寒地稻作不同節(jié)水灌溉模式降雨利用率潛力分析

戚穎　趙雨森　王斌　朱士江

摘要為研究不同灌溉模式降雨利用潛力，以寒地稻作為研究對象，系統(tǒng)分析了灌溉站30年的試驗(yàn)資料，結(jié)合同時期降雨數(shù)據(jù)，分別對有無蓄雨要求的幾種灌溉模式進(jìn)行了理論分析。結(jié)果表明，無蓄雨要求時，控制灌溉降雨利用率最低，間歇灌溉較低，常規(guī)灌溉較高，而濕潤灌溉最高；在相同的蓄雨條件下，控制灌溉降雨利用率最高，濕潤灌溉居次，間灌第三，常規(guī)灌溉最低。由此可見，控制灌溉的降雨利用潛力最大，其他灌溉模式低于控灌；不同的灌排及蓄雨標(biāo)準(zhǔn)能夠?qū)涤昀寐十a(chǎn)生較大影響。

關(guān)鍵詞寒地稻作；水分利用效率；灌溉模式；降雨利用率

中圖分類號S511文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2014）22-07526-03

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2014年黑龍江省水稻種植面積達(dá)343.4萬hm2，年用水量300多億m3，水稻生產(chǎn)用水量占農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水總量97%。可見，發(fā)展水稻節(jié)水新技術(shù)對水資源利用具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。水稻節(jié)水灌溉的前提是充分利用降雨[1]。降雨利用率是指有效降雨量在天然降雨量中所占的比重。關(guān)于有效降雨量的定義，水文學(xué)與農(nóng)田水利學(xué)中給出了不同的定義。根據(jù)水文學(xué)的定義，有效降雨量是指能夠產(chǎn)生徑流的雨量，而根據(jù)農(nóng)田水利學(xué)上的定義，其是指能夠?yàn)樽魑锷L提供水分的雨量[2]。對于有效降雨量的精確計(jì)算是計(jì)算降雨利用率的基本前提，可以直接為灌區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理等工作服務(wù)，在優(yōu)化配置區(qū)域水資源過程中具有重要的作用[3-4]。

有效降雨量的計(jì)算方法有國內(nèi)專家學(xué)者通常采用的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法和國外常見的Hershfield、USDA-SCS[5]、SWBM等。經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，在試驗(yàn)站長期觀察數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)出有效降雨量與降雨量的比值，作為該地區(qū)降雨利用率系數(shù)。一般認(rèn)為，當(dāng)降雨量>50 mm時，屬于有效降雨，系數(shù)取0.7～0.8；當(dāng)降雨量為5～50 mm時，屬于有效降雨，系數(shù)在0.8～1.0；當(dāng)降雨量<5 mm時，該次降雨是無效降雨，對于農(nóng)作物水分供應(yīng)無效[6]。通常作物有效降雨量的大小受植物截留、滲透、排水等因素影響，對于水稻而言，還會受到不同灌溉模式的制約，不同的灌溉模式，其水分管理要求不同，從而影響到天然降雨的有效利用率[7]。筆者以黑龍江省水稻灌溉試驗(yàn)站30年的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，根據(jù)土壤水量平衡理論，采用FAO56PM公式計(jì)算作物騰發(fā)量，對控制灌溉、間歇灌溉、濕潤灌溉和常規(guī)灌溉4種灌溉模式的天然降水利用率逐一進(jìn)行分析，得到各自的降雨利用率；同時，通過盆栽對比試驗(yàn)實(shí)測每種模式的降雨利用率，以期為合理開發(fā)利用水資源提供理論依據(jù)。

1資料與方法

1.1資料選取文中所涉及的30年（1978～2008年）的氣象資料由中國氣象科學(xué)共享服務(wù)平臺提供，水稻灌溉試驗(yàn)資料由黑龍江省水稻灌溉站提供。

1.2土壤水量平衡 SWBM是對農(nóng)田水文過程的簡化模擬，主要因素有降雨、灌溉、滲透、排水、蒸發(fā)、土壤水分變化及深層滲透等。據(jù)此，可寫出Δt時間段內(nèi)的土壤含水量變化公式：ΔV=R+IR-（I+Q+ET+DP），式中，ΔV為土壤含水量的變化量，R為降雨量，IR為灌溉量，I為植物截留水量，Q為徑流量，ET為騰發(fā)量，DP為深層滲漏量。其中，R根據(jù)氣象資料可以查獲；I該部分很少，可以忽略；DP基本為一常數(shù)；Q為超出灌溉標(biāo)準(zhǔn)后的排水量；ET可由氣象資料計(jì)算得到；ΔV是未知量[2]。根據(jù)降雨量、徑流量與滲漏量，可以得到有效降雨量。計(jì)算的關(guān)鍵是作物騰發(fā)量ET。筆者采用FAO56PM公式[8-9]進(jìn)行騰發(fā)量計(jì)算。

1.3FAO56 PenmanMonteith公式需水量數(shù)學(xué)模型眾多研究者經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)不論在干旱還是在濕潤地區(qū)，PenmanMonteith公式均是最準(zhǔn)確的一種計(jì)算方法[10-12]。1990年，F(xiàn)AO在意大利召開的蒸發(fā)蒸騰量計(jì)算專題國際會議推薦用PenmanMonteith公式計(jì)算參考作物蒸發(fā)蒸騰量。1998年，F(xiàn)AO給出了PenmanMonteith公式的最新修正式，以下簡稱FAO56 PenmanMonteith公式[8-9]。FAO56 PenmanMonteith公式基本方程為：ET0=0.408Δ（Rn-G）+γ9001T+273u2（es-ea）1Δ+γ（1+0.34u2），式中，ET0為應(yīng)用PenmanMonteith公式計(jì)算的參考作物蒸發(fā)蒸騰量，mm/d；T為2 m高處平均氣溫，℃；Δ為溫度-飽和水汽壓關(guān)系曲線在T處的斜率，kPa/℃；Rn為作物表面凈輻射，MJ/（m2·d）；G為土壤熱通量，MJ/（m2·d）；γ為濕度表常數(shù)，kPa/℃；u2為2 m高處風(fēng)速，m/s；es為飽和水汽壓，kPa；ea為實(shí)際水汽壓，kPa。FAO56 PenmanMonteith公式基本方程表明，ET0的計(jì)算共需8個參數(shù)。實(shí)際上，F(xiàn)AO56 Penman-Monteith公式參數(shù)的計(jì)算過程表明，對于固定地點(diǎn)，計(jì)算所需的氣象數(shù)據(jù)主要有最高氣溫、最低氣溫、相對濕度、風(fēng)速和日照時數(shù)5個參數(shù)。溫度、濕度、風(fēng)速和日照時數(shù)均是常規(guī)的氣象資料，容易獲取。采用FAO推薦的參考作物系數(shù)法計(jì)算作物需水量，其計(jì)算公式為：ET=kcET0，式中，kc為作物系數(shù)，視作物類型而定。

1.4盆栽對比試驗(yàn)項(xiàng)目試驗(yàn)區(qū)在黑龍江水稻灌溉試驗(yàn)中心站進(jìn)行，地理坐標(biāo)125°44′E、45°63′N，屬于典型的寒地黑土分布區(qū)。試驗(yàn)采用控制灌溉、間歇灌溉、濕潤灌溉3種節(jié)水灌溉模式，以常規(guī)淹灌為對照，4個處理，3次重復(fù)。試驗(yàn)小區(qū)面積100 m2，共12個小區(qū)，四周加設(shè)保護(hù)行，其間種植作物為水稻。小區(qū)與小區(qū)之間采用塑料板與水泥埂作為隔滲材料（埋入地下40 cm），防止發(fā)生側(cè)向滲漏。另設(shè)桶栽試驗(yàn)與小區(qū)試驗(yàn)相配合，各設(shè)4個處理，每個處理6次重復(fù)，分為設(shè)置遮雨棚桶栽與不設(shè)置遮雨棚桶栽。測桶采用圓柱形塑料桶，規(guī)格50 cm，直徑52 cm，面積約0.2 m2。測桶擺放在周圍為水田的空地上，形成與大田相似的田間小氣候。設(shè)置遮雨棚的桶栽試驗(yàn)，其需水量E1全部由灌溉水IR1提供，不設(shè)遮雨棚的盆栽水稻其需水量E2由灌溉水IR2和有效降雨量ER組成。試驗(yàn)中，遮雨棚的盆栽水稻需水量E1，即灌溉水量IR1可直接測得，不設(shè)遮雨棚的盆栽水稻其灌溉水量IR2可直接測得，二者之差，即（IR1-IR2）為由于遮雨棚的遮雨作用而額外補(bǔ)充的水量，等同于有效雨量ER。根據(jù)同期降雨數(shù)據(jù)可獲得實(shí)際降雨量R，從而得到不同灌溉模式的天然降水利用率。

小區(qū)試驗(yàn)及桶栽試驗(yàn)采用相同的施肥標(biāo)準(zhǔn)。基肥，氮72 kg/hm2、磷72 kg/hm2、鉀104 kg/hm2；分蘗肥僅施氮肥54 kg/hm2；穗肥，氮36 kg/hm2、磷18 kg/hm2、鉀26 kg/hm2；粒肥僅施氮肥18 kg/hm2。其中，不同灌溉模式的水分管理標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。試驗(yàn)時，當(dāng)測得土壤水分達(dá)到下限標(biāo)準(zhǔn)，立即進(jìn)行灌溉，且只灌水至上限。此時可利用鋼尺讀出田間水層厚度。期間遇到降雨，必須進(jìn)行加測。在無水層情況下，可利用土壤水分測定儀測定土壤水分。項(xiàng)目區(qū)大田表層土壤20 cm以內(nèi)的體積飽和含水率54.72%。供試品種為北方綠洲本田生育期108 d。