引黄灌区不同灌溉方式下农作物水分利用效率研究

仝海燕,李志超

(1.山东省滨州市水利资源开发建设中心，山东 滨州 256600；2.山东省滨州市引黄灌溉服务中心，山东 滨州 256600)

我国水资源总量虽然十分丰富，但分布极不均匀，80%以上的水资源集中在南方地区，北方大部分地区均属于极度缺水的状态，为了缓解水资源紧缺问题，势必要求在各个方面节约水资源用量，而农业生产需要消耗大量的水资源，用水量达到总用水量的70%以上，有很大的节省空间[1- 3]。

山东引黄灌区目前基本采用地面灌溉方式，农业用水效率低下，很多地区用水效率未超过50%，造成了大量农业水资源的浪费，更是加剧了当地水资源的紧缺问题，而且黄河水泥沙含量高，引黄灌溉必然会导致渠道淤积，致使田间引水困难，严重的更是会引起内涝和土地盐碱化，因此有必要对现有传统的地面灌溉技术进行改进。波涌灌溉效率高、灌水质量好、可充分利用黄河水中的泥沙改善田间土壤质量，是近些年来逐渐发展起来的一种灌溉方式[4- 6]。

本文以波涌灌溉方式为基础，结合间隔灌溉思路，提出间隔交替波涌灌溉，进行灌溉水分利用效率研究，并与其他灌溉方式进行对比，以期能使引黄灌区泥沙资源化、用水高效化、农作物高产化提供借鉴。

1 波涌灌溉技术简介

波涌灌溉最早在上世纪70年代由美国学者提出，将传统连续供水灌溉方式划分为几个周期进行间歇性灌水，利用干湿交替在田间土壤表层形成致密层，降低田间土壤粗糙率和入渗率，从而达到节水灌溉的目的。相比传统灌溉方式，除了可以达到节水的目的外，波涌灌溉还具有如下优势：①农田灌溉水质量好，灌溉均匀度可达到80%以上；②波涌灌溉的水流推进速度较传统灌溉方式快，可缩短灌溉时间，提高灌溉效率；③波涌灌溉对灌溉水源的要求不高，即使是浑水也可用于灌溉；④相比传统灌溉方式，可以提升农作物的产量；⑤可对畦(沟)等特殊田地进行灌溉；⑥波涌灌溉操作简单，可实现自动化灌溉，具有较好的投资效益。

2 试验概况

2.1 试验地点概况

试验地位于山东滨州引黄灌区，试验田距离黄河约为350m。试验地属于温带大陆性季风气候，年平均气温12.7℃，年平均降雨量564.8mm(主要集中在夏季)，年平均日照数2632h，年平均风速2.7m/s，年平均相对湿度约为66%，最大冻土深度约为0.5m。试验地土壤以粉壤土为主，干容重为1.35g/cm3，比重为2.65，孔隙率为4.5%，平均田间持水率为25.4%。

2.2 试验材料

试验地主要农作物为小麦，一年两熟，小麦在不同生长周期需要根据实际需要进行灌溉来保证小麦的需水量。选用济麦22品种作为试验农作物，播种量为195kg/hm2，播种时间为2020年10月15日，在播种前施加145kg/hm2的尿素、305kg/hm2的磷酸二铵、270kg/hm2的硫酸钾等肥料，并在拔节期灌水前补施295kg/hm2的尿素。

2.3 试验方案

试验共分为12个区域，每个区域的长度为100m，宽度为2m，每个区域两侧均用保护航进行隔离，以防止相互之间影响。设置传统连续灌溉(L)、波涌灌溉(B)、交替波涌灌溉(J)(每个区域划分为两个小区作为一个处理，其中一小区灌水，另外一小区不灌水，然后第二次时交换)和固定波涌灌溉(G)(每个区域划分为两个小小区作为一个处理，其中一小区灌两次水，另外一小区始终不灌水)等4种灌溉方式，如图1所示。波涌灌溉设置2次灌水周期，每种灌溉方式进行3次重复试验，取平均值作为试验结果，每种灌溉方式的技术参数见表1。

图1 不同灌溉方式示意

表1 不同灌溉方式技术参数

2.4 水分利用效率测试

试验过程中主要测试农田蒸散量、农作物干物质积累量、农作物经济产量等参数，然后通郭各参数计算得到群体水平水分利用效率和产量水平水分利用效率等指标[7- 8]。

农田蒸散量(ET)根据水量平衡方程计算：

ET=ΔS+I+P-R-D

(1)

式中，ΔS—土壤蓄存水变化量，mm；I—灌溉水量，mm；P—降水量，mm；R—地表径流量，mm；D—深层渗漏量，mm。

干物质积累量(DW)是衡量农作物产量的一个重要指标，将每种灌溉方式下农作物的叶和茎收集起来装入烘箱烘干至恒重，得到干物质积累量。农作物经济产量(Y)是指小麦单位面积的产量。

群体水平水分利用效率(W)是干物质积累量(DW)与农田蒸散量(ET)的比值，即：

W=DW/ET

(2)

产量水平水分利用效率(Q)是农作物经济产量(Y)与农田蒸散量(ET)的比值，即：

Q=Y/ET

(3)

3 试验结果分析

3.1 总蒸散量、干物质量和农作物经济产量

不同灌溉方式下测试得到的各指标情况见表2。从表2中可知：在传统灌溉方式下，总蒸散(ET)发量达到了387.96mm，采用波涌灌溉方式后，蒸散发量相较于传统灌溉有大幅度降低，其中波涌灌溉方式下降19.6%，交替波涌灌溉方式下降27.6%，固定波涌灌溉方式下降29.5%；从干物质积累量(DW)上来讲，波涌灌溉方式最高，达到2461.71g/m2，其次为传统灌溉方式，交替波涌灌溉方式和固定波涌灌溉方式下，干物质积累量较小，主要是因为传统和波涌是对整个试验区域进行灌溉，而交替方式仅对区域的某一边进行单次灌溉，导致小麦在一段时间内出现亏水状态，因而长势可能不如传统灌溉和波涌灌溉；从农作物经济产量(Y)来讲，波涌灌溉的产量最高，其次为传统灌溉方式，交替波涌灌溉方式排第三，最小的为固定波涌灌溉方式，波涌灌溉方式可显著提升小麦单位面积产量，相比传统灌溉方式提高约4%。

表2 不同灌溉方式各指标测试结果

3.2 对群体水平水分利用效率的影响

根据公式(2)计算得到的不同灌溉方式下群体水平水分利用效率结果如图2所示。从图2中可知：波涌灌溉方式下的群体水平水分利用效率最高，达到78.95kg/(hm2·mm)，其次为交替波涌灌溉方式，为73.05kg/(hm2·mm)，固定波涌灌溉方式为70.3kg/(hm2·mm)，传统灌溉方式仅为57.52kg/(hm2·mm)，采用波涌灌溉方式时，较传统灌溉方式的群体水平水分利用效率提升20%以上；传统灌溉方式下，虽然干物质积累量较交替波涌灌溉和固定波涌灌溉方式大，但其实是建立在高消耗灌溉水量的基础上，蒸散发量相比交替波涌灌溉和固定波涌灌溉方式高出25%以上，因而群体水平水分利用效率反而很低。

图2 不同灌溉方式下群体水平水分利用效率对比

3.3 对产量水平水分利用效率的影响

根据公式(3)计算得到的不同灌溉方式下产量水平水分利用效率结果如图3所示。从图3中可知：在交替波涌灌溉方式下，产量水平水分利用效率最高，达到30.47kg/(hm2·mm)，其次为波涌灌溉方式，产量水平水分利用效率为29.63kg/(hm2·mm)，固定波涌方式下产量水平水分利用效率为27.5kg/(hm2·mm)，而在传统灌溉方式下，产量水平水分利用效率仅为22.91kg/(hm2·mm)；虽然交替波涌灌溉的产量较传统灌溉方式略有降低，但大大总蒸散发量大幅度降低，这说明在产量略有下降的情况下，采用交替波涌灌溉方式可以显著提升产量水平水分利用效率，在水资源越来越紧缺的当下，可以考虑交替波涌灌溉方式在引黄灌区进行推广，从而缓解农业灌溉水资源紧缺的问题。

图3 不同灌溉方式下产量水平水分利用效率对比

4 结语

传统连续灌溉方式需要消耗大量的灌溉水资源，产量虽高，但水资源利用效率低下，波涌灌溉方式不仅保证了农作物产量，而且总蒸散发量大大降低，在很大程度上节约了农业水资源用量。交替波涌灌溉方式产量虽然比传统连续灌溉方式降低约3.9%，但农田总蒸散发量减少27.6%，产量水平和群体水平水分利用效率分别在4种灌溉方式中排第一和第二，较传统连续灌溉方式分别提升27%和33%。交替灌溉方式既可以缓解灌区泥沙淤积问题，改善农田土壤质量，又可以充分利用水资源，在水资源紧缺地区是一种非常适合的灌溉方式。本文仅对滨州市引黄灌区进行了试验分析，还需要在其他灌区做进一步的补充验证。