干旱地区小麦灌溉新策略：浪涌沟灌提升产量与用水效率

该研究对比不同灌溉方式对埃及小麦生长、产量和水生产力影响，浪涌沟灌表现最佳。

　　

引言

在全球水资源日益紧张的大背景下，农业用水的高效管理成为当务之急。随着人口快速增长、城市化进程加速、工业不断扩张以及气候变化，水资源变得愈发稀缺。农业作为全球淡水消耗的 “大户”，约占总取水量的 70%，其用水效率直接关系到水资源的可持续性。

在埃及这样的干旱和半干旱地区，农业生产高度依赖尼罗河的灌溉水，水资源短缺严重威胁着粮食安全。传统的地面灌溉方式，因其操作简单、成本低廉，在小麦种植中占据主导地位。然而，这种方式效率较低，高达 50% 的灌溉水会因径流和蒸发而损失，导致作物可利用的水资源减少。

为应对水资源危机，埃及需要在农场外（如改善输水基础设施、优化灌溉水分配）和农场内（改进灌溉方式、采用合适的灌溉技术）进行灌溉技术变革。浪涌沟灌和交替沟灌等创新灌溉技术应运而生，它们能有效提高水分分配效率、减少水资源浪费，为水资源紧张地区提供了经济实用的解决方案。

小麦作为全球重要的粮食作物，对保障粮食和营养安全意义重大。在埃及，小麦是主要的主食，但该国小麦的自给率仅为 34.5%，生产与消费之间存在较大差距。因此，在水资源有限的情况下，提高小麦产量迫在眉睫。

本研究旨在探索干旱条件下小麦生产的可持续水资源管理策略，假设优化灌溉策略能够提升干旱地区的农业生产力和可持续性，通过研究不同灌溉技术对小麦用水效率的影响，为缩小埃及小麦生产差距提供科学依据，助力可持续农业发展。

材料和方法

1. 实验地点：研究在埃及上埃及地区的卢克索省 El-Mattaena 农业研究站开展，实验在 20/21 和 21/22 两个小麦生长季进行。该地区位于北纬 25°42′、东经 32°53′，海拔约 82 米，气候干燥炎热，冬季寒冷，两个生长季的年降雨量均为 0 毫米。实验数据参考附近气象站的参考作物蒸散量（ETo）。
2. 土壤特性：采集研究区域的土壤样本，经过风干、粉碎和过 2 毫米筛处理后，采用标准方法分析其物理和化学性质。结果显示，土壤 pH 值相对稳定，电导率（EC）变化较小，表明土壤盐分适中。但随着土壤深度增加，钠离子（Na?）和氯离子（Cl?）浓度显著上升，存在盐分积累现象；钾离子（K?）、硫酸根离子（SO?2?）浓度相对稳定，钙离子（Ca2?）和镁离子（Mg2?）浓度逐渐增加，碳酸氢根离子（CO?2? + HCO??）有轻微波动。适宜小麦种植的土壤钠吸附比（SAR）一般在 5% 左右。
3. 小麦种子准备：选用埃及政府批准的 MISR2 小麦品种（Triticum aestivum L.），播种前对种子进行严格的表面消毒处理。先将种子浸泡在 5% 的次氯酸钠溶液中，再用 95% 的乙醇冲洗三次，最后用无菌去离子水冲洗三次，以去除消毒剂残留，且种子采集符合相关规定。
4. 实验设计：实验采用完全随机区组设计，设置三个重复，对比传统沟灌（Ti）、浪涌沟灌（Si）和交替沟灌（Ai）三种灌溉方式。实验区域面积约 0.75 英亩（宽 30 米、长 103 米），沟间距 70 厘米，长度 100 米，坡度 1%。每个处理使用连续的三条沟，小区面积为 2.25 米 ×103 米，处理间留 25 厘米的间隔。实验数据从中间沟采集，两侧沟作为缓冲区减少边界效应。
5. 测量指标与计算
   • 耗水量（CWU）：使用螺旋钻在播种、每次灌溉前后及收获时采集土壤样本，测量不同深度（0 - 15、15 - 30、30 - 45、45 - 60 厘米）的土壤体积含水量，通过重量法计算。耗水量计算公式为：CWU = (θ? - θ?) × Bd × ERZ，其中 θ?是灌溉后的土壤含水量，θ?是下次灌溉前的土壤含水量，Bd 是土壤容重（g/cm3），ERZ 是有效根区。
   • 灌溉水量：灌溉水由主水泵经 3 英寸 PVC 管道输送到实验地点，再通过 1.5 英寸 PVC 管道分流到各沟，通过 3/4 英寸阀门控制水流，在 1.5 英寸管道上打孔并安装夹子和塞子控制水流，用安装在管道上的水表测量水量。
   • 小麦生长、产量及产量构成因素：测量小麦生长特性，如 120 天后测量植株高度（从植株基部到完全展开叶片基部的距离，单位为厘米），90 天后测量叶面积指数（LAI），计算公式为：LAI = 叶面积（cm2）/ 土地面积（cm2）。种植 150 天后收获小麦，在每个小区中间取 30 cm2 样本，测量籽粒、秸秆和生物产量（单位为 t/ha）。
   • 水分生产率（WP）和作物水分生产率（CWP）：水分生产率衡量用水的经济或生物学价值，计算公式为：WP = Y/Ir，其中 Y 是产量（kg/ha），Ir 是灌溉水量（m3/ha）；作物水分生产率计算公式为：CWP = 籽粒产量（kg/ha）/ 耗水量（m3/ha）。
   • 作物需水量（ETc）：根据 Allen 等人的方法，通过公式 ETc = ETo × Kc 计算，其中 ETc 是作物需水量（mm），Kc 是作物系数，ETo 是参考作物蒸散量（mm）。
6. 统计分析：使用 Costat 软件进行统计分析，采用方差分析（ANOVA）评估处理间差异，在 5% 显著性水平（P ≤ 0.05）下，使用邓肯多重范围检验判断差异是否显著，当 P > 0.05 时认为差异不显著。

结果

1. 小麦生长特性
   • 植株高度：浪涌沟灌（Si）处理的小麦植株高度在 20/21 季比传统沟灌（Ti）和交替沟灌（Ai）分别增加 1.02% 和 1.08%，21/22 季分别显著增加 1.30% 和 1.98%。
   • 叶面积指数（LAI）：Si 和 Ti 灌溉方式下的 LAI 值在 20/21 季比 Ai 处理分别显著增加 31.1% 和 24.4%，21/22 季分别增加 35.8% 和 19.1%，Si 处理获得最大 LAI 值。
   • 千粒重：Si 和 Ti 处理的千粒重在 20/21 季比单独灌溉处理分别增加 12.95% 和 4.08%（不显著），21/22 季分别显著增加 11.7% 和 5.23%，Si 处理在两个生长季均获得最大千粒重。
   • 籽粒产量：20/21 季小麦平均籽粒产量为 7.38 t/ha，21/22 季为 7.12 t/ha。Si 和 Ti 灌溉处理的籽粒产量在 20/21 季比 Ai 处理分别显著增加 15.8% 和 4.2%，21/22 季分别增加 31.5% 和 12.04%。
   • 秸秆产量和生物产量：Si 处理的秸秆产量在 20/21 季和 21/22 季比 Ti 处理分别显著增加 13.6% 和 25.1%；生物产量在 20/21 季和 21/22 季比 Ti 处理分别显著增加 13.94% 和 26.4%，Si 处理在两个生长季均获得最大秸秆产量和生物产量。
2. 水分关系
   • 灌溉需求和节水率：20/21 季，Ti、Si、Ai 处理的平均灌溉水量分别为 6522、5912.4、5493.6 m3，21/22 季分别为 6427.2、5680.08、5175.12 m3。Ti 处理的灌溉水量最高，Ai 处理最低，Ai 处理的节水率最高，Si 处理次之。
   • 耗水量（CWU）：Ti 处理在 20/21 和 21/22 生长季的小麦耗水量最高，Ai 处理最低，不同灌溉方式间的 CWU 值差异显著。
   • 相关性分析：增加作物产量对提高 CWP 至关重要。产量与 CWP 之间存在密切的线性关系，但产量与 ETc 的关系呈抛物线型。在一定范围内，随着 ETc 增加，作物产量增加，但超过某一阈值后，产量会下降。Ai 处理降低 ETc 的同时，可在维持产量的前提下提高 CWP。

讨论

不同灌溉方式对小麦生长特性、产量和水分生产率有显著影响。浪涌沟灌（Si）在多个方面表现出色，其通过优化土壤水分分布，在关键生长阶段为植株提供充足且均匀的水分，促进了小麦的营养生长，使植株高度增加。良好的水分条件也有利于细胞分裂和扩大，增加了叶面积指数（LAI），进而提高了光合作用效率，为作物生长和产量形成奠定基础。

在籽粒灌浆期，Si 处理能保持更均匀的土壤湿度，对提高千粒重起到关键作用，最终显著提高了籽粒产量。同时，Si 处理下的秸秆产量和生物产量也较高，这得益于其改善的水分分布促进了植物生长和生物量积累。

从水分利用效率来看，Si 处理在节水的同时提高了灌溉水生产率（IWP），相比传统沟灌（Ti），Si 处理在两个生长季分别实现了 9.35% 和 11.62% 的节水，且 WP 值分别增加了 21.05% 和 20%。相关性分析进一步表明，提高作物产量是提升水分利用效率的关键，这凸显了采用 Si 等先进灌溉策略对保障干旱地区小麦可持续生产的重要性。

交替沟灌（Ai）虽然在产量和生长方面不如 Si 处理，但在节水方面表现突出，两个生长季的耗水量显著低于其他处理，节水率达到 15.77 - 19.48%，在水资源极度匮乏的地区，Ai 处理可作为一种重要的节水手段。

传统沟灌（Ti）在本研究中表现较差，水分利用效率和作物水分生产率最低。尽管其应用广泛且基础设施成熟，但在水资源日益紧张的背景下，需要被更高效的灌溉方式所取代。

结论

本研究表明，在埃及上埃及地区水资源有限的条件下，不同灌溉方式对小麦生长、产量、水分利用效率和节水效果影响显著。传统沟灌虽然简单廉价，但水分利用效率低且易导致土壤侵蚀；交替沟灌在小麦生产中具有一定效果，但需要更多的人力和管理投入，其虽产量较低，但节水优势明显，适用于对节水要求极高的地区。

浪涌沟灌则是提升小麦产量和优化水分利用效率的有效方法，能显著促进植物生长、提高籽粒产量，同时优化水利用效率和作物水分生产率，是干旱地区小麦生产较为理想的灌溉方式。不过，在选择灌溉系统时，还需综合考虑当地条件、土壤类型和作物品种等因素，以实现农业生产的可持续发展。