du等[1]于1998和1999年的雨季，在越南平昌地区的研究了种子处理、播种量、播种时间对旱作水稻生长发育和杂草生长抑制的影响。Singh等[2]研究了水稻间作、麦茬覆盖和除草剂对旱作水稻除草和优化产量的效果。国际水稻研究所的Chauhan等[3]在2011年的雨季和2012年的旱季评估了不同除草剂在机械化播种的免耕旱种水稻生长过程中效果。Smith[4]在不同的生育期和不同的生长速率下，以不同处理的方式使用除草剂，以控制插秧和旱作水稻中的不同杂草的生长过程。Liu等[5]研究了中国中部地区2012和2013年水稻种植的生长、产量和水分利用效率，研究表明旱作直播水稻的籽粒产量与移栽水稻不同品种、不同年份的产量基本一致，旱作播水稻比移栽淹水水稻耗水量少15.3%，旱作直播水稻的氮素利用效率在2012年和2013年分别提高了20.3%和11.2%。

杨桦等[6]、季飞等[7]在黑龙江省庆安国家灌溉试验试验站和查哈阳地区开展的水稻不同生育阶段受旱的非充分灌溉试验表明，单生育阶段内中度水分亏缺状态有利于水稻生长。赵宏亮等[8]为了分析在秸秆全量还田条件下水稻各个方面的状态，在黑龙江现代农业示范区水田区开展了不同灌溉方式的水稻灌溉试验，间歇灌溉和控制灌溉的处理的水稻的生长状况最佳。李轲等[9]对不同灌水量的湿润灌和淹灌水稻叶片生理及水分利用率进行的研究显示，淹灌的最终产量有明显改善，增产率为5.89%～13.97%。在HadCM3模式的基础上，白开华等[10]分析了江苏省省1961—2000年及未来一段时期内的气象数据，计算了水稻全生育阶段参考作物腾发量与需水量的变化特征。通过FAO56法，罗玉峰等[11]计算了1955—2007年江苏高邮灌区水稻灌溉需水量。考虑到天气因素的变化，高邮灌区水稻灌溉用水需求显著增加。李荣超等[12]以安徽省天长市旱稻地膜覆盖试验数据为基础，对节水高产技术水稻不同生育期、月需水量、需水强度、模数系数及其变化规律进行了分析，覆膜旱稻的需水强度和蒸散量分别降低了1.7 mm/d和195.9 mm(29.94%)。何圆球等[13]在温室开展的旱作水稻研究表明土壤含水率和磷对旱稻的耗水量和水分利用效率影响显著。彭世彰等[14]在安徽省滁州市和山东省济宁市开展了水稻节水灌溉试验以及作物蒸发蒸腾量ETc的理论计算模型研究。

目前对水稻的相关研究较常见，但是研究滴灌旱作水稻技术较少，特别是内蒙古自治区东部膜下滴灌旱作水稻需水量和需水规律、合理灌溉定额、种植模式、灌水方式、水肥效应、经济评价等方面的研究尚不多见。为了解决内蒙古东部当前面对的农业水资源缺乏等制约当地社会经济发展的瓶颈问题，本研究基于水量平衡原理，通过灌溉小区试验、示范区监测和数据采集，分析了不同灌溉方式下水稻最终产量形成及作物需水系数，提出了内蒙古东部旱稻膜下滴灌需水量及不同生育期的需水量规律。研究成果对未来持续提高内蒙古东部地区膜下滴灌旱作水稻这一特色产业的综合生产能力具有重大意义。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

膜下滴灌旱作水稻试验地选择在内蒙古扎赉特旗好力保乡五家子村，绰尔河南岸，地理位置为46°43'33.9"N，123°10'02.4"E。田间地表高度为海拔160 m。试验研究区地势平缓，土壤肥力较低，土壤厚度约为40 cm，质地主要为壤土和沙壤土。年均太阳辐射131.5 kJ/cm2，年均日照时间2855 h。年均气温3.1℃，≥10℃积温多年平均为2528～2786℃。多年平均无霜期135天。年湿度为0.39～0.58，属半湿润半干旱区，年均降水量为428 mm，蒸发量为1958 mm。

项目区内田间持水量为24%～29%，土壤容重1.24～1.34 g/cm3，土壤阳离子交换量CEC 1.15～1.42 cmol/kg，盐分含量0.26～0.30%，pH 7.2。土壤养分含量见表1。

表1 试验区田间土壤肥力含量

1.2 试验设计

试验共设3个处理：膜下滴灌(MD)、无膜滴灌(DG)和传统插秧泡田(CK)，处理如表2所示。各个处理均设置3次重复，共九个试验小区，每个小区面积0.67 hm2。灌溉水量由电磁阀和水表控制，当土壤含水量达到试验处理设置的下限，即开始灌水，灌至土壤含水量上限。水分处理的具体时期及方案见表2。MD和DG处理的采用1膜2管4行种植模式(10 cm+50 cm+10 cm)，膜宽 1.15 m，种植幅宽 1.2 m，株距10 cm，穴距10 cm，毛管布置在宽行。播种采用机播，每穴10粒。人工插秧采用CK处理，密度按照内蒙古东部种植习惯，行距取30 cm，穴距取15 cm，每穴栽种5株。所有处理均匀施肥，施肥量为氮肥120 kg/hm2、磷肥50 kg/hm2、钾肥75 kg/hm2。其中氮肥按照底肥:拔节期:孕穗期=5:3:2的比例施入；钾肥按苗期:孕穗期=1:1施入，苗期做底肥一次施入，孕穗期分2次施入；磷肥作底肥一次性施入。地块中央设置地下水观测井1眼。

表2 膜下滴灌水稻试验处理设计表 %

1.3 试验观测内容

观测数据包括气象数据、地下水深度、土壤物理特征、土壤含水量、作物生长状况指标和作物产量。

气象资料来源于扎赉特旗气象站和田间气象站(HOBO U30)，气象数据包括：日照、蒸发、温度等。地下水埋深：通过水位计测定。土壤物理性状包括：在试验开始前测定含水率、田间持水量、土壤容重、孔隙度，土壤含水量及温度采用ET-60/100云智能管式土壤水分仪（智墒）。作物生长状况指标：每个生育期用卷尺测量株高一次；叶面积每个生育期一次，用LAI-2000植物冠层仪测定；茎粗每个生育期一次，用卡尺测定。作物产量：在测定冠部各器官干物质量的同时测定各处理水稻根部干物质量。每个测坑选取5穴，每穴选取1株，在植株附近就近取样，以整株为宜。用尼龙网袋收集水稻根部及断根部分并将其冲洗干净。

2 膜下滴灌旱作水稻需水规律研究

2.1 水分运动参数及地下水补给量研究

本研究采用SPAW(Soil-Plant-Air-Water)模型中的Soil Water Characteristic用于估算土壤中的持水特性，该模块主要是通过一组广义方程来描述土壤张力、电导率和土壤水分含量之间的关系，是一组关于砂砾和粉粒含量与有机质含量的函数。模块输入粉粒、砂砾、田间持水量、饱和导水率、土壤湿容重、有机质百分含量，输出凋萎系数、田间持水量、饱和导水率和土壤湿容重，模型界面见1a。

首先确定了土壤水分的参数，即土壤中的水分扩散率D和土壤中的导水率K等，见表3土壤水分特征值。通过SPAW模型模拟得到土壤水分饱和导水率为10.61 cm/d；土壤水分特征曲线见图1b。

表3 项目区SPAW模拟的土壤水分特征值

图1 SPAW模型计算结果

通过D值和土壤水分特征曲线推求土壤导水率K，得到土壤导水率计算公式(1)，式中θ为土壤含水率。

项目区作物生长期地下水位变幅在1.2 m左右，存在一定地下水补给，该方法所依循的原则是达西定律和质量守恒原理。通过该方法对土壤水通量、潜水入渗和蒸发进行了分析计算。为测量土壤水势的能量梯度变化，在作物根部的上下位置Z1和Z2安装了负压计，通过计算得该点处的通量如式(2)所示。

其中：△z=z2-z1，h=(h2+h1)/2。

式中：h1、h2为z1和z2位置的负压值。由上述方程(1)、(2)可计算t1-t2之间每单位面积的地下水流量Q(z1-2)。某一断面流量Q(z)同样可由Q(z1-2)计算，见式(3)。

通过公式(3)计算得到试验区不同生育期地下水补给，其结果见表4。

表4 膜下滴灌水稻生育期内地下水补给计算表

2.2 膜下滴灌旱作水稻需水量

膜下滴灌需水量的计算遵循水量平衡原则：ET=P0+K+M+Wt+ΔW，式中ET为作物期需水量，mm；P0为生育期有效降雨量，mm；K为生育期地下水补给量，mm；M为生育期灌溉量，mm；Wt为计划灌溉量生长期湿润层由于计划湿润层和水量的增加，基本无变化，本项不计算；ΔW为生长期初、末期计划湿润层蓄水量，生长期初、末期土壤水分按常量计算，本项不计算。膜下滴灌旱作水稻的需水特性与规律除了与气候、土壤等环境条件有关外，还与水稻品系和种植模式等因素有关，具有一定的区域限制。而在同一地区的同种类别，则主要取决于栽培方式和栽培技术。膜下滴灌水稻需水特征及规律见表5。

表5 膜下滴灌水稻的需水特性与规律

膜下滴灌水稻整个生育阶段作物需水量为608.4mm，苗期的需水量和模比系数最小，为31.1 mm和5.12%，抽穗灌浆期最大，为250.8 mm和41.22%。从需水量来看，拔节孕穗期所需需水量最大，为5.22 mm/d，其次是分蘖后期，为4.58 mm/d，苗期的需水量最少，为2.83 mm/d。就其变化规律而言，自分蘖后期开始，耗水强度快速增加，直到拔节孕穗中期达到最大，之后进入拔节孕穗后期呈逐渐减小的趋势；需水系数在全生育期中抽穗灌浆期为最大0.96，其后的拔节孕穗期、分蘖期和苗期分别为0.37、0.14和0.05，呈渐次递增的变化趋势。

2.3 不同灌溉处理的水稻作物不同生育阶段需水量

由表6可知，无膜滴灌的全阶段需水量为651.7 mm，其中抽穗灌浆期需水量最大为254.7 mm，其次为拔节孕穗期和分蘖期的240.1 mm和分蘖期118.4 mm，苗期的需水量最小为38.5 mm。全生育阶段中分蘖期的需水强度最大为5.92 mm/d，其次是拔节孕穗期和抽穗灌浆期的5.33 mm/d和4.24 mm/d，苗期最小3.5 mm/d。整体而言，较膜下滴灌高，这只要是由于生长早期没有薄膜的水汽阻隔作用，所以需水强度比较大，在拔节孕穗期和抽穗灌浆期，由于稻田基本都已经被稻杆和叶片全面覆盖，棵间蒸发将至最低，主要需水量为叶片蒸腾作用，因此生长的中后期的需水强度与膜下滴灌水稻比较接近。

表6 不同处理的各生育阶段需水量(mm)/需水强度(mm/d)

传统插秧泡田灌溉水稻的全生育期需水量为1647.1 mm，其中拔节孕穗期需水量最大为628.4 mm，其次为抽穗灌浆期和分蘖期的432.6 mm和分蘖期355.4 mm，苗期的需水量最小为230.7 mm。全生育阶段中苗期的需水强度最大为20.97 mm/d，其次是分蘖期和拔节孕穗期的17.77 mm/d和7.21 mm/d，抽穗灌浆期最小7.21 mm/d。这主要是因为在传统的水稻种植中，水稻插秧前，需要将耕层土壤浸透，以利于翻耕和插秧，并对水田进行灌溉，所以泡田定额较大，因此最大的需水强度出现在苗期，而进入生长期，由于稻株经常处理水淹状态，因此，需水强度仍然相对较高，到了抽穗灌浆期，稻田要逐渐进入晒田状态，土壤中的水分逐渐减少，因此这个时期的需水量最小。

根据膜下灌溉水稻的需水量分析，水稻生育期间的干旱时期与构成产量性状的关系极大。幼穗分化期及乳熟期干旱，对千粒重有影响，而对结实率和粒重影响的时期是出穗期＞减数分蘖期＞乳熟期＞幼穗分化期，因此增加灌水次数应着重在幼穗至乳熟期。在此期间，为了提高膜下滴灌水稻产量需适时增加灌溉次数和灌水量。

2.4 不同灌溉处理的水稻不同月份需水量

从不同月份需水量来看，膜下滴灌的需水量比无膜滴灌的需水量总体而言小。裸地与覆膜相比，需水量更高。土壤水分蒸发在没有覆膜的情况下更快，田间贮水量减少，需要补充更多的水分。但是随着生长的进行，覆膜与不覆膜滴灌水稻在不同月份的需水量差异逐渐减少。

由图2所示，6月初，随着温度上升，辐射增强，各个处理的水稻需水量均在逐步增加，需水量达到一个小高峰，此时需适量适时灌水。在7月底至8月初，外部环境温度高，相对湿度低，平均日照时间增加，水稻进入了抽穗开花期，水稻蒸腾作用剧烈，该阶段水稻需水量最为旺盛。9月中旬，由于气温和日照时数的减少，旱稻覆膜需水强度和需水量有所下降。可见，膜下滴灌旱作水稻的需水量相对集中，主要集中分布在生育中后期。在此期间维持供水，有利于稳产高产，提高作物水分利用效率。

图2 水稻不同月份的需水量变化情况

3 膜下滴灌旱作水稻作物产量与需水系数研究

水稻产量与灌溉方式以及需水量存在着密切的关系。在内蒙古东部地区，传统水稻以及膜下滴灌水稻的种植生产主要靠灌溉，因此为了提高粮食产量、节约水资源，需要对水稻产量指标和需水量进行分析。

膜下水稻最终产量与成粒率、千粒重、单位面积的有效穗数等产量构成因素有关，且高产的品种并不是孤立的依靠单一的某一因子获得高产，只有平衡产量的组成部分并相互协调，才能获得最高的产量。从表7可知，膜下滴灌的穗数为278.1万/hm2，略少于传统泡田的296.1万/hm2，而膜下滴灌的实粒为106.5个，高于传统泡田的99.4个。膜下滴灌和传统泡田的空瘪率和千粒重基本相当。通过测产可知膜下滴灌的产量6251 kg/hm2，比传统泡田的6970.5 kg/hm2，降低了8.9%。

表7 膜下滴灌水稻产量与需水系数分析

作物需水系数是一个重要的参数，通过它可以反映出水稻产量与需水量之间的关系，在进行作物需水量分析和最优方案确定时，常以作物需水系数作为衡量指标和参选条件。需水系数K=ET/W，式中：K为需水系数(m3/kg)；ET为需水量(m3/hm2)；W为产量(kg/hm2)。膜下滴灌的需水系数最低，为0.96 m3/kg，其次是无膜滴灌水稻，为1.05 m3/kg，传统插秧泡田水稻的需水系数最高，为2.36 m3/kg。膜下滴灌水稻的需水系数较传统插秧泡田减少了59.5%。

4 结果与讨论

膜下滴灌旱作水稻的需水特性和变化规律是由于旱作水稻本身的生理需水特性（内因）和气候因素、栽培方式等外界环境条件（外因）所共同决定的。在分蘖前期，植株矮小，处于营养生长阶段，此时农田水分的消耗主要是棵间蒸发，由于薄膜的作用，加上气温低蒸发弱，故而其需水量和需水强度较小。随着生长发育的不断推进，植株和叶面积逐渐增大。进入营养生长和生殖生长并进的旺盛生长期，需要吸收大量的水分和养分，而外界的蒸发能力也逐渐增强，所以其耗水量和耗水强度也会同步增大，到分蘖后期达到高峰。抽穗以后，随着下部叶片的逐渐枯萎，绿色功能叶面积的减小和外界蒸发能力下降，植株本身对水分的需求也在逐渐减少，耗水量和耗水强度又呈下降的变化趋势。

总体而言，内蒙古东部兴安盟地区膜下滴灌水稻全生育期（5月中旬到9月下旬）需水量为608.4 mm，作物系数为0.89，其生育阶段土壤含水率占饱和含水量的85%～100%时，产量最大，为6351 kg/hm2。各生育阶段的需水量和模比系数以苗期最小，为31.1 mm和5.12%，抽穗灌浆期最大，为250.8 mm和41.22%。需水强度总体而言，自分蘖后期开始快速增加，直到拔节孕穗中期达到最大，之后进入拔节孕穗后期呈逐渐减小的趋势；需水系数在全生育期中抽穗灌浆期为最大0.96，依次是拔节孕穗期、分蘖期和苗期，分别为0.37、0.14和0.05，呈渐次递增的变化趋势。