寒地稻作不同節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，系統分析了灌溉站30年的試驗資料，結合同時期降雨數據，分別對有無蓄雨要求的幾種灌溉模式進行了理論分析。結果表明，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準能夠對降雨利用率產生較大影響。

關鍵詞寒地稻作；水分利用效率；灌溉模式；降雨利用率

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

據統計，2014年黑龍江省水稻種植面積達343.4萬hm2，年用水量300多億m3，水稻生產用水量占農業生產用水總量97%。可見，發展水稻節水新技術對水資源利用具有十分重要的現實意義。水稻節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。關于有效降雨量的定義，水文學與農田水利學中給出了不同的定義。根據水文學的定義，有效降雨量是指能夠產生徑流的雨量，而根據農田水利學上的定義，其是指能夠為作物生長提供水分的雨量[2]。對于有效降雨量的精確計算是計算降雨利用率的基本前提，可以直接為灌區規劃設計、運行管理等工作服務，在優化配置區域水資源過程中具有重要的作用[3-4]。

有效降雨量的計算方法有國內專家學者通常采用的經驗系數法和國外常見的Hershfield、USDA-SCS[5]、SWBM等。經驗系數法根據統計學原理，在試驗站長期觀察數據的基礎上，統計出有效降雨量與降雨量的比值，作為該地區降雨利用率系數。一般認為，當降雨量>50 mm時，屬于有效降雨，系數取0.7～0.8；當降雨量為5～50 mm時，屬于有效降雨，系數在0.8～1.0；當降雨量<5 mm時，該次降雨是無效降雨，對于農作物水分供應無效[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站30年的試驗數據為依據，根據土壤水量平衡理論，采用FAO56PM公式計算作物騰發量，對控制灌溉、間歇灌溉、濕潤灌溉和常規灌溉4種灌溉模式的天然降水利用率逐一進行分析，得到各自的降雨利用率；同時，通過盆栽對比試驗實測每種模式的降雨利用率，以期為合理開發利用水資源提供理論依據。

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共享服務平臺提供，水稻灌溉試驗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、土壤水分變化及深層滲透等。據此，可寫出Δt時間段內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為騰發量，DP為深層滲漏量。其中，R根據氣象資料可以查獲；I該部分很少，可以忽略；DP基本為一常數；Q為超出灌溉標準后的排水量；ET可由氣象資料計算得到；ΔV是未知量[2]。根據降雨量、徑流量與滲漏量，可以得到有效降雨量。計算的關鍵是作物騰發量ET。筆者采用FAO56PM公式[8-9]進行騰發量計算。

1.3FAO56 PenmanMonteith公式需水量數學模型眾多研究者經過研究發現不論在干旱還是在濕潤地區，PenmanMonteith公式均是最準確的一種計算方法[10-12]。1990年，FAO在意大利召開的蒸發蒸騰量計算專題國際會議推薦用PenmanMonteith公式計算參考作物蒸發蒸騰量。1998年，FAO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為應用PenmanMonteith公式計算的參考作物蒸發蒸騰量，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，kPa/℃；u2為2 m高處風速，m/s；es為飽和水汽壓，kPa；ea為實際水汽壓，kPa。FAO56 PenmanMonteith公式基本方程表明，ET0的計算共需8個參數。實際上，FAO56 Penman-Monteith公式參數的計算過程表明，對于固定地點，計算所需的氣象數據主要有最高氣溫、最低氣溫、相對濕度、風速和日照時數5個參數。溫度、濕度、風速和日照時數均是常規的氣象資料，容易獲取。采用FAO推薦的參考作物系數法計算作物需水量，其計算公式為：ET=kcET0，式中，kc為作物系數，視作物類型而定。

1.4盆栽對比試驗項目試驗區在黑龍江水稻灌溉試驗中心站進行，地理坐標125°44′E、45°63′N，屬于典型的寒地黑土分布區。試驗采用控制灌溉、間歇灌溉、濕潤灌溉3種節水灌溉模式，以常規淹灌為對照，4個處理，3次重復。試驗小區面積100 m2，共12個小區，四周加設保護行，其間種植作物為水稻。小區與小區之間采用塑料板與水泥埂作為隔滲材料（埋入地下40 cm），防止發生側向滲漏。另設桶栽試驗與小區試驗相配合，各設4個處理，每個處理6次重復，分為設置遮雨棚桶栽與不設置遮雨棚桶栽。測桶采用圓柱形塑料桶，規格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。設置遮雨棚的桶栽試驗，其需水量E1全部由灌溉水IR1提供，不設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充的水量，等同于有效雨量ER。根據同期降雨數據可獲得實際降雨量R，從而得到不同灌溉模式的天然降水利用率。

小區試驗及桶栽試驗采用相同的施肥標準。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準如表1所示。試驗時，當測得土壤水分達到下限標準，立即進行灌溉，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。項目區大田表層土壤20 cm以內的體積飽和含水率54.72%。供試品種為北方綠洲本田生育期108 d。