滇中水稻不同灌溉模式需水規律及水分生產率研究

王樹鵬，韓煥豪，崔遠來，黃 英，王 杰，張 雷

(1.云南省水利水電科學研究院，昆明 650228；2.武漢大學 水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072)

滇中是云南省水稻主產區，水稻種植面積和產量都居云南省前列[1]。水稻是耗水耗肥大戶，隨著全球水資源的日益貧乏和旱災的日益嚴重, 研究水稻在發育過程中對水分的需求、減少水稻灌溉、提高水分利用率是中國節水農業一個重要發展方向[2]。對不同灌溉模式下水稻需水規律和水分生產效率的分析研究是正確制定稻田土壤水分調控標準和指導稻田灌溉管理的重要依據[3]。云南省水稻需水規律研究相對落后，加之云南有突出的高原立體氣候和復雜的地形地貌，平原地區已有水稻灌溉試驗研究成果不能照搬[4]，故開展云南省水稻需水規律研究必要且迫切。本文以滇中的嵩明和大理兩個試驗點中稻為研究對象，在大理開展水稻淹水灌溉試驗，在嵩明開展淹水灌溉和間歇灌溉兩種灌溉模式對比試驗研究，分析不同位置及灌溉模式下滇中水稻需水規律，以期對云南水稻高效灌溉用水管理提供依據。

1 試驗設計及處理

1.1 試驗區概況

嵩明試驗區位于25°21′N，103°07′E。屬亞熱帶高原季風氣候，夏無酷暑，冬無嚴寒，多年平均氣溫15.2 ℃，多年平均降雨量961.7 mm。其中5-10月降水量約占全年降水量的72%～85%。土壤為粉沙質黏壤土，飽和含水量為50.4%，密度為1.27 g/m3。供試水稻品種為云南省農科院最新培育的香型有機稻云粳37，5月18日插秧，9月15日收割，整個生育期共121 d。

大理試驗區位于25°50′N、100°10′E。四季溫差小，冬干夏雨，垂直差異顯著。土壤類別中紫色土類占土地總面積的31.75%，紅壤土占27.7%。試驗區耕作層屬粉沙質壤土，土壤飽和體積含水率為48.23%，田間持水率為41.5%，密度為1.14 g/cm2。供試水稻品種為當地普遍種植的楚粳28，5月11日插秧，9月25日收割，整個生育期共138 d。

1.2 試驗處理設計

嵩明水稻不同灌溉模式試驗在大型測坑中進行，2個有底測坑和1個無底測坑用來進行間歇灌溉試驗，另2個有底和1個無底測坑進行淹水灌溉試驗，共6個測坑。兩種灌溉模式的水層控制標準見表1，每日早上8∶00觀測測坑水層深度。插秧后至返青期各灌溉模式均保持 30 mm 的水層，以后土壤水分到達灌前下限即灌至上限，灌水及降雨前后加測, 當無水層時采用土壤水分速測儀TDR測定土壤水分, 并于各生育期觀測水稻生理發育動態, 收獲時測定各項產量結構指標。

表1 嵩明水稻測坑水層控制標準

大理水稻在農民田間用塑料薄膜包裹的田埂隔成的小區內進行，只進行淹水灌溉試驗，具體水層控制標準見表2。小區水位用自計式HOBO水位計進行觀測。

表2 大理水稻小區水層控制標準 mm

2 結果與分析

2.1 水稻需水規律

水稻蒸發蒸騰量(ETc)由耗水量減去滲漏量獲得，有水層時日耗水量由水量平衡方程為：

WC=h1-h2+P+m-d

(1)

式中：WC是時段內田間耗水量；h1是時段初田面水層深度；h2是時段末田面水層深度；P是時段內降雨量；m是時段內的灌水量；d是時段內排水量。

無水層時，由TDR所測土壤含水率變化后依式(2)計算，即：

S=gH(q1-q2)

(2)

式中：S是土壤含水量變化量，mm；γ是土壤密度，g/cm3；H是土壤濕潤層深度，mm；θ1，θ2分別是時段前后土壤含水率，%。

當無降雨、灌溉及田間滲漏發生時，S即為某一時段的蒸發蒸騰量；如當日有降水，再把降水量計算進去。嵩明、大理兩地不同灌溉模式水稻各生育期日均蒸發蒸騰量如表3所示。由表3可見，兩地水稻各生育期日均ETc都是返青期較小，分蘗期最大，以后各生育期持續減小。這和內地低海拔地區水稻日均ETc最大值出現在拔節孕穗期或抽穗開花期不同，主要是大理、嵩明兩地和低海拔地區的氣候差異所致。水稻ETc是水稻生長發育進程及氣候條件共同作用的結果，從水稻生長發育進程而言，一般拔節孕穗期或抽穗開花期葉面積指數最大，需水最旺盛，因此次階段的蒸發蒸騰強度最大，云南高原地區中稻返青及拔節期在5月底到6月中旬，正處于旱季，雖然從水稻生理角度不是需水最旺盛期，但由于氣候干燥，因此其日均ETc最大，而進入拔節孕穗期或抽穗開花期，由于進入雨季，其日均ETc相應減少。

表3 試驗點水稻各生育期日均蒸發蒸騰量 mm

兩地比較表明，在返青期和黃熟期，嵩明水稻日均ETc低于大理；分蘗期、抽穗開花期和乳熟期時的日均ETc均高于大理；拔節孕穗期兩地日均ETc相差不大。不同灌溉模式比較表明，嵩明兩種灌溉模式下的日均ETc相差較小，除分蘗期外，其余生育期淹水灌溉下的日均ETc稍高于間灌。

2.2 參考作物蒸發蒸騰量ET0

采用FAO Penman-Monteith公式[6]計算ET0，把嵩明和大理的氣象數據代入公式可得兩地各生育期日均ET0變化如圖1所示。嵩明ET0日均值在水稻移栽后的返青期最大，黃熟期最小。除了拔節孕穗期和抽穗開花期的ET0日均值幾乎相同外，整個生育期的ET0均值幾乎按同一斜率在逐漸減小。大理ET0日均值從分蘗期開始有所上升，分蘗期過后開始下降至乳熟期，然后黃熟期又上升，呈波動變化趨勢。可見兩地都是在水稻生育期前期ET0較大，而生育后期ET0較小，是一個逐漸減小的過程。這主要是因為兩地五六月氣溫較高、輻射較強、風速較強且降雨量較少導致的，這與低海拔地區有較大差別，在低海拔地區，七八月溫度最高、輻射最強，ET0最大值一般出現在這2個月份，水稻生育前期和生育后期的ET0都相對較小，全生育期的ET0日均值是一個上凸的單峰曲線。比較ETc與ET0日均在生育期變化規律可見，兩者表現出較好的一致性，即ETc日均值變化過程受氣象因子影響顯著。

圖1 試驗點水稻生育期內ET0日均值

2.3 作物系數

作物系數(Kc)為作物蒸發蒸騰量與ET0的比值，即：

(3)

式中：ETc為作物蒸發蒸騰量，mm。

把嵩明和大理水稻ETc和ET0數據代入公式(3)中得到兩地各生育期作物系數Kc變化曲線如圖2所示。由圖2可知，嵩明兩種灌溉模式下水稻Kc都是返青期較小，然后在拔節孕穗期達到峰值后逐漸減小。Kc大于1.0的有分蘗期、拔節孕穗期和抽穗開花期。總體來看兩種灌溉模式之間Kc差異不大，但淹灌的稍大于間灌。大理水稻Kc從返青期開始逐漸增加，到抽穗開花期達到最大值，然后迅速減小，形成單峰曲線。且水稻各生育期的作物系數均大于1.0，最小值出現在返青期，為1.10，最大值出現在抽穗開花期，為1.35，全生育期作物系數均值為1.2。Kc除與作物種類有關外，同種作物的Kc還具有明顯的地域性差別。嵩明和大理兩地Kc差別主要和水稻品種有關，其次和兩地氣象因素差別關系也較大。圖2可見除分蘗期和拔節孕穗期Kc較接近以外，大理水稻Kc明顯比嵩明的大。

圖2 嵩明、大理兩地水稻作物系數變化對比

進一步結合圖1分析發現，兩地Kc差異變化趨勢和ET0日均值差異變化趨勢是一致的，即ET0日均值差距越大則Kc差距也越大。表現為，兩地分蘗期和拔節孕穗期ET0日均值較接近，其Kc也較接近；返青期、抽穗開花期和乳熟期ET0日均值相差較大，其Kc相差也較大。把嵩明、大理兩地氣象中的溫度、風速和相對濕度進行單一要素對比，結果如圖3所示。可以看出，大理小區水稻生育期內溫度更高、風速更大且相對濕度較低，均對大理水稻生長更有利。3種氣象要素都對Kc變化產生較大影響，但就嵩明、大理兩地Kc差異變化來看，兩地水稻同生育期溫度上的差異對Kc的影響最大，是主導氣象因素。

2.4 水量平衡要素

嵩明和大理水稻水量平衡要素變化如表4所示，可知與淹灌相比，嵩明水稻間歇灌溉減少灌水量44.3 mm，節水23.4%。整個生育期內降雨量偏多且各生育期降雨分布較均勻，使得灌水量不多，降雨利用率較高。根據表4中水量平衡要素可知間灌的降雨利用率為38.9%，淹灌的降雨利用率為31.2%，間灌的降雨利用率比淹灌提高25%。間灌下的滲漏量為平均每天1.34 mm，淹灌下滲漏量為平均每天1.5 mm，與淹水灌溉相比，間歇灌溉的節水能力主要來自于提高了降雨利用率，減少了滲漏量，并在一定程度上降低了蒸發蒸騰量。與淹水灌溉相比，滲漏量減少19.2 mm、蒸發蒸騰量減少25.7 mm，減少幅度分別為10.6%和5%。大理同樣整個水稻生育期內降雨量偏多且主要分布在7-9月，相應的排水也集中在這3個月。五六月降雨較少，灌水主要集中在這2個月，且灌水量較嵩明測坑多。滲漏量為平均每天0.87 mm，較嵩明少。根據表4中水量平衡要素可知降雨利用率為39.7%，比嵩明測坑水稻略高。

圖3 嵩明、大理兩地單一氣象因素對比

表4 嵩明、大理兩地水量平衡要素變化 mm

2.5 產量與水分生產率

嵩明和大理水稻產量及水分生產率如表5所示。可知在嵩明試驗區水稻間歇灌溉蒸發蒸騰量水分生產率和灌溉水分生產率都比淹灌的要大，但由于畝產較低，即便是間歇灌溉，其1.18 kg/m3的水分生產率也相對較低。由于大理水稻畝產比嵩明高出較多，相應的水分生產率也高出嵩明很多。蒸發蒸騰量水分生產率高出嵩明測坑間灌66.9%、淹灌84.1%；灌水量水分生產率高出嵩明間灌53.2%、淹灌95.2%。

表5 測坑水稻不同灌溉模式下水分生產率

3 結 語

本文通過對滇中嵩明和大理兩地水稻不同灌溉模式下需水規律及水分生產率的研究，得出以下主要結論。

(1)水稻品種不同，其生育期蒸發蒸騰量和產量的差異也較大。滇中高原有比較突出的春旱現象，水稻生育前期參考作物蒸發蒸騰量最大，并持續減少至生育后期，受此影響，水稻日均蒸發蒸騰量峰值出現在分蘗期，與低緯度地區一般出現在拔節孕穗或抽穗開花期不同。

(2)嵩明和大理兩地作物系數差別主要與水稻品種有關，與兩地氣象因素差別關系也較大。兩地作物系數差異變化趨勢和ET0日均值差異變化趨勢一致，溫度、風速和相對濕度3種氣象要素都對作物系數變化產生較大影響，其中溫度是主導氣象因素。

(3)與淹灌相比，嵩明水稻間歇灌溉更節水。間歇灌溉的節水能力主要來自于提高了降雨利用率，減少了滲漏量，并在一定程度上降低了蒸發蒸騰量。大理水稻降雨利用率比嵩明水稻略高。大理水稻畝產高于嵩明，相應的水分生產率也高于嵩明。

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[1] 云南省農牧漁業廳編.云南省種植業區劃[M].昆明:云南科技出版社,1992.

[2] 張榮萍,馬 均,王賀正,等.不同灌水方式對水稻生育特性及水分利用率的影響[J].中國農學通報, 2005,21(9):144-150.

[3] 季 飛,付 強,王克全,等.不同水分條件對水稻需水量及產量影響[J].灌溉排水學報, 2007,26(5):82-85.

[4] 羅紅英,崔遠來,趙樹君.西藏青稞灌溉定額的空間分布規律[J].農業工程學報, 2013,(10):116-122.

[5] 朱士江,孫愛華,張忠學.三江平原不同灌溉模式水稻需水規律及水分利用效率試驗研究[J]. 節水灌溉, 2009,(11):12-14.

[6] Allen R G, Pereira L S, Raes D, et al. Crop evapotranspiration-guidelines for computing crop water requirements: FAO irrigation and drainage, Paper No.56[R]. Rome: Food and Agriculture Organization of United Nations, 1998:52-77,84-86.