皖東江淮丘陵區(qū)不同水文年水稻優(yōu)化灌溉制度的研究

俞建河，吳永林，丁長榮，盛根成

(1.安徽省天長二峰灌溉試驗重點站，安徽 天長 239300；2. 安徽省水利廳，合肥 230022)

0 引 言

研究區(qū)位于安徽省滁州市，是全國重要的商品糧生產(chǎn)基地。地勢西高東低，是以丘陵、崗地和平原相間的地貌格局；以江淮分水嶺為中脊逐漸向淮河、長江2個方向低傾，東南部屬于長江流域，西北部屬于淮河流域，俗稱皖東江淮丘陵區(qū)[1]。該區(qū)年均降水量為1 035.5 mm，相對較充沛，但水資源時空分布極不均勻，年際間最大與最小比值達3～4，年內(nèi)則主要集中在汛期，6-9月份的降雨量約占全年的60%，該區(qū)降雨量基本能滿足旱作物需水要求，小麥和油菜灌水不多，水稻是用水大戶[2]，加上該區(qū)高耗水作物—水稻種植面積大，區(qū)域性缺水和季節(jié)性缺水十分嚴重，水資源對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力的制約已經(jīng)成為最主要的“瓶頸”[3]。對皖東江淮丘陵區(qū)在不同水文年保證水源條件下的水稻節(jié)水灌溉制度及水資源缺乏條件下的優(yōu)化灌溉制度開展研究，以期為該區(qū)緩解水資源供需矛盾，提高水資源利用技術(shù)，建設節(jié)水型社會提供支撐。

1 不同水文年水稻灌溉定額的確定

1.1 不同水文年降雨量及典型水文年的確定

利用天長市氣象局1957-2008年連續(xù)52年的降雨資料，采用皮爾遜-Ⅲ型曲線對水稻生育期間(6月上旬-9月中旬)降雨量進行了排頻適線，確定P=25%(豐水年)、P=50%(平水年)、P=75%(一般干旱年)和P=95%(特枯年)4個主要頻率下的降雨量值。采用典型年法，找與降雨量數(shù)值相近年份，確定P=25%、P=50%、P=75%和P=95%的典型年分別為1987年、1985年、1990年和1994年。并將計算得到的各保證率下的水稻生育期間降雨量值按典型年的月、旬進行分配，結(jié)果見(表1)。

表1 不同水文年水稻不同生育階段的降雨量

1.2 參考作物需水量的確定

參考作物需水量(ET0)一直是計算作物需水量的關(guān)鍵，是實時灌溉預報和農(nóng)田水分管理的主要參數(shù)，目前計算方法眾多，但目前國內(nèi)大多采用國際糧農(nóng)組織FAO56推薦的Penman-Monteith綜合法[4]，利用天長市氣象局1961-2008年連續(xù)48 a的水稻生長期間(6月上旬-9月中旬)逐日氣象資料為基礎，采用對以水稻生育期為基本時間單元逐日計算出水稻參考作物騰發(fā)量(ET0)，將不同水文年內(nèi)選取3個典型年數(shù)據(jù)取平均，確定水稻在幾個主要保證率(25%、50%、75%、95%)下的不同生育階段的參考作物需水量(ET0)(表2)。

表2 不同水文年水稻不同生育階段的參考作物需水量(ET0)

1.3 作物系數(shù)的確定

作物系數(shù)是計算作物需水量的重要參數(shù)，它反映了作物本身的生物學特性、產(chǎn)量水平、土壤耕作條件對作物需水量的影響。作物的需水量采用作物系數(shù)法計算求得，即：

ETci=KciET0i

(1)

式中：ETci為第i個生育階段的作物需水量，mm；Kci為第i個生育階段的作物系數(shù)；ET0i為第i個生育階段的參考作物需水量，mm。

作物系數(shù)受土壤、氣候、作物生長狀況和管理措施等諸多因素影響，因此確定作物系數(shù)的主要方法是通過當?shù)氐奶镩g試驗，在能夠控制或監(jiān)測進出水量的試驗小區(qū)內(nèi)實測某種作物在水分適宜條件下的需水量，從而反求作物系數(shù)。根據(jù)天長二峰灌溉試驗站1981-2007年水稻在適宜水分條件下的各生育階段實測需水量(ETc)及參考作物需水量(ET0)，計算出水稻不同生育階段多年平均作物系數(shù)(Kc)(表3)。

表3 水稻不同生育階段的作物系數(shù)(Kc)

1.4 水稻需水量的確定

根據(jù)不同水文年水稻各生育階段的參考作物需水量(ET0)和水稻各生育階段的平均作物系數(shù)(Kc)，利用公式(1)計算不同水文年下水稻不同生育階段的需水量及全生長期需水總量(表4)。

表4 不同水文年水稻各生育階段的需水量(ETc)

1.5 水稻的設計田間水層控制標準

根據(jù)淠史杭灌溉試驗總站及天長二峰灌溉試驗站1981-2007年多年來水稻多處理的灌溉試驗成果，水稻“淺灌、深蓄、間歇”灌溉制度即全生育期(除黃熟期落干外)田間保持淺水層灌溉、如遇降雨，適當深蓄，無水層時間隙3～5 d(表5)，這種灌溉處理水分生產(chǎn)效益(WUE)為最大,比其他處理高2%～13.6%，比水稻淺水勤灌處理灌排次數(shù)減少2～5次，節(jié)水5.0%～12.5%，降雨利用率提高了6.5%～14.5%。這種灌溉制度充分利用天然降雨，減少灌溉用水量，且產(chǎn)量與充分灌溉無明顯差異，很適合本地區(qū)推行的一種灌溉制度[5]。

表5 水稻淺灌、深蓄、間歇灌溉制度

1.6 水稻的滲漏量和耗水量的確定

稻田滲漏量是水稻耗水量的一部分，一般跟當?shù)赝寥蕾|(zhì)地、耕作措施、灌溉習慣、生育階段等有關(guān)系。通過天長二峰灌溉試驗站(1981-2007)多年的水稻灌溉試驗，有水層時，返青期、分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期、乳熟期和黃熟期日滲漏量為分別為1.0、1.0、1.2、1.4、1.1和1.0 mm，無水層因滲漏量很小，不考慮[6]。按照稻田間水層控制標準、各水文年降雨量和需水量可推算出不同保證率下水稻不同生育期保留水層的天數(shù)，得出不同水文年水稻不同生育階段的滲漏量(表6)。

表6 不同水文年水稻不同生育階段的滲漏量

水稻耗水量等于水稻需水量與滲漏量之和，根據(jù)表5、表6，不同水文年水稻不同生育階段的耗水量結(jié)果見表7。

表7 不同水文年水稻各生育階段的耗水量

1.7 水稻的灌溉量、排水量和降雨利用率的確定

在確定各生育階段的適宜水層上、下限和最大允許蓄水深度以及水稻設計代表年的日需水量、滲漏量和設計代表年的降水量之后，便可利用上述公式計算各時段的灌水量和排水量。各次灌水定額之和便是本田期的灌溉量。各生育時段灌溉量用下式計算：

M凈=ETc+W滲+ΔW+P降-W排

(2)

式中：M凈為作物各生育時段的凈灌溉量，mm；ETc為相應時段的作物需水量，mm；W滲為相應時段的作物滲漏量，mm；ΔW為時段內(nèi)作物根系主要活動層儲水的變化量，mm，有水層時，即為前后水層深度之差；P降為時段內(nèi)降水量，mm；W排為相應時段的排出水量，mm，即為降雨量與有效雨量之差，有效雨量根據(jù)水稻的灌溉制度的要求，利用水量平衡方程確定。

通過計算，不同水文年水稻各生育階段的灌溉需水量、排水量和降雨利用率計算結(jié)果見表8。

1.8 水稻不同水文年的凈灌溉定額及節(jié)水灌溉制度

根據(jù)上面計算結(jié)果，皖東江淮丘陵區(qū)不同水文年水稻的凈灌溉定額及節(jié)水灌溉制度見表9。

表8 不同水文年水稻各生育階段的灌溉量、排水量、降雨利用率

注：起始(插秧后)水層深度為30 mm。

表9 皖東江淮丘陵區(qū)不同水文年水稻的凈灌溉定額及節(jié)水灌溉制度

1.9 不同水文年不同供水量下水稻的優(yōu)化灌溉制度

在上面的分析中，雖然確定了不同水文年下水稻全生育期的凈灌溉需水量，但這是在水資源相對較為充足的條件下才能得以供給的數(shù)量，如果遇到連年干旱，或者當?shù)氐乃Y源量有限，可供調(diào)用的水量可能滿足不了農(nóng)業(yè)灌溉水量需求。這種情況下，不可能按作物的需求供水，而只能根據(jù)當?shù)馗鱾€時期可供水量和需要灌溉的作物面積分配水量進行灌溉，即實施非充分灌溉。在非充分灌溉條件下，作物的減產(chǎn)程度隨著不同作物及作物不同生育階段的缺水程度而異，水分虧缺歷時越長，程度越大，對作物產(chǎn)量的影響也越大。因此，研究限額供水的灌溉制度問題，就是要根據(jù)作物產(chǎn)量與各階段耗水量的關(guān)系，在弄清作物在不同生長時期缺水減產(chǎn)程度的基礎上，對可供水量進行最合理的分配，最終達到單位水量產(chǎn)值最大或區(qū)域總產(chǎn)量最大目標。在這種情況下，遵循的一條主要原則就是要灌好作物增產(chǎn)的關(guān)鍵水，使減產(chǎn)損失降到最低限度。

由于采用動態(tài)規(guī)劃方法，可按時間順序，將某種作物的整個生育期劃分為若干個階段，把作物灌溉制度的優(yōu)化設計過程看作是一個多階段決策過程，認為各階段決策所組成的最優(yōu)策略可使整個過程的整體效果達到最優(yōu)。反映水分在不同時期供應量對水稻產(chǎn)量影響的關(guān)系模型，目前國內(nèi)普遍采用Blank、Jenson、Stewart和Singh 4種模型，但天長二峰試驗站及多地研究成果表明Jenson模型更優(yōu)[7-10]，故本文采用天長二峰試驗站研究的水稻產(chǎn)量與階段耗水量的關(guān)系(Jenson 模型) ：

Y/Ym=(ET1/ETm1)0.282 6(ET2/ETm2)0.628 4

(ET3/ETm3)0.405 8(ET4/ETm4)0.108 6

(3)

式中:下標1、2、3、4分別代表分蘗期、拔節(jié)孕穗期、抽穗開花期和灌漿期；Y和Ym分別為非充分供水和充分供水條件下的作物產(chǎn)量，kg/hm2；ETi和ETmi分別為與Y和Ym相對應的階段耗水量，mm；i=1,2,…,n為劃分的作物生育階段數(shù)；λi為作物第i階段的缺水敏感指數(shù)。

利用動態(tài)規(guī)劃法對水稻灌溉制度進行了分析，提出了皖東江淮丘陵區(qū)水稻在不同的水文年下，不同可供水量的條件下的抗旱減災優(yōu)化灌溉制度(表10)。

表10 皖東江淮丘陵區(qū)不同水文年不同供水量下水稻的優(yōu)化灌溉制度

2 結(jié) 語

(1)依據(jù)天長市氣象站歷年(1957-2008)的氣象資料和天長二峰灌溉試驗站多年灌溉試驗資料，對皖東江淮丘陵區(qū)水稻生育期間的降雨量進行了頻率分析，確定了不同水文年水稻的參考作物需水量ET0、需水量ETc、作物系數(shù)Kc、凈灌溉用水量、經(jīng)濟凈灌溉定額和節(jié)水灌溉制度。

(2)根據(jù)天長二峰灌溉試驗站多年灌溉試驗研究建立的水稻水分生產(chǎn)函數(shù)模型，利用水量平衡方程和動態(tài)規(guī)劃法，對皖東江淮丘陵區(qū)水稻在不同水文年條件下的有限水量進行了生育期內(nèi)的最優(yōu)分配，確定了不同供水量下的優(yōu)化灌溉制度，這對于指導皖東江淮丘陵區(qū)的節(jié)水灌溉、發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)具有重要指導意義。

[1] 高正寶，婁 云. 皖東江淮丘陵區(qū)農(nóng)田土壤養(yǎng)分空間變異研究[J]，安徽農(nóng)業(yè)科學，2012，40(23)：11 675-11 677，11 683.

[2] 郝樹榮，崔鵬程.南京地區(qū)水稻節(jié)水灌溉定額及適宜灌溉模式[J]，水資源保護，2015，36(6)：150-153.

[3] 康紹忠. 新的農(nóng)業(yè)科技革命與21世紀我國節(jié)水農(nóng)業(yè)的發(fā)展[J]，干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，1998(1)：11-16.

[4] 彭世彰，徐俊增. 參考作物蒸發(fā)蒸騰量計算方法的應用比較[J].灌溉排水學報，2004，(12)：5-9 .

[5] 陳劉華. 水稻優(yōu)化灌溉制度研究[J].中國農(nóng)村水利水電，2001，(12)：42-44 .

[6] 俞建河，俞萬友，王 芳.滁州地區(qū)水稻需水量試驗成果分析[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2008，36(25)：10 810-10 811，10 819.

[7] 俞建河，丁必然.水稻非充分灌溉條件下的耗水量與產(chǎn)量關(guān)系的研究[J].節(jié)水灌溉，2010，(7)：41-43.

[8] 凌 毅，吳珠明.淠史杭灌區(qū)中稻受旱試驗研究 [J].節(jié)水灌溉，2007，(3)：64-66.

[9] 張祖蓮，薛繼亮，李遠華，等.水稻水分生產(chǎn)函數(shù)及優(yōu)化灌溉制度研究[J].節(jié)水灌溉，2001，(6)：20-22.

[10] 王克全，付 強，季 飛，等.黑龍江省西部半干旱區(qū)水稻水分生產(chǎn)函數(shù)及優(yōu)化灌溉制度研究[J].節(jié)水灌溉，2007，(8)：48-51.