基于降水頻率分析的旱直播水稻滴灌灌溉制度研究
2024-11-07 00:00:00司昌亮尚學靈于海榮
江蘇農業科學 2024年18期
摘要：為了推動旱直播水稻滴灌技術的大面積推廣，選擇位于吉林省中部地區的岔路河水田試驗基地進行灌溉制度試驗，分析旱直播水稻滴灌條件下耗水規律與耗水強度，首次制定適于吉林省自然條件下旱直播水稻滴灌灌溉制度。結果表明：旱直播水稻耗水規律大致相同，表現為前期較少、中期增加、后期又逐漸減少的“單峰式”變化規律，最大值出現在分蘗期；耗水強度呈先增強后減弱的“單峰式”變化規律，抽穗開花期為旱直播水稻的需水關鍵期。制定旱直播水稻滴灌優化灌溉制度，豐水年灌水6次，1次灌水時間2 h，灌水定額135 m3/hm2，灌溉定額810 m3/hm2；平水年灌7次，1次灌水時間2～3 h，灌水定額135～225m3/hm2，灌溉定額1 305 m3/hm2；枯水年灌11次，1次灌水時間2～3 h，灌水定額135～225 m3/hm2，灌溉定額2 295 m3/hm2；特枯水年灌12次，1次灌水時間2～3 h，灌水定額135～225 m3/hm2，灌溉定額2 340 m3/hm2。與常規水稻淹灌相比，不同的水文年型下的旱直播水稻滴灌栽培節水率均達到70%以上，節水效果顯著，節水潛力巨大，適合在吉林省水田區尤其是水資源供需矛盾問題突出地區進行適度推廣。
關鍵詞：旱直播水稻；耗水規律；降水頻率；優化灌溉制度
中圖分類號：S274.1 文獻標志碼：A
文章編號：1002-1302（2024）18-0075-07
收稿日期：2023-12-04
基金項目：吉林省科技發展計劃項目（編號：20200402007NC）。
作者簡介：司昌亮（1988—），男，黑龍江人，碩士，工程師，從事水利水電工程及節水灌溉研究。E-mail：scl88927105@163.com。
通信作者：尚學靈，研究員，從事農田水利研究。E-mail：sky.sxl@163.com。
中國是世界上最大的稻米生產國之一［1］，其稻米產量對全球糧食安全具有深遠的影響。值得注意的是，水稻在其種植過程中需要耗費大量的水資源，是農業耗水最多的谷物類作物，占農業用水量的60%［2］。傳統的水稻種植以人工育苗移栽為主，該種植模式勞動強度大，需水量高［3］。相比傳統的插秧淹灌種植模式，旱直播水稻種植模式能節省人力資源和農業用水，便于機械化種植，提高作業效率，具有高效節水特性，可緩解我國水資源緊缺問題，提高水稻生產率［4～7］。旱直播水稻可分為旱種旱管和旱種水管2種技術模式。相較于水稻旱播水管模式，水稻旱播旱管可在充分利用降雨的情況下，通過關鍵生育期灌水措施提高稻米產量和水分生產效率［8-11］。不同水分管理方式對旱直播水稻產量存在顯著影響，旱管模式下節約灌水量50%左右，產量降低 7%～16%［12］。隨著直播稻的大力推廣與應用，我國河南、河北、黑龍江、寧夏等地直播面積也在不斷擴大，其中寧夏水稻直播面積已達到水稻種植面積的 95%，吉林省也有部分地區開始嘗試進行旱直播水稻種植［13-16］。但隨著旱直播水稻種植面積的不斷擴大，實際生產中灌溉制度缺失、水肥脫節等問題嚴重制約著旱直播水稻技術的大面積推廣。
本研究根據吉林省的自然氣候條件，以控制灌溉為基礎，在岔路河灌溉試驗站進行旱直播水稻滴灌種植灌溉制度試驗，分析滴灌條件下旱直播水稻耗水量及耗水強度的變化規律，探究旱直播水稻滴灌條件下產量變化特征，探求降水頻率分布特征，確定不同灌溉保證率下旱直播水稻種植典型年，求解滴灌灌溉水力參數，并首次制定適于吉林省中部地區旱直播水稻滴灌栽培的優化灌溉制度，既可實現穩產增效，又可節約大量水資源，使有限的水資源合理再分配，保障水資源的可持續利用，對于水生態環境和糧食安全建設具有重要的現實意義［17-19］。
1 材料與方法
1.1 試驗區概況
岔路河灌溉試驗站位于吉林省永吉縣岔路河鎮，地處吉林省中東部松嫩平原向長白山區過渡地帶，四季分明，大陸性季風氣候，多年平均蒸發量1 316 mm，多年平均降水量為673 mm，平均風速3.1 m/s，年平均氣溫4.4 ℃，平均年積溫2 704 ℃，多年平均日照時數2 445 h，年平均無霜期145 d，最大凍土層深度1.5 m。岔路河灌溉試驗站試驗區土壤理化性質為：
容重 1.26 g/m3、pH值7.4、田間持水量24.6%、有機質含量15.21 g/kg、堿解氮含量62.42 mg/kg、有效磷含量18.21 mg/kg、速效鉀含量143.27 mg/kg。
1.2 方案設計
以岔路河灌溉試驗站2021年灌溉制度試驗數據為研究對象。試驗選擇在基地的測桶試驗區（具備遮雨棚）內進行，采用滴灌進行補充灌溉，采取不利用雨水、完全依靠灌溉的策略。
參考《灌溉試驗規范》（SL 13—2015），旱直播水稻生育階段劃分為7個階段：發芽出苗期、苗期、分蘗期、拔節孕穗期、抽穗開花期、乳熟期和黃熟期［20］。本試驗選擇7個生育期中對水分較為敏感的5個生育期（苗期、分蘗期、拔節孕穗期、抽穗開花期、乳熟期）進行土壤水分控制，其余2個生育期（發芽出苗期、黃熟期）不處理。不同土壤水分控制下限標準確定不同的灌水定額，試驗采用5因素4水平均勻試驗設計，其中5因素選擇苗期、分蘗期、拔節孕穗期、抽穗開花期、乳熟期，4水平為4種土壤水分下限控制水平，即田間持水量的100％、90％、80％、70％，上限為田間持水量（表1）。
1.3 試驗區設計
本試驗在測桶內進行，測桶直徑0.6 m，高0.9 m，測桶內的土壤為水田耕作土壤原狀回填。每個測桶均單灌單排，單獨計量，定量定時灌溉，灌溉水為井水，采用張力計及剖面土壤水分測量儀（TRIME）指導灌溉。
旱直播水稻采用旱種旱管模式，按照1管4行（寬窄行）種植模式（行距10、20、10 cm，穴距10～20 cm），于5月1日在測桶內人工播種，5月26日左右出苗，10月7日收割。播種后觀測逐日土壤墑情、土壤溫度、作物長勢，記錄每次灌水量。
氮肥、磷肥、鉀肥用量按 N∶P2O5∶K2O=2∶1∶1比例施用，全生育期施 N 180 kg/hm2、P2O590 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2。磷肥一次性作基肥施用，氮肥按基肥∶分蘗肥∶調節肥∶穗肥=4∶3∶1∶2比例施用，鉀肥按照基肥∶穗肥=6∶4 比例施用，均采用滴施的方式進行。病蟲草害防治采用統一管理方式。
1.4 數據處理
利用WPS 2021、DPS、SPSS數據分析軟件進行分析。
2 結果與分析
2.1 旱直播水稻滴灌條件下全生育期耗水量與耗水強度分析
旱直播水稻種植全程采用旱作模式，不建立水層，不存在泡田期。故在進行旱直播水稻耗水量分析計算時，以旱田耗水量計算公式為依據，求得旱直播水稻滴灌條件下分生育階段耗水量，進而更加精準地分析旱直播水稻全生育期耗水情況。其耗水量計算公式為：
ET1-2=10∑ni=1γiHi（Wi1-Wi2）+M+P+K-C。（1）
式中：ET1-2為階段耗水量，mm；i為土壤層次數號數；n為土壤層次總數目；γi為第i層土壤干容重，g/cm3；Hi為第i層土壤的厚度，cm；Wi1為第i層土壤在時段初的含水量（干土重的百分率）；Wi2為第i層土壤在時段末的含水量（干土重的百分率）；M為時段內的灌水量，mm；P為時段內的有效降水量，mm；K為時段內的地下水補給量，mm；C為時段內的排水量（地表排水與下層排水之和），mm。
灌溉期間地下水位埋深在10 m以下，所以地下水的補給量在計算作物耗水量時不予考慮，即K=0。試驗區采用滴灌技術，定點定時定量地灌水，不會產生深層滲漏和地表排水，所以不予考慮時段內排水量，即C=0；一般將5 mm以下的降水稱為無效降水，計算時不考慮，故公式變為：
ET1-2=10∑ni=1γiHi（Wi1-Wi2）+M+P。（2）
由表2可知，各處理下旱直播水稻耗水規律大致相同，均表現為前期較少、中期增加、后期又逐漸減少的“單峰式”變化規律，最大值出現在分蘗期，最小值出現在黃熟期。其中，發芽出苗期—苗期的耗水量為10.55～55.85 mm，這段時期水稻沒有葉片或葉片較小，蒸發蒸騰主要以棵間蒸發為主；分蘗期的耗水量為131.62～153.86 mm，這段時期水稻葉片增加并逐漸覆蓋地表，蒸發蒸騰由棵間蒸發為主轉為葉片蒸騰為主；拔節孕穗期—抽穗開花期的耗水量為82.34～148.73 mm，這一時期水稻葉片發達，已基本覆蓋田面，水稻生長茂盛，是水稻生育期中最重要的時期，蒸發蒸騰主要以葉片蒸騰為主；乳熟—黃熟期階段耗水量為5.99～70.13 mm，這一時期水稻生長進入成熟時期，葉片蒸騰減少，棵間蒸發也減少，水稻耗水量也隨之減少。
因KZ1處理的分生育階段土壤水分以田間持水量作為控制水平，故可將此處理的耗水量作為旱直播水稻實際耗水量，并以此進行耗水強度（圖1）及灌溉制度研究。
由圖1可知，隨著水稻生育期的推進，旱直播水稻實際耗水強度呈先增強后減弱的“單峰式”規律變化，抽穗開花期最高，發芽出苗期最低。故可確定抽穗開花期為旱直播水稻的需水關鍵期。
2.2 旱直播水稻產量差異性分析
由表3可知，與充分灌溉相比，旱直播條件下各處理均存在不同程度的減產。其中，KZ9處理減產最為嚴重，減產率32.28%；其次為KZ12處理，減產率32.05%；KZ10處理減產率最小，僅為0.08%。
由表3還可知，旱直播水稻滴灌灌溉可實現水稻穩產，但也對各生育期的土壤水分提出了嚴格要求。若水稻各生育期的土壤水分控制不嚴格，不能及時、有效地進行補充灌溉，水稻需水無法得到及時滿足時，水稻減產的概率較大，且減產幅度亦較大。故亟需制定合理、有效的旱直播水稻滴灌灌溉制度，以保證旱直播水稻滴灌灌溉的有效運行與推廣。
2.3 旱直播水稻滴灌條件下灌水定額分析
根據根系生長狀況，可將灌水定額按4個階段進行劃分，即發芽出苗期、苗期—分蘗期、拔節孕穗期—抽穗開花期、乳熟期—黃熟期，并根據這4個階段的相應參數（表4）計算灌水定額。
參照《微灌工程技術標準》（GB/T 50485—2020）［21］和《半干旱地區玉米膜下滴灌工程規劃設計規程》（DB 22/T 2642—2017）［22］計算旱直播水稻滴灌水力參數，確定灌水定額。
由表5可知，旱直播水稻滴灌條件下發芽出苗期、苗期—分蘗期、拔節孕穗期—抽穗開花期、乳熟期—黃熟期的毛灌水定額分別為67.20、131.70、213.33、220.00 m3/hm2，各階段一次灌水延續時間分別為0.81、1.58、2.56、2.64 h。
2.4 旱直播水稻設計代表年的確定
運用吉林市永吉縣氣象站連續30年（1990—2019年）的降水量資料成果為典型數據，利用降水頻率分布曲線統計分析，分別求得25%、50%、75%、90%灌溉保證率下的吉林市（5—10月）水稻全生育期降水量為762.33、636.17、548.41、497.05 mm。
經計算，吉林市2015、2008、2014、2000年5月1日至10月7日（已覆蓋旱直播水稻全生育期）降水量分別為729.00、637.00、556.20、479.40 mm，分別與各灌溉保證率下降水量最為接近，因此將2015、2008、2014、2000年分別選定為灌溉保證率25%、50%、75%、90%的典型年。
2.5 旱直播水稻有效降水量、灌溉定額和灌水次數的確定
根據典型年降水量推導有效降水量，則2015、2008、2014、2000年的有效降水量分別為579.60、509.60、444.96、383.52 mm。
依據求得的旱直播水稻分生育階段耗水量、毛灌水定額、有效降水量，求得不同灌溉保證率下旱直播水稻滴灌全生育期內的灌溉定額與灌水次數。
由表6可知，在耗水量相同的情況下，隨著灌溉保證率從25%增加到90%，旱直播水稻的灌水次數逐漸增加，依次為6、7、11、12次，90%灌溉保證率下的灌水次數比25%灌溉保證率下多6次，增加100%。
2.6 旱直播水稻優化灌溉制度的制定
結合“2.1”節、“2.2”節、“2.3”節研究結果，制定旱直播水稻滴灌條件下的灌溉制度。
為了便于實際操作，對制定的旱直播水稻灌溉制度（表7）進行取整、精簡、優化，優化后的旱直播水稻滴灌灌溉制度更利于旱直播水稻滴灌技術的大面推廣。
由表8可知，旱直播水稻滴灌條件下豐水年灌水6次，1次灌水2 h，灌水定額135 m3/hm2，灌溉定額810 m3/hm2；平水年灌水7次，1次灌水2～3 h，灌水定額135～225 m3/hm2，灌溉定額1 305 m3/hm2；枯水年灌水11次，1次灌水2～3 h，灌水定額135～225 m3/hm2，灌溉定額2 295 m3/hm2；特枯水年灌水12次，1次灌水2～3 h，灌水定額135～225 m3/hm2，灌溉定額2 340 m3/hm2。
2.7 旱直播水稻節水能力分析
依據制定的旱直播水稻滴灌灌溉定額，將50%、75%灌溉保證率下灌溉定額與吉林省地方標準《用水定額》（DB 22/T 389—2019）中吉林市常規水稻灌溉定額進行對比，結果見表9。
由表9可知，50%灌溉保證率下旱直播水稻滴灌種植較常規水稻節約灌溉水量6 295 m3/hm2，節水率82.83%；75%灌溉保證率下節約灌溉水量5 505 m3/hm2，節水率70.58%。可見，旱直播水稻滴灌種植節水效果極為明顯，節水潛力巨大。
3 討論
本試驗以吉林省自然條件下種植的旱直播水稻為對象，利用岔路河灌溉試驗站2021年灌溉制度試驗數據，采取不利用雨水、完全灌溉策略，制定了適于吉林省中部地區旱直播水稻滴灌優化灌溉制度，為旱直播水稻滴灌栽培技術在吉林省的示范和推廣提供重要的理論基礎依據和數據支撐，對吉林省稻作節水具有重大的戰略意義。
旱直播水稻滴灌栽培技術是將旱直播技術與滴灌技術有機結合，通過滴灌系統將水肥藥精準地輸送到水稻的根部，提高水分、養分的利用效率，同時避免大水漫灌帶來的水資源浪費，是一種新型的水稻種植技術，具有節水、高效、方便等優點。本研究結果顯示：
（1）與常規水稻淹灌相比，旱直播水稻節水效果極為明顯，田間節水率達70%以上。
（2）與常規水稻淹灌相比，旱直播水稻根系更長、更粗、更壯，分布范圍更廣，活力更強，且呈現白根多、黑根少的現象。
（3）旱直播水稻滴灌栽培不建立水層，具有良好的促控作用，能降低田間濕度，抑制雜草生長，提高透光率和通風，不利于病菌存活。
（4）旱直播水稻滴灌栽培可有效提高水分和養分的利用率，減輕施用的農藥和肥料下滲流失，緩解面源污染。
（5）旱直播水稻滴灌栽培技術采用滴灌系統進行水肥管理，減少了人工干預和勞動強度。
綜上，隨著水資源的日益短缺，旱直播水稻滴灌種植相比于常規水稻淹灌種植優點顯著，具有較好的經濟、社會、生態效益，故建議在以高效節水灌溉為前提的條件下，在水田區適度推廣旱直播水稻滴灌栽培技術，以緩解水田區水資源供需矛盾問題，有效促進農業的可持續發展。
4 結論
在不同水分處理下，旱直播水稻耗水規律大致相同，均表現為前期較少、中期增加、后期又逐漸減少的“單峰式”變化規律，最大值出現在分蘗期，最小值出現在黃熟期。
旱直播水稻實際耗水強度呈先增強后減弱的“單峰式”變化規律，抽穗開花期為旱直播水稻的需水關鍵期。
為了便于實際操作，利用降水頻率分布曲線統計分析，求得旱直播水稻不同生育階段的耗水量、毛灌水定額、有效降水量等水力參數，制定旱直播水稻滴灌優化灌溉制度，即：豐水年灌水6次，1次灌水時間2 h，灌水定額135 m3/hm2，灌溉定額810 m3/hm2；平水年灌水7次，1次灌水時間2～3 h，灌水定額135～225 mm3/hm2，灌溉定額1 305 m3/hm2；枯水年灌水11次，1次灌水時間2～3 h，灌水定額135～225 m3/hm2，灌溉定額2 295 m3/hm2；特枯水年灌水12次，1次灌水時間2～3 h，灌水定額135～225 m3/hm2，灌溉定額2 340 m3/hm2。
與常規水稻淹灌相比，50%灌溉保證率下旱直播水稻滴灌種植節約灌溉水量6 295 m3/hm2，節水率82.83%，75%灌溉保證率下節約灌溉水量5 505 m3/hm2，節水率70.58%，節水效果明顯，節水潛力巨大，可見在水田區適度推廣旱直播水稻滴灌栽培技術能有效緩解水田區水資源供需矛盾。
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