再生水灌溉下水稻需水規(guī)律及灌溉制度試驗(yàn)研究

韓煥豪，劉鑫焱，高 蓉，顧世祥，崔遠(yuǎn)來(lái)

（1.昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，昆明650559；2.云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，昆明650021；3.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430072）

0 引言

伴隨著國(guó)家農(nóng)業(yè)領(lǐng)域水資源供需矛盾的不斷加劇，利用再生水部分替代常規(guī)水資源開(kāi)展灌溉的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)逐漸獲得廣泛重視[1-4]，這同當(dāng)前中國(guó)水資源需求量的快速增長(zhǎng)相適應(yīng)[5]。有研究表明，二級(jí)處理后的水用于農(nóng)業(yè)灌溉基本可以忽略重金屬的影響，在一定程度上可避免灌溉對(duì)作物產(chǎn)量、土壤環(huán)境的負(fù)面影響[6,7]；經(jīng)處理后的再生水在農(nóng)作物生產(chǎn)過(guò)程中用于灌溉，以實(shí)現(xiàn)廢水利用的目的被認(rèn)為是環(huán)保可靠的[8]，同時(shí)也是降低水資源消耗、減少污染物排放的必然選擇[9]。陳黛慈等[10]也通過(guò)多種土壤指標(biāo)測(cè)定法分析得出，由于再生水中具有高含量的全氮、有機(jī)質(zhì)等指標(biāo)，經(jīng)灌溉后農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量增加，養(yǎng)分充足，對(duì)作物生長(zhǎng)具有一定的促進(jìn)作用[11]。

水稻是我國(guó)需水量最多的作物之一，目前國(guó)內(nèi)外研究人員就水稻ETc及其變化規(guī)律，開(kāi)展了較多試驗(yàn)，以提升水稻作物的節(jié)水潛力[12,13]。而在運(yùn)用養(yǎng)殖廢水資源進(jìn)行灌溉農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面，研究者針對(duì)再生水灌溉對(duì)糧食作物生物學(xué)特性影響、有害元素的富集和作物品質(zhì)等開(kāi)展了大量試驗(yàn)，但研究對(duì)象多以小麥和玉米作物為主[14-19]。孟雷和左強(qiáng)[14]研究發(fā)現(xiàn)，污水灌溉會(huì)降低冬小麥約31.2%～85.7%的吸水速率，妨礙對(duì)土壤水分的吸收利用。查貴峰等[16]研究指出，冬小麥再生水灌溉的耗水規(guī)律與清水十分接近，且累積耗水量隨灌溉水量的增大而增加，水分利用效率僅與灌水量有關(guān)，隨灌溉水量的增加而減少。劉洪祿等[17]通過(guò)研究再生水灌溉對(duì)冬小麥和夏玉米產(chǎn)量及品質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)量平均增產(chǎn)6.49%和5.42%，且粗蛋白、可溶性總糖等主要品質(zhì)指標(biāo)亦有一定的提升。李康等[18]研究認(rèn)為再生水灌溉在小麥株高、葉面積、器官干物質(zhì)積累等方面生長(zhǎng)具有一定的促進(jìn)作用，且到后期效果更明顯，進(jìn)而一定程度的提高小麥的產(chǎn)量（4.79%），籽粒和土壤中重金屬含量沒(méi)有超過(guò)國(guó)家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。

因此，為了合理地利用再生水進(jìn)行灌溉，本研究基于試驗(yàn)區(qū)洱海流域水稻種植廣且養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達(dá)[20-22]的現(xiàn)實(shí)條件，結(jié)合稻田濕地生態(tài)系統(tǒng)中水稻生產(chǎn)需水量大的特點(diǎn)，探索水稻再生水灌溉的需水規(guī)律，尋求開(kāi)展再生水灌溉的適宜灌溉制度，為充分利用再生水進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)水稻作物節(jié)水灌溉技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在國(guó)家農(nóng)業(yè)環(huán)境大理觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站（東經(jīng)100°07′43″，北緯25°49′59″，海拔1 975 m）內(nèi)開(kāi)展。試驗(yàn)區(qū)為典型的低緯度高原季風(fēng)氣候，干濕季節(jié)分明，降雨豐沛，降雨主要集中于5-10月，占全年降雨量的85%～95%，年均降雨量為1 078.9 mm；四季溫差小，年平均氣溫為15.1 ℃，最近15年的年平均日照時(shí)間為2 439 h。試驗(yàn)區(qū)土壤容重為1.14 g/cm3，容積田間持水率為47.2%，容積飽和含水率為55%。土壤為粉砂質(zhì)壤土，平均粒徑為19.26 μm。在田間試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，初始土壤總氮、總磷、總鉀、銨態(tài)氮及硝酸鹽氮含量分別為4.1 g/kg、1.56 g/kg、15.4 g/kg、4.2 mg/kg和5.88 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)淹水灌溉（FI）及間歇灌溉（AWD）2種灌溉模式（具體各生育期水層控制標(biāo)準(zhǔn)如表1所示），3 種施肥方式：F1（全生育期清水灌溉+施全部化肥）、F2（分蘗期、拔節(jié)孕穗期再生水灌溉+施部分化肥）及F3（返青期、分蘗期、拔節(jié)孕穗期再生水灌溉+施部分化肥），共計(jì)5 個(gè)處理（FIF1、FIF2、FIF3、AWDF1、AWDF2）。未設(shè)置AWDF3 處理的原因是考慮到AWD 模式下返青期灌再生水水量較少，隨灌溉帶入養(yǎng)分較少，后期仍需施部分化肥，與AWDF2 處理重復(fù)。每個(gè)處理設(shè)置3 個(gè)重復(fù)，共15 個(gè)小區(qū)。每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)面積為54 m2（12 m×4.5 m），各小區(qū)用高和寬均為40 cm 的田埂隔開(kāi)，田埂使用埋深40 cm 的塑料薄膜包裹以防止不同試驗(yàn)區(qū)水分側(cè)向運(yùn)移。灌溉使用的清水取自站內(nèi)溝渠，水源主要來(lái)自蒼山溪水。

表1 不同灌溉模式下田間水層控制標(biāo)準(zhǔn) mmTab.1 Field water layer control standards under different irrigation modes

各處理總施氮量均為193 kg/hm2（以純氮記），施磷（P2O5）、鉀（K2O）量均為60 kg/hm2。清水灌溉處理（F1）的氮肥施肥比例為蘗肥∶穗肥=7∶3，磷肥和鉀肥在施加蘗肥時(shí)一次性全部施入。對(duì)于再生水灌溉下的F2和F3處理，鉀肥同樣于蘗肥施加時(shí)一次性施入。氮肥和磷肥的施加量則根據(jù)預(yù)估的平水年灌溉制度確定，扣除預(yù)估的再生水灌溉帶入的氮、磷量，即為蘗肥及穗肥所需補(bǔ)充的化肥氮、磷量。于每次試驗(yàn)前到現(xiàn)場(chǎng)化驗(yàn)再生水的氮、磷含量，用以指導(dǎo)與清水的摻混量，多次取樣測(cè)得再生水含氮量在30 mg/L 左右，含磷量在2 mg/L 左右。施入的化肥中氮肥品種為尿素，磷肥為過(guò)磷酸鈣，鉀肥為硫酸鉀。試驗(yàn)采用水稻品種為03鑒44。

1.3 觀測(cè)內(nèi)容與方法

試驗(yàn)水量觀測(cè)要素包括：田間耗水量、滲漏量與ETc。

（1）田間耗水量：稻田插秧灌水后，在各試驗(yàn)區(qū)豎直打下一根鋼尺，每日8︰00觀測(cè)田間水層深度，逐日水深變化即為逐日田間耗水量。

（2）滲漏量：在田間安裝鋼板測(cè)滲筒（有蓋），每日8︰00用水尺觀測(cè)測(cè)滲筒水深變化，測(cè)滲筒每日水深之差即為滲漏量。

（3）ETc：逐日田間耗水量減去逐日田間滲漏量即為逐日ETc。

（4）小時(shí)尺度的降雨量及其他氣象數(shù)據(jù)由試驗(yàn)站內(nèi)自動(dòng)氣象站測(cè)定。

（5）測(cè)產(chǎn)考種：收獲前于每小區(qū)調(diào)查有效穗數(shù)30 蔸，取有代表性的植株5 蔸考種，考察穗長(zhǎng)、每穗粒數(shù)、每穗空粒數(shù)、實(shí)粒數(shù)、千粒重。收割時(shí)每個(gè)小區(qū)全部收割測(cè)產(chǎn)，且各小區(qū)單打單收驗(yàn)產(chǎn)。

（6）ET0：采用FAO Penman-Monteith公式[23]計(jì)算。

（7）作物系數(shù)Kc為作物蒸發(fā)蒸騰量ETc與ET0的比值，按下式計(jì)算：

式中：ETc為作物蒸發(fā)蒸騰量，mm。

（8）灌溉水利用效率按下式計(jì)算：

式中：WPI為灌溉水利用效率，kg/m3；Y為稻田產(chǎn)量，kg/hm2；I為稻田全生育期灌水總量，m3/hm2。

1.4 數(shù)據(jù)分析與處理

采用Excel 2013 和SPSS 20 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，Origin 2018軟件進(jìn)行繪圖處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理下水稻ETc及Kc

2.1.1 不同水肥處理下水稻各生育期ETc

不同水肥處理下水稻各生育期ETc變化趨勢(shì)如圖1所示。由圖1 可知，不同處理下水稻ETc規(guī)律均呈現(xiàn)倒“V”形的趨勢(shì)：從返青期開(kāi)始緩慢上升，至拔節(jié)孕穗期達(dá)到最大值，后逐漸下降，黃熟期下降到最小值。由圖1亦可知，分蘗期與拔節(jié)孕穗期均為水稻需水高峰期，拔節(jié)孕穗期水稻ETc可高達(dá)198.6 mm。

圖1 不同再生水灌溉處理下各生育期ETc變化Fig.1 Changes of ETc in each growth period under different reclaimed water irrigation treatments

在相同施肥方式下，F(xiàn)I處理的水稻ETc在拔節(jié)孕穗期大于AWD，抽穗開(kāi)花期后差異不明顯。在同一灌溉模式下，清水灌溉處理與再生水灌溉處理各生育期ETc的變化差異較大，清水灌溉處理ETc最大出現(xiàn)在分蘗期，而再生水灌溉處理ETc最大的時(shí)期為拔節(jié)孕穗期，動(dòng)態(tài)變化出現(xiàn)部分后移的趨勢(shì)。與清水灌溉相比，再生水灌溉使水稻分蘗期ETc略微減少，拔節(jié)孕穗期ETc明顯增大，表現(xiàn)出使用再生水灌溉整體提高水稻各生育期ETc的趨勢(shì)。

2.1.2 不同水肥處理下水稻平均ETc及Kc

不同水肥處理下水稻各水量平衡要素如表2所示。各處理中FIF3 處理平均ETc最大，為588 mm，AWDF1 處理平均ETc最小，為533.6 mm。FI 和AWD 下的水稻平均ETc分別為552.4 mm 和533.6 mm，AWD 比FI 平均ETc平均減少18.8 mm，差異較小。不同施肥方式下，F(xiàn)I下清水灌溉F1和再生水灌溉F3處理下的ETc分別為552.4 mm和588.0 mm，清水灌溉比再生水灌溉減少35.6 mm。AWD 下清水灌溉F1 和再生水F2 處理下ETc分別為533.6 mm 和556.6 mm，節(jié)水效果不明顯。不同再生水灌溉時(shí)期下，兩個(gè)生育期（分蘗期、拔節(jié)孕穗期）灌再生水F2 和3 個(gè)生育期（返青期、分蘗期和拔節(jié)孕穗期）灌再生水F3 處理平均ETc分別為573 mm 和588 mm，兩個(gè)生育期灌再生水比3個(gè)生育期平均減少15 mm，F(xiàn)3處理下ETc略高，ETc表現(xiàn)出隨再生水灌溉水量增加而增加的趨勢(shì)。

表2 不同處理下水稻各水量平衡要素Tab.2 Rice water balance factors under different treatments

不同處理下水稻各生育期Kc變化趨勢(shì)如圖2所示。由圖2可知，各處理水稻Kc的變化規(guī)律與各生育期ETc規(guī)律保持一致，拔節(jié)孕穗期達(dá)到峰值，隨后開(kāi)始下降。再生水灌溉條件下Kc在不同生育期均比清水灌溉條件下的大，Kc最大為FIF3處理下的1.21，最小為AWDF1 處理下的0.66。而從水稻全生育期看，AWD和FI的Kc平均分別為0.98和0.95，差異較小。

圖2 不同再生水灌溉處理下水稻各生育期Kc變化Fig.2 Changes of Kc in rice growth stages under different reclaimed water irrigation treatments

2.2 不同處理下水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成

不同處理下水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成要素如表3所示。由表3 可知，不同處理間產(chǎn)量構(gòu)成各要素不存在顯著性差異。理論產(chǎn)量與實(shí)際產(chǎn)量間存在偏差，且均小于實(shí)際產(chǎn)量，這可能由理論測(cè)產(chǎn)與實(shí)際測(cè)產(chǎn)過(guò)程中的不可避免的誤差造成，如：實(shí)際測(cè)產(chǎn)取樣無(wú)法做到完全平均的宏觀觀測(cè)水稻產(chǎn)量導(dǎo)致理論與實(shí)際的差異或隨再生水灌溉帶入的養(yǎng)分對(duì)土壤具有未被觀測(cè)探究到的正向作用等原因。

由表3 可知，不同處理對(duì)水稻產(chǎn)量均有不定的增產(chǎn)效果，在不同灌溉模式下，AWD 的水稻穗長(zhǎng)、有效穗較FI 處理下略小，但其千粒重和結(jié)實(shí)率較大，最終綜合產(chǎn)量平均較FI 提高2%。對(duì)于不同施化肥量而言，F(xiàn)1、F2和F3處理平均產(chǎn)量分別為10.23、10.51 和9.88 t/hm2，F(xiàn)2 處理平均較F1 增產(chǎn)3%。顯然，與清水灌溉相比，再生水水體中富含一定的營(yíng)養(yǎng)成分，相較于常規(guī)清水灌溉來(lái)說(shuō)，使用富含易于作物生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)元素的再生水進(jìn)行灌溉具有增加土壤有機(jī)質(zhì)含量、微生物活性及改良土壤理化性質(zhì)等作用，對(duì)于水稻產(chǎn)量的影響具有一定的正面作用[24-26]。而同為再生水灌溉處理的F3 千粒重較小、產(chǎn)量偏低，可能是在水稻生長(zhǎng)初期進(jìn)行再生水灌溉易出現(xiàn)再生水濃度過(guò)高抑制水稻生長(zhǎng)等問(wèn)題。

表3 不同灌水施肥方式處理下產(chǎn)量構(gòu)成要素Tab.3 Yield components under different irrigation and fertilization methods

2.3 不同處理下灌溉水利用效率

不同處理下灌溉水利用效率如表4所示，灌溉水利用效率均值為4.54 kg/m3，最高為AWDF2 處理下的6.36 kg/m3，最低為FIF1處理，為3.13 kg/m3。相同施肥方式下，AWD下的水稻灌溉水利用效率比FI 下平均增加2.83 kg/m3，提高了45.6%，灌溉水利用效率提高顯著。相同灌溉模式下，再生水灌溉比清水灌溉下的灌溉水利用效率平均增加了0.68 kg/m3，節(jié)約清水資源可達(dá)22%。其中3 個(gè)生育期再生水灌溉處理的FIF3 處理灌溉水利用效率比兩個(gè)生育期再生水灌溉處理的FIF2 處理增加0.43 kg/m3，灌溉水利用效率提高了約75%。可見(jiàn)，將再生水運(yùn)用到水稻灌溉生產(chǎn)替代清水灌溉既保證了產(chǎn)量，節(jié)水效果亦提升顯著。

表4 不同再生水灌溉處理下灌溉水利用效率Tab.4 Irrigation water use efficiency under different reclaimed water irrigation treatments

2.4 不同水文年水稻再生水灌溉制度

2.4.1 再生水灌溉條件下水稻實(shí)測(cè)灌溉制度

再生水灌溉FIF2、FIF3、AWDF2 處理下的水稻小區(qū)試驗(yàn)實(shí)際測(cè)灌溉制度如表5所示。由表5 可知，灌溉模式FI 與AWD 灌水定額差異較大，AWD 與FI 相比，減少了2 次灌水，再生水水量差為117.3 mm，再生水利用效率可達(dá)38.17%；返青期灌再生水的處理FIF3 與返青期不灌再生水的處理FIF2 相比，灌水次數(shù)相同，但灌水定額減少42.7 mm。FIF2、AWDF2和FIF3 處理的再生水灌溉量分別為252.7、155.0 和264.6 mm，灌水次數(shù)分別為5次、3次和6次。

表5 實(shí)測(cè)水稻再生水灌溉制度Tab.5 Measured rice reclaimed water irrigation system

2.4.2 再生水灌溉條件下不同水文年灌溉制度推求

根據(jù)本試驗(yàn)的研究結(jié)果，水稻再生水灌溉處理中AWDF2處理產(chǎn)量最高、節(jié)水效果最好，是本試驗(yàn)處理中的最優(yōu)處理，考慮到過(guò)量及過(guò)高濃度再生水灌溉可能會(huì)對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育及農(nóng)田生態(tài)環(huán)境帶來(lái)一系列未知影響，以本文研究結(jié)果的最優(yōu)處理AWDF2 的再生水灌溉水量及再生水基礎(chǔ)氮濃度為再生水灌溉的閾值（灌再生水量≤155 mm，再生水總氮濃度≤30 mg/L），推算各典型年水稻再生水間歇灌溉灌溉制度。若典型年分蘗期及拔節(jié)孕穗期所需灌水量大于155 mm，則補(bǔ)灌清水以保證水稻的正常生理水分需求；若所灌水量小于155 mm，則按制定的灌溉制度進(jìn)行灌水，并進(jìn)一步補(bǔ)施化肥。

所推算的各典型水文年的再生水灌溉制度如表6所示，具體推算以試驗(yàn)地區(qū)1970-2014年45年的氣象資料為依據(jù)，對(duì)歷年稻季降雨統(tǒng)計(jì)資料進(jìn)行排頻分析，得出不同水文年頻率的逐月降水量資料并選取出典型年依次為：豐水年1985年（P=25%）、平水年1980年（P=50%）、枯水年1977年（P=75%）、特旱年1981年（P=90%），并以此為依據(jù)計(jì)算不同生育期降水量，而后根據(jù)水量平衡進(jìn)行計(jì)算，探求出不同水文年的灌溉制度，以后生產(chǎn)可根據(jù)制定的灌溉制度進(jìn)行，以實(shí)現(xiàn)節(jié)約再生水資源高效生產(chǎn)。

表6 不同典型水文年水稻AWD下再生水灌溉制度Tab.6 Irrigation schedule of reclaimed water under rice AWD indifferent typical hydrological years

考慮到FI 為試驗(yàn)地區(qū)水稻傳統(tǒng)種植模式，經(jīng)綜合比較本試驗(yàn)再生水灌溉FIF2 和FIF3 處理的各項(xiàng)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)FIF3 處理在節(jié)水能力等方面優(yōu)于FIF2 處理，且產(chǎn)量相差不大，故以本次研究結(jié)果中的FIF3 處理的再生水灌溉量及其濃度為閾值（灌再生水量≤265 mm，再生水總氮濃度≤30 mg/L），推算各典型年水稻再生水淹水灌溉灌溉制度，推算結(jié)果如表7所示。

結(jié)合表6 和表7 可知，推求得豐水年和平水年FI 與AWD模式下的灌溉制度大致相同：豐水年僅需用再生水灌溉即可滿足水稻生產(chǎn)，灌溉定額均為100 mm，對(duì)灌溉依賴程度較低；平水年灌溉定額為200 mm，其中清水水量為50 mm。枯水年下AWD 和FI 模式下的灌溉定額分別為280 mm 和380 mm，灌溉清水使用量分別占灌溉定額的35.7%和39.4%，節(jié)約清水達(dá)15%；特旱年AWD 和FI 模式下的灌溉定額分別為250 mm 和360 mm，灌溉清水使用量分別占灌溉定額的40%和41.7%，節(jié)約清水占比5%。

表7 不同典型水文年水稻FI下再生水灌溉制度Tab.7 Irrigation schedule of reclaimed water under rice FI in different typical hydrological years

可見(jiàn)，豐水年和平水年灌溉需清水水量極少，對(duì)再生水資源利用效率也最高，而枯水年和特旱年AWD 下灌溉定額較FI 處理明顯小，清水水量占比總灌溉水量比例小，AWD 模式普遍具有良好的節(jié)約清水資源效果。與上述平均ETc及實(shí)際灌溉制度相比，節(jié)水效果表現(xiàn)較好的一致性。因此，在該流域推行間歇灌溉取代傳統(tǒng)淹水灌溉無(wú)論清水資源還是再生水資源節(jié)水效果均較顯著，根據(jù)探求的灌溉制度在適宜的灌水時(shí)間開(kāi)展水稻再生水灌溉生產(chǎn)，可為發(fā)展水稻生產(chǎn)節(jié)水灌溉技術(shù)提供新思路，緩解區(qū)域灌溉水資源緊張問(wèn)題。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)再生水灌溉條件下水稻需水規(guī)律及灌溉制度進(jìn)行研究，得到了以下主要結(jié)論：

（1）使用再生水灌溉會(huì)整體提高水稻各生育期ETc。與清水灌溉處理相比，再生水灌溉條件下水稻ETc峰值由清水灌溉下的分蘗期后移至拔節(jié)孕穗期。平均ETc表現(xiàn)出隨再生水灌溉水量增加而增加的趨向，F(xiàn)2 方式對(duì)再生水的利用效率最高，適當(dāng)時(shí)期進(jìn)行再生水灌溉可節(jié)約清水資源，亦使得對(duì)再生水的利用率達(dá)到最高。從水稻全生育期看，AWD 和FI 的Kc平均分別為0.98和0.95，差異較小，再生水灌溉條件下不同生育期均比清水灌溉大。（2）在不同灌溉模式下，AWD 最終綜合產(chǎn)量平均較FI 大提高2%。清水與再生水灌溉處理對(duì)構(gòu)成水稻產(chǎn)量的各要素不存在顯著差異，而再生水因其中含有的養(yǎng)分具有一定的增產(chǎn)效應(yīng)。水稻返青期不宜進(jìn)行再生水灌溉。（3）豐水年和平水年份對(duì)清水資源的依賴程度低，枯水年和特旱年AWD 下灌溉定額明顯小于FI。不同灌水模式下，豐水年再生水灌溉定額均為100 mm，平水年均為200 mm，枯水年AWD 和FI模式下分別為280 mm 和380 mm，特旱年AWD和FI模式下灌溉定額分別為250 mm和360 mm。