再生水灌溉下水稻需水規律及灌溉制度試驗研究

韓煥豪，劉鑫焱，高 蓉，顧世祥，崔遠來

（1.昆明理工大學現代農業工程學院，昆明650559；2.云南省水利水電勘測設計研究院，昆明650021；3.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢430072）

0 引言

伴隨著國家農業領域水資源供需矛盾的不斷加劇，利用再生水部分替代常規水資源開展灌溉的農業生產逐漸獲得廣泛重視[1-4]，這同當前中國水資源需求量的快速增長相適應[5]。有研究表明，二級處理后的水用于農業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作物產量、土壤環境的負面影響[6,7]；經處理后的再生水在農作物生產過程中用于灌溉，以實現廢水利用的目的被認為是環保可靠的[8]，同時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]也通過多種土壤指標測定法分析得出，由于再生水中具有高含量的全氮、有機質等指標，經灌溉后農田土壤有機質含量增加，養分充足，對作物生長具有一定的促進作用[11]。

水稻是我國需水量最多的作物之一，目前國內外研究人員就水稻ETc及其變化規律，開展了較多試驗，以提升水稻作物的節水潛力[12,13]。而在運用養殖廢水資源進行灌溉農業生產方面，研究者針對再生水灌溉對糧食作物生物學特性影響、有害元素的富集和作物品質等開展了大量試驗，但研究對象多以小麥和玉米作物為主[14-19]。孟雷和左強[14]研究發現，污水灌溉會降低冬小麥約31.2%～85.7%的吸水速率，妨礙對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，隨灌溉水量的增加而減少。劉洪祿等[17]通過研究再生水灌溉對冬小麥和夏玉米產量及品質的影響，發現產量平均增產6.49%和5.42%，且粗蛋白、可溶性總糖等主要品質指標亦有一定的提升。李康等[18]研究認為再生水灌溉在小麥株高、葉面積、器官干物質積累等方面生長具有一定的促進作用，且到后期效果更明顯，進而一定程度的提高小麥的產量（4.79%），籽粒和土壤中重金屬含量沒有超過國家食品衛生標準。

因此，為了合理地利用再生水進行灌溉，本研究基于試驗區洱海流域水稻種植廣且養殖業發達[20-22]的現實條件，結合稻田濕地生態系統中水稻生產需水量大的特點，探索水稻再生水灌溉的需水規律，尋求開展再生水灌溉的適宜灌溉制度，為充分利用再生水進行農業灌溉生產，實現水稻作物節水灌溉技術的可持續發展提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗在國家農業環境大理觀測實驗站（東經100°07′43″，北緯25°49′59″，海拔1 975 m）內開展。試驗區為典型的低緯度高原季風氣候，干濕季節分明，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年的年平均日照時間為2 439 h。試驗區土壤容重為1.14 g/cm3，容積田間持水率為47.2%，容積飽和含水率為55%。土壤為粉砂質壤土，平均粒徑為19.26 μm。在田間試驗開始時，初始土壤總氮、總磷、總鉀、銨態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 試驗設計

試驗設計淹水灌溉（FI）及間歇灌溉（AWD）2種灌溉模式（具體各生育期水層控制標準如表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、拔節孕穗期再生水灌溉+施部分化肥）及F3（返青期、分蘗期、拔節孕穗期再生水灌溉+施部分化肥），共計5 個處理（FIF1、FIF2、FIF3、AWDF1、AWDF2）。未設置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，隨灌溉帶入養分較少，后期仍需施部分化肥，與AWDF2 處理重復。每個處理設置3 個重復，共15 個小區。每個試驗小區面積為54 m2（12 m×4.5 m），各小區用高和寬均為40 cm 的田埂隔開，田埂使用埋深40 cm 的塑料薄膜包裹以防止不同試驗區水分側向運移。灌溉使用的清水取自站內溝渠，水源主要來自蒼山溪水。

表1 不同灌溉模式下田間水層控制標準 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一次性全部施入。對于再生水灌溉下的F2和F3處理，鉀肥同樣于蘗肥施加時一次性施入。氮肥和磷肥的施加量則根據預估的平水年灌溉制度確定，扣除預估的再生水灌溉帶入的氮、磷量，即為蘗肥及穗肥所需補充的化肥氮、磷量。于每次試驗前到現場化驗再生水的氮、磷含量，用以指導與清水的摻混量，多次取樣測得再生水含氮量在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，磷肥為過磷酸鈣，鉀肥為硫酸鉀。試驗采用水稻品種為03鑒44。

1.3 觀測內容與方法

試驗水量觀測要素包括：田間耗水量、滲漏量與ETc。

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

（2）滲漏量：在田間安裝鋼板測滲筒（有蓋），每日8︰00用水尺觀測測滲筒水深變化，測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）小時尺度的降雨量及其他氣象數據由試驗站內自動氣象站測定。

（5）測產考種：收獲前于每小區調查有效穗數30 蔸，取有代表性的植株5 蔸考種，考察穗長、每穗粒數、每穗空粒數、實粒數、千粒重。收割時每個小區全部收割測產，且各小區單打單收驗產。

（6）ET0：采用FAO Penman-Monteith公式[23]計算。

（7）作物系數Kc為作物蒸發蒸騰量ETc與ET0的比值，按下式計算：

式中：ETc為作物蒸發蒸騰量，mm。

（8）灌溉水利用效率按下式計算：

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

1.4 數據分析與處理

采用Excel 2013 和SPSS 20 軟件對數據進行統計分析，Origin 2018軟件進行繪圖處理。

2 結果與分析

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變化趨勢如圖1所示。由圖1 可知，不同處理下水稻ETc規律均呈現倒“V”形的趨勢：從返青期開始緩慢上升，至拔節孕穗期達到最大值，后逐漸下降，黃熟期下降到最小值。由圖1亦可知，分蘗期與拔節孕穗期均為水稻需水高峰期，拔節孕穗期水稻ETc可高達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，FI處理的水稻ETc在拔節孕穗期大于AWD，抽穗開花期后差異不明顯。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最大出現在分蘗期，而再生水灌溉處理ETc最大的時期為拔節孕穗期，動態變化出現部分后移的趨勢。與清水灌溉相比，再生水灌溉使水稻分蘗期ETc略微減少，拔節孕穗期ETc明顯增大，表現出使用再生水灌溉整體提高水稻各生育期ETc的趨勢。

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，FI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，節水效果不明顯。不同再生水灌溉時期下，兩個生育期（分蘗期、拔節孕穗期）灌再生水F2 和3 個生育期（返青期、分蘗期和拔節孕穗期）灌再生水F3 處理平均ETc分別為573 mm 和588 mm，兩個生育期灌再生水比3個生育期平均減少15 mm，F3處理下ETc略高，ETc表現出隨再生水灌溉水量增加而增加的趨勢。

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變化趨勢如圖2所示。由圖2可知，各處理水稻Kc的變化規律與各生育期ETc規律保持一致，拔節孕穗期達到峰值，隨后開始下降。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 不同處理下水稻產量及其構成

不同處理下水稻產量及其構成要素如表3所示。由表3 可知，不同處理間產量構成各要素不存在顯著性差異。理論產量與實際產量間存在偏差，且均小于實際產量，這可能由理論測產與實際測產過程中的不可避免的誤差造成，如：實際測產取樣無法做到完全平均的宏觀觀測水稻產量導致理論與實際的差異或隨再生水灌溉帶入的養分對土壤具有未被觀測探究到的正向作用等原因。

由表3 可知，不同處理對水稻產量均有不定的增產效果，在不同灌溉模式下，AWD 的水稻穗長、有效穗較FI 處理下略小，但其千粒重和結實率較大，最終綜合產量平均較FI 提高2%。對于不同施化肥量而言，F1、F2和F3處理平均產量分別為10.23、10.51 和9.88 t/hm2，F2 處理平均較F1 增產3%。顯然，與清水灌溉相比，再生水水體中富含一定的營養成分，相較于常規清水灌溉來說，使用富含易于作物生長的營養元素的再生水進行灌溉具有增加土壤有機質含量、微生物活性及改良土壤理化性質等作用，對于水稻產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、產量偏低，可能是在水稻生長初期進行再生水灌溉易出現再生水濃度過高抑制水稻生長等問題。

表3 不同灌水施肥方式處理下產量構成要素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，節約清水資源可達22%。其中3 個生育期再生水灌溉處理的FIF3 處理灌溉水利用效率比兩個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，將再生水運用到水稻灌溉生產替代清水灌溉既保證了產量，節水效果亦提升顯著。

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測灌溉制度

再生水灌溉FIF2、FIF3、AWDF2 處理下的水稻小區試驗實際測灌溉制度如表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，灌水次數分別為5次、3次和6次。

表5 實測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

根據本試驗的研究結果，水稻再生水灌溉處理中AWDF2處理產量最高、節水效果最好，是本試驗處理中的最優處理，考慮到過量及過高濃度再生水灌溉可能會對水稻生長發育及農田生態環境帶來一系列未知影響，以本文研究結果的最優處理AWDF2 的再生水灌溉水量及再生水基礎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孕穗期所需灌水量大于155 mm，則補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行灌水，并進一步補施化肥。

所推算的各典型水文年的再生水灌溉制度如表6所示，具體推算以試驗地區1970-2014年45年的氣象資料為依據，對歷年稻季降雨統計資料進行排頻分析，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%），并以此為依據計算不同生育期降水量，而后根據水量平衡進行計算，探求出不同水文年的灌溉制度，以后生產可根據制定的灌溉制度進行，以實現節約再生水資源高效生產。

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 為試驗地區水稻傳統種植模式，經綜合比較本試驗再生水灌溉FIF2 和FIF3 處理的各項指標，發現FIF3 處理在節水能力等方面優于FIF2 處理，且產量相差不大，故以本次研究結果中的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，推算結果如表7所示。

結合表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，灌溉定額均為100 mm，對灌溉依賴程度較低；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%，節約清水達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，豐水年和平水年灌溉需清水水量極少，對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約清水資源效果。與上述平均ETc及實際灌溉制度相比，節水效果表現較好的一致性。因此，在該流域推行間歇灌溉取代傳統淹水灌溉無論清水資源還是再生水資源節水效果均較顯著，根據探求的灌溉制度在適宜的灌水時間開展水稻再生水灌溉生產，可為發展水稻生產節水灌溉技術提供新思路，緩解區域灌溉水資源緊張問題。

3 結論

本文通過對再生水灌溉條件下水稻需水規律及灌溉制度進行研究，得到了以下主要結論：

（1）使用再生水灌溉會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孕穗期。平均ETc表現出隨再生水灌溉水量增加而增加的趨向，F2 方式對再生水的利用效率最高，適當時期進行再生水灌溉可節約清水資源，亦使得對再生水的利用率達到最高。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 最終綜合產量平均較FI 大提高2%。清水與再生水灌溉處理對構成水稻產量的各要素不存在顯著差異，而再生水因其中含有的養分具有一定的增產效應。水稻返青期不宜進行再生水灌溉。（3）豐水年和平水年份對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。