浙江省山改田水稻根系生長特性與精準灌溉策略探析

摘 要 浙江省山改田水稻灌溉在入滲均勻性、地形影響、地下水位波動及水肥耦合等方面存在明顯問題，導致水稻根系生長受限，且水稻產量、品質難以保證。為改善水稻根系生長特性，進而實現浙江省山改田水稻的高產優質和資源高效利用，從優化土壤水分監測與反饋、加強水分傳輸模擬與預測、分區分層控制灌溉、探索水肥一體化管理及應用生物降解地膜等角度開展研究，提出一系列針對性的精準灌溉策略，強化水肥協同供給。

關鍵詞 山改田；水稻；精準灌溉；浙江省

中圖分類號：S511 文獻標志碼：C DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2024.15.010

水稻是浙江省的主要糧食作物，而山地改糧田是浙江省水稻種植的重要組成部分。山改田地形復雜多樣，土壤理化性質空間異質性強，給水稻生產的水分管理帶來了諸多挑戰。根系是水稻吸收水分和養分的關鍵器官，根系生長發育直接影響水稻產量的形成。因此，揭示浙江省山改田水稻根系生長特性，探索與之相適應的精準灌溉策略，對提升浙江省水稻生產水平、保障糧食安全具有重要意義。

1 "浙江省山改田概況及水稻根系生長特性分析

浙江省山地面積占該省總面積的70.4%，其中改良后的水稻種植田塊在浙江省水稻生產中占據舉足輕重的地位。山改田具有壟寬窄、壟高低、田塊小、肥力差、灌排難等特點，土壤質地多為砂壤土或砂土，透水性強，保水保肥能力差，地表徑流系數大。以位于浙江省西部的丘陵山區典型縣建德市為例，山改田面積約占水稻種植面積的30%。受自然和人為因素影響，大多數山改田土壤養分含量呈現出“壟體缺肥、壟溝積肥”的梯度分布[1]。根系是水稻吸收土壤水分和礦質營養的主要器官，其生長發育直接影響水稻產量形成。研究表明，由于山改田“壟體路化、壟溝水化”的特殊性，水稻根系主要分布于0～20 cm耕層，且根系在壟溝分布深度明顯大于壟體。與常規平坦的田地相比，山改田水稻根系密度偏小，且老齡根比例較高。同時，受地形起伏影響，水稻根系生長表現出一定的“背風坡效應”，即迎風面根系生物量顯著少于背風面。這種根系生長的差異性特點，對山改田水稻灌溉提出了精準性的要求。

2 "浙江省山改田水稻灌溉存在的問題

2.1 "入滲異常導致土壤濕潤不均

山改田土壤入滲異常是導致灌溉濕潤不均的主要原因之一。浙江省山區地貌以紅壤丘陵為主，經過改良后的水稻田壟體多為通透性強的砂壤土或砂土，而壟溝以黏重的土壤為主。壟體與壟溝土壤質地的差異性直接導致了土壤入滲能力的空間異質性[2]。在灌溉水下滲過程中，高滲透性的壟體土壤易出現“速滲漏”現象，而低滲透性的壟溝常出現“積水澇”問題。灌溉水在壟面快速下滲并在壟溝匯集，導致出現壟面“旱”、壟溝“澇”的不均勻濕潤問題。這種“旱澇并存、水分梯度大”的特點顯著影響了水稻根系的生長發育，進而影響了水稻高產穩產。

2.2 "地形起伏引起水分分布失衡

山改田地形起伏不平是導致土壤水分分布失衡的另一重要因素。浙江省山區丘陵坡度變化劇烈，山改田地塊坡度普遍在5°以上，個別區域甚至達到了15°。地形的高差效應直接影響了土壤水分的再分配過程[3]。灌溉水進入田間后，在重力勢能的作用下快速向低洼處匯集，導致高位區域土壤水分虧缺，而低洼區域出現水分過飽和現象，這種地形效應驅動下的水分二次分配加劇了土壤水分分布的空間異質性[4]。土壤水分分布失衡直接影響了水稻根系生長和群體結構建成。水分供應不足的高位區域，水稻根系生長受阻，根密度及活力均顯著低于低洼區域。這種差異性的根系發育模式進一步加劇了水稻植株體內源庫流強度的不均一性，最終導致水稻產量和品質不高。

2.3 "地下水位波動影響水稻需水量

地下水位動態變化是影響山改田水稻需水量的重要因素之一。浙江省山區地下水埋深普遍較淺，季節性波動明顯。汛期地下水位較高，水稻根部區域土壤水分狀況良好；而非汛期地下水位下降，水稻根系易受干旱脅迫。建德市汛期地下水埋深不足50 cm，非汛期則下降為100 cm以下，地下水位的波動直接影響了水稻根系的水分供應狀況[5]。同時，地下水位波動會通過毛細管作用影響水稻根區的水勢能分布。當地下水位較高時，淺層土壤水勢能較低，水稻根系水分吸收受到抑制；當地下水位下降時，淺層土壤水勢能升高，水稻根系吸水阻力減小。這種水勢能的動態變化直接影響水稻蒸騰耗水強度，進而改變其需水規律。

2.4 "水稻對水肥耦合供給的響應特性不明確

水肥耦合供給是實現山改田水稻高產穩產的關鍵舉措，但水稻對水肥耦合的響應特性尚不明確。浙江省山區土壤養分空間異質性強，加之水分調控手段薄弱，水肥協同效應發揮受阻。建德市山改田壟體土壤速效氮含量低于90 mg·kg-1，而壟溝土壤在120 mg·kg-1以上，二者相差懸殊，養分的差異分布直接影響了水稻對水肥資源的吸收利用效率[6]。同時，山改田“壟體路化、壟溝水化”的特點會提升水肥運移與耦合過程的復雜性。在灌溉水下滲過程中，速效養分隨水在壟體快速淋失，而在壟溝則易發生富集。這種水肥運移的空間異質性直接影響養分在土壤-水稻系統中的遷移轉化及其生物有效性，導致水稻群體內部養分吸收利用不均衡[7]。

3 "提升浙江省山改田水稻根系生長特性的精準灌溉策略

3.1 "優化土壤水分監測與信息反饋

傳統的土壤水分監測多采用定點埋設的方式，難以全面反映山改田水分的時空動態變化。為此，浙江省可采用“定點監測+遙感反演”的一體化土壤水分監測方案。在山改田土壤內部布設一定數量的土壤水分傳感器，實時獲取典型壟體、壟溝及坡面等部位的水分狀況[8]。同時，利用無人機搭載多光譜相機對山改田進行高頻次、全覆蓋的遙感監測，構建土壤水分遙感反演模型。將點位監測數據與遙感反演結果進行同化融合，形成兼顧時間連續性和空間完整性的土壤水分監測數據集。基于監測數據的分析結果，可實時評估山改田土壤水分的匱缺或過剩狀況，科學調整灌水時機和灌水定額。以浙江省西北部典型縣淳安縣為例，當監測到壟體0～40 cm土層含水量低于田間持水量的60%時，智能灌溉控制系統立即觸發灌溉指令，并結合壟體土壤質地及小氣候參數確定灌水量，一般在350 m3·hm-2左右；當壟體表層土壤水分超過飽和含水量的85%時，智能灌溉控制系統則會啟動排水模塊，將過量積水引至田間排水溝渠[9]。通過土壤水分動態監測指揮灌排調控，可有效破解山改田灌溉的“旱澇急”難題。

3.2 "加強水分傳輸數值模擬與預測

傳統的水分傳輸模型多基于均質土壤假設，難以準確描述山改田坡面水分運移規律。為此，浙江省可采用基于有限元方法的非均質土壤水分傳輸模型，綜合考慮山改田土壤質地、地形、下墊面條件等因素的影響。在模型參數率定方面，可聯合不同坡位的土壤水分監測數據，采用馬爾科夫鏈蒙特卡羅方法進行參數反演，提升模型適用性。以建德市為例，利用Hydrus-2D軟件構建山改田土壤水分運移模型，并通過布設在不同坡位的頻域反射式土壤水分傳感器進行參數率定，模型的水分預測精度在85%以上[10]。在模型應用方面，可結合短期氣象預報數據和水稻植株生長參數，模擬灌溉情景下土壤水分的時空分布動態，并進一步預測未來3～5 d的土壤水分變化趨勢。當模型預測某一坡面的土壤水分低于水稻臨界需水閾值時，即觸發灌溉預警信號，并匹配相應的灌溉制度。同時，模型可模擬分析不同灌溉制度下的水分調控效果，優選兼顧均勻性與節水性的灌溉方案。相關應用實踐表明，當采用“壟面-壟溝輪灌”模式，并將灌水定額控制在250 m3·hm-2左右時，坡面土壤水分的變異系數可降為10%以下，較常規漫灌節水15%以上[4]。通過數值模擬支撐精準灌溉決策，可有效平衡山改田“高位干、低位濕”的水分失衡格局，進而促進水稻根系健康生長。

3.3 "分區分層控制灌溉量與灌溉時機

當前，山改田灌溉多采用大水漫灌方式，忽視了地下水埋深的空間差異性，易造成深層滲漏和養分淋失。為此，浙江省可結合地下水動態監測數據，劃分地下水埋深分區，并采用分層土壤水分傳感器實時監控水稻根部區域水分狀況，實現分區分層灌溉。在埋深較淺區域，當水稻根部區域土壤水分低于田間持水量的70%時觸發灌溉指令，灌水定額宜控制在200 m3·hm-2以內，避免深層滲漏；在埋深較深區域，當水稻根部區域土壤水分低于田間持水量的60%時再啟動灌溉，灌水定額可適當增加至300 m3·hm-2。以建德市為例，可采用埋深80 cm為界的二分區灌溉模式，并將0～40 cm和40～80 cm兩個土層的灌溉閾值分別設定為70%和80%，從而提高水稻耗水量與地下水補給量的匹配度。在灌溉時機控制方面，可綜合考慮降水預報、土壤墑情、地下水位等因素，動態調整灌溉頻次。當預報未來3 d內有效降水量大于30 mm時，可暫停灌溉并加強田間排水，待降水結束后再根據土壤水分狀況補充灌溉；當連續多日無有效降水且地下水位持續下降時，可適當增加灌溉頻次，縮短灌溉輪回周期。通過分區分層灌溉配以動態調時，可充分發揮降水和地下水的供水作用，減少不必要的灌溉用水，進而促進水稻根系均衡分布，提升水分利用效率和水稻產量。

3.4 "探索水肥一體化精準管理新模式

傳統的山改田水肥管理多采用“先水后肥”的模式，忽視了水分與養分的時空匹配性，易導致肥料淋失和水稻根系養分吸收障礙。為此，浙江省可嘗試構建基于水稻需求的水肥動態調控模型，通過實時獲取土壤水分、養分含量及水稻植株生理生態信息，模擬水稻生長過程中對水肥的動態需求，并據此優化灌溉施肥方案。在模型參數獲取方面，可以利用物聯網技術構建山改田水肥動態監測網絡，通過布設土壤水分傳感器、養分離子傳感器及植被指數傳感器等，實現對水稻根部區域土壤水勢、養分濃度及冠層長勢的實時感知，并結合機器學習算法進行參數擬合和模型訓練，提升模型預測的精準性。在灌溉、施肥決策方面，可將水肥動態調控模型嵌入智能灌溉控制系統，根據模型模擬結果，自動調整灌溉水量和肥料投入比例，實現水肥精量供給。例如，當模型預測顯示水稻分蘗期對氮素需求量較高時，可適當增加灌溉水中的尿素濃度，并采用“少量多次”的施肥策略，避免肥料大量淋失；當預測顯示灌漿結實期對鉀素需求旺盛時，可在灌溉水中補充硫酸鉀，并適當延長灌溉時間，促進鉀素向籽粒轉運。同時，可探索建立山改田水肥一體化智能管理平臺，通過大數據分析和可視化展示，為農戶提供田塊尺度的精準灌溉與施肥方案，并根據氣象預報等外部因素進行動態調整。

4 "結語

在山地丘陵地區水稻生產中，將精準灌溉理念貫穿整個生產過程，并結合區域特點不斷創新灌溉技術與模式，對提升水稻根系生長特性，進而實現水稻高產優質和水土資源高效利用具有重要意義，可為保障區域糧食安全和促進農業可持續發展提供有力支撐。

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（責任編輯：張春雨）

收稿日期：2024-07-07

基金項目：浙江省重點研發計劃項目（2022C03038）；浙江省農業重大協同項目（2023ZDXT02）。

作者簡介：歐陽慧（1979—），本科，農藝師，研究方向為糧油高產高效栽培技術。

*為通信作者，E-mail：hzjdsmh@163.com。