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旱地小麦深层防堵渗灌应用
摘 要：为提高旱作麦区集蓄雨水的转化利用,以深层防堵渗灌系统和旱地小麦‘运旱618’为试验材料,研究了2012—2017年5个小麦季限量补水渗灌对冬小麦产量及产量结构、补水渗灌水分利用效率和经济效益.结果表明,补水渗灌处理比对照增产47.5%~478.0%,补水渗灌处理的穗数、穗粒数、千粒重都显著高于对照；不同年型补水渗灌处理的耗水量都大于对照,水分利用率较对照提高2.6~8.1 kg/(hm2 ·mm),提高了15.0%~245.5%,灌溉效率5.7~9.4 kg/(hm2 ·mm),干旱年型水分利用率、灌溉效率提高幅度最大.以5 年平均产量和小麦2.36 元/kg 计算,补水渗灌纯收益6849 元/hm2,比对照提高117.4%.深层防堵渗灌系统在旱地小麦上节水增产增效效果显著.
关键词：小麦；集雨渗灌；产量；水分利用率；经济效益
中图分类号：S314 文献标志码：A 论文编号：cjas18010027
0 引言
黄土高原旱作麦区是中国主要旱地小麦大范围连片产区,面积约200 万hm2.该区黄土覆盖一般达30~300 m,地下水埋藏较深、开发困难.如何利用有限雨水提高农作物生产力显得尤为重要[1].20 世纪80 年代以来,中国北方半干旱农业区开展了雨水汇集利用技术的研究,把雨水集流技术、雨水贮存技术运用到小麦、棉花、果树等作物上[2-4].在作物需水关键时期或干旱时期进行有限补水灌溉,显著提高了作物的产量和水分利用效率[5].但是,在雨水高效利用上尚未形成科学合理的灌溉技术及作物栽培技术[6-7].集雨补灌技术由地面灌溉补水向微灌补水、精准补水转变.渗灌是一种新型的有效地下灌溉技术,渗灌就是按照作物需水要求,通过低压管道系统与安装在末级管道上的特制灌水器,将水和作物生长所需的养分以较小的流量,均匀准确地直接输送到作物根部附近的土层中的灌溉水方法[8].据统计,管道输水可节水20%~30%,喷灌可节水50%,微灌可节水60%~70%,滴灌和渗灌可节水80%以上[9].渗灌具有节水、节能、降湿、增温、改善土壤结构、增加产量、改善作物品质、减少病虫害等优点[10-13].但存在一次投资成本大,渗灌管较易堵塞,不同作物灌溉管埋深度不同、渗水均匀性不稳定、地下维修不便、机械化作业受限等原因,制约了渗灌技术大面积推广应用.为提高水分利用率和生物转化效率,开展了小麦集雨渗灌关键农艺技术研究,2012 年在山西省农科院棉花所夏县牛家凹农场,建立了0.67 hm2小麦深层防堵渗灌试验示范园,并与其他抗旱节水增产技术相配套,实现小麦水分综合高效利用,以期为旱地小麦集雨补灌技术的推广应用提供实践经验和理论依据.
1 材料与方法
1.1 试验时间、地点
研究田间试验于2012年10月—2017年6月连续5年在山西省农业科学院棉花研究所牛家凹试验农场进行.
1.2 试验材料
供试小麦品种均为国审麦‘运旱618’,由山西省农业科学院棉花研究所‘运旱618’育种家提供.
1.3 试验方法
1.3.1 试验设计设渗灌与不渗灌2 个处理,小区面积120 m2,重复3 次.依据当地气候、降雨量及小麦生长发育需水情况,灵活掌握渗水时间,一般渗水时间在返青—拔节期,每次渗水450 m3/hm2,具体渗水量及5 年小麦生育期内的降水量见表1,降水量数据由试验地气象观测站提供.
播前旋耕整地,于10 月5—10 日机械旋耕播种,播量150 kg/hm2 左右.各处理施肥、除草、防治病虫害及其他管理方法相同,小麦收获时测产,并进行室内考种,以小区实产折算为公顷产量.
1.3.2 深层防堵渗灌系统的设计与技术参数
（1）渗灌系统的设计组成.水源由集雨蓄水池提供,潜水泵提水,机泵外安装滤清器和压力表,输配水管道由干管、分管、支管、双管微渗管组成.双管微渗管系在16 mm线管上打孔,孔度1~1.5 mm,孔间距20~30 cm,把打好孔的线管外套内径18 mm橡塑微渗灌管（扬州市恒辉化工有限公司生产）.双管微渗管埋于田间深度45 cm.渗灌系统前支管上安装阀门和水表便于统计灌水量.
（2）渗灌的技术参数.渗水管宜顺小麦种植行布置；渗水管的埋设深度45 cm；渗水管的间距1.2 m；渗水管的长度50 m；渗灌的灌水定额450 m3/hm2；主管上安装过滤器,用80~100目的纱网.
1.4 调查测定项目
1.4.1 土壤含水量测定采用土钻人工取土,试验期每年于小麦播前和收获时钻取1 m深,每10 cm取1 份土放入铝盒中,称鲜重后,在105℃下烘至恒重,称干重并测定土壤含水量.
1.4.2 水分利用率的计算方法[14] 见公式(1).
作物耗水量用农田水分平衡法计算,如式(2)[15].
ΔW等于(W1-W2)+P+I …………………………… (2)
式中：渗漏、截留和径流不计,ΔW为冬小麦耗水量,W1为播种前的土壤含水量,W2为收获时的土壤含水量,P为灌溉量,I 为降水量.
1.4.3 灌溉效益的计算见公式(3)[16].
IB等于ΔY/I ……………………………………… (3)
式中：IB 为灌溉效益[kg/(hm2 ·mm)],ΔY 为灌溉后增加的产量(kg/hm2),I 为实际灌水量(mm).
1.4.4 产量小麦成熟后,每个小区实收120 m2,并进行室内考种,脱粒晒干称重折算为标准含水率产量.
1.5 统计分析
用Microsoft Excel 2012 进行数据计算, 所有数据用SPSS 软件进行统计分析,用t 测验法进行平均数显著性比较.
2 结果与分析
2.1 深层渗灌冬小麦的产量结果及产量结构
由表2 可见,各年渗灌处理的穗数、穗粒数、千粒重都显著高于对照.渗灌处理比对照增产47.5%~478.0%,其中2013 年冬春连旱对照生长发育严重受阻,株高仅45 cm,产量仅649.6 kg/hm2,渗灌处理补水3 次,共补水135 mm,增产幅度最大.增产的主要原因是在小麦需水关键期补水,促进了小麦分蘖成穗,使穗多穗大粒重,小麦产量显著提高.
2.2 深层渗灌小麦耗水量与水分利用效率
表3列出了2013—2017年冬小麦生长期内水分收支情况,小麦播前土壤储水量大于收获土壤水分量,渗灌处理与对照降雨量相同,渗灌处理在小麦起身期限量补水,各年度灌水处理的耗水量都大于对照处理,水分利用率平均值为17.14 kg/(hm2 · mm),较对照提高2.6~8.1 kg/(hm2 ·mm),提高了15.0%~245.5%,灌溉效率为5.7~9.4 kg/(hm2 ·mm),干旱年型水分利用率、灌溉效率提高幅度最大.
2.3 深层渗灌经济效益分析
以本试验为例,工程费用包括集雨蓄水池、提水潜水泵、管道、渗灌管、施肥过滤器、压力表、计量水表、施工费等,集雨蓄水池按20 年折旧,其他按10 年折旧.蓄水池容积300 m3,供应0.67 hm2小麦田关键期补水量.年折旧费集雨蓄水池375 元/hm2,提水潜水泵300 元/hm2,管道90 元/hm2,施工费300 元/hm2 施肥过滤器60元/hm2,工程费用年折旧费合计1125元/hm2.
经济效益是深层渗灌工程安装完毕正常运行后所增加的产量和品质提高所增加的产值.按本试验连续5 年产量平均值计算,小麦以市场价2.36 元/kg 计算.表4 列出了深层渗灌与对照的投入及收入情况,可见渗灌纯收益6849 元/hm2 比对照3150 元/hm2 多3699元,净效益比对照提高117.4%.
渗灌具有节省开支产投比高的特点,不同的渗灌设计、渗灌用材料、渗灌作物渗水工程投入是不一样的,生产资料、水电费、人工管理费也不同.
3 结论与讨论
有限的集雨补水渗灌对小麦增产效果十分显著,冯利平等[15]研究渗灌比旱地增产62.3%,渗灌可明显提高冬小麦水分利用效率,渗灌处理水分利用效率平均为13.25 kg/(hm2 ·mm)；宋文品等[17]认为,渗灌增加了小麦穗粒数、千粒重,提高了籽粒产量；春渗每公顷产小麦5151 kg,比对照增产33.7%；与传统的露地条播相比渗灌覆盖栽培技术平均增产1601.2 kg/hm2,增产率达38.0%.本研究5 年补水渗灌试验增产幅度为47.5%~478%.
黄土高原东部的山西省多年历史数据显示小麦的旱情发生在播期的占7.0%,春旱占26%,拔节期—灌浆期旱的频率占21.7%[18].收集雨在春旱、夏初旱时渗灌,从时间和空间上主动调节雨水分配,使水分供给与小麦关键需水期吻合.在小麦需水的关键时期补水,使小麦度过干旱胁迫的难关,待小麦根系发育完善后既能利用土壤深层水,也能在降雨季节到来之时,更好地利用天然降水,提高降水利用率.这也正是集雨补灌生态农业以极少量的供水调动土壤深部水,充分利用天然水,使作物获得较高增产效果的原理所在.
与常规灌溉相比,地下渗灌明显降低了全生育期的水分消耗[19],水利用效率最高[20]；小麦渗灌比喷灌节水43.9%,水分利用率比喷灌提高35.2%,比旱地提高62.7%[15]；小麦渗管埋深20cm 渗灌水分利用效率提高14.59%[21]；灌溉效率达到13~56 kg/(hm2 ·mm),远远超过了常规灌溉达到的水平[1]；本研究5年渗灌水分利用率提高了2.6~8.1 kg/(hm2 ·mm),平均17.1 kg/(hm2 ·mm),比对照提高15.0%~245%,灌溉效率5.7~9.4 kg/(hm2·mm).冬小麦的次生根群主要分布在0~50 cm 土壤中,占总根量的80%,初生根达2 m深.种子根、次生根发挥各自不同的作用.渗灌管深埋45 cm 条件下,渗灌主要增加了40~80 cm土层含水量,冬小麦耗水的主要来源除降水和灌溉外,播前土壤储水的有效利用对冬小麦高产非常关键,冬小麦灌浆期间主要利用下层土壤水分[22].裴艳婷认为[21],深层土壤水对产量和水分利用效率具有重要作用；Kirkegaard 等[23]发现,在澳大利亚旱作条件下冬小麦1.35~1.85 m 土层中多吸收10.5 mm的水分,就能增产0.62 t/hm2.小麦渗灌能抑制表层土壤蒸发,埋深40 cm 以下,也便于机械化操作,但带来表层0~10 cm水分向上浸润相对不足,在小麦出现播期和幼苗期干旱时难以满足水分需求.
集雨渗灌以提高水分利用转化效率为中心,在雨水生物转化中使集蓄的雨水尽可能多地转化为生物量[24],因此推广集雨渗灌要与基本农田建设、耕作保墒、覆盖、优良品种、水肥耦合、化学抗旱等技术配套,构成完整的黄土高原集雨渗灌旱作农业技术体系,提高农田生态系统的稳定性.
基于黄土高原极其缺水和土质适宜渗灌的特点,使得这项技术得到迅速发展[8],由于渗灌技术在小麦上的应用还不是非常成熟的技术,要将水文、材料、农业水土工程、水土保持、土壤、农艺等学科有机结合在一起,实行协同攻关,研究集成集雨渗灌的技术标准和规范.因地制宜建立具有区域特色的集雨渗灌工程技术体系,不断提高集雨渗灌综合效益,从而实现产业化,推动绿色环保型水资源高效利用.
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