不同渗漏强度下两种水稻节水灌溉控制指标对比研究

周姣艳 ，马创业

（1.昆山市水务水文调度中心，江苏 苏州 215300；2.昆山水务工程建设管理处，江苏 苏州 215300）

0 引言

在我国，水稻常年种植面积高达3 000万hm2，约占全国耕地面积的三分之一，约占全球水稻种植面积的五分之一[1]。截至2019 年年底，我国农田灌溉水有效利用系数为0.559，与发达国家相比仍具有较大差距[2]，因此推行稻田节水灌溉制度对我国农业节水具有重要意义。

目前，已推行的水稻节水灌溉技术有间歇灌溉、浅湿灌溉、控制灌溉、薄露灌溉等[3-5]，主要特点是使水稻在某些生育期内保持田面无水层或使稻田土壤处于非饱和状态。在节水灌溉制度的制定与实施过程中，灌水时间与灌水量主要由灌水下限决定，而灌水下限主要通过土壤水分传感器等仪器进行监测。但仪器测量结果的精确程度易受各种因素的影响，徐爱珍等[6]的研究结果表明，TDR法测定土壤含水率的绝对偏差和相对偏差随着土壤含水量的增大而减小，土壤含水量在半湿润条件下偏差最大；孙蕾等[7]也发现中子法只能测出较深土层中的水，而不能用于土表的薄层土。仪器不仅存在监测精度低的问题，其购买成本和维护费用也很高，这使其难以在水稻种植区内推广应用。为使农民能更简便快速地掌握水稻的水分亏缺状况，有研究采用足迹深度、稻田裂缝程度等土壤描述性指标[8]，以此解决设备成本过高、监测精度低等问题，但上述指标主要依靠农民的经验判断，其精确性无法保证，用其指导水稻灌溉尚存在明显缺陷。

为解决上述问题，少量研究已经开始关注以地下水埋深指导灌溉，徐俊增等[9]采用Hydrus-1D 模型模拟结果得出，以地下水埋深为指标的控制下限来指导灌溉，可以准确反映田间水分状况，但实际种植效果尚不明确。本文采用盆栽实验，设置不同渗漏情况下的土壤环境，以此探究水稻生长发育情况以地下水埋深为指标与以土壤含水率为指标指导灌溉的差异性。

1 材料与方法

1.1 试验概况

试验在黑龙江省庆安县和平镇水稻灌溉试验中心（125°44'E、45°63'N）内进行，试验区地处寒温带大陆性气候区，年降雨集中在7—9 月，多年平均降雨为579 mm。当地水稻生长期一般为5 月中旬至10 月初，试验地土壤类型为寒地黑土。

1.2 试验设计

试验采用直径50 cm、高60 cm 的圆柱形桶进行盆栽试验。桶内装土深度为50 cm，根据田间容重按5 cm 一层回填、夯实。桶底设置厚度为5 cm 的细沙滤层，内设透水管，透水管通过筒壁连接一控制阀门，通过阀门开度控制渗漏强度，即在观测期内每2 h 打开阀门排出定量的水，水量由渗漏强度换算成每2 h 的排水质量，借助天平称重实现排水量的精确测量。

试验通过控制圆桶底部的阀门开度设置3 种渗漏强度，即1 mm/d、2 mm/d、3 mm/d，分别用D1、D2、D3 表示，每种渗漏强度下均设置以土壤含水率为指标（W1）和以地下水埋深为指标（W2）的控制灌溉模式来指导灌溉，各生育期控制指标如表1 所示。试验共设置6个处理，每个处理设3次重复。

表1 不同耗水强度下水稻控制灌溉不同生育期土壤含水率和地下水埋深控制指标

试验水稻品种为龙庆稻9 号，种植密度为30 cm×15 cm，田间管理按当地水稻种植习惯进行管理。全生育期总施氮量为110 kg/hm2，按照基肥∶蘖肥∶穗肥=5∶3∶2 的比例施用；P2O5施45 kg/hm2，作基肥一次施用；K2O 按80 kg/hm2分别在基肥和幼穗分化期以1∶1 的比例施用两次。5 月19 日移栽，9 月22日收割。

1.3 项目测定与方法

1.3.1 灌水量

在试验期内，每个圆柱形桶单独灌溉，在达到土壤表层有薄水层且排水管内水位与圆柱形桶内水位齐平时停止灌溉，采用量杯灌水，记录灌水总量。若在观测期内遇降雨且雨后桶内水层高度超过3 cm，记录初始水层高度，土表排水至水层高度为3 cm。降雨量由气象站直接给出，利用水量平衡计算方法，减去土表排水量，即为灌溉量。若在降雨后土表无水层，降雨量即为灌溉量。

1.3.2 土壤含水量

采用TDR 测量，烘干法校核。烘干法测土壤含水量时，在试验观测周期内，土壤样品每日8：00 用土钻取土；在观测周期外的过渡期，每2 d 取一次土样。取样深度为40 cm，截取0~5 cm、5 cm~10 cm、10 cm~15 cm、15 cm~20 cm、20 cm~25 cm、25 cm~30 cm、30 cm~35 cm、35 cm~40 cm 共8 段，每段样本取出后均用密封袋包装，带回实验室。烘干温度为105℃，烘干时间为8 h，烘干前后土壤重量用高精度电子天平称得。取土后需要及时填土，填土质量必须与取土质量相等。

1.3.3 地下水埋深

地下水埋深观测利用安装在桶内的水位计自动监测，定期读取数据并保存。

1.3.4 水稻生长指标

在水稻生长期内，每隔5 d 观测一次植株株高、分蘖数，在分蘖期需加大分蘖数观测频率，可每隔2 d 观测一次分蘖数。叶面积每隔10 d 观测一次，采用长宽系数法测定盆栽内所有植株，测量叶片的长与宽。在收割前考察有效穗数、每穗粒数、实粒数、千粒重，各处理单打单收，晒干扬净后，测定实际产量，确定灌溉水分利用率。

2 结果分析

2.1 水稻分蘖数与株高变化规律

水稻全生育期分蘖数与株高变化规律如图1 所示，从图1（a）中可以看出，所有处理下水稻分蘖的变化规律基本一致，均呈现出随生育期的推进先增大后逐渐减小的变化规律。相同渗漏强度下，在分蘖中后期前所有处理增长速率均一致，W2 处理下的分蘖数略高于W1 处理。分蘖中后期，所有处理的分蘖速率均加快，W2 处理下的分蘖速率均明显高于W1 处理，分蘖数均达到峰值，两种灌溉指标下分蘖数达到峰值的时间基本一致，但W2 处理下的分蘖数峰值与W1 处理相比显著增加，二者峰值在不同的渗漏强度处理D1、D2、D3 下的差异分别为16.48%、15.65%、16.67%。拔节孕穗期水稻分蘖进入消退期，分蘖数逐渐减少直至趋于稳定，但相同渗漏强度下，W2 处理的最终分蘖数均大于W1处理。

图1 不同水分处理下的水稻全生育期分蘖数与株高变化规律

两种灌溉指标在不同渗漏强度下的水稻株高变化并无明显差异，如图1（b）所示。分蘖期—拔节孕穗期时，各处理生育前期株高增长迅速。进入抽穗开花期后，株高增长速率变缓直至趋于平稳，此时，相同渗漏强度下，W2 处理下的水稻株高均略高于W1处理。

2.2 叶面积指数变化规律

所有处理中水稻的LAI 变化规律同茎蘖动态规律相似，如图2 所示。分蘖前期LAI 较低，进入分蘖中后期，随着茎蘖的增加和叶片的生长，LAI 快速增大，在拔节孕穗后期—抽穗开花期达到全生育期的最大值。在渗漏强度相同的情况下，W2 处理下水稻LAI 峰值均高于W1 处理，两者峰值在不同的渗漏强度处理D1、D2、D3 下差异分别为8.91%、19.67%、17.91%。此后因无效茎蘖消亡、叶片衰败等原因，LAI 逐渐降低，W2 处理的最终LAI 仍高于相同状态下的W1 处理。最大叶面积指数和最终叶面积指数在两种灌溉指标处理下的对比显示，D1 处理的以地下水埋深为指标的控制灌溉下过大的最大叶面积指数也伴随着较大的后期叶面积消亡，D2 处理和D3 处理下的两种灌溉指标的叶面积消亡基本一致。

图2 不同水分处理下的水稻全生育期LAI变化规律

2.3 水稻干物质累积

不同处理下水稻生育期的干物质累积量如图3 所示，由图可知，随着水稻生育进程的推进，水稻干物质累积量不断增大。在同一渗漏强度处理下，除分蘖中期外，处在相同生育期的水稻干物质累积量W2 处理均略高于W1 处理。D1 处理下，分蘖中期，相同渗漏强度下两种灌溉指标的干物质累积量均相差不大；分蘖后期，由于分蘖数峰值的差异较大，W2 处理下的干物质累积量比W1 处理高7.69%；拔节孕穗期，叶面积峰值差异较大，W2 处理下的干物质累积量比W1 处理高9.32%；而后，伴随无效茎蘖和叶面积的消亡，两种灌溉指标的差异逐渐缩小，可以看出，W2 处理下的无效茎蘖和叶面积的消亡高于W1 处理，D2、D3 处理的差异并不显著。成熟期，水稻干物质累积量达到最大，W2 处理下的最大干物质累积量与W1 处理在不同渗漏强度D1、D2、D3 下的差异分别为4.07%、3.28%、2.02%。

图3 不同处理下水稻生育期的干物质累积量

2.4 水稻产量及灌溉水利用率

在相同渗漏强度下，以地下水埋深为指标的控制灌溉产量均大于以土壤含水率为指标的控制灌溉产量，如表2 所示。D3 处理下的两种灌溉方式产量相差最大，以地下水埋深为指标控制灌溉下的水稻比以土壤含水率为指标控制灌溉下的水稻增产14.60%，D1 和D2 两种渗漏强度下W2 相比W1 分别增产7.82%、3.80%。两种灌溉方式均表现为渗漏强度越大，水稻产量越低。这可能是由于渗漏强度大的处理容易造成化肥等养分流失，作物得不到充分的养分补给，使得产量下降。由显著性分析可知，在D1 和D3渗漏强度下，以地下水埋深为指标的灌溉方式下的水稻产量与以土壤含水率为指标的灌溉模式下的水稻产量差异显著，表明以地下水埋深为指标的灌溉方式相比以土壤含水率为指标的灌溉方式具有更大的产量效益。在三种渗漏强度下W2 的灌水量均略高于W1，但相差小于5%。而对于灌溉水利用率，在D3渗漏强度下，以地下水埋深为指标的灌溉方式相比以土壤含水率为指标的灌溉方式具有更高的IWUE，其他两种渗漏强度下则无明显差异。

表2 不同处理下水稻产量及其构成因素

3 结论与讨论

研究结果表明，将两种节水灌溉技术下的水稻在作物生理生长、灌水量及水分生产率等方面进行比较，在节水和增产层面上两者并无显著差异，表明以地下水埋深为指标的控制灌溉能达到精准灌溉与提高灌溉水利用率的目的。

在此次试验中，以地下水埋深为指标控制灌溉的水稻最大分蘖数及有效分蘖数均比以土壤含水率为指标的控制灌溉下的水稻大，这意味着以地下水埋深为指标的控制灌溉比以土壤含水率为指标的控制灌溉更能促进水稻分蘖；以地下水埋深为指标控制灌溉的水稻株高均大于以土壤含水率为指标控制灌溉的水稻，在渗漏强度相同的情况下，以地下水埋深为指标的控制灌溉比以土壤含水率为指标的控制灌溉更能促进水稻叶面积增大。但渗漏强度越大，LAI 峰值越小。随着渗漏强度的增大，水稻的最终产量越低，这与栾雅珺等[10]的研究结果一致，造成此原因的结果可能是由于渗漏强度大的处理容易造成化肥等养分流失。

土壤含水率和田间无水层天数是水稻节水灌溉技术的主要控制指标[11-13]，目前已经得到较广的推广应用，但是在成本投入和数据可靠性等方面仍存在很大的缺点。本研究通过对以地下水埋深和以土壤含水率为控制指标的两种节水灌溉技术下的水稻生长及水分利用率进行对比，发现以地下水埋深为指标的控制灌溉对于水稻生长并无不良影响，而同价位的水位计测量精度远远高于土壤水分传感器。因此，以地下水埋深为指标的控制灌溉远远优于以土壤含水率为指标的控制灌溉，使用地下水指导灌溉更有利于推广节水灌溉。但本试验结果仅限于东北黑土地区，对于不同地区的节水灌溉地下水位下限仍需进一步研究。