非充分灌溉下寒地井灌稻田生态经济效益

聂晓++王毅勇

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2016.10.038

摘要：通过田间试验，研究间歇灌（IT）、湿润灌（MT）、淹灌（CSF）不同灌溉方式下寒地井灌稻田的生理生态用水、土壤温度、水稻产量、经济效益。结果表明：非充分灌溉（IT、MT）显著减少了稻田本田期的生态用水量，与CSF相比，IT、MT分别节省生态用水24.1%、32.9%；非充分灌溉（IT、MT）显著增加了深层（10～15 cm）土壤温度，IT和MT的10、15 cm地温分别比CSF增加7.9%和11.1%、9.4%和13.4%；非充分灌溉（IT、MT）的产量、经济净效益、经济效率均显著高于淹灌，与CSF相比，IT和MT的产量、经济净效益、经济效率分别提高12.2%和13.1%、28.9%和 32.6%、108.6%和150.4%。可见，非充分灌溉（IT、MT）在节约生态用水的同时具有明显的产量优势，经济效益、经济效率均显著提高。

关键词：寒地井灌稻田；非充分灌溉；生理生态用水；土壤温度；经济效益

中图分类号： S275.8；S275.9；S511.07文献标志码： A文章编号：1002-1302（2016）10-0151-03

收稿日期：2016-02-29

基金项目：中国科学院知识创新工程项目（编号：KZCX2-YW-Q06-03）；吉林省长春市现代农业发展支撑计划（编号：12XN38）。

作者简介：聂晓（1984—），女，山东临沂人，博士，讲师，主要从事农田节水和水热过程研究。E-mail：xiaonie84@163.com。水稻生产是维系粮食安全的重要因素之一，同时也是大的耗水因素。传统的淹灌耗水量达6 000～9 000 m3/hm2，灌溉水利用效率低，造成水资源严重浪费，在一定程度上加剧了水资源的短缺[1]。水资源高效利用模式的研究已经成为当代水稻研究领域的重要内容之一，非充分灌溉正是适应水资源危机而提出的节水灌溉方式，其节水效果和节水机理已经取得了一定的研究成果[2-6]。寒地稻区的热量条件是限制稻田高产的重要因素之一，且大水漫灌以及人为地、无节制地抽取地下水资源导致寒地井灌稻区地下水位普遍下降，造成“吊泵”和“漏斗”现象[5]。本研究从节水增温、高值化角度出发，初步探讨了寒地井灌稻田非充分灌溉下的稻田生态经济效益，提出了2种适宜寒地井灌稻区的节水增温、高产高效的非充分灌溉方式，为非充分灌溉在寒地井灌稻区的推广和应用提供依据。

1材料与方法

1.1试验区概况

试验于2013年在黑龙江省农垦建三江分局的洪河农场进行，该地点位于三江平原腹地。试验区中心地理坐标为47.35 °N、133.31 °E，海拔高度为55.6 m，具有温带大陆性季风气候。年平均气温为1.9 ℃，7月平均气温为22.0 ℃，全年最高、最低气温分别为37.0、-38.0 ℃，≥10 ℃积温为 2 400～2 700 ℃，无霜期约为125 d，年降水量约为600 mm，且7—9月的降水量占全年降水量的60%。供试田是1995年由沼泽化草甸开垦而来的耕地，为全年一熟一冬休闲型，属于寒地井灌稻田。土壤类型为水稻土，稻田土壤干密度为 1.18 g/cm3，孔隙度为59%，有机质质量分数为2.9%，pH值为6.53，土壤饱和含水率（质量）为37.2%[5]。

1.2试验设计

试验设间歇灌（IT）、湿润灌（MT）、传统淹灌（CSF）3种灌溉方式，其中IT、MT属于非充分灌溉。3种灌溉方式具有不同的土壤水分调节标准，淹灌（CSF）：返青期水层在0～3 cm，黄熟期落干，其他生育期均保持在5～10 cm水层；间歇灌（IT）：返青期水层在0～3 cm，黄熟期落干，其他生育期水层上限为3 cm，下限为土壤饱和含水率的70%～80%；湿润灌（MT）：返青期水层控制在0～3 cm，黄熟期落干，其他生育期水层上限为1 cm，下限为土壤饱和含水率的70%～80%。3种灌溉方式均采用遇降雨深蓄不排的管理措施[5]。采用随机区组试验设计，每种灌溉处理设3个重复，共9个试验小区。小区设置为10 m×10 m，小区之间用加宽加高的田埂隔开；为防止侧渗对试验的影响，小区四周及田埂采用0.06 mm的塑料膜围隔，埋至表土下30 cm深。2013年供试水稻品种为龙粳26，于2013年5月20日插秧，栽植密度为株行距13 cm×30 cm，各小区于同年8月中旬排水晒田，并于同年9月23日收割。各小区施肥、病虫害防治、除草等田间管理措施采用当地的常规管理方法。

1.3测定指标及方法

1.3.1生理生态用水稻田蒸散和渗漏通过非称质量式蒸渗仪（有底和无底测坑）进行测定，有底和无底测坑规格为 2 m×2 m，深30 cm。有底测坑底部及四壁用塑料膜完全围隔，由于避免了渗漏的影响，测坑内的耗水量均通过蒸散损失掉；无底测坑只在四壁（至表土下30 cm深）用塑料膜围隔，其内的耗水量为蒸散与渗漏之和。通过对灌溉水量、降水量、田间水层或土壤蓄水变化量的记录，根据水量平衡法可求得3种灌溉方式下稻田的蒸散量和渗漏量。

稻田土壤棵间蒸发利用小型蒸渗仪进行测定，小型蒸渗仪置于行间，口径25 cm、深35 cm，高出田间10 cm。每天采用电子天平（精度为0.001 kg）进行称质量，并于降雨和灌溉前后加测。通过前后2次的质量差，进行面积换算可得到相应时段下相应灌溉方式的棵间蒸发量；不同灌溉方式的水稻蒸腾量（生理用水）即为相应灌溉方式的蒸散量与棵间蒸发量之差。渗漏量与棵间蒸发量之和即为稻田生态用水。

1.3.2土壤温度插秧后采用JL-04型多点土壤温度记录仪全天候自动观测IT、MT、CSF小区的0、5、10、15 cm土壤温度T0、T5、T10、T15。温度测量精度为±0.2 ℃，监测步长为 1 h。

1.3.3产量及产量构成水稻成熟时，各试验小区布设样方进行考种测产。每个试验小区各取5个样方，每个样方面积为1 m×1 m，各试验小区按样方分别考种，测定水稻产量构成要素，包括单位面积有效穗数、每穗粒数、结实率、千粒质量等，同时计算每个样方的理论籽粒产量。每个试验小区单打单收，晒干扬净后，测定实际籽粒产量。

1.3.4经济效益及经济效率水稻价格采用2013年黑龙江省水稻市场价格3.00元/kg，计算单位面积水稻产量所得的经济效益，公式为：经济效益=水稻产量×水稻价格。生产成本包括单位面积土地承包费、灌溉消耗的柴油费、农具购买或租用费、劳动力雇佣费以及种子、农药、化肥的费用。计算经济净效益和经济效率，公式为：经济净效益=经济效益-生成成本；经济效率=经济净效益/灌溉水量。

2结果与分析

2.1不同灌溉方式的稻田生理生态用水

稻田耗水量包括生态用水（棵间蒸发、稻田渗漏）和生理用水（植株蒸腾），而生态用水中相当一部分水分的消耗对水稻生长发育无效，甚至会对水稻产生不利影响[7]。由不同灌溉方式下稻田本田期生理生态用水情况（表1）可知，稻田生态用水量（蒸发量和渗漏量）表现为CSF>IT>MT，IT、MT与淹灌相比分别节省生态用水96.9、132.4 mm，相当于24.1%、32.9%，非充分灌溉（IT、MT）与传统淹灌的生态用水量差异显著（P<0.05）。与淹灌相比，IT、MT小区的水稻蒸腾量分别减少4.7%、3.7%，在95%置信区间内差异不显著，表明非充分灌溉（IT、MT）并未对水稻生理用水造成显著影响。表1显示，IT、MT小区水稻蒸腾量占总耗水量的比例分别比淹灌小区高5.6%、8.9%，非充分灌溉（IT、MT）在一定程度上增加了生理用水的比例，减少无效耗水的比例，提高水分的利用效率。可见，非充分灌溉在对稻田生理用水影响很小的情况下，通过保持稻田浅水层或无水层的方法减少稻田的生态用水量[8-9]。

2.2不同灌溉方式的稻田土壤温度

由14：00时刻不同灌溉方式下稻田本田期土壤温度的平均值（表2）可知，非充分灌溉（IT、MT）增加了各层土壤温度，并显著增加了10、15 cm土壤温度。与传统淹灌相比，间歇灌的10、15 cm土壤温度分别增加7.9%、9.4%，湿润灌的10、15 cm地温分别增加11.1%、13.4%。表2显示，非充分灌溉（IT、MT）不仅显著增加了各层土壤平均温度（T0～15），还降低了各层土壤间的温度差异。IT小区稻田0 cm土壤温度平均比5、10、15 cm土壤温度高1.0、2.3、3.5 ℃，MT小区稻田 0 cm 土壤温度平均比5、10、15 cm土壤温度高0.7、1.8、2.9 ℃，CSF小区稻田0 cm土壤温度平均比5、10、15 cm土壤温度高1.5、3.5、4.9 ℃。可见，非充分灌溉（IT、MT）小区稻田潜水层或无水层，使得太阳辐射对深层（10～15 cm）土壤温度的影响变大，显著增加深层（10～15 cm）土壤温度，有利于寒地水稻根系生长发育，为水稻获得高产打下基础[10]。

2.3不同灌溉方式的稻田产量及其构成要素

由不同灌溉处理下水稻产量及其构成要素（表3）可知，与淹灌相比，IT、MT灌溉处理的理论籽实产量分别提高117%、13.9%， 实际籽实产量分别提高12.2%、13.1%。非充分灌溉（IT、MT）显著提高了水稻产量，MT的增产效果略优于IT处理，但差异不显著。从产量构成来看，非充分灌溉（IT、MT）与淹灌的产量差异主要由单位面积有效穗数的差异造成，与传统淹灌相比，IT、MT灌溉的有效穗数分别增加 9.8%、10.8%，非充分灌溉（IT、MT）与传统淹灌的有效穗数差异显著（P<0.05）。每穗粒数、结实率、千粒质量等构成要素略有差异，但在95%置信区间内差异不显著。可见，非充分灌溉（IT、MT）有利于水稻的有效分蘖及其物质生产，从而增大水稻“库”容，增加水稻产量[11-12]。

2.4不同灌溉方式的稻田经济效益及经济效率

3种灌溉方式生产成本的差异来自灌溉消耗的柴油费。由不同灌溉方式稻田的经济效益及经济效率（表4）可知，与传统淹灌相比，IT、MT稻田灌溉消耗的柴油费分别减少了543.97、671.43元/hm2。表4显示，3种灌溉方式下的经济效益、经济净效益、经济效率的大小均表现为MT>IT>CSF。与传统淹灌相比，IT、MT稻田的经济净效益分别提高289%、32.6%。非充分灌溉（IT、MT）小区在显著提高经济效益和经济净效益的同时，显著减少了灌溉水量，因此非充分灌溉（IT、MT）小区的经济效率也显著高于传统淹灌，IT、MT稻田的经济效率分别比淹灌提高108.6%、150.4%。MT的经济效益和经济净效益均优于IT处理，但差异不显著，而MT的灌溉水量显著低于IT处理，因此MT的经济效率显著高于IT处理。可见，非充分灌溉（IT、MT）可显著提高灌溉水的利用效率，在节约水资源的同时增加稻田的经济效益。

3结论与讨论

与传统淹灌相比，间歇灌、湿润灌分别节省生态用水 24.1%、32.9%。非充分灌溉（IT、MT）与淹灌的稻田本田期渗漏量、蒸发量、总耗水量均差异显著（P<0.05），非充分灌溉（IT、MT）的稻田本田期生理用水（蒸腾量）略低于传统淹灌，但差异不显著。与传统淹灌相比，非充分灌溉（IT、MT）不仅显著增加了深层（10～15 cm）土壤温度，同时也缩小了各层土壤温度之间的差异，有利于寒地井灌水稻根系的生长发育。非充分灌溉（IT、MT）显著增加了寒地井灌稻田单位面积的有效穗数，进而显著提高了稻田产量。与传统淹灌相比，间歇灌、湿润灌的有效穗数分别增加了9.8%、10.8%，实际籽粒产量分别提高12.2%、13.1%。湿润灌的有效穗数和产量略高于间歇灌，但差异不显著。可见，在寒地稻区采取非充分灌溉，不仅节约生态用水、降低灌溉成本，并能显著增加水稻产量。间歇灌、湿润灌显著提高了寒地井灌稻田的经济效益、经济净效益、经济效率，是北方寒地井灌稻区2种较适宜的非充分灌溉方式，具体采用的灌溉方式应结合不同水稻品种和土壤质地开展进一步研究。

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