不同年型控灌中蓄稻田水分變化特征分析研究

張 璞劉增進(jìn)任 亮

(1.華北水利水電大學(xué)，河南鄭州 450011；2.水利部綜合事業(yè)局，北京 100053)

不同年型控灌中蓄稻田水分變化特征分析研究

張 璞1劉增進(jìn)1任 亮2

(1.華北水利水電大學(xué)，河南鄭州 450011；2.水利部綜合事業(yè)局，北京 100053)

控灌中蓄是在控制灌溉(排水)技術(shù)和蓄雨型節(jié)水灌溉技術(shù)的基礎(chǔ)上，依據(jù)南方地區(qū)稻植期雨量多而發(fā)展起來的一種節(jié)水灌溉制度。本文從不同年型稻田各水分要素在田間的分布和變化情況入手，通過比較控灌中蓄和常規(guī)灌溉模式下有效降雨量、灌溉用水量、水稻需水量、田間耗水量、稻田排水量之間的差異，掌握不同年型水稻生育期田間水分分布和變化規(guī)律。通過對水稻不同年型田間灌溉以及對降雨的利用情況進(jìn)行分析，比較水稻控灌中蓄和常規(guī)灌排模式下水稻需水量之間的差異，探索水分利用效率之間差異的根源，闡明控灌中蓄生態(tài)節(jié)水灌溉模式的節(jié)水機(jī)理，旨在為節(jié)水灌溉技術(shù)下土壤水分管理和調(diào)控提供依據(jù)。

控灌中蓄；稻田水分；特征；分析

1 概 述

控灌中蓄是在控制灌溉（排水）技術(shù)和蓄雨型節(jié)水灌溉技術(shù)的基礎(chǔ)上，依據(jù)南方地區(qū)稻植期雨量多而發(fā)展起來的一種節(jié)水灌溉制度。該模式根據(jù)水稻各生育期需水特點(diǎn)，以稻田蓄水水層和根層土壤含水率作為灌排控制指標(biāo)，確定灌（排）水時間和灌（排）水定額。灌水時土壤水分控制上限為飽和含水率，下限則視水稻不同生育階段，分別取土壤飽和含水率的60%～80%。若有降雨，視水稻生育階段的不同，蓄雨上限分別取50～70mm，最大限度地提高降雨的有效利用率，從而達(dá)到節(jié)約灌溉用水的目的。

本文從不同年型稻田各水分要素在田間的分布和變化情況入手，通過比較控灌中蓄和常規(guī)灌溉模式下有效降雨量、灌溉用水量、水稻需水量、田間耗水量、稻田排水量之間的差異，明確各相關(guān)水量要素在農(nóng)田水分中所占比例，掌握不同年型水稻生育期田間水分分布和變化規(guī)律。通過對水稻不同年型田間灌溉以及對降雨的利用情況進(jìn)行分析，比較水稻控灌中蓄和常規(guī)灌排模式下水稻需水量之間的差異，并探索水分利用效率之間差異的根源，進(jìn)而闡明控灌中蓄生態(tài)節(jié)水灌溉模式的節(jié)水機(jī)理，旨在為節(jié)水灌溉技術(shù)下土壤水分管理和調(diào)控提供依據(jù)。

2 試驗(yàn)區(qū)概況

田間試驗(yàn)區(qū)位于南京江寧區(qū)橫溪鎮(zhèn)丘陵地區(qū)，該區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)濕潤區(qū)，日照充沛，全年平均蒸發(fā)量1473mm，年平均降雨天數(shù)117天，年平均降雨量1106.50mm，主要集中于6月下旬至7月上旬的梅雨季節(jié)。年平均氣溫15.7℃，平均最大濕度81%，最大風(fēng)速19.8m/s，無霜期237天。

試驗(yàn)區(qū)土壤是黃棕壤，質(zhì)地黏重。取稻田0～60cm土壤分析土壤理化性質(zhì)，結(jié)果如下：pH值5.87，有機(jī)質(zhì)含量21.7g/kg，土壤容重1.35g/cm3，土壤田間持水率28.0%（重量含水率），飽和土壤含水率53.0%（重量含水率），總氮含量1.3g/kg，堿解氮含量86.5mg/kg，總磷含量0.36g/kg，速效磷含量25.3mg/kg。

3 試驗(yàn)設(shè)計

田間試驗(yàn)在水稻品種、育秧、移栽、密度、植保、用肥等技術(shù)措施以及基礎(chǔ)地力相同的條件下，設(shè)計常規(guī)淹灌（CVI）和控灌中蓄（CMI）2種不同的灌排制度為主處理（田間水分控制指標(biāo)見表1），設(shè)有機(jī)無機(jī)肥配施（CF）、單施化肥（FO）、無肥處理（NF）3種施肥水平作為副處理，每個處理設(shè)3個重復(fù)，共計18個處理小區(qū)，試區(qū)面積10m2（2m× 5m），四周設(shè)高30cm、寬30cm的磚砌混凝土隔埂，并在試區(qū)的四周向地下鋪設(shè)60cm深的不透水塑料薄膜作為隔離層。各小區(qū)均安裝有60cm直徑蒸滲儀、觀測井（長60cm、寬30cm、深80cm）、豎尺等設(shè)施，用于田間水位監(jiān)測。試驗(yàn)區(qū)安裝水泵，各小區(qū)進(jìn)水方式為明渠灌溉，渠道設(shè)計為矩形，設(shè)計流量為0.02m3/s。通過預(yù)埋在田間的PVC管道（直徑為20cm）進(jìn)行排水，PVC管之后依次接漸縮管、截止閥、水表，每個小區(qū)單獨(dú)設(shè)置水表，對排水進(jìn)行記錄和精確控制。

表1 兩種灌溉制度下水稻各生育階段根層土壤水分控制指標(biāo)

試驗(yàn)種植水稻為臺灣高雄139粳稻，采用大棚育苗、大田插秧移栽方式種植，種植密度80萬苗/hm2。稻田有機(jī)肥和無機(jī)肥配施比例為4∶6?；适┯脧?fù)合肥，總養(yǎng)分不小于45%，三種營養(yǎng)元素比例為N∶P2O5∶K2O=15∶13∶17。追肥施用尿素，氮素含量為42%。有機(jī)肥料選擇雞糞，氮、磷、鉀含量分別為1.8%、1.6%、0.9%，有機(jī)質(zhì)含量為28%（各年度稻田施肥時間與施肥量見表2）。整個水稻生育期統(tǒng)一實(shí)施病蟲害治理、灌水、施肥等農(nóng)藝措施，病蟲害主要防治對象為螟蟲、蚰蟲和稻飛虱。

表2 水稻全生育期農(nóng)藝措施

4 測定項(xiàng)目與方法

4.1 有關(guān)指標(biāo)測定

氣象指標(biāo)：試驗(yàn)區(qū)基礎(chǔ)氣象觀測資料從當(dāng)?shù)刈詣託庀笳精@得，主要指標(biāo)包括風(fēng)速、風(fēng)向、空氣溫度、濕度、降雨量、蒸發(fā)量、太陽輻射、日照時數(shù)等，其數(shù)據(jù)為日值數(shù)據(jù)。

土壤含水率：在水稻各生育階段內(nèi)，各處理小區(qū)稻田根層土壤含水率采用土壤水分速測儀測定，降雨及灌水后加測。

田間水層：當(dāng)由于灌溉或降雨存在田間水層時，通過豎尺測定田間水位，記錄讀數(shù)并計算田間地表水層變化，測定時間為每天10：00左右。降雨及灌水前后加測。

田間滲漏：根據(jù)稻田水量平衡，田間滲漏值通過蒸滲儀水位與田間水位差值獲得。

灌排水量：灌溉水量通過流量與灌溉時間乘積獲得；排水量通過各處理小區(qū)排水開始和結(jié)束時的水表讀數(shù)差獲得。

測產(chǎn)考種：主要測定項(xiàng)目有有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、千粒重、作物產(chǎn)量等，理論產(chǎn)量依據(jù)公式計算，實(shí)際產(chǎn)量按各處理小區(qū)單打單收測算。

4.2 降雨有效利用率

通過式（1），結(jié)合經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)降雨量小于5mm時，r為0；當(dāng)降雨量介于5～50mm時，r為1；當(dāng)降雨量大于50mm時，r為0.7；分別計算各降雨水平下的田間有效降雨量，各階段有效降雨量之和為生育期內(nèi)總有效降雨量。稻田有效降雨量與總降雨量之比為降雨利用率（RUE）。

式中 Re——有效降雨量，mm；

R——天然降雨量，mm；

r——降雨有效利用系數(shù)。

4.3 灌溉水分利用效率

灌溉水分利用效率（WUEi）指總灌溉水量所產(chǎn)生的效率，由式（2）計算：

式中 Y——水稻實(shí)際產(chǎn)量，kg/hm2；

Ei——總灌溉水量，m3/hm2。

4.4 作物水分利用效率

作物水分利用效率（WUE）指由總灌溉水量和有效降雨量所產(chǎn)生的效率，按式（3）計算：

式中 Y——水稻實(shí)際產(chǎn)量，kg/hm2；

E——總供水量，m3hm2。

4.5 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)整理通過Microsoft Excel 2015完成，相關(guān)統(tǒng)計分析采用SPSS19.0軟件進(jìn)行。

5 結(jié)果分析

5.1 不同年型水稻全生育期降雨量和灌溉用水量分析

通過對不同年型水稻各生育期降雨量和灌水量（見表3）比較分析發(fā)現(xiàn)，2013年和2015年水稻全生育期降雨總量分別為488mm和463mm，遠(yuǎn)低于2014年降雨量778mm。2013年降雨主要集中在水稻分蘗期和拔節(jié)孕穗期，二者降雨總量為388mm，占生育期總降雨量的80%，其中分蘗期降雨最多，占總降雨量的48%，乳熟期則未發(fā)生降雨；2014年各生育期降雨則較為均勻，抽穗開花期和乳熟期降雨量分別占總降雨量的27%和13%；2015年水稻分蘗期降雨量占生育期總降雨量的52%，抽穗開花期降雨量次之，拔節(jié)孕穗期降雨量最小，可見不同年型稻田降雨量在各生育期的差異較大。

表3 不同年型水稻各生育期降雨量和灌水量

通過對不同年型水稻灌溉次數(shù)和灌水量分析發(fā)現(xiàn)，2014年兩種灌溉模式下水稻總灌溉次數(shù)相近，總灌水量差別不大，灌水主要集中在抽穗開花期，控灌中蓄和常規(guī)灌溉模式下該生育階段灌水量分別占總灌水量的41%和42%；而2013年和2015年兩種灌溉模式則相差較大，控灌中蓄分別比常規(guī)灌溉減少灌溉次數(shù)9次和8次，減少灌水量270mm和210mm。控灌中蓄分別比常規(guī)灌溉總灌水量減少47%和43%，且在分蘗期和拔節(jié)孕穗期呈顯著性差異，這主要是因?yàn)榇藭r水稻處于營養(yǎng)生長旺盛階段，對水分的需求敏感。2013年兩種灌溉模式均在水稻分蘗期灌水量最大，分別占生育全期灌水量的30%和37%；2015年控灌中蓄模式下最大灌水量在拔節(jié)孕穗期，占總灌水量的36%，分蘗期次之，而常規(guī)灌溉模式下最大灌水量在分蘗期，占總灌水量的37%，拔節(jié)孕穗期次之。整體來看，2013年水稻分蘗期和拔節(jié)孕穗期灌水量較大，控灌中蓄和常規(guī)灌溉模式下兩個生育期灌水量總和分別占全年灌水量的50%和63%；2014年灌水量最大在抽穗開花期，控灌中蓄和常規(guī)灌溉模式下灌水量分別占全生育期灌水量的41%和42%；2015年和2013年相似，同樣在水稻分蘗期和拔節(jié)孕穗期灌水量較大，控灌中蓄和常規(guī)灌溉模式下兩個生育階段總灌水量分別占全生育期灌水量的64%和67%。由此可見，不同年份水稻灌水量不同，灌水量在各生育階段內(nèi)的分布有一定差異，這可能與當(dāng)年降雨分布有一定關(guān)系。

5.2 不同年型水稻需水量分析

水稻需水量即騰發(fā)量，是植株蒸騰和棵間蒸發(fā)之和。2013年和2015年水稻抽穗開花期需水量最大，拔節(jié)孕穗期需水量次之；控灌中蓄模式下需水量分別占全生育期的31%和30%，常規(guī)灌溉模式下均占全生育期的33%；2014年除返青期和乳熟期需水量較小外，其余生育階段水稻需水量相差不大，其中拔節(jié)孕穗期水稻需水量最大，控灌中蓄和常規(guī)灌溉分別占生育全期總需水量的29%和31%。2013年、2014年、2015年控灌中蓄模式下水稻全生育期需水量分別比常規(guī)灌溉低127mm、61mm、77mm，即16%、9%、10%（見表4）。控灌中蓄模式下水稻需水量有不同程度減少，在水分脅迫的同時加強(qiáng)了對降雨利用，使水稻處于脅迫與非脅迫交替狀態(tài)，有利于根系生長，同時抑制了植株無效分蘗的形成，而這種差異主要體現(xiàn)在生育后期。

表4 不同年型水稻各生育期需水量和日需水強(qiáng)度

分析水稻各生育階段日需水強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)，2013年整個生育期抽穗開花期最大，拔節(jié)孕穗期次之，返青期最小，其中控灌中蓄模式下最大日需水強(qiáng)度比常規(guī)灌溉模式下低2.33mm/d；2014年和2015年控灌中蓄模式下全生育期水稻日需水強(qiáng)度分別比常規(guī)灌溉模式下低9%和10%，水稻拔節(jié)孕穗期日需水強(qiáng)度最大，分蘗期次之，乳熟期需水強(qiáng)度最小，且控灌中蓄模式下最大日需水強(qiáng)度分別比常規(guī)灌溉模式下低0.86mm/d和1.0mm/d。

5.3 不同年型水稻田間耗水量分析

分析不同灌溉模式下水稻各生育階段騰發(fā)量變化發(fā)現(xiàn)，返青期時由于氣溫較低，水稻植株較小，棵間蒸發(fā)和植株蒸騰較小，此時兩種灌溉模式稻田土壤水均為飽和狀態(tài)，田間滲漏相差不大，水稻騰發(fā)量和耗水量均為整個生育周期內(nèi)最小；分蘗前期為水稻生長關(guān)鍵時期，植株需水量逐漸增大，伴隨氣溫的升高，耗水量也逐漸增大，至分孽后期由于曬田等因素，稻田水分減少，騰發(fā)量略有下降，而滲漏量則明顯下降；拔節(jié)孕穗期進(jìn)入水稻的生殖生長時期，同時太陽輻射和氣溫達(dá)到整個生育期內(nèi)最好狀態(tài)，此時植株蒸騰和耗水更大，至抽穗開花期達(dá)到最大；此后乳熟期時由于水稻植株生長的減慢及氣溫的降低，騰發(fā)量和耗水量降至較低水平，而隨著灌溉水量的減少，田間滲漏量也下降（見表5）。

表5 不同年型水稻各生育期騰發(fā)量和耗水量單位：mm

2013年水稻全生育期內(nèi)騰發(fā)量控灌中蓄比常規(guī)灌溉模式下減少16%，灌溉模式對生育全期總騰發(fā)量的影響顯著；2014年控灌中蓄處理下水稻全生育期內(nèi)騰發(fā)量比常規(guī)灌溉模式下減少9%，耗水量變化趨勢與騰發(fā)量一致，控灌中蓄處理下水稻耗水量比常規(guī)灌溉處理減少10%；2015年灌溉模式對騰發(fā)量和耗水量的影響均顯著，控灌中蓄處理下水稻騰發(fā)量比常規(guī)灌溉模式下減少10%，控灌中蓄處理下水稻耗水量減少11%，因此，控灌中蓄處理能夠有效利用降雨，減少騰發(fā)量和耗水量，減少田間滲漏，提高水分利用效率。

5.4 不同年型稻田排水量分析

2014年由于降雨較多，稻田排水量和排水次數(shù)明顯高于2013年和2015年；2014年常規(guī)灌溉與控灌中蓄排水次數(shù)分別為3次和4次，2013年和2015年兩種灌溉模式下均發(fā)生兩次排水；2013年、2014年、2015年控灌中蓄比常規(guī)灌溉分別減少排水量19%、33%和31%（見表6）。

表6 不同年型稻田排水量單位：mm

續(xù)表

由表6可知，田間排水主要發(fā)生于返青期、拔節(jié)孕穗期和抽穗開花期，不同年型排水量和排水次數(shù)略有差異，這與當(dāng)年降雨分布和土壤水分調(diào)控有一定內(nèi)在聯(lián)系。對比發(fā)現(xiàn)，不同年份常規(guī)灌溉模式下排水量均高于控灌中蓄模式下稻田排水量，因此，在相同的降雨條件下，控灌中蓄能夠存蓄較多雨水，在較低灌水量的條件下保證水稻生長需要，提高降雨利用率。同時考慮到稻田排水給環(huán)境帶來的影響，控灌中蓄節(jié)水灌溉模式能有效減少稻田污染物的排出，具有較好的生態(tài)環(huán)境效益。

5.5 控灌中蓄條件下稻田水分利用效率

控灌中蓄較常規(guī)灌溉降雨利用率有大幅度提高，2013年、2014年和2015年分別提高2.6倍、3.5倍和1.7倍，這種降雨利用率的提高主要通過增加田間蓄雨量、減少稻田滲漏量和田間地表徑流量來實(shí)現(xiàn)?？毓嘀行畹咎镉行Ы涤炅糠謩e比常規(guī)灌溉高155.5%、247.9%、67.8%（見表7）?？毓嘀行罟喔人掷眯瘦^常規(guī)灌溉均有較大幅度提高，其中2013年和2015年控灌中蓄模式下灌溉水分利用效率約為常規(guī)灌溉模式下的2倍，灌溉模式對灌溉水分利用效率的影響顯著。因此，控灌中蓄模式灌溉水的利用效率明顯提高，這種利用率的提高保證了水稻在相對較少灌溉水量的條件下不降低產(chǎn)量。同樣，2013年和2015年控灌中蓄模式下作物水分利用效率分別比常規(guī)灌溉模式高40%和41%，而2014年則低18%，因此，控灌中蓄模式下高效利用水分主要體現(xiàn)在降雨相對不充足的年型。

表7 不同灌溉模式下水分利用效率

6 結(jié) 語

控灌中蓄模式下水稻總灌溉次數(shù)和總灌水量均小于常規(guī)灌溉模式，2014年兩種灌溉模式下差異較小，2013年和2015年差異顯著，具體表現(xiàn)為控灌中蓄分別比常規(guī)灌溉減少灌溉次數(shù)9次和8次，減少灌水量270mm和210mm，在分蘗期和拔節(jié)孕穗期差異顯著。2014年稻田排水量和排水次數(shù)明顯高于2013年和2015年，常規(guī)灌溉與控灌中蓄排水量分別為300mm和200mm，排水次數(shù)分別為3次和4次。其中常規(guī)灌溉模式下排水量均高于控灌中蓄模式下稻田排水量。

［1］ 何生兵，邵孝侯，袁定煒，等.水稻生態(tài)節(jié)水技術(shù)理論研究與探討［J］.江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2006（6）：425-429.

［2］ 何生兵.水稻生態(tài)節(jié)水灌溉模式研究［D］.南京：河海大學(xué)，2007.

［3］ 吳七斤，邵孝侯，邱椏柳，等.水稻三種灌排模式的節(jié)水增產(chǎn)和改善土壤肥力效果比較分析［J］.中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報，2015，36（6）：319-322.

［4］ 郭元裕.農(nóng)田水利學(xué)［M］.3版.北京：中國水利水電出版社，1997：29-33.

Analytical Study on Characteristics of Moisture Changes in Different Types of Paddy Fields with Water-catching and Controllable Irrigation

ZHANG Pu1，LIU Zengjin1，REN Liang2
（1.North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450011，China；2.Bureau of Comprehensive Development Ministry of Water resoureces，Beijing 100053，China）

Water-catching and controllable irrigation is a mechanism on water saving and irrigation evolved in accordance with big raindrop during paddy plantion season in the southern area on the basis of controlling irrigation(drainage) technology and rainfall conservation type water-saving irrigation technique.Starting from distribution and changes of varying moisture elements in different types of paddy fields,this article gets hold of moisture distribution and changing rules during growing period of different paddies by contrasting valid effective rainfall,irrigation water capacity,paddy water demand, field water consumption and discharge volume in paddy fields.By analyzing irrigation on different types of paddy fields and use of raindrops,it compares the difference between water-catching and controllable irrigation and paddy demand water under routine irrigation model,digs into sources giving rise to variation among efficiency of water use and spells out water-saving mechanism of water-catching and controllable irrigation model for the purpose of providing basis for management and control of soil moisture under water-saving irrigation technology.

water-catching and controllable irrigation;moisture in paddy field;traits;analysis

S275

A

1673-8241（2016）12-0057-07

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.12.015