甘肃民勤地区春小麦长畦田分段灌溉与波涌灌溉技术适应性田间试验研究

黄兴法，孙旻昊，刘 博

(中国农业大学水利与土木工程学院，北京 100083)

0 引言

畦灌在我国农业灌溉中应用十分广泛，适宜于小麦等密植作物，具有操作简单、工程投资少、管理方便等优点。但是，畦灌灌水量不易控制，水分利用效率较低，易导致不必要的水资源浪费。而目前我国采用畦灌的许多地区还不具备全面转换为滴灌、喷灌等高效节水灌溉方式的条件，因此在畦灌基础上，进一步研究可以相对节省水资源的技术措施具有十分重要的意义。畦灌的主要技术参数包括畦田规格、改口成数、单宽流量等，不少学者已经进行过详细地研究。

我国小畦灌技术居世界领先，取得了很好的节水效果。而对长畦灌方面的灌水均匀度和节水效果还有待提高。李益农等[1]提出畦田越长，水平畦灌系统的性能越会下降，并且田块的平整状况也会限制畦田的长度，平整度较差时应用短畦，而平整度较好时畦长甚至可以达到100 m。李久生等[2]研究了砂土条件下不同畦田宽度的灌水效率，发现宽度为1 m时灌水效率最低，2和3 m时灌水效率提高，当畦田宽度增加到4 m时灌水效率又下降，这说明宽度的取值不宜过小或过大。冀传允等[3]和王洋等[4]研究了不同改口成数对畦灌水分分布和小麦生长的影响，指出改口成数越高水分分布越均匀，综合考量85%～90%改口成数最为适宜。李益农等[1]指出加大入畦单宽流量可以取得更好的灌水质量，但需注意过大入畦单宽流量会对畦田土壤产生冲刷。王福霞等[5]通过田间试验得出了适宜的覆膜畦灌技术参数。赵印英等[6]利用地面灌溉水流运动模拟及地面灌水技术优化模型，对畦田长度和单宽流量等参数进行了优化。郑和祥等[7]优化畦田规格的同时也比较了相应的单宽流量，较大的畦田规格其单宽流量也要相应提高。聂卫波等[8]将多种畦灌灌水技术要素组合在一起进行优化比较，发现入畦单宽流量和改口成数对畦灌灌水效率、灌水均匀度、储水效率的影响较大，而对畦长、坡度的影响较小。毕庆生等[9]通过试验研究，提出了畦田灌溉随水施肥的节水节肥和水肥一体化质量控制的适宜参数。

对于长畦田(畦长超过100 m)，波涌灌溉是解决其灌水均匀性低、深层渗漏大等问题较好的措施。波涌灌溉是指将水流按一定的时间或流程周期，分阶段对农田进行灌溉。在畦灌下使用波涌灌能达到节水、保肥、减时、省力、增加灌水均匀度和投资费用小等效果。辛琪等[10]对3种不同波涌灌溉处理对水流推进速度、灌水均匀度、水分利用效率及小麦产量的影响进行了田间试验研究，结果表明间隔交替波涌灌溉可显著提高水分利用效率。傅渝亮等[11]利用Green-Ampt和Philip入渗模型，建立了波涌灌间歇入渗分区模型。张元元等[12]研究了普通连续畦灌、波涌畦灌、交替间隔波涌畦灌和固定间隔波涌畦灌4种不同畦灌方式下的冬小麦茎秆抗倒伏能力(包括冬小麦重心高度、鲜质量、茎秆抗折力、弯曲弹性模量和抗倒伏指数等)。波涌灌溉对于我国西北、华北、东北等壤土分布范围极广的旱作区均可适用，但目前在我国推广应用面积并不乐观。

民勤位于我国西北河西走廊，临近腾格里沙漠，属于石羊河流域下游，降水稀少、蒸发量大。农业为当地主产业，水资源的匮乏已经严重制约当地经济的发展，在民勤地区发展节水灌溉，对该地区的节水事业、未来的发展有着极其重要的现实意义。而目前，民勤地区春小麦灌溉以畦灌等地面灌溉为主，对其技术参数的研究较少，还有进一步优化的空间。本文通过大田试验，对春小麦长畦田采取波涌灌溉和分段灌溉方式，总结其在西北干旱地区的适应性，归纳出适宜民勤地区春小麦种植的长畦田波涌灌和分段灌溉具体的技术参数。

1 试验材料和方法

1.1 试验地情况介绍

2019年3—7月在甘肃省武威市民勤县重兴乡新地村荣腾农场进行春小麦波涌灌溉技术参数优化的田间试验。试验地农场位于北纬38°37′，东经102°49′，处于腾格里沙漠与绿洲的交界地区，属于温带大陆性气候，气候干燥，降水量少，多年平均降水量110 mm，多年平均蒸发量2 644 mm；极端最高气温39.5 ℃，极端最低气温-27.3 ℃，平均气温7.8 ℃，昼夜温差大，超过15 ℃；光资源丰富，年日照时数3 028 h；无霜期150 d，最大冻土深度1.15 m，最大地下水埋深18.0～25.0 m。

试验田0～60 cm土层土壤基础有效养分含量如表1所示。试验田0～100 cm土层土壤质地等理化性质如表2所示。

表1 试验田土壤基础养分含量

表2 试验田土壤理化性质

1.2 试验设计

试验种植的小麦品种为“永良4号”和“垄春30号”，用播种机进行机械化播种，小麦种植行距15 cm，播种量450 kg/hm2。

灌溉采用畦灌方式。试验共设置2个小麦品种(“永良4号”“垄春30号”)和2种灌水方式(分段灌溉即“小白龙”灌水、波涌灌溉)，其中“小白龙”灌水方式是采用白色塑料软管(管径90 mm)进行的田间地面灌水。畦灌试验共计4种处理，每个处理小区长120 m，宽2.8 m，种植16行小麦，于小麦播种前对试验区域进行激光平地，试验地块的设计纵坡为0，入畦单宽流量为4 L/(m·s)。畦灌试验设置如表3所示。每个处理设置3个重复小区，每个小区间设置2 m宽的隔离带。

表3 畦灌小麦试验处理设置

1.3 灌溉和施肥制度

1.3.1灌溉制度

根据调研了解到，当地春小麦一般灌水5次，每次灌水量在900～1 200 m3/hm2，总灌溉定额在4 500～6 000 m3/hm2，基本上10～15 d灌水一次。

本试验灌水频率设置为10 d，于2019年5月6日进行第1次灌水，生育期净灌水定额按田间持水量上下限控制，净灌水定额按式(1)计算。

m=0.1γh(β2-β1)

(1)

式中m——灌水定额，mm

γ——计划湿润层内土壤干容重，g/cm3

H——计划湿润层深度，cm

β1——允许土壤含水率下限， %

β2——允许土壤含水率上限， %

在本次试验中，土壤干容重取当地0～60 cm土层的平均值1.5 g/cm3，计划湿润层深度取60 cm，灌水上下限分别取田间持水量的100%和65%，田间持水量取0～60cm土层的平均值20%，计算得到净灌水定额为63 mm。根据往年畦灌试验经验，63 mm的理论灌水数值过小，在灌水过程中水流无法行进到畦尾。往年畦灌试验畦田长度不超过70 m，灌水定额在80 mm左右(即地面灌水效率约80%)，考虑到本试验中畦田长度延长到120 m，地面灌水效率降低到75%左右，所以将灌水量提高到85 mm。全生育期共灌水6次，灌溉定额510 mm。

由于畦灌试验小区长度较长，将整个小区分为3段，灌水也分3次进行，3次灌水的灌水量相等，用支管上的水表来监测灌水量，具体情况如图1所示。其中，图中的数字(1、2、3)表示灌水顺序，1号为最先灌溉的区域，2号、3号依次排列。

图1 长畦田波涌灌溉和分段灌溉(“小白龙”灌水)方式示意

波涌灌是2个处理小区交替进行，当一个小区的1号区域灌溉完毕后，打开相邻小区的控制阀门，灌溉相邻小区的1号区域；灌完后再返回原小区灌溉2号区域，以此类推。以一次灌水工程举例，有两个相邻的灌水小区A3和A4，先灌溉A3的1号区域，灌水定额85 mm(根据地块尺寸，即灌水9.52 m3)，灌完后，关闭A3小区灌水阀门，再灌A4的1号区域，灌水定额相同；灌完后，关闭A4小区灌水阀门，再灌溉A3的2号区域，灌水定额相同；……，直到灌水小区A3和A4全部灌水完毕。

分段灌溉即“小白龙”灌水则从畦尾的1号区域开始灌水，灌水定额与波涌灌处理的相同；灌完后将软管接头处拆开，移去前一段灌水软管，开始对2号区域灌水，灌水定额相同；灌完后再移去最后一段软管，开始对3号区域灌水，灌水定额相同。因此，“小白龙”灌水是把一条畦从头到尾一次性灌完，不需要两个小区交替。以图中的实际灌水过程为例，先从“小白龙”软管的最远端向1号区域灌水9.52 m3后，打开2号和3号区域中间的软管接头，移去前一段软管，向2号区域灌水9.52 m3；最后再打开畦首的软管接头，向3号区域灌水9.52 m3。整条畦的灌水结束。

1.3.2施肥制度

小麦全生育期内施入280 kg/hm2的N、150 kg/hm2的P2O5、120 kg/hm2的K2O，施加尿素(N>46%)481 kg/hm2、磷酸二铵(N>18%、P2O5>46%)326 kg/hm2和硫酸钾(K2O>51%)235.4 kg/hm2。其中，磷肥和钾肥作为底肥一次性全部施入；50%的氮肥作为底肥施入，余下的50%分别在二水、三水和四水时按15%、25%和10%的比例施入。

1.4 观测指标及方法

在每次灌水、施肥前24 h、灌水后48 h及收获前取土样并装自封袋。取样位置自畦尾开始每隔20 m取一点采集，共6个测点，每个测点取样深度为1 m，分0～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm共5层。

(1)采用烘干法测量土壤含水率。

(2)采用水量平衡法计算畦灌春小麦耗水量，利用相临两次灌水活动测量的灌前土壤含水率和灌后土壤含水率计算该时段内的耗水量。

(3)作物生长指标的测定，包括茎数、株高、叶面积指数和干物质。从春小麦出苗后开始记录每个观测点内的春小麦茎数，每个生育期测量1次。在每个试验小区随机选择3个观测点(15 cm×50 cm)进行测量。在春小麦进入拔节期、抽穗期、灌浆期、乳熟期的主要生育阶段，每个试验小区取10株小麦，测量株高、叶面积和植株(叶、茎、穗)干物质等生长指标。

(4)产量及其构成因素的测定。在春小麦成熟后，每个试验小区前后选取3个规格为1 m×1 m的正方形样方，测量记录单位面积内的小麦总穗数，将样方内所有春小麦进行脱粒称质量，并测量麦粒含水率，然后将每个样方的质量统一为含水率为13%时的质量，视为小麦产量；测量每个样方内的小麦千粒质量；在小区前后两个部分分别随机选择5株小麦进行考种，测量春小麦的产量构成因素，包括穗长、小穗数、穗粒数、小穗密度和穗密度。

2 结果分析与讨论

2.1 有效降雨量

用雨量筒测量小麦全生育期试验区的降水情况，本次试验年份共记录到有效降雨8次，春小麦全生育期有效降雨量如表4所示，累计降雨量为62.7 mm。

表4 小麦生育期有效降雨量

春小麦畦灌全生育期灌水施肥制度如表5所示。

表5 畦灌灌水施肥制度

2.2 畦灌灌水均匀度

灌水均匀度可以直观地反映灌水效果，可按照式(2)进行计算。

式中CUw——灌水均匀度

Zi——灌后各测点水分入渗深度，mm

n——测点数

根据灌水后入渗深度测定值计算出的灌水均匀度如表6所示。

表6 畦灌各处理灌水均匀度

从表6中可以看出，C1、C2处理的灌水均匀度要稍大于C3、C4处理，这说明“小白龙”灌水方式的灌水均匀度要稍优于波涌灌。

2.3 畦灌春小麦耗水规律

畦灌春小麦日均耗水量、累计耗水量如图2所示。可以看出，畦灌春小麦各处理耗水规律基本相同，随着春小麦的生长，日均耗水量呈现出先增大后减小的规律。苗期作物耗水量较低，随着作物的生长，在拔节期末抽穗期初日均耗水量达到顶峰，最大值为8.94 mm/d，直到灌浆期，畦灌春小麦耗水量一直维持在一个很高的水平，到了灌浆期末，小麦生长基本结束，耗水量开始逐渐降低，直至成熟，最终日均耗水量为4.72～5.67 mm/d。

图2 畦灌春小麦耗水量变化

累计耗水量各处理基本相同，C1～C4处理总耗水量分别为592.51、595.06、576.16和580.79 mm，表明C1、C2处理和C3、C4处理存在一定差距，主要是最后的乳熟期至成熟这段时间耗水量差异所致。

2.4 畦灌春小麦生长指标

2.4.1株高

畦灌春小麦各处理株高变化如图3所示。从图3中可以看出，畦灌春小麦株高的增长速度在拔节期最快，到了抽穗期增长速度减慢，春小麦株高基本固定。拔节期C3、C4处理株高较C1、C2处理高，说明采用波涌灌可以使春小麦生育期前期长得更高。两种小麦品种进行比较，C1、C3处理与C2、C4处理株高无明显差距，说明在地面灌溉下“垄春30号”和“永良4号”无显著差距。畦灌最终春小麦株高在67.79～72.81 cm。

图3 畦灌春小麦各处理株高变化

2.4.2群体动态与叶面积指数

畦灌春小麦群体动态变化如表7所示。从表7中可以看出，畦灌春小麦群体动态变化呈现先增加后减少的规律，拔节期总茎数最大，之后无效分蘖逐渐死亡，群体数量开始减少。畦灌春小麦最终成穗数在733.28万～799.89万株/hm2，最终成穗数大于基本苗数。畦灌第1次灌水时间为5月7日，说明第1次记录数据没有受到灌水处理影响，C1和C2处理的总茎数较低。比较最后一次数据可以发现，C2、C3和C4处理总茎数数据相近，C1处理明显较少。

表7 畦灌春小麦群体动态变化

畦灌春小麦叶面积指数变化规律如图4所示。可以看出，畦灌春小麦叶面积指数呈现先增大后减小的规律，抽穗期达到最大值，各处理最大值为4.97，之后逐渐降低，最终叶面积指数为2.74～2.97。

图4 畦灌春小麦叶面积指数变化

2.5 畦灌春小麦产量构成因素

从各小区前后部分各随机取5株小麦，共计10株小麦，进行考种，结果如表8所示。从表8中可以看出，畦灌春小麦产量构成因素各数值中，“垄春30号”小麦在穗长、小穗数、穗粒数上显著优于“永良4号”，小穗密度上两者无明显差距。比较两种灌水方式，“小白龙”灌水处理稍优于波涌灌处理，但是其差异没有品种间的差异大。

2.6 畦灌春小麦产量及水分利用效率

畦灌春小麦产量、理论产量和水分利用效率如表9所示。从表9中可以看出，畦灌春小麦最终产量C3处理最优，为波涌灌和“垄春30号”小麦的组合，比较C1处理和C3处理发现，C3处理各数据均优于C1处理，所以认为“垄春30号”更适合波涌灌灌水方式。而C2处理和C4处理无明显差距，“小白龙”灌水方式下C2处理的产量、穗数等数据稍优。比较两个小麦品种，C2、C3和C4处理最终产量差距不大，C3处理稍高，所以认为品种对畦灌春小麦的影响不大。考虑到波涌灌实际灌水过程中操作简单，并且前期投资更少，认为波涌灌比较适合民勤地区，具有较大的推广应用前景。

3 结论

(1)田间水分均匀性：“小白龙”灌水的平均灌水均匀度为0.78，波涌灌的平均灌水均匀度为0.74。

(2)春小麦耗水规律：畦灌春小麦各处理耗水规律基本相同，日均耗水量呈现出先增大后减小的规律。在拔节期末抽穗期初日均耗水量达到顶峰，最大值为8.94 mm/d，灌浆期后耗水量开始逐渐降低，最终日均耗水量为4.72～5.67 mm/d。

(3)产量及水分利用效率：“垄春30号”小麦在穗长、小穗数、穗粒数上显著优于“永良4号”，灌水方式对产量构成因素的影响不大。最终产量和水分利用效率C3处理最高，分别为9 392.7 kg/hm2和1.63 kg/m3。各处理的千粒质量、最终成穗数无明显差异。

考虑到波涌灌实际操作简单，前期投入更少，认为波涌灌比较适合作为民勤地区长畦田的灌水方式。