鄂北地區(qū)水稻不同灌溉模式節(jié)水潛力分析

王麗紅，劉路廣，劉能勝，陳麗娟，潘少斌

(1.湖北省水利水電職業(yè)技術(shù)學院，武漢 430070；2. 湖北省水利水電科學研究院，武漢 430070)

鄂北地區(qū)位于湖北省北部，是有名的“旱包子”地。隨著城鎮(zhèn)化進程的加快，城鎮(zhèn)供水擠占農(nóng)業(yè)灌溉用水和生態(tài)環(huán)境用水現(xiàn)象日益嚴重，旱災頻繁。水資源供需矛盾已嚴重制約當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展和社會穩(wěn)定，是鄂北地區(qū)最直接和最現(xiàn)實的民生問題。農(nóng)業(yè)用水是第一大用水戶，農(nóng)業(yè)節(jié)水是緩解水資源供需矛盾的有效措施，許多研究成果表明[1-3]，采用節(jié)水灌溉模式可減少水分無效損失。本文針對鄂北地區(qū)水情現(xiàn)狀及湖北省灌溉試驗站分布，采用位于該區(qū)的長渠灌溉試驗站灌溉試驗成果，構(gòu)建田間水稻生長模型，對灌溉模式進行優(yōu)化分析，提出鄂北地區(qū)適宜的灌溉模式，計算分析鄂北地區(qū)水稻不同灌溉模式的傳統(tǒng)節(jié)水潛力和真實節(jié)水潛力。該研究對緩解水資源供需矛盾和實現(xiàn)最嚴格水資源管理制度總量紅線指標具有重要意義。

1 鄂北地區(qū)水稻生長模型的構(gòu)建

長渠灌溉試驗站為湖北省重點試驗站，開展了水稻不同灌溉模式田間試驗。試驗采用坑測法，設計了淺灌模式、中蓄模式、濕潤模式3種處理，3次重復。3種灌溉模式田面水層控制標準見表1。移栽前一次下足底肥(碳酸氫銨、過磷酸鈣各750 kg/hm2)，返青期末追尿素150 kg/hm2。前茬作物為小麥，移栽前耕耙各2次。計劃防治病蟲害3～5次，適時曬田，葉面追肥(拔節(jié)孕穗期)。

田間水稻生長模型采用ORYZA模型，該模型在水稻生長模擬方面已得到了廣泛應用[4]。長渠灌溉試驗站開展了水稻不同灌溉模式的田間試驗，但缺乏水稻不同生育階段生物量、葉面積指數(shù)等相關(guān)觀測資料，無法對ORYZA模型基本參數(shù)進行精確率定，需通過附近灌溉試驗站實測資料對模型基本參數(shù)進行初步率定。團林灌溉試驗站(湖北省中心站)位于荊門市團林鎮(zhèn)，與長渠灌溉試驗站相距約97 km，氣候、地理特征相近，中稻品種和管理措施相似，且該站具有豐富的水稻灌溉試驗資料。因此，采用團林灌溉試驗站資料對ORYZA模型基本參數(shù)進行初步率定，然后采用長渠灌溉試驗站水稻產(chǎn)量資料對模型生長速率等參數(shù)進一步率定和驗證。

表1 長渠灌溉試驗站中稻灌溉制度試驗處理水層 mm

(1)采用長渠灌溉試驗站水稻物候?qū)崪y資料對ORYZA模型中物候相關(guān)參數(shù)(階段發(fā)展速率參數(shù)DVRJ、DVRI、DVRP、DVRR)進行率定。

(2)采用團林灌溉試驗站多年水稻灌溉試驗資料，對ORYZA模型中的基本作物參數(shù)(干物質(zhì)分配系數(shù)FLV、FST、FSO，死葉速率DRLV等)進行初步率定。

(3)采用2010年和2011年逐日氣象資料和不同灌溉模式的產(chǎn)量資料，對模型參數(shù)進一步率定和驗證。

主要通過水稻產(chǎn)量對ORYZA模型進行率定和驗證，見表2。由表2可知，淺灌、中蓄2種灌溉模式水稻產(chǎn)量模擬值小于實測值，而濕潤灌溉模式模擬值偏高。不同灌溉模式，率定期產(chǎn)量模擬值保持不變，而驗證期產(chǎn)量模擬值有較小的差異。主要因為3種灌溉模式水稻生育期內(nèi)灌溉控制下限最小設定為0，即不會造成水稻產(chǎn)生水分脅迫現(xiàn)象，僅分蘗后期曬田時可能因為期間氣象因素影響造成水稻生長不同程度的短期水分脅迫。ORYZA模型可模擬水分脅迫對水稻生長的影響，無法模擬水層深度對水稻生長的影響。率定期曬田期間由于降雨充沛，未造成水稻生長產(chǎn)生水分脅迫現(xiàn)象，不同灌溉模式下產(chǎn)量模擬值無變化；而驗證期由于不同灌溉模式下曬田期初始水層的差異，且曬田期間降雨較少，使得水稻在生長模擬過程中受到不同程度的水分脅迫，因此不同灌溉模式下產(chǎn)量具有差異。總之，在率定和驗證期，產(chǎn)量模擬值與實測值吻合較好，表明該模型就有較好的適用性，模型中的參數(shù)取值合理且模擬精度可靠。

表2 水稻產(chǎn)量實測值與模擬值對比

2 鄂北地區(qū)適宜灌溉模式模擬分析

2.1 灌溉模式處理設計

(1)雨后蓄水深度統(tǒng)一設定為60 mm。

(2)灌溉下限。返青期水稻根系發(fā)育不全，幼苗較脆弱，不宜受旱；抽穗開花期對水分最敏感，水分脅迫會造成嚴重減產(chǎn)，因此返青期和抽穗開花期需保持水層；黃熟期自然落干。其他生育階段按水稻根區(qū)土壤(耕作層)飽和含水率的百分比設定為：95%、90%、85%、80%、70%、60%等6個水平。

(3)灌水定額設定為20、30、40、50、60 mm等5個水平。

不同灌溉下限(6個水平)、不同灌水定額(5個水平)共計30個處理，每個處理模擬30年(1981-2010年)，模型共運行900次。

2.2 不同灌溉下限不同灌水定額的水稻生長模擬結(jié)果

不同灌溉下限不同灌水定額的水稻產(chǎn)量多年均值見表3。由表3可知，同一灌溉下限，不同灌水定額的水稻產(chǎn)量多年均值差異較小。隨灌水定額的增加，水稻產(chǎn)量也未表現(xiàn)出一致性的規(guī)律。因此，灌水定額對水稻產(chǎn)量影響很小。同一灌水定額，不同灌溉下限對水稻產(chǎn)量具有較明顯的影響，且表現(xiàn)為水稻多年平均產(chǎn)量隨灌溉下限的下降而減少的變化規(guī)律。當灌溉下限為80%～100%時，水稻產(chǎn)量下降不明顯；當灌溉下限小于80%時，水稻產(chǎn)量減產(chǎn)顯著。

表3 不同灌溉下限不同灌水定額對應的水稻產(chǎn)量多年均值 kg/hm2

2.3 不同灌溉下限不同灌水定額的水稻灌溉定額

不同灌溉下限，不同灌水定額水稻本田期灌溉定額見圖1(a)。由圖1(a)可知，同一灌溉下限，不同灌水定額對灌溉定額具有較明顯的影響，隨灌水定額的增加，水稻本田期灌溉定額均表現(xiàn)為增加趨勢。同一灌水定額，不同灌溉下限對灌溉定額具有較明顯的影響，且表現(xiàn)為灌溉定額多年平均值隨灌溉下限的降低而減少。當灌溉下限為80%～100%時，灌溉定額相差較??；而灌溉下限低于80%時，灌溉定額出現(xiàn)明顯下降。

2.4 不同灌溉下限不同灌水定額的水稻灌溉次數(shù)

不同灌溉下限不同灌水定額的灌水次數(shù)見圖1(b)。由圖1(b)可知，同一灌溉下限時，灌水定額越小，灌溉次數(shù)越多。當灌水定額低于30 mm/次時，灌溉次數(shù)明顯增加，而灌水定額為30～60 mm/次時，灌溉次數(shù)相近，差異不大。同一灌水定額，不同灌溉下限對灌溉次數(shù)也具有較明顯的影響，且基本表現(xiàn)為隨灌溉下限增加而減少的變化趨勢。當灌溉下限高于耕作層土壤飽和含水率的80%時，灌溉次數(shù)幾乎相同；當灌溉下限繼續(xù)降低(低于80%)，灌溉次數(shù)明顯較少，主要由于水稻本田期灌溉定額較少。

圖1 不同灌溉下限時不同灌水定額的水稻灌溉定額和灌溉次數(shù)

2.5 鄂北地區(qū)水稻適宜灌溉模式

根據(jù)上述分析可知，當灌溉下限低于80%時，水稻本田期的灌溉定額顯著減少，但水稻產(chǎn)量產(chǎn)生明顯減產(chǎn)現(xiàn)象；同一灌溉下限時，灌水定額為50～60 mm/次時，水稻本田期的灌溉次數(shù)顯著減少，但水稻本田期灌溉定額較大；同一灌溉下限時，灌水定額為20～30 mm/次時，水稻本田期的灌溉定額明顯降低，但灌溉次數(shù)較多，增加了田間管理的難度。綜合對比分析，本研究推薦的適宜灌溉模式為：蓄水深度為60 mm；返青期和抽穗開花期需保持水層，其他生育期灌溉下限設定為耕作層土壤飽和含水率的80%；灌水定額為30～40 mm/次。

3 鄂北地區(qū)節(jié)水潛力計算分析

3.1 傳統(tǒng)節(jié)水潛力計算

(1)計算方法。通常把實施節(jié)水灌溉措施前毛灌溉水量與實施節(jié)水灌溉措施后毛灌溉水量的差值作為傳統(tǒng)節(jié)水潛力，計算方法為：

式中：ΔW為傳統(tǒng)節(jié)水潛力，m3；M0,net為節(jié)水灌溉模式實施前的凈灌溉定額，m3/hm2；M1,net為節(jié)水灌溉模式實施后的凈灌溉定額，m3/hm2；η0為節(jié)水措施實施前的灌溉水利用系數(shù)；η1為節(jié)水措施實施后的灌溉水利用系數(shù)；A為灌溉面積，hm2。

(2)參數(shù)確定。①灌溉水利用系數(shù)。參考最嚴格水資源管理制度紅線指標和湖北省現(xiàn)代灌溉發(fā)展規(guī)劃綜合確定；②水稻種植面積。主要采用各縣市2013年統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)。見表4。③凈灌溉定額。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，濕潤灌溉模式優(yōu)于中蓄模式和淺灌模式，濕潤模式凈灌溉定額為7 425 m3/hm2；中蓄模式為9 735 m3/hm2；淺灌模式為9 840 m3/hm2。試驗數(shù)據(jù)與大田實際灌溉定額相比偏大，主要由于測坑年久失修，漏失現(xiàn)象嚴重。根據(jù)模型模擬成果可知，淺灌模式為4 215 m3/hm2，中蓄模式為4 170 m3/hm2；濕潤模式為4 050 m3/hm2；優(yōu)化推薦灌溉模式為3 420 m3/hm2。模擬值與試驗值相差較大是因為模擬考慮了梨底層作用，因此模擬成果與實際更相近。由于大田灌溉模式與淺灌模式或中蓄模式相近，因此，M0,net取二者平均值，為4 192.5 m3/hm2；M1,net取推薦模式，為3 420 m3/hm2。

表4 種植面積及灌溉水利用系數(shù)

(3)計算成果。根據(jù)計算參數(shù)和計算公式，采用鄂北地區(qū)適宜灌溉模式，鄂北地區(qū)傳統(tǒng)節(jié)水潛力為3.94億m3。

3.2 耗水節(jié)水潛力計算

(1)計算公式。區(qū)域內(nèi)某部門或行業(yè)通過各種節(jié)水措施所節(jié)約出來的水資源量并沒有損失，仍然存留在區(qū)域水資源系統(tǒng)內(nèi)部，或被轉(zhuǎn)移到其他水資源緊缺的部門或行業(yè)，滿足該部門或行業(yè)的需水要求，因此取用水的減少量并沒有實現(xiàn)真正意義上節(jié)水。為了克服傳統(tǒng)節(jié)水潛力評價和計算方法的局限性，許多學者主張從水資源消耗特性出發(fā)，研究區(qū)域真正節(jié)水潛力，提出了耗水節(jié)水潛力[5]。根據(jù)耗水節(jié)水潛力的定義及已有的研究成果可知，耗水節(jié)水潛力的計算公式為：

WET=10(ET基準-ET節(jié)水)A

式中：WET為耗水節(jié)水潛力，m3；ET基準為未實施節(jié)水措施前的基準ET，mm；ET節(jié)水為實施節(jié)水措施后的ET，mm；A為研究區(qū)的面積，hm2。

(2)耗水節(jié)水潛力計算。根據(jù)試驗成果，淺灌模式作物騰發(fā)量為532.7 mm；中蓄模式為526.3 mm；濕潤模式為506.6 mm。將濕潤模式記為ET節(jié)水，取506.6 mm；將淺灌模式和中蓄模式的平均值作為ET基準，取529.5 mm。與現(xiàn)有灌溉模式相比，采用濕潤灌溉模式耗水節(jié)水潛力為5 790.6 萬m3。

根據(jù)模擬成果，濕潤模式為468.4 mm；推薦模式為423.5 mm。模擬值與觀測值相比，偏小，主要原因是模型識別的水稻生育期與觀測時間相比偏小10 d左右，因此模擬成果與實際成果較為吻合。根據(jù)模擬成果，與濕潤模式相比，鄂北地區(qū)適宜的灌溉模式的耗水節(jié)水潛力為1.1 億m3。

與現(xiàn)有灌溉模式相比，若采用適宜的灌溉模式，耗水節(jié)水潛力可達到1.68 億m3。耗水節(jié)水潛力低于傳統(tǒng)節(jié)水潛力，主要是由于回歸水重復利用。從另一角度，采用 優(yōu)化后的適宜灌溉模式，鄂北地區(qū)至少可以節(jié)約用水1.68億m3，可見，鄂北地區(qū)節(jié)水潛力巨大。

[1] 莊德續(xù), 司振江, 李芳花. 不同灌溉模式水稻需水規(guī)律研究[J]. 節(jié)水灌溉, 2014,(8):1-3.

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