黄淮海平原冬小麦淡水灌溉耗水特征研究（吴忠东,王全九）

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摘要：在干旱半干旱地区，淡水资源是极为宝贵的自然资源，也是农业开发的限制因素，因此研究冬小麦的合理灌溉定额以达到经济用水和增加产量的目的是很有必要的。由于受到季风气候的影响，冬小麦生长在一年中最干旱的季节，生育期内降水量仅能满足小麦总耗水的25%-30%，要获得高产就必须依靠灌溉水的补充。提高冬小麦的水分利用率，发展节水高产栽培，是缓解冬小麦生产中水资源供需矛盾的重要途径之一。正确地制定冬小麦的灌溉定额，必须合理地确定冬小麦的灌溉时间和每次灌水量。本文通过2002-2005年的野外试验结果，结合土壤、作物和气象因素三个方面，采用水量平衡法计算作物的耗水量，分析冬小麦在节水灌溉条件下耗水规律及对产量的影响，得出当地最佳耗水量为508.04 mm，该结果为建立作物-水分生长模型、合理灌概和高效利用水资源提供了参考依据。

关键词：黄淮海平原，淡水灌溉，土壤含水率，最佳耗水量

1引言

水资源的开发利用及因此而发展起来的灌溉农业在提高产量和农业的可持续发展方面有着非常重要的作用[1]，而不断减少的淡水供应量及其他方面需水量的不断增加使淡水资源进一步匮乏[2]。黄淮海平原灌区的农业生产面临两个主要问题，即水资源短缺问题和土地盐碱化问题，这两方面的问题严重制约着黄淮海平原地区的农业发展。该地区的主要作物均采用大水漫灌，灌溉水的利用效率仅为50%，过量灌溉造成地下水位上升和土壤次生盐碱化。在没有恰当的土壤-水-作物系统的管理措施的情况下进行灌溉很有可能会对土壤和环境造成严重的危害[2]。冬小麦是中国的主要粮食作物之一,小麦灌溉用水占农业用水的比例较大[3]。华北平原地区受季风气候的影响,冬小麦生育期内的降雨仅相当于其总耗水量的25%～30%[4]。因此研究冬小麦的合理灌溉定额以求达到经济用水和增加产量的目的是很有必要的[5]。

2实验材料和方法

供试作物为冬小麦，品种为9402，当地作物种植制度为小麦-玉米一年两熟。每个试验小区面积为6.6m2（2m×3.3m），均不设遮雨棚，随机区组排列，冬小麦播种日期分别为2002年10月24日、2003年10月13日和2004年10月12日，收割日期为2003年6月10日、2004年6月7日和2005年6月8日，生育期分别为229、238和239d。

据1965-1985年20年的降水资料分析，该区丰水年（P=25%）降水量为710.2mm，平水年（P=50%）为490.3mm，枯水年（P=75%）为459.8mm[7]。2002-2005年的降水量分别为710.3mm、488.8mm和312.8mm，分别为丰水年、平水年和枯水年。

试验播量为225kg/hm2，播前将试验小区进行20-30cm翻耕，播前施底肥，分别为尿素225kg/hm2、磷肥750kg/hm2；次年小麦抽穗期喷除草剂2.4-D丁酯，灌浆前喷甲胺磷和D.D.V.防治蚜虫；拔节期灌水时追加尿素150kg/hm2。每区播9行，行距25cm。灌溉水源采用当地深层地下水，矿化度为0.84g/L，离子组成见表1。

冬小麦淡水灌溉定额试验采用单因子5水平（0，135，210，270，360mm），为了研究灌水量与作物产量的关系，按照当地的灌溉经验，将灌溉定额设定为210mm处理，低于210mm的处理1个和高于210mm的处理2个，以旱作为对照处理，3重复设计，共布置了15个试验小区，每个小区选取土点两个，各指标取其算术平均值，取土深度为0-20，20-40，40-60，60-80，80-100cm。试验小区采取定量施肥和相同的田间管理措施的处理方法，冬小麦产量单打单收。采用自记雨量计记录降雨量，依据长系列降雨频率分析的结果，对有效降雨量进行分析处理，确定某一年型的水分生产函数。3年方案保持一致，试验方案如表2所示：

3淡水灌溉下冬小麦耗水特征

3.1灌水量与土壤含水率边际效用的关系分析

为了进一步研究灌水量对土壤含水率的影响,定义增加单位的灌水量所增加的平均土壤含水率为边际土壤含水率(θm),计算公式是

边际土壤含水率表示在其他条件固定时,由灌水量变化所带来的最大土壤含水率的变化关系。下面对3a期间不同灌水量对0-100cm土壤平均含水率的边际效用进行分析，得表3：

分析结果可知，在不同的年份增加单位灌水量（1mm）所引起的100cm土壤平均含水率的边际效用差别较大。灌水期内随着灌水量的增大100cm深度土壤平均含水率基本呈增大趋势，但灌水量的边际效用并非随着灌水量的增大而同步增大的。2002-2003年的生育期降水量在3a之中为中等，由表中数据可以看出，当灌水量增大到210mm时，每次灌水后的边际效用为所有处理中最大，即当灌水量达到210mm时使0-100cm土壤含水率增大的幅度最大。当灌水量继续增大到270和360mm时，灌水量的边际效用虽然仍大于0，即100cm土壤含水率随着灌水量的增大仍继续增大，但边际效用却明显降低，说明尽管灌水量继续增大，但含水率的增大幅度开始降低。同样的，2003-2004年灌水量增大到210mm时也具有最大的灌水量边际效用，2004-2005年边际效用最大时对应的灌水量为270mm，造成该结果的主要原因是年度内尤其是生育期内的降水量不同。由此可知在生育期降水量一般或较多的年份，灌水量应控制在边际效用较大的210mm左右，如果不足该灌水量，土壤水分的消耗将得不到及时补充，作物会因此遭受水分胁迫，如果高于该灌水量，多余的水分都作为深层渗漏或棵间蒸发而消耗掉，既不利于土壤含水率的有效提高，也不利于水资源的节约利用。在生育期降水量较少的年份则应适当增大灌水量使灌水量的边际效用达到较高程度，以弥补降水量过少的不足。

3.2冬小麦耗水量分析

根据不同生育期的土壤含水率变化，采用水量平衡算法计算作物的蒸散量，也就是作物的耗水量。计算公式如下式所示。

降水量（P）由雨量计测定，灌水量（I）由水表直接测得，土壤含水量的变化 计算如下：

由于地下水位在5m以下，故在试验地区地表径流和深层渗漏很小，可忽略不计。则(2)式简化为：

TET=P+I+△W (4)

由于作物总耗水量中降水量P在同一年度是相同的，而且当地降雨和灌溉水入渗的深度一般为50-80 cm[8]，下面研究各灌溉定额条件下100cm深度土壤的耗水特征，由此确定合理的灌溉定额。由式(4)可将2002-2005年的作物生育期内总耗水量、土壤含水量的变化和冬小麦耗水强度等指标计算如下：

由表4看出，总的来说在冬小麦耗水量组成中，不同的降水年有不同的特征。生育期降水量不同导致年度总耗水量差别较大，表现规律为：偏旱年＜一般年＜湿润年，且总耗水量在同一年度内随着灌水量的增加而呈明显增加趋势；2002-2003年生育期降水一般，当灌水量由0增大到360mm时，总耗水量比旱作增大148.42%-215.15%；2003-2004年（湿润年），总耗水量与旱作相比增大129.39%-177.45%，2004-2005（偏旱年），与旱作相比总耗水量增大182.48%-296.66%，造成该差别的主要原因是灌水量在各年度总耗水量中所占比例不同，因此由灌水量增加所导致的总耗水量增幅也各不相同。

对总耗水量的分析结果说明土壤供水的比例随着降水量和灌水量的增加而降低，土壤供水比例与灌水量的关系如图1所示：

根据图1，土壤供水比例有如下规律：湿润年＜一般年＜偏旱年，偏旱年对于土壤水的利用率最高，随着降水量的增大农田供水变为以灌溉水和降雨为主；对于同一年度来说，土壤供水比例随着灌水量的增加而呈下降趋势，对土壤供水比例和灌水量进行线性拟合可得式(5)-(7)：

由式(5)-(7)可得，2002-2005年当土壤供水比例为0，灌水量分别达到446.45、338.54和642.44mm，此灌水量是作物全部依赖降水和灌水时的灌水量，该结果可以根据不同的降水年度对当地的灌溉定额有一定的参考作用。式(5)-(7)中的斜率为每增加一个单位的灌水量，土壤供水比例降低的幅度，从3年的拟合结果来看，增加单位灌水量引起的土壤供水比例降低程度排序如下：2004-2005年＜2002-2003年＜2003-2004年，这个结果说明不同的年度土壤供水比例对灌溉水的变化敏感程度不同，同样增加（减少）1个单位的灌水量，湿润年对灌水量变化的敏感程度为偏旱年的144.44%，而一般年是偏旱年的122.22%，因此在降水量较大的年份更应该注意灌水量对土壤供水比例的影响，防止因灌水过多导致土壤水失去作用。

从冬小麦平均耗水强度来看，3a的试验结果均表明随着灌水量的增大平均耗水强度呈增大趋势，旱作最低，同时耗水强度随着年度降水量的增大而增大，以上分析说明，当水分缺乏时，作物因为缺水而导致植株矮小，叶片萎缩，其耗水强度和蒸腾作用较低，虽然单位水分可以达到较高的籽粒产量水平，但总体产量不理想；在水分充足的情况下，总耗水量和作物平均耗水强度均达到较高水平，但过多的灌水会导致小麦贪青晚熟，造成减产[9]，水分利用效率不高，所以最大产量出现在使作物的株高、叶面积等营养生长和籽粒产量等生殖生长达到平衡点的水分状况下。

3.3冬小麦最佳耗水量

将2002-2005年的耗水量和冬小麦产量绘于图2：

分析可知冬小麦产量先随耗水量增加由急变缓，产量达到最大值后，随着灌水量增加，产量反而降低，其产量最高时对应的耗水量为最佳耗水量，大于或小于最佳耗水量冬小麦都减产，二者关系符合开口向下的抛物线，由图2的曲线拟合可得：

经计算得，试验区最佳耗水量为508.04 mm，耗水量低于508.04mm时，产量呈增长趋势，高于该值，则随着耗水量的增加产量呈下降趋势，最佳耗水量对应的冬小麦最高产量为6904.15 kg/hm2，这是在该地区的土壤和气象条件下淡水灌溉所能获得的最高产量。最佳耗水量可以作为不同水文年的最佳灌水量的参照标准，随着降水量和土壤供水能力的差别，对应最高产量的灌水量也不相同。

4结论

通过对不同灌水量的淡水（0、135、210、270、360mm）灌溉条件下冬小麦耗水规律的分析，主要得到以下几点结论：

（1）不同年度总耗水量差别较大，表现规律为：偏旱年＜一般年＜湿润年，且同一年度总耗水量随着灌水量的增加而呈明显增加趋势；

（2）土壤水供水比例的规律为：湿润年＜一般年＜偏旱年，不同的年度土壤水供水比例随着降水量的不同而敏感程度不同，湿润年增加相同的灌水量对土壤水供水比例影响程度最大，偏旱年影响程度最小，因此应注意湿润年灌水土壤水供水比例的影响，防止因灌水过多导致土壤水失去作用。

（3）试验区最佳耗水量为508.04 mm，对应的冬小麦最高产量为6904.15 kg/hm2，这是在该地区的土壤和气象条件下淡水灌溉所能获得的最高产量。

参考文献

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