水稻莖稈對稻田凈灌水量測量值的影響

劉德斌，鄒玉田，王小寅

(1.江蘇省沿海水利科學研究所，江蘇 東臺224200； 2.河海大學水利水電學院，南京210098)

稻田凈灌水量與渠首毛灌水量是首尾法測算灌溉水有效利用系數(Irrigation water utilization efficiency，IWUE)的2個重要參數，其測量的準確與否將直接關系到IWUE值的測算精度[1]。針對渠首毛灌水量的量測，國內已有大量學者做了相關的研究工作[2-4]，提出了一些簡便的方法，而田間凈灌水量的測量，目前主要采用《全國農田灌溉水有效利用系數測算分析技術指導細則》(以下簡稱《細則》)中的直接量測法和觀測分析法2種測算方法獲得。直接量測法是依據灌溉前后田間計劃濕潤層中土壤含水率變化，結合灌溉后田面水深計算出稻田凈灌水量，此方法對試驗條件要求較低，但操作過程繁瑣，且田面水深的測算易受水稻莖稈影響；觀測分析法是采用先進水量計量設備在進水口處實測，利用田間進出水量差值計算出稻田凈灌水量，其操作較為簡單，但因參與IWUE測算的樣點田塊數量眾多且分布零散，部分落后地區目前尚未配備先進量水設施，使用時受到一定限制。因此，有必要開展相關研究，將2種稻田凈灌水量測算方法各自的優點結合起來，以提升凈灌水量的測算精度和測算效率。

本文通過小區試驗的方法，對比直接量測法與觀測分析法所得凈灌水量間的差異，并分析其產生的原因，為稻田凈灌水量的快速準確測算提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試區概況

試驗區選址在江蘇省沿海墾區灌溉試驗站的試驗田內進行，地理坐標：東經120°21′37.17″，北緯32°48′29.61″。多年平均氣溫14.5 ℃，降水量1 075.8 mm，無霜期天數220 d。試驗地水稻種植史較長，其田間犁底層深度為30～35 cm。試驗區土壤為沙壤土，具體理化性狀見表1。

表1 試驗區土壤(0～35 cm)理化性狀

1.2 試驗設計

試驗區面積0.3 hm2,內設4個試驗小區(單行排布)，面積均為60.0 m2(10.0 m ×6.0 m)。試驗前將小區內表土整平，為防止相鄰小區間灌水時側滲串流的發生，在小區周圍均用PVC塑料薄膜設置隔水堰，堰體上口高于土表20 cm，下口至稻田犁底層。為減少邊際效應對試驗結果造成影響，在各小區間設置1 m寬隔離行。各試驗小區土壤肥力及栽培管理水平保持一致。試驗品種為淮稻5號，旱直播方式、淺濕灌溉技術栽培，生長期128 d，種植密度180萬株/hm2，重復3次。試驗期間歷次灌溉前，田面均無水層存在，其凈灌水量主要采用濕潤灌溉的公式[5]計算而得。主要觀測指標及方法如下。

(1)小區凈灌水量。同次灌溉下，小區凈灌水量有2種測算方法。①直接量測法：以QT表示，根據灌溉前后計劃濕潤層土壤含水率的變化及田面水層深度的測量值，計算出某次灌溉下小區的凈灌水量，其土壤含水率值采用環刀分層取樣測定，田面水層深度采用預先布設的水位測針測得，測針精度0.1 mm；②觀測分析法：以QB表示，采用潛水泵提取田間農渠水源進行小區灌溉，為便于各小區灌水量準確計量，在潛水泵出水口處安裝過濾裝置及水表。

(2)偏差系數K。與觀測分析法相比，直接量測法所測結果的偏差程度QT/QB表示。

(3)莖面積指數SAI。是指淹沒于田面水層中的水稻莖稈(含葉鞘包裹部分)總投影面積占取樣植株總占地面積的比值。試驗時小區均采用“五點法”隨機抽樣，每樣點選擇固定10 株，每5 d定期測量一次，遇灌溉時加測。主要指標有株數、分蘗數、地表3 cm處莖稈(含葉鞘)截面最大長、最大寬，其中莖稈截面長、寬測量時所用工具為數顯式螺旋測微器，型號MDC-25MJ。

因水稻根部地表3 cm處圓形莖稈受葉鞘包裹，截面近似于橢圓形狀，故莖面積指數SAI計算公式為：

(1)

式中：ρ種為種植密度,株/hm2；Msl為地表3 cm處莖稈截面的最大長度,m；Msw為地表3 cm處莖截面的最大寬度,m；j為抽樣測定株數(j=1,…,m)；i為第j株的分蘗數(i=1,…,n)。

2 結果與分析

2.1 2種方法所得凈灌水量比較

試驗期間小區共計9次提水灌溉，將直接量測法與觀測分析法所測得的凈灌水量整理得圖1。從圖1可以看出，2種方法所得凈灌水量有著相同的高峰與低谷。就圖1而言，第1次和第4～6次存在2個顯著的灌溉高峰，這是因為第1次灌溉為稻田泡田期，其耗水量在水稻需水量中占有較大比例；而第4～6次則是處于水稻的拔節-孕穗期，為使水稻高產，此階段也要有充足的水量供應作保障。

圖1 2種測算方法下試驗小區歷次凈灌水量

水稻生育期內的歷次凈灌水量測算值表現為直接量測法>觀測分析法，兩者相差1.4%～11.7%；且2種方法所測平行樣間的區分效果，隨灌水次數的增加而逐漸顯著。這是因為，直接量測法所測結果QT是由2部分組成，一部分是將田間計劃濕潤層浸泡至飽和所需的水量Q浸，另一部分是灌溉后田面水層的持有水量Q持，在計算Q持時，直接采用灌溉后的田面水層深度h持參與，而未考慮水稻莖稈對田面水層的填充作用會導致水面上升，使得h持的測定值較實際偏大，進而影響Q持的測算準確度。

2.2 灌溉時莖面積指數SAI測算

莖面積指數SAI能較好地反映水稻莖稈對田面水層的填充效果。據式⑴可知，SAI與種植密度、莖稈粗細間關系極為密切。將歷次灌溉時SAI的計算結果整理，得表2。從表2可以看出，SAI表現出隨生育期的延長而增大趨勢，并至水稻末次灌溉(乳熟期)時值最大，最大為0.102。SAI在分蘗-拔節期間上升最為明顯，由分蘗期的0.025上升為拔節期的0.079，至抽穗-乳熟期時，增長趨緩并逐漸穩定。這是因為，處于分蘗-拔節期的水稻，營養生長處于高峰，莖稈快速增粗、分蘗數顯著增加，至生長末期(乳熟期)，水稻莖稈的營養生長基本停止，轉變為稻谷生殖生長的緣故所致。

表2 灌溉時試驗小區莖面積指數SAI測算成果

2.3 偏差系數K與莖面積指數SAI間關系

將圖1中2種凈灌水量測量值整理，計算出偏差系數K，與表2中莖面積指數SAI歸并，繪制成圖2。從圖2可以看出，偏差系數K與莖面積指數SAI間呈明顯線性關系，其線性方程為：

K=0.997+1.127SAIR=0.996

(2)

圖2 偏差系數與莖面積指數(SAI)關系

利用式(2)，對直接量測法所得的結果進行校準，以達到快速且準確的測算效果。

3 成果驗證

為檢驗小區試驗成果的合理性與準確性，在江蘇省的東臺、鹽都、大豐、濱海和建湖5縣(市、區)共15個小型灌區進行了大田驗證試驗[6]。試驗結束，將直接量測法、觀測分析法和公式校準法(采用偏差系數K對直接量測法所測結果進行校準后所得值)3種途徑所測大田總凈灌溉水量整理，見圖3。

圖3 各試驗灌區大田總凈灌水量及偏差系數

從圖3(a)可以看出，直接量測法與觀測分析法所測得的總凈灌溉水量整體趨勢一致，且直接量測法略大于觀測分析法所測結果；采用偏差系數K對直接量測法所測值進行校準的結果，與觀測分析法所測值極為接近；與觀測分析法相比，直接量測法所測大田總凈灌溉水量整體偏大3.3%～5.8%，而公式校準法則為-1.1%～+1.6%[見圖3(b)]；公式校準所測得的灌區總凈灌溉水量更接近于觀測分析法所得結果，其結果更為合理準確，可減少稻田總凈灌水量測算偏差2.3%～6.3%。

4 討 論

小區試驗表明，采用直接量測法所測得稻田凈灌水量QT，與觀測分析法所測結果間存在較大差異。單次灌溉下，2種方法所測田間凈灌水量值會產生1.4%～11.7%的偏差。分析原因是：直接量測法所測結果QT是由田間計劃濕潤層浸泡至飽和所需的水量Q浸和灌溉后田面水層的持有水量Q持組成，計算Q持時直接采用灌溉后的田面水層深度h持參與，而未考慮水稻莖稈對田面水層填充作用導致水面上升，h持測定值較真實值偏大，進而影響Q持的測算準確度。采用下述式(3)，對直接量測法所測稻田單次凈灌溉水量進行校準，可減少稻田總凈灌水量的測算偏差2.3%～6.3%，為保證稻田總凈灌水量的測算準確度，建議對QT進行校準：

QJ=QT(0.997+1.127SAI)-1

(3)

式中：QJ為田間凈灌水量(公式校準法)；QT為田間凈灌水量(直接量測法)；SAI為灌溉時田間水稻莖面積指數，采用式(1)計算而得。

5 結 論

(1)采用《細則》中介紹的直接量測法測算稻田凈灌水量時，因未考慮植株莖稈對田面水層的填充作用，導致單次田間凈灌水量的測算結果較觀測分析法偏大1.4%～11.7%，因此，需對《細則》中的直接量測法所測的稻田凈灌水量結果進行校準，才能使該方法所測得的結果更加真實可靠。

(2)莖面積指數SAI能較好地反映出生長于田間的水稻莖稈對田面水層的填充效果。SAI總體表現出隨生育期的延長而增大的趨勢，在分蘗-拔節期間SAI上升最為明顯，由分蘗期的0.025上升為拔節期的0.079，至抽穗-乳熟期時，隨著水稻莖稈營養生長轉化為生殖生長，其上升趨緩并逐漸穩定，至水稻末次灌溉(乳熟期)時值最大為0.102。

(3)偏差系數K與莖面積指數SAI間存在良好的線性關系。利用此關系，對《細則》中介紹的直接量測法所測稻田單次凈灌水量測量值進行校準，可減少稻田總凈灌水量測算偏差2.3%～6.3%。

[1] 李英能.淺論灌區灌溉水利用系數[J].中國農村水利水電，2003，(7)：23-26.

[2] 楊延春,劉德斌,鄒志國.江蘇省大型灌區灌溉水有效利用系數測定方法----以東臺市堤東灌區為例[J].節水灌溉,2014,(3)：72-74.

[3] 蔡長舉,付 杰,劉 瀏.水位-流量關系曲線在山區無量水設施渠道水量測量中的運用[J].節水灌溉,2012,(7)：29-30.

[4] 陳強富,劉海巍,袁 園,等.首尾法在小型灌區灌溉水利用系數測算中的應用[J].中國農村水利水電,2013,(3)：73-74，77.

[5] SL13-2015,灌溉試驗規范[S].

[6] 俞雙恩,于智恒,郭 杰,等.河網區灌溉水利用系數的尺度轉換[J].農業工程學報,2015,31(8):147-151.