宋 同，蔡焕杰，徐家屯
（西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西杨凌712100）
摘 要：为了寻求冬小麦-夏玉米连作下的节水高效灌溉制度，采用大田小区试验，在连作种植模式下，统筹分析了冬小麦和夏玉米的需水量及生育期内降雨量，并与当地传统灌溉制度进行了产量对比。结果表明，连作种植模式下，泾惠渠灌区冬小麦、夏玉米全生育期需水量分别为410 mm和400 mm。在年降雨量为490 mm时，连作种植1 a内的经济灌溉定额为305 mm，相比于传统灌溉能节水8.9%。连作条件下作物总产量为12 010 kg/hm2，产量相对于传统单作种植增加了6.2%，达到了增产目的。在冬小麦抽穗期和夏玉米播种期减少灌水，可在保证产量的基础上有效提高水分利用效率，是更为优化的连作灌水模式。
关 键 词：冬小麦；夏玉米；需水量；产量；灌溉定额
灌溉是保障作物正常生长发育和高产稳产的重要因素之一。随着灌溉可用水资源的日益紧缺，在作物生育期实行非充分灌溉就显得非常重要和迫切[1-2]。在作物非需水关键期减少灌水或不灌水，对作物产量影响不大，还能在一定程度上提高水分利用效率[3]。马黎华等[4]认为，将连作作物生育期内的需水量、降雨量统筹分析，控制一定生育期内的水分胁迫，有利于作物对有限水分的高效利用，进而提高产量。Taraqqi[5]认为，在玉米-小麦连作期间一水二用，可在节约水源的同时提高整体产量。Cameira[6]利用RZWQM软件模拟验证了适度减少灌溉次数不会对产量产生不利影响。陕西关中地区农业种植主要采用冬小麦与夏玉米连作模式，农业灌溉主要还是采用充分灌溉制度。关于冬小麦与夏玉米的需水规律和灌溉制度已有许多研究，但是，将冬小麦和夏玉米连作的需水量统筹考虑，进而制定连作灌溉制度的研究还比较少。基于此，利用泾惠渠灌区2013—2014年冬小麦-夏玉米连作试验资料，研究灌区内冬小麦和夏玉米连作的节水高效灌溉制度，以期为当地合理地进行农业灌溉提供一定基础。
试验区位于陕西省关中平原中部的咸阳市泾阳县桥底镇，地处泾河下游（108°83′E,34°53′N），海拔411.1 m，地下水埋深10 m左右。该区属于暖温带大陆性季风气候，四季冷暖、干湿分明，雨热同季，常年平均气温为13℃。年平均降雨量为546.7 mm，最大降水量为827.7 mm，最小降雨量为347.2 mm，雨量多集中在7、8、9月。年平均日照时间为2 195.2 h，无霜期为213 d。试验区土壤为粉砂质黏壤土，土壤偏碱性，平均田间持水率为24%（质量含水率），1 m土体平均体积质量为1.41 g/cm3。
田间试验于2013年10月—2014年10月进行，作物种植模式为冬小麦-夏玉米连作。其中冬小麦供试品种为西农979，生长期为2013年10月—2014年6月，共计255 d；夏玉米供试品种为武科2号，生长期为2014年6月—2014年10月，共计105 d。灌溉方式为畦灌，采用大田小区试验，每块小区面积约为25 m×3.2 m。共10个小区。2013年冬小麦全生育期灌水4次，2014年夏玉米全生育期灌水2次，6次灌水量依次为60、60、70、70、80、80 mm。同时在试验区周围设有保护行，每个小区的田间管理措施相同。
1）土壤质量含水率和降雨量。在各个小区取土利用烘干法测量土壤质量含水率。其中，冬小麦生育期内每隔10 d测1次，夏玉米生育期内每隔2周测1次，灌水前后加测。试验区附近安装有小型自动气象观测点，可准确记录降雨量、净辐射量、风速等气象资料。其中，冬小麦全生育期的降雨量为204.7 mm，夏玉米全生育期的降雨量为279.8 mm。冬小麦和夏玉米生长期间土壤含水率动态变化和实时降雨量见图1。
2）作物产量。作物成熟收获后，每个小区随机取50株作物测产，包括穗粗、穗行数、穗粒数、千粒质量等。
3）作物蒸发蒸腾量及作物水分生产率。利用参考作物蒸发蒸腾量（ET0）计算实际作物蒸发蒸腾量（ET），计算式为：
式中：Ks表示农田土壤水分胁迫系数，无量纲；Kc表示作物系数，无量纲；ET0表示作物参考蒸发蒸腾量，采用FAO-56推荐的彭曼-蒙蒂斯公式计算，即：
式中：Rn为作物表面的净辐射量(MJ/(M2·d))；G为土壤热通量(MJ/(M2·d))；T为2 m高度处平均温度(℃)；γ为干湿表常数(kPa/℃)；Δ为饱和水汽压与温度曲线的斜率(kPa/℃)；u2为2 m高度处平均风速(m/s)；es-ea为饱和水汽压差(kPa)。以上数据均可利用气象观测点记录的气象数据直接或间接求得。
根据式（1）、式（2），便可计算出作物全生育期每日的蒸发蒸腾过程以及需水量。而作物水分生产率=作物产量/(灌水量+生育期内降雨量)。
4）试验数据处理与分析。采用Excel、Sigmaplot软件进行统计分析与绘图。
利用气象观测数据，计算冬小麦和夏玉米全生育期的需水量，其变化曲线如图2所示。
由图2可知，冬小麦需水量第一个小高峰出现在10月28日左右，此后需水量不断下降，进入越冬时期后达最小值。返青后，由于气温逐渐升高，加之冬小麦进入快速生长时期，干物质迅速积累，需水量形成第二个高峰，直至抽穗时达到最大，约为4.8 mm/d。在2014年6月25日进入夏玉米的生长周期，夏玉米生育期的需水量为一条单峰曲线，播种期需水量较小，随后逐渐增大，至抽雄期达到最大，约为6.0 mm/d。
图2 冬小麦、夏玉米日需水量动态变化
结合图1中反映的土壤含水率与降雨量分析，在冬小麦生育期间的越冬期，虽然作物的日需水量很小，但此阶段降雨量小且时段较长，测得的土壤含水率已低于田间持水率的60%，因此有必要进行越冬期灌水；随后冬小麦进入快速生长阶段，需水量增加且温度升高，但在进入抽穗期后日需水量减小且降雨较多，此阶段土壤含水率保持在18%左右，可减少抽穗期的1次灌水；冬小麦进入成熟期后需水量进一步下降，但此阶段土壤含水率一直下降，考虑到夏玉米播种期需水量也不大，因此可在此阶段进行一次灌水量较大的灌溉，为夏玉米播种打好基础，达到一水二用的效果；进入拔节期后夏玉米需水量极大，同时土壤含水率也再次降至田间持水率的60%，因此该阶段不可以减少灌水。
根据作物的日需水量和气象资料，计算得到冬小麦、夏玉米各个生育阶段的需水量、需水比例、降水量等，结果如表1、表2所示。
表1 冬小麦全生育期需水量
表2 夏玉米全生育期需水量
其中，需水比例为作物某一生育期需水量占全生育期需水量的比例，作物的净灌溉需水量等于生育期内作物需水量与有效降水量之差[7-8]。可知，冬小麦全生育期需水量为410 mm，降水量为204.7 mm，净灌溉需水量为205.3 mm；夏玉米全生育期需水量为400 mm，降水量为279.8 mm，净灌溉需水量为120.2 mm。
根据“中国灌溉试验资料数据库”中（1992—2011年）的资料，统计分析得到多年单作时作物产量与耗水量的平均值，并运用插值法进行空间插值，得到式（3）和式（4）。再结合试验田内测得的作物产量和耗水量，采用回归分析可得作物连作的产量与其全生育期耗水量基本也呈二次抛物线关系，得到式（5）。
冬小麦产量与生育期耗水量函数拟合关系：
夏玉米产量与生育期耗水量函数拟合关系：
冬小麦-夏玉米连作模式总产量与总耗水量函数拟合关系：
式中：Y表示作物产量（kg/hm2）；ET表示作物耗水量（mm）。
3种种植模式具体的拟合函数曲线如图3所示。
图3 冬小麦、夏玉米、冬小麦和夏玉米连作总产量与生育期耗水量函数关系
在冬小麦、夏玉米单作时，在生育期耗水量分别为410 mm和400 mm时，利用式（3）、式（4）分别求得其产量分别为4 655 kg/hm2和6 650 kg/hm2，总产量为11 305 kg/hm2。而在冬小麦-夏玉米连作模式下，全年作物耗水量为810 mm，利用式（5）求得总产量为12 010 kg/hm2，产量相对于单作增加了6.2%。而连作模式下灌水量共410 mm，相对于单作减少灌水量70 mm，节水14.5%，较明显地提高了水分利用率。
根据前人研究，经济需水量为（c/a）0.5[9]，其中c和a分别为作物产量与耗水量函数关系式中的常数项和二次项系数。将式（3）、式（4）、式（5）中对应的参数带入，得冬小麦、夏玉米和冬小麦-夏玉米连作的经济耗水量分别是419.6、420.0和812 mm。确定经济耗水量后，可确定作物的经济灌溉定额，即：式中：Me为作物经济灌溉定额（mm）；ETcmi为作物经济耗水总量（mm）；Pe为作物生育期内有效降水量（mm）；We为冬小麦生育期对土壤储水的利用量（mm）。
将冬小麦、夏玉米单作的经济耗水量相加，可得作物单作经济需水总量，即ETcmi为839.6 mm；根据气象统计资料可知，冬小麦和夏玉米全生育期内的降雨量分别是204.7 mm和279.8 mm，二者相加可得Pe为484.5 mm；试验区的We约是20 mm。可计算得出，冬小麦、夏玉米单作种植期间的经济灌溉定额约为335 mm，而连作模式下的经济灌溉定额约为305 mm，相对于单作种植能节水约8.9%。
冬小麦、夏玉米连作全生育期内总灌水量为410 mm，当地农民普遍采用的充分灌溉制度总灌水量为480 mm。其中产量为对试验田10块小区进行测产后得到的平均亩产量，2种灌溉制度设置见表3。
表3 冬小麦-夏玉米连作节水高效灌溉制度与充分灌溉制度的对比
由表3可以看出，将冬小麦的灌浆期到成熟期灌水作为夏玉米的播种水，灌水量节约70 mm。夏玉米生长初期温度不高，需水量较小且生长主要集中在根系部分，减少灌水迫使夏玉米更多地利用土壤水，促进了其根系的发展，也为后期地上部分的生长贮存了水分，这样在保证产量的基础上将夏玉米的水分生产率提高了24.4%，从而在一定程度上达到了节水增产的效果。
综合考虑连作条件下作物各生育期的需水量及降雨量，平水年条件下，泾惠渠灌区冬小麦、夏玉米连作种植节水高效灌溉制度如表4所示。具体的灌溉日期可依据实际情况在表4给定建议日期的前后2～3 d。
表4 平水年中冬小麦-夏玉米连作节水高效灌溉制度
1）在完全自然的条件下排除人为干扰，结合作物需水量和降雨量进行分析得知，冬小麦抽穗期需水量较小，仅为75.6 mm，可推迟抽穗期灌水直至灌浆期，以达到和连作的夏玉米一水二用，这与已有研究结果[10]“冬小麦需水关键期为拔节期和抽穗期，非充分灌溉制度下要保证这2个阶段的灌溉需求”有所不同，这可能与具体试验地点的气象因素相关，试验期恰逢关中地区在抽穗期内温度较低且自然降水较多。分析知夏玉米需水关键期为播种后50～80 d，即拔节和灌浆期，此阶段的需水模系数为58%，保证此阶段灌水的同时可在需水量较小的播种期减少1次灌水，这与研究[11-12]认为的“夏玉米拔节期之前适当的水分亏缺，提高其抗倒伏能力的同时不会造成减产”相同。可见将有限的灌溉水源分配到作物的需水关键期内，对作物增产增收意义重大。
2）冬小麦、夏玉米各自的产量与其耗水量呈二次函数关系[13-14]。通过拟合得到冬小麦-夏玉米的总产量与全生育期的总耗水量也呈二次抛物线关系，并利用所得到的关系式计算出冬小麦-夏玉米连作的经济需水量为812 mm，在此基础上，进一步得出2种作物连作种植条件下的经济灌水量为305 mm，相对于单作种植能节水约8.9%。
3）连作种植模式下一水二用，对节约灌溉水源很有必要[15]。将冬小麦的灌浆水作为夏玉米的播种水，不仅减少了14.6%的总体灌水量，而且提高了作物水分生产率，作物的总产量提高了达到12 010 kg/hm2，增幅为6.2%，在一定程度上达到了节水增产的效果。
综合分析产量和经济灌水量，将冬小麦抽穗期和夏玉米播种期的2次灌水合并为在冬小麦灌浆期1次灌水，可在保证产量的基础上有效提高水分利用效率并节约灌水费用，是更为优化的连作灌水模式。
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Water Requirement and Irrigation Schedule of Winter Wheat and Summer Maize in Jinghuiqu Irrigation District
SONG Tong,CAI Huanjie,XU Jiatun
(Key Laboratory ofAgricultural Soil and Water Engineering inAridArea，NorthwestA&F University，Yangling 712100，China)
Abstract:In order to seek efficient water-saving irrigation mode under continuous wheat-maize cropping system,field plot trials during continuous cropping patterns were used,by reducing irrigation frequency,the average yield under traditional irrigation system was subjected to comparative.The results indicated that approximate water requirement of winter wheat and summer maize in Jinghuiqu was 410 mm and 400 mm.When the rainfall was 490 mm,planting economic irrigation quota was 305 mm in the whole year,and irrigation volume could be reduced by 8.9%.Under the continuous wheat-maize cropping system,the whole crop yield was 12 010 kg/hm2,increased by 6.2%compared with monoculture.By reducing irrigation in wheat returning green stage and maize sowing stage,water use efficiency could be improved on the basis of yield,which was the better continuous irrigation mode.
Key words:winter wheat;summer maize;water requirement;yield;irrigation quota
中图分类号：S274.1
文献标志码：A
doi：10.13522/j.cnki.ggps.2017.01.009
责任编辑：陆红飞
宋同，蔡焕杰，徐家屯.泾惠渠灌区冬小麦夏玉米连作需水量及灌水模式研究[J].灌溉排水学报，2017，36（1）：52-56,84．
收稿日期：2015-09-29
基金项目：“十二五”国家科技支撑计划项目（2011BAD29B01）；国家自然科学基金项目（51179162）；高等学校学科创新引智计划项目（B12007）
作者简介：宋同（1991-），男，山东济宁人。硕士研究生，主要从事节水灌溉理论与技术研究。E-mail：18789494846@163.com
通信作者：蔡焕杰（1962-），男，河北藁城人。教授，博士生导师，主要从事农业节水与水资源高效利用研究。E-mail：caihj@nwsuaf.edu.cn
文章编号：1672-3317(2017)01-0052-06