河西内陆区作物耗水与降水耦合及水效益分析

吴 婕，邓建伟，丁 林

(甘肃省水利科学研究院，甘肃 兰州 730000)

近60a来，随着河西内陆区深入开发，经济社会用水逐年增长，致使下游生态水量锐减，出现了草场退化、湿地湖泊萎缩消失、地下水位下降、土地荒漠化及盐渍化等生态环境问题[1- 3]，其中下游敦煌月牙泉和疏勒河尾闾的西湖国家自然保护区生态问题尤为突出[4- 6]。目前，疏勒河灌区灌溉面积达5×104hm2，农业用水占总用水量达91.9%[7]，现状节水灌溉率仅为32.41%[6]，说明该地区农业灌溉用水相对粗放，存在漫灌等落后的灌水模式。对河西内陆区来说，水资源短缺不仅是制约该地区经济发展的瓶颈，也限制了农业生产可持续发展。因此，通过分析作物生育期耗水规律以及作物耗水与降水关系，确定作物不同生育期所需水量和灌溉时间，提高水分利用效率对该地区尤为重要。目前，通过对旱作作物耗水特性，以及制定灌溉制度、水分利用等方面研究很多。田旭浪[8]等研究了春小麦在覆土深度5cm浅埋滴灌条件下的耗水规律，发现覆土浅埋滴灌水分利用效率明显比地表滴灌高。王世杰[9]等通过调亏灌溉对膜下滴灌辣椒的生长指标、耗水特性影响等研究，得出苗期中度水分调亏利于增产和提高水分效率。胡建强[10]等通过在阿勒泰多砾石砂土地区进行膜下滴灌玉米耗水研究，提出了52.5mm的灌水定额适宜该地区的节水灌溉。侯慧芝[11]等人研究了甘肃中部全膜覆土穴播栽培技术对小麦产量及水分效率影响。黄涛[12]等人在石羊河流域进行5种节水栽培措施实验研究，得出全膜垄作沟灌的耗水量最少，水分利用率最高，和常规的条膜平作相比节水32.5%，水分利用率提高32.5%。丁林[13]等选取向日葵等3种作物选用垄作沟播喷灌技术，分析适宜灌溉制度等指标。徐宝山[14]等通过对玉米进行地埋式滴灌、膜下滴灌、覆膜沟灌和大田畦灌4种不同灌水方式试验，发现地埋式滴灌耗水量最小，其次是膜下滴灌，大田畦灌最大，但水生产效益和水经济效益表现的规律相反。丁运韬[15]等设置5个滴灌下限，研究了夹砂层土壤对玉米生长的影响。吴婕[16]从膜下滴灌辣椒生长指标、品质、耗水特性等方面研究，提出了适宜疏勒河灌区膜下滴灌辣椒灌溉制度。总之，关于作物耗水规律、水分利用效率等方面研究相对较多，但是针对主要作物耗水与降水耦合关系研究鲜有报道，有学者[17- 18]分别对玉米、谷子、春小麦和马铃薯进行了作物需水与降水耦合分析研究，缺乏关于向日葵、辣椒的研究，尤其是河西内陆区此类研究较少。本文选择种植面积大的辣椒、向日葵、玉米，通过3种作物膜下滴灌耗水规律和水分利用效率试验研究，对其耗水规律与降水的耦合程度进行定量分析，并比较分析不同灌水方式对水分利用效率及水经济效益增长幅度，以期为旱区作物高产和提高水生产效益提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本试验在玉门市新城区黄闸湾乡梁子沟村开展，该区年平均气温7.3℃，年降水量不足70mm，年平均蒸发量却是年降水量的近50倍，是典型大陆性荒漠气候。试验地为中壤土质，田间持水量为22.8%，土壤容重为1.46g/cm3。

1.2 试验布置与试验设计

试验选取向日葵、辣椒、玉米3种种植面积较大的作物，且采用膜下滴灌和覆膜管灌(即对照CK)灌溉方式做对比，小区面积60m2。向日葵、辣椒、玉米分别为玉门禾都谷丰农业科技“HD601”、武威市绿洲种业公司“大板椒”、敦煌种业公司生产的“敦玉13”，3种作物均于4月中下旬播种，向日葵、辣椒播后均灌安种水，向日葵自6月中旬开始膜下滴灌灌水6次，CK1灌水3次；辣椒自6月上旬开始膜下滴灌灌水8次，CK2灌水5次。玉米自5月下旬开始灌第一水，膜下滴灌全生育期总计灌水10次，CK3灌水6次。具体灌溉试验方案见表1。

表1 疏勒河灌区主要作物灌溉试验设计方案

1.3 测定指标与方法

土壤含水量通过TDR水分测定仪于播前、收获后及每次灌水前后测定，并在作物生育期转变阶段及降雨后加测。作物成熟后，辣椒按每个小区采摘、称重，向日葵、玉米每个小区随机选取长势均匀的9株植株进行考种，并计算经济产量。计算种植效益时，要计入种子、农药、化肥、地膜、机械、滴灌带、水费等相关投入费用。

有效降水量采用美国环保部1992年推荐的公式计算[19- 20]，公式如下：

(1)

式中，Pe—有效降水量，mm；P—降水量，mm。

作物不同生育期需水与降水的耦合度计算方法为：

(2)

式中，λ—作物不同生育期需水与降水的耦合度，其取值范围为0～1.0，λ逾趋近于1，说明降水满足作物需水程度越高，反之越低；ETc—作物相应生育期的需水量，mm。

2 试验结果与分析

2.1 降水量分析

2017年共降水22次，总降水量70.5mm，多年平均降水量69.2mm，距平百分率为1.9%，介于判断正常降水判定标准-20%与20%之间，判定为降水正常年[21]。2017年全年降水主要集中在4—7月，占全年总降水量的96.6%。如图1所示，日降雨量超过6mm的降雨只有4次，除7月20日的1次大雨(日降水量19.5mm)外，其它3次均不到10mm。疏勒河灌区位于河西内陆区，属于荒漠气候，年降水量较少，且每次降水量大多不足6mm，在其还未渗入作物根系就已蒸发，对作物生长几乎没有作用，属于无效降水，可见灌溉对疏勒河灌区农业至关重要。

图1 试验期间气温及降水变化情况

2.2 不同作物的耗水规律

2.2.1向日葵耗水规律分析

向日葵整个生育期仅有4次有效降雨，主要集中在苗期、现蕾期、开花期。如图2所示，膜下滴灌和对照灌溉耗水规律基本相似，只是在耗水量大小上有所不同，其表现为灌水量越大耗水量越大。与CK1相比，膜下滴灌处理整个生育期平均耗水量比CK1低218.8mm，其中灌水量最小的SDG1较CK1小271.5mm，呈显著性差异；向日葵耗水量最大峰值出现在开花期，开花期耗水量82.5～166.6mm，耗水模数均在28%以上，这一阶段向日葵生长最旺盛，叶面积达到最大，制造较多的光合产物，干物质快速地向花盘转移，生理需水急剧增加；向日葵不同处理日耗水量均表现为先增长后减弱的变化趋势，开花期日耗水量最大，其中开花期耗水强度最大的CK1为5.9mm·d-1，膜下滴灌各处理开花期耗水强度3.0～4.4mm·d-1，CK1与膜下滴灌各处理耗水强度呈显著性差异；向日葵现蕾期至灌浆期这3个生育期的耗水模数均达20%以上，占总耗水量比例达75%以上，且耗水强度大于全生育期平均耗水强度，因此影响向日葵生长各指标的是现蕾期、开花期、灌浆期这3个关键期。

图2 不同灌水方式对向日葵生育阶段性耗水的影响

2.2.2辣椒耗水规律分析

辣椒整个生育期仅有4次有效降雨，主要集中在苗期、开花期、坐果期。如图3所示，膜下滴灌和对照灌溉耗水规律基本相似，只是在耗水量大小上有所不同，其表现为灌水量越大耗水量越大。与CK2相比，膜下滴灌处理整个生育期平均耗水量比CK2低150.0mm，其中灌水量最小的LDG1较CK2小193.3mm，呈显著性差异；辣椒耗水量最大峰值出现在开花期，这一阶段辣椒快速增长、叶片数增加，生理需水急剧增加，开花期耗水量111.1～156.6mm，耗水模数均在25%以上；辣椒不同处理日耗水量均表现为先增长后减弱的变化趋势，坐果期日耗水量最大，其中坐果期CK2耗水强度为6.7mm·d-1、膜下滴灌各处理耗水强度3.9～5.3mm·d-1，CK2与膜下滴灌各处理耗水强度呈显著性差异；辣椒开花期至膨大期耗水模数达65%以上，是影响辣椒生长各指标的3个关键期。

图3 不同灌水方式对辣椒阶段性耗水的影响

2.2.3玉米耗水规律分析

玉米整个生育期仅有4次有效降雨，主要集中在苗期、拔节期、大口期、抽穗期。如图4所示，膜下滴灌和对照灌溉耗水规律基本相似，只是在耗水量大小上有所不同，其表现为灌水量越大耗水量越大。与CK3相比，膜下滴灌处理整个生育期平均耗水量比CK3低407.2mm，其中灌水量最小的YDG1较CK3小440.7mm，呈显著性差异；玉米最大峰值出现在灌浆期，此时作物蒸腾蒸发作用强烈，是淀粉、蛋白质等储存于籽粒的生殖生长阶段，灌浆期耗水量59.3～127.7mm，耗水量和耗水模数达到了最大；玉米日耗水量均呈现先增长后减弱的变化趋势，灌浆期耗水量和日耗水量也最大，其中灌浆期CK3耗水强度为7.1mm·d-1、膜下滴灌各处理耗水强度3.3～3.9mm·d-1，CK3与膜下滴灌各处理耗水强度呈显著性差异；拔节期至灌浆期这4个生育期的耗水模数均在15%左右，占总耗水量比例达65%以上，因此影响玉米生长各指标的是拔节期、大口期、抽穗期、灌浆期这4个关键期。

图4 不同灌水方式对玉米阶段性耗水的影响

2.3 生育期作物耗水与降水耦合分析

以向日葵、辣椒、玉米3种作物的第二处理为例，不同生育期耗水与降水的耦合度变化如图5所示。图中显示，3种作物耗水与降水耦合度基本都随着生育进程逐渐降低，但辣椒在坐果期耦合度最高，玉米在抽穗期耦合度比大口期略有提高，随后又逐渐降低。其中向日葵仅苗期耗水与降水的耦合度为0.13大于0.1，其余生育期均低于0.1；辣椒耗水与降水的耦合均低于0.1，但辣椒在坐果期耦合度略有提高；玉米在苗期和抽穗期耗水与降水的耦合分别为0.15、0.11，其余生育期均低于0.1。

图5 向日葵、辣椒和玉米耗水量与降水不同生育期耦合度动态变化

向日葵、辣椒、玉米膜下滴灌第二处理全生育期耗水量分别为336.55、439.29、354.30mm，其中辣椒6月开花期(121.11mm)、向日葵7月开花期(96.23mm)、玉米8月灌浆期(65.64mm)是3种作物耗水最大时期，但6、7、8月降雨分别为13.7、32.7、1.0mm，向日葵、辣椒、玉米最大耗水期与降水的耦合度分别为0.08、0.05、0.00，远远小于1.0，可见干旱农业区降水量无法满足向日葵、辣椒、玉米的需水量。

此外，对3种作物耦合度和不同生育期采用3次多项式进行拟合，向日葵、玉米判定系数在0.80以上，辣椒判定系数为0.70。在3种作物不同生育期内的耦合度λ均远远小于1，表明作物仅靠降雨远远不能满足需水量，须通过农业灌溉给补充作物生长水分。

2.4 不同作物产量、水分利用效率及经济效益

通过对向日葵、辣椒、玉米的产量、水分利用效率及经济效率分析，来揭示不同灌溉方式对种植效益的影响。从表2结果显示，向日葵、辣椒、玉米不同灌溉处理之间的水分利用效率和水经济效益差距较为显著。其中，向日葵SDG2、SDG3较对照CK1增产8.98%、5.17%，SDG1较对照减产17.04%，膜下滴灌处理较对照均有节水效益，其节水率均在30%以上；产量最高的SDG2净效益最高22749.0元/hm2，投产比2.25，相比灌水量最多的对照CK1水分利用效率、水分经济效益提高79.74%，呈显著差异。

表2 主要作物产量、水分利用效率及经济效率

辣椒LDG1、LDG2、LDG3较对照CK2增产5.62%、14.33%、9.83%，膜下滴灌处理较对照均有节水效益，其节水率均在25%以上；产量最高的LDG2净效益最高22431.0元/hm2，投产比2.15，相比灌水量最多的对照CK2水分利用效率、水分经济效益提高了74.40%，呈显著差异。

玉米YDG2、YDG3较对照CK3增产12.24%、8.78%，YDG1较对照减产3.23%，膜下滴灌处理较对照均有节水效益，其节水率均在45%以上；产量最高的YDG2净效益最高10670.0元/hm2，投产比1.79，相比灌水量最多的对照CK3水分利用效率、水分经济效益提高了152.54%，呈显著性差异。

从上看出，3种作物的膜下滴灌相比对照在提高水分利用效率和水经济效益等方面具有明显优势，其中辣椒膜下滴灌平均水分利用效率最高，其次是玉米，向日葵最小；虽3种作物膜下滴灌水分利用效率之间具有差别明显，但由于作物市场单价差异较大，最后导致这3种作物的水经济效益差异不显著。说明在疏勒河灌区大力推广膜下滴灌有利于水分利用效率和水经济效益。

3 结论

河西内陆区干旱少雨，降水不能满足作物生长和消耗的水分，为了该地区农业生产可持续发展，发展节水农业是解决河西内陆区水资源短缺的首要途径。水分是限制旱作农业发展的主要因素，因此研究产量与WUE能协同提高，即以较少水分实现尽可能多的产量，对保证粮食安全和节约水源具有战略意义[22]。本文通过对主要作物耗水规律与降水的耦合程度进行定量分析，并比较分析不同灌水方式的水分利用效率及水经济效益增长幅度，以期为旱区作物高产和提高水生产效益提供理论依据。为了具有更强的指导性作用，建议开展长系列的试验研究，进一步完善和深入探讨。