灌排模式對稻田作物水足跡的影響

吳夢洋 操信春 任 杰

(河海大學農業科學與工程學院， 南京 210098)

0 引言

水稻是中國主要糧食作物之一[1]，其種植面積超過3 000萬hm2。與其他作物不同，水稻耐淹喜濕的特征使其在生育期內消耗大量的水。另外，化肥的過度使用和不合理的灌排加劇了稻田氮磷的流失，造成周圍水體和土壤的污染[2]。改變灌排模式是稻田水肥調控的主要手段。大量研究表明，選擇合理的灌排模式有利于水稻節水高產，降低氮素淋溶造成的環境污染[3-7]。不同灌排模式下作物生長、耗水及氮磷排放的研究得到研究者關注，如彭世彰等[8]從作物需水量角度分析了控制灌溉的節水效應，俞雙恩等[9]探究了不同灌排模式下水稻株高和莖蘗生長規律，喬欣等[10]以氮磷流失量為指標研究了不同灌排模式之間的差異。然而，已有研究選取指標相對單一，無法綜合判斷不同灌排模式下水稻的節水減排效果。水足跡能夠同時量化田間作物生長過程對水資源及水環境的影響[11]，有望為稻田灌排模式評價提供新的途徑。水足跡由藍水足跡、綠水足跡與灰水足跡組成，其中藍、綠水足跡分別表示作物生長過程中消耗的灌溉水和降水，灰水足跡則表示在給定自然本底濃度和現有環境水質標準下，吸收污染物排放所需的水量[12]。農業水足跡占據人類生產和消費水足跡的絕大部分，因此農作物水足跡評估成為水足跡領域研究的重要內容，其核算尺度也涉及國家、省區、流域、灌區及田間等[13-15]。在作物水足跡評估的基礎上，基于水足跡理論的農業水管理已成為重要研究方向。付強等[16]和操信春等[17]利用水足跡方法評價了糧食生產中的農業水資源利用效率；馮東溥等[18]揭示了水足跡時空變化的原因；軒俊偉等[19]發現，采取調整農作物種植比例、減少氮肥使用量等措施能有效減少區域農業用水量；王玉寶等[20]探索了氣候變化對旱作玉米水足跡及用水效率的影響；卓拉等[21]模擬了不同灌溉方式下旱地作物生產水足跡的表現。在水足跡視角下農業水資源利用的可持續性開始受到關注[22]。然而，將水足跡應用于灌排模式選擇，以減小農業用水量和面源污染的研究鮮見報道，使其優勢難以得到發揮。本研究基于稻田作物水足跡計算方法，量化水稻水足跡并分析不同灌排模式的差異，明晰水稻真實消耗的水資源及其類型，以期為稻田節水減排提供理論與實踐參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況與方案設計

試驗于2017—2018年在河海大學江寧節水園區(31°57′N，118°50′E)內進行。桶栽試驗土壤取自節水園區內，土壤干容重為1.31 g/cm3，土壤飽和質量含水率為38.2%，類型為黏壤土，全磷、速效磷、全氮、速效氮質量比分別為33.0、10.37、62.9、47.4 mg/kg，有機質質量分數為2.40%，pH值8.10。

試驗共設4種灌排模式：淺水勤灌(Frequent and shallow irrigation，FSI)、淺濕灌溉(Wet-shallow irrigation，WSI)、控制灌溉(Controlled irrigation，CI)和蓄水-控灌(Rain-catching and controlled irrigation，RC-CI)，灌排控制指標參照文獻[23-25,8]，具體灌排標準見表1。試驗設4個處理，3個重復，各試驗小區面積一致，全生育期人工拔草，除灌排標準外其余農技措施均相同，每個試驗測坑外設置保護帶減少組間和外界環境的相互影響，同步觀測各處理水稻植株的生長與系統水分等指標。2017年水稻6月21日移栽，10月24日收割。2018年水稻6月26日移栽，10月20日收割。水稻生長過程中根據生育期施肥，其中基肥為復合肥(N、P2O5、K2O比例為15%：15%：15%)，施用量300 kg/hm2，返青肥、分蘗肥、穗肥均為尿素(含氮質量分數大于等于46.2%)，施用量分別為150、125、150 kg/hm2。

表1 不同灌排模式下的灌排標準Tab.1 Differential standards of different irrigation and drainage modes

1.2 指標及測定

(1)土壤水分情況：每日08:00測定，當田面有水層時，通過標準鋼尺讀取水層深度，遇明顯降雨進行加測；當田面無水層時，利用埋設在土壤中0～30 cm的TDR探頭進行土壤含水率測定。

(2)灌溉和排水情況：參照各處理灌排控制標準，當田面水層或土壤含水率降至灌水下限時，灌水至上限(考慮天氣情況)，若某次或當日降雨使水層深度超過蓄雨上限，則及時排水至蓄雨上限，記錄每次的灌排水時間和灌排水量。桶栽試驗時，桶底埋置了三通管，模擬蒸滲儀，為保持三通管中水面線在桶內土壤表面以下30 cm左右，生育期每3 d排地下水一次，到生育期末補測一次，所有排水均取樣進行氮素含量測試。

(3)氮素含量測試：水樣中總氮含量測定采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法[26]，銨氮含量測定采用納氏試劑比色法[27]，硝氮含量測定采用紫外分光光度法[28]。水樣采集后盡量2 h內進行測試分析，若水樣較多，可放入冰柜于4℃低溫保存，24 h內處理完畢。

(4)產量：水稻完熟期，按每桶面積單打單收換算實際產量。

(5)氣象資料：在中國氣象數據網上搜集試驗區附近氣象站點的降雨量資料。

1.3 作物生產水足跡計算

以稻田水量平衡為基礎計算農作物水足跡(Water footprint，WF),衡量作物生產過程中實際消耗的水量，其等于藍水足跡、綠水足跡與灰水足跡的和[29]，即

WF=WFblue+WFgreen+WFgrey

(1)

(2)

(3)

(4)

式中WF——農作物水足跡，mm

WFblue——藍水足跡，mm

WFgreen——綠水足跡，mm

WFgrey——灰水足跡，mm

Cmax——環境容許最大質量濃度，mg/L

Cnat——自然本底濃度，mg/L

灰水足跡按地表和地下排水中的氮素含量計算，以GB 3838—2002《地表水環境質量標準》中的地表水Ⅴ類水質規定的總氮質量濃度上限(2.0 mg/L)作為Cmax代入公式計算；污染物的自然本底濃度取0 mg/L。

田間每日藍、綠水足跡按日降水與灌溉水對田間水分平衡各要素的貢獻比例計算，即

(5)

式中Ft-1——t-1日田間水量，mm

稻田日蒸發蒸騰量根據每日稻田水量平衡計算，即

(6)

式中Pt——降水量，mm

It——灌溉水量，mm

Dt——深層滲漏量，mm

ΔFt——稻田田間水量變化量，mm

根據田間藍綠水利用與分解構建日步長水分動態平衡方程，土壤初始有效水含量和初始水層劃歸為綠水,可求出每日田間藍綠水量，計算式為

(7)

作物生產水足跡衡量作物水資源利用效率，用作物水足跡和產量的比值來計算，計算式為

WFP=10WF/Y

(8)

式中WFP——作物生產水足跡，m3/kg

Y——作物產量，kg/hm2

2 結果與分析

2.1 稻田水量平衡參數

表2為2017—2018年各處理水稻水量平衡參數。由表2可知，對于灌水次數，RC-CI最小，CI次之。灌溉用水量由大到小依次為FSI、WSI、CI、RC-CI，FSI和WSI在較長時間內田面具有水層，蒸發蒸騰量和滲漏量均較大，灌溉用水量因此較大。RC-CI具有較大的蓄雨上限，能夠較好地積蓄雨水，因此灌水次數和灌溉用水量都最小。對于地表排水次數，RC-CI最小，FSI其次，CI與WSI相同。對于地表排水量，RC-CI最小，原因同樣是RC-CI具有較大的蓄雨上限，尤其是2018年整個生育期田面水層沒有超過蓄雨上限。地下排水量由大到小依次為FSI、WSI、RC-CI、CI，根據表1，CI處理不同生育期灌水上限、灌水下限和蓄雨上限都較低，因此田面水層較薄或沒有水層，并且水層停留時間較短，減少了滲漏量，地下排水量也因此減少。對于總蒸發蒸騰量，FSI和WSI比其他處理高，原因是土壤表面經常有水層或經常被濕潤。

表2 2017—2018年各處理水量平衡參數Tab.2 Water balance parameters of each treatment in 2017 and 2018

2.2 作物藍、綠、灰水足跡

觀測結果顯示，所有對象的水稻水足跡變化范圍為846.3～1 132.3 m。圖1(圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著(p<0.05)，下同)為2017—2018年各處理水稻藍、綠水足跡及其顯著性分析結果。水稻藍、綠水足跡范圍分別為98.9～227.5 mm、325.5～400.1 mm。由圖1a可知，2017年灌排模式對水稻各處理藍水足跡影響顯著，各處理藍水足跡由大到小依次為FSI、WSI、CI、RC-CI，RC-CI、CI、WSI藍水足跡分別比FSI減少43.6%、39.8%、12.9%。由圖1b可知，2018年灌排模式對水稻各處理藍水足跡影響顯著，各處理藍水足跡由大到小依次為FSI、WSI、CI、RC-CI，RC-CI、CI、WSI藍水足跡分別比FSI減少52.2%、29.1%、3.0%。由圖1c可知，2017年灌排模式對水稻各處理綠水足跡影響顯著，各處理綠水足跡由大到小依次為WSI、CI、RC-CI、FSI，FSI、RC-CI、CI綠水足跡分別比WSI減少9.4%、3.8%、2.7%。由圖1d可知，2018年灌排模式對水稻各處理綠水足跡影響顯著，各處理綠水足跡由大到小依次為RC-CI、FSI、CI、WSI，WSI、CI、FSI綠水足跡分別比RC-CI減少18.6%、17.8%、10.2%。

綜合以上分析可知，不同灌排模式對水稻藍、綠水足跡影響顯著。各處理藍水足跡由大到小依次為FSI、WSI、CI、RC-CI。FSI和WSI藍水足跡較大的原因是灌溉用水量和總蒸發蒸騰量都較大。RC-CI處理灌溉用水量最小，另外根據2.1節的分析，該處理總蒸發蒸騰量不高，藍水足跡因此最小。對于綠水足跡RC-CI處理最大，主要受地表排水的影響。

圖2為2017—2018年水稻各處理灰水足跡及其顯著性分析結果。水稻灰水足跡范圍為335.8～605.9 mm。由圖2a可知，2017年灌排模式對水稻灰水足跡影響顯著，各處理灰水足跡由大到小依次為FSI、WSI、RC-CI、CI，CI、RC-CI、WSI灰水足跡分別比FSI減少22.7%、21.2%、19.9%。對于地表排水灰水足跡，其由大到小依次為FSI、WSI、CI、RC-CI，RC-CI、CI、WSI地表排水灰水足跡分別比FSI減少61.7%、56.2%、21.3%。對于地下排水灰水足跡，其由大到小依次為FSI、RC-CI、CI、WSI，WSI、CI、RC-CI地下排水灰水足跡分別比FSI減少19.3%、6.1%、1.2%。各處理灰水足跡的主要組成部分為地下排水灰水足跡。由圖2b可知，2018年灌排模式對水稻灰水足跡影響顯著，各處理灰水足跡由大到小依次為WSI、CI、FSI、RC-CI，RC-CI、FSI、CI灰水足跡分別比WSI減少32.8%、14.6%、4.2%。對于地表排水灰水足跡，其由大到小依次為WSI、CI、FSI、RC-CI，RC-CI、FSI、CI地表排水灰水足跡分別比WSI減少100%、21.9%、0.8%。對于地下排水灰水足跡，其由大到小依次為RC-CI、FSI、WSI、CI，CI、WSI、FSI地下排水灰水足跡分別比RC-CI減少81.2%、76.0%、70.4%。FSI、WSI、CI灰水足跡的主要組成部分為地表排水灰水足跡，RC-CI處理生育期內水層沒有超過蓄雨上限，未產生地表排水，因此只有地下排水灰水足跡。

綜合以上分析可知，不同灌排模式對水稻灰水足跡影響顯著，RC-CI處理灰水足跡最小，主要和排水有關。2017年各處理地下排水灰水足跡大于地表排水灰水足跡，原因是地表排水距離施肥時間較遠，相比較2018年，較多的氮素從地下淋失。

2.3 作物生產水足跡及其組成

FSI、WSI、CI、RC-CI年均作物生產水足跡分別為1.26、1.18、1.06、1.08 m3/kg。圖3為2017—2018年各處理作物生產水足跡及其差異的顯著性分析結果。由圖3a可知，2017年灌排模式對水稻各處理作物生產水足跡影響顯著，其由大到小依次為FSI、WSI、RC-CI、CI，CI、RC-CI、WSI作物生產水足跡分別比FSI減少22.3%、17.4%、10.7%。由圖3b可知，2018年灌排模式對水稻各處理作物生產水足跡影響顯著，其由大到小依次為FSI、WSI、CI、RC-CI，RC-CI、CI、WSI作物生產水足跡分別比FSI減少11.5%、10.7%、2.3%。綜合以上分析可知，不同灌排模式對水稻作物生產水足跡影響顯著，所有重復作物生產水足跡的范圍為0.94～1.31 m3/kg，FSI處理生產水足跡最大，說明該處理水稻水資源利用效率最低。FSI處理作物生產水足跡較高的原因主要是蒸發蒸騰量和灌溉用水量較大，與RC-CI相比，FSI處理作物生產水足跡較高的原因還包括灰水足跡較大。WSI處理作物生產水足跡較高的原因主要是蒸發蒸騰量和灰水足跡較大。

圖4為2017—2018年各處理水足跡組成比例，分析組成有助于研究水足跡影響因素。綠水源于降水，不需要通過工程措施來獲取，即綠水機會成本較小，綠水比例增加意味著水資源綜合利用效益提高。藍水和綠水統稱為消耗性用水，灰水則是稀釋性用水，消耗性用水比例的增加相當于更多的水資源在作物生育期發揮了作用，有利于水稻生長。由圖4a可知，2017年各處理灰水比例均超過39.4%，灰水比例和綠水比例總體接近，藍水比例最小。由圖4b可知，各處理灰水比例均接近50%，CI處理更是達到55.0%。各處理水足跡組成成分最主要是灰水足跡，其次是綠水足跡，最后是藍水足跡。就水足跡組成而言，藍水足跡比例最小，總體在10.9%～22.3%之間，綠水足跡比例則在28.8%～44.1%之間，充分證明了降雨對于作物生長的重要程度。灰水足跡比例在39.4%～55.0%之間，2018年灰水比例普遍大于2017年，這與降雨量密不可分。

3 討論

水分對于水稻生長發育至關重要，適宜的灌排模式可以保證產量，有利于節水減排。從本文研究結果看，很大一部分灌溉水沒有被作物利用，形成藍水足跡，淺水勤灌和淺濕灌溉不僅增加灌溉用水量和勞動強度，經常存在的水層還增加了土壤水勢梯度，滲漏量顯著提升，同時可能攜帶土壤中的氮素大量淋失，造成面源污染。綠水足跡的形成和降雨量及其分布都密不可分。2017年降雨較2018年更為頻繁，峰值低，蓄水控灌的優勢不明顯，各處理綠水足跡的差異較小。地表和地下排水造成的氮素污染，受排水量和氮素濃度的共同影響。2017年蓄水控灌總排水量高于控制灌溉，但灰水足跡無顯著差異，一方面蓄水控灌淹水作用較強，促進土壤反硝化作用，降低氮素濃度。另一方面，由于降水集中于作物生育前期，排水中氮素濃度偏低，氮素排放總量下降，這也是2017年整體灰水足跡小于2018年的主要原因。2018年蓄水控灌通過攔蓄降雨，減少了含高濃度氮素地表水的排放。淺水勤灌由于田面存在薄水層，這對于維持地溫，調節田間小氣候有重要意義，但同時也會增加成本和環境負擔的風險。相關研究顯示控制灌溉條件下水稻的作物需水量相比淺水勤灌減少[8]，與本文消耗性(藍、綠)水足跡的核算結果基本一致；郭相平等[25]研究發現，控制灌溉和蓄水控灌作物需水量沒有顯著差異，也與本研究結果相吻合。然而這些研究沒有分解出水資源的來源，也沒有從水量的角度來考慮灌溉排水對環境的影響。本文基于水足跡視角，通過藍、綠水的區分，可以分辨出作物需水量減少的主要原因在于藍水足跡的降低。同時，計算結果還顯示，水稻生產過程中灰水比例均超過39.4%,2018年淺濕灌溉和控制灌溉處理灰水比例更是在50%以上。這說明灰水足跡在灌排模式的評價和選擇中不可忽視。郝樹榮等[30]考慮灌排水量、氮磷流失負荷、產量及灌溉水分生產率優選高效灌排模式。然而指標類型不同，各指標評價結果并不總是一致，也難以統一為同一指標，最終選擇仍受主觀因素影響。水足跡理論將氮素流失統一于作物水資源耗用量之中，為灌排模式評價和優選提供更加簡單而全面的途徑。

4 結束語

基于農作物水足跡計算方法，分析了2017—2018年各灌排模式下水稻作物的水足跡指標及組成，結果表明，灌排模式能夠顯著改變水稻作物的水足跡。水稻藍、綠、灰水足跡范圍分別為98.9～227.5 mm、325.5～400.1 mm、335.8～605.9 mm，所有處理水足跡的范圍為846.3～1 132.3 mm，蓄水控灌水足跡最小。淺水勤灌、淺濕灌溉、蓄水控灌、控制灌溉生產水足跡年均值分別為1.26、1.18、1.08、1.06 m3/kg，蓄水控灌和控制灌溉的水資源利用效率接近。就水足跡組成而言，藍、綠、灰水足跡比例分別為10.9%～22.3%、28.8%～44.1%、39.4%～55.0%，說明在水稻生產過程中降雨的利用和環境影響不容忽視。綜合考慮作物水足跡及其組成，蓄水控灌為符合節水減排目標的最優灌排模式。