湖北省早稻灌溉定額修訂方法研究

潘少斌，劉路廣，吳 瑕，張建濤，陳緒勛，董 葦，楊小偉

(1. 湖北省水利水電科學研究院，武漢 430070; 2. 湖北省節(jié)水研究中心，武漢 430070)

0 引 言

據(jù)統(tǒng)計，近10年湖北省早稻種植面積基本在40 萬hm2左右，種植范圍涉及湖北省中部、東部及中南部。早稻作為湖北省主要灌溉作物之一，其灌溉用水是湖北省農(nóng)業(yè)用水乃至全省用水總量的重要組成部分。

灌溉用水定額是農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉、水資源優(yōu)化配置的重要依據(jù)，是實行最嚴格水資源管理制度的基礎[1]。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化及節(jié)水技術的發(fā)展，早稻品種、耕作方式、灌溉模式及管理水平均發(fā)生了變化，早稻灌溉用水定額也發(fā)生了相應變化[2-5]。然而，湖北省現(xiàn)行早稻灌溉用水定額標準頒布于2003年，歷時近15年，已難以適應當前及今后的水資源管理需求。基于目前研究現(xiàn)狀及問題，有必要進行早稻灌溉定額修訂，以便更好地指導早稻灌溉用水管理。

1 資料情況與計算分區(qū)

1.1 資料情況

(1)灌溉試驗資料。本次早稻灌溉定額修訂共搜集團林、明山、梅川、徐家河、四湖、古角、白蓮河、金星、南川、三湖連江、長渠、望城崗等12個灌溉試驗站的早稻試驗成果，試驗成果涵蓋了湖北省所有早稻種植區(qū)域。

(2)氣象資料。搜集了湖北省早稻種植區(qū)內(nèi)42個氣象站點資料，主要包括逐日降雨、蒸發(fā)、日照時數(shù)、溫度、濕度、風速等。

(3)實地調(diào)研。考慮早稻灌溉試驗成果年代久遠，以及灌溉試驗條件與大田種植具有一定差異，直接采用試驗資料難以完全滿足灌溉定額修訂要求，需要進行實地調(diào)研。2018年3月15日-23日，對天門市、麻城市、浠水縣、通山縣等早稻種植典型縣市的灌溉用水情況進行了實地調(diào)研，摸清了早稻生育期、灌溉水層控制標準、降雨利用等情況。

1.2 計算分區(qū)

為便于定額修訂成果銜接與應用，本文結合湖北省農(nóng)業(yè)區(qū)劃和干旱分區(qū)，根據(jù)湖北省早稻種植區(qū)域分布，以江漢平原區(qū)、鄂東南山丘區(qū)、鄂東沿江平原、鄂東北山丘區(qū)和鄂中丘陵區(qū)為早稻灌溉用水定額計算分區(qū)。

2 早稻灌溉定額相關參數(shù)計算與分析

2.1 早稻作物系數(shù)計算與規(guī)律分析

作物系數(shù)(Kc)指不同生育期實際作物蒸發(fā)蒸騰量與參考作物蒸發(fā)蒸騰量的比值，體現(xiàn)了實際作物和參考作物之間物理和生理上的差異。本文根據(jù)試驗實測的作物需水量和推求的參考作物需水量，反推作物系數(shù)。

(1)不同品種早稻作物系數(shù)變化規(guī)律分析。為分析早稻品種對作物系數(shù)的影響，選擇團林站相同灌溉模式下不同品種早稻不同生育期作物系數(shù)進行對比分析，見圖1。由圖1可知，早稻品種對作物系數(shù)具有一定影響，主要原因是不同品種作物高度、葉面積指數(shù)等特性參數(shù)會有一定的差異，進而影響作物需水量和作物系數(shù)[6,7]。總體來講，不同品種早稻作物系數(shù)差異性并不大，作物系數(shù)均在抽穗開花期前后達到最大值。另外，盡管對比分析采用的灌溉模式相同，但由于試驗數(shù)據(jù)年份不同，并未消除氣候因素對作物系數(shù)的影響。

圖1 團林站早稻不同品種不同生育期作物系數(shù)

(2)不同灌溉模式早稻作物系數(shù)變化規(guī)律分析。為分析不同灌溉模式對早稻作物系數(shù)的影響，選擇團林站同一年份同一品種不同灌溉模式不同生育期早稻作物系數(shù)進行對比分析，見圖2。由圖2可知，不同灌溉模式早稻作物系數(shù)具有一定差異性，但差異不大。由于不同灌溉模式的稻田蓄水深度不同，導致稻田保持田面有水層的天數(shù)有所不同，因此株間蒸發(fā)量略有區(qū)別。但是各生育期田間土壤基本達到飽和含水率以上，因此作物騰發(fā)量雖有一定差異，但差異并不大，這也是不同灌溉模式下作物系數(shù)差異不大的原因。

圖2 團林站早稻不同灌溉模式不同生育期作物系數(shù)(廣陸矮，1976年)

(3)不同生育期早稻作物系數(shù)變化規(guī)律分析。考慮到灌溉模式影響較小，因此早稻作物系數(shù)不按灌溉模式進行分類。根據(jù)各灌溉試驗站試驗成果，去除各生育期作物系數(shù)奇異值，采用算術平均法確定各灌溉試驗站不同生育期早稻作物系數(shù)，具體見圖3。由圖3可知，早稻作物系數(shù)基本呈現(xiàn)單峰的變化趨勢，在抽穗開花期前后作物系數(shù)最大。返青期、分蘗末期和黃熟期作物系數(shù)相對較小，原因主要是返青期作物蒸騰量相對較小，而分蘗末期和黃熟期一般采取曬田或落干措施，土壤水分較少，作物騰發(fā)量相對較小。

圖3 各試驗站不同生育期早稻作物系數(shù)

(4)不同分區(qū)早稻作物系數(shù)。根據(jù)灌溉定額分區(qū)以及各分區(qū)灌溉試驗站分布，采用算術平均法確定各分區(qū)不同生育期早稻作物系數(shù)。具體計算成果見圖4。由于早稻分蘗末期采用曬田措施，而灌溉試驗資料并未進行詳細劃分。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)成果分析，分蘗末期(無水層)早稻作物系數(shù)可由分蘗末期(有水層)早稻作物系數(shù)乘以0.7折算。由圖4可知，各分區(qū)早稻作物系數(shù)變化趨勢基本一致，具有一定差異，但相差并不大。作物系數(shù)差異性是地形、土壤、氣候、灌溉模式、品種等因素綜合作用的結果。

圖4 各分區(qū)不同生育期早稻作物系數(shù)

2.2 稻田滲漏量變化規(guī)律分析

(1)不同灌溉模式早稻稻田滲漏量變化規(guī)律分析。根據(jù)團林站1975年早稻灌溉試驗成果可知[圖5(a)]，本田各生育階段，除抽穗期外，其他生育期淺灌勤灌模式日均滲漏量大于淺灌濕潤模式。根據(jù)團林站1979年早稻灌溉試驗成果可知[圖5(b)]，早稻本田生育期內(nèi)，淺灌適蓄模式相比淺灌曬田模式各生育期日均滲漏量大小不一，但總體上淺灌適蓄模式日均滲漏量略大于淺灌曬田模式。這表明，灌溉模式對稻田滲漏量具有一定影響，隨著蓄水深度的增加，稻田滲漏量呈增大趨勢。但總體上，不同灌溉模式之間稻田滲漏量相差并不大。

圖5 早稻不同灌溉模式不同生育期日均滲漏量(團林站)

(2)不同地形早稻稻田滲漏量變化規(guī)律分析。選擇團林站塝田和沖田試驗成果分析可知[圖6(a)]，早稻本田各生育階段，塝田日均滲漏量普遍高于沖田日均滲漏量。選擇山區(qū)(望崗坡站)、丘陵區(qū)(明山站)、平原區(qū)(四湖站)3種地形典型試驗站試驗成果進行分析[圖6(b)]，早稻不同生育階段內(nèi)日均滲漏量呈現(xiàn)山區(qū)>丘陵區(qū)>平原區(qū)的變化規(guī)律，地形因素對稻田滲漏量影響較為明顯。

圖6 早稻不同地形不同生育期日均滲漏量

(3)不同分區(qū)早稻稻田滲漏量。根據(jù)稻田滲漏量變化規(guī)律分析可知，灌溉模式和地形因素對稻田滲漏量均具有一定影響，而地形因素影響較大。基于稻田滲漏量影響因素分析，根據(jù)地形條件采用灌溉試驗站資料確定不同分區(qū)不同生育期稻田滲漏量。對于節(jié)水灌溉模式，如間歇灌溉或“薄淺濕曬”等，可將生育期內(nèi)稻田土壤含水率低于飽和含水率時滲漏量設置為0進行處理。不同分區(qū)稻田滲漏量成果見表1。分蘗末期有水層時的日均滲漏量參考分蘗期，分蘗末期無水層時的日均滲漏量為0。泡田期日均滲漏量采用返青期日均滲漏量。

表1 不同分區(qū)早稻不同生育期日均滲漏量 mm

2.3 泡田期水面蒸發(fā)與飽和需水量計算與分析

(1)水面蒸發(fā)。稻田插秧前需要泡田，當早稻泡田期有大型蒸發(fā)皿水面蒸發(fā)觀測資料時，直接采用觀測值；當無大型蒸發(fā)皿觀測資料時，則由小型蒸發(fā)皿觀測值或參考作物騰發(fā)量進行轉換。以監(jiān)利縣為例，大型蒸發(fā)皿水面蒸發(fā)量e大與參考作物騰發(fā)量ET0、大型蒸發(fā)皿水面蒸發(fā)量e大與小型蒸發(fā)皿水面蒸發(fā)量e小之間關系見圖7。

(2)飽和需水量。早稻泡田飽和需水量與泡田前的土壤含水量直接相關，而土壤含水量受降雨和蒸發(fā)等因素影響具有不確定性。早稻一般在4月中下旬泡田，湖北省11月至次年4月降雨普遍較少，土壤含水率不高，早稻泡田前土壤初始含水率取田間持水率的70%，耕作層土壤厚度取200 mm，土壤飽和含水率為46.48%，田間持水率為66.39%(占土壤孔隙率)，經(jīng)折算早稻泡田飽和需水量為50 mm。

2.4 生育期及田間水層控制標準

(1)早稻生育期。早稻生育期受作物品種、地理位置、氣候因子(氣溫、日照、濕度)等因素影響[8]。根據(jù)試驗成果和實地調(diào)研，湖北省早稻插秧一般在4月底至5月初，收割一般在7月下旬，生育期(含泡田期)長度為90 d左右。人工耕作情況下，早稻泡田時間一般在6～7 d左右，而機械耕作條件下，泡田期極大縮短，一般在1～2 d之內(nèi)。考慮計算方便，避免更多的統(tǒng)計分析工作，不同生育期生長天數(shù)每年采用固定值，即多年平均值。

(2)早稻田間水層控制標準。根據(jù)實地調(diào)研，淺灌適蓄是目前湖北省大田早稻灌溉的主要模式；由于間歇灌溉具有節(jié)水、灌水次數(shù)少等優(yōu)點，更容易在大田，特別是灌溉條件較好的地區(qū)推廣。因此，節(jié)水灌溉模式選擇間歇灌溉。根據(jù)試驗成果和實地調(diào)研，早稻蓄雨上限深度山丘區(qū)一般大于平原區(qū)、降雨量小的地區(qū)(枯水地區(qū))一般大于降雨量大的地區(qū)(豐水地區(qū))。根據(jù)地形條件、灌溉試驗成果、實地調(diào)研、早稻不同生育階段需水情況，確定了不同分區(qū)淺灌適蓄和間歇灌溉2種灌溉模式下早稻灌溉水層控制標準[9]，具體見表2。

圖7 監(jiān)利縣e大與ET0、e大與e小之間關系

3 早稻灌溉定額計算成果與合理性分析

3.1 不同灌溉分區(qū)早稻灌溉定額計算成果

根據(jù)灌溉定額計算參數(shù)與影響因素分析，早稻灌溉定額受灌溉模式及耕作方式影響較為明顯[10,11]。灌溉模式對作物騰發(fā)、田間滲漏及降雨有效利用率均有較大影響；機械耕作方式與人工耕作相比，極大縮短了泡田時間，進而影響泡田定額。因此，早稻灌溉定額按照灌溉模式分為淺灌適蓄和間歇灌溉；按照耕作方式分為人工耕作和機械耕作。灌溉模式與耕作方式進行組合共計算4種灌溉定額：人工耕作+淺灌適蓄、機械耕作+淺灌適蓄、人工耕作+間歇灌溉、機械耕作+間歇灌溉。

表2 不同分區(qū)早稻不同生育階段水層控制標準

注：①0～30～50指灌溉下限、灌溉上限和蓄雨上限；灌溉下限90%指土壤含水率占飽和含水率的百分比。②間歇灌溉下限低于飽和含水率時，可根據(jù)土壤特性、犁底層埋深等折算成水深。

根據(jù)上述早稻灌溉定額計算方法，計算1973-2013年各典型縣早稻灌溉定額。根據(jù)不同分區(qū)典型縣市早稻灌溉定額，采用算術平均法確定不同分區(qū)不同頻率早稻灌溉定額，具體成果見表3。

表3 湖北省不同分區(qū)不同縣市不同頻率早稻灌溉定額 m3/hm2

注：本次修訂早稻灌溉定額與2003年灌溉定額比，增長1%(含1%)以上記為“↑”，減少1%(含1%)以上記為“↓”，變化在1%以內(nèi)，記為“→”。

由表3可知，同一分區(qū)相同灌溉模式和頻率下，機械耕作灌溉定額一般低于人工耕作下的灌溉定額，表明耕作方式進步有利于農(nóng)業(yè)節(jié)水；相同耕作方式與頻率下，間歇灌溉灌溉定額低于淺灌適蓄灌溉定額，主要是因為間歇灌溉有利于提高降雨利用率。從灌溉用水定額分區(qū)上講，鄂東南山丘區(qū)和鄂東沿江平原的早稻灌溉定額相對較低，而鄂東北山丘區(qū)、鄂中丘陵區(qū)和江漢平原區(qū)相對較高。早稻灌溉定額空間差異主要是早稻耗水量和降雨量綜合作用的結果。

3.2 不同分區(qū)早稻灌溉定額合理性分析

(1)與相關試驗成果對比分析。選擇明山站早稻灌溉定額試驗觀測值與試驗站所在的麻城市早稻灌溉定額計算值進行對比分析。灌溉定額為生育期內(nèi)灌溉定額，不包括泡田定額；試驗值采用淺灌中蓄模式，計算值采用淺灌適蓄模式。剔除試驗值中明顯奇異值后，對比結果見圖8。

由圖8可知，麻城市早稻灌溉定額計算值與明山站觀測值變化趨勢一致，且相差較小，產(chǎn)生差異的主要原因可能是生育期降雨量不同導致。從早稻灌溉定額多年均值看，明山站觀測值為1 797 m3/hm2，麻城市計算值為1 983 m3/hm2，計算值相對偏大，但是考慮到降雨的差異(多年平均降雨量明山站為670 mm，麻城市為602 mm)，誤差在合理范圍內(nèi)。這表明計算參數(shù)取值合理、定額計算成果可靠。

圖8 麻城市早稻灌溉定額計算值與明山站觀測值對比

(2)與2003年頒布的標準對比分析。如表4所示，與2003年早稻灌溉定額相比，人工耕作+淺灌適蓄灌溉模式條件下，鄂東北山丘區(qū)、鄂中丘陵區(qū)早稻灌溉定額明顯降低；其他分區(qū)除鄂東沿江平原、鄂東南山丘區(qū)85%頻率的早稻灌溉定額略有下降外，不同水平年均有所增長，但增長幅度不大。機械耕作淺灌適蓄灌溉模式條件下，除鄂東沿江平原區(qū)50%與75%頻率、鄂東南山丘區(qū)50%頻率的早稻灌溉定額提高超過5%以外，其他分區(qū)不同水平年均有一定程度降低或基本保持不變(增長幅度小于5%)，這表明先進耕作方式能夠促進農(nóng)業(yè)節(jié)水。人工耕作間歇灌溉模式條件下，除鄂東沿江平原區(qū)50%頻率基本保持不變外，各分區(qū)不同水平年早稻灌溉定額均有一定程度降低，這表明節(jié)水灌溉模式的節(jié)水效果較好。機械耕作間歇灌溉模式條件下，各分區(qū)不同水平年早稻灌溉定額均有一定程度降低。由于本次早稻灌溉定額修訂考慮了灌溉模式及耕作方式，與2003年標準相比，更能真實反映湖北省早稻灌溉用水水平。

4 結論與建議

本文基于灌溉試驗成果及實地調(diào)研，計算并分析了湖北省不同分區(qū)早稻作物系數(shù)、稻田滲漏量、泡田期水面蒸發(fā)量、飽和需水量、生育期及水層控制標準等灌溉定額計算參數(shù)；通過分析耕作方式與灌溉模式對早稻灌溉定額的影響，提出了4種組合模式下不同分區(qū)不同頻率早稻灌溉定額， 更全面地反映了湖北省早稻灌溉用水水平，用水戶可根據(jù)耕作方式和灌溉模式的不同選擇相應的灌溉定額成果，具有一定先進性與可操作性。目前，湖北省主要適用機械耕作+淺灌適蓄條件下的灌溉定額，對于水源和灌溉設施條件較好的地區(qū)建議采用機械耕作+間歇灌溉條件的灌溉定額。