基于ORYZA_V3模型的水稻節(jié)水灌溉模式研究
----以贛撫平原灌區(qū)為例

余乾安，李亞龍，韓煥豪，崔遠(yuǎn)來

(1.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072；2.長江水利委員會長江科學(xué)院，湖北 武漢 430010)

開展田間試驗(yàn)是研究水稻節(jié)水灌溉模式的重要手段。然而，開展多年的田間試驗(yàn)往往費(fèi)時費(fèi)力，且不同年份氣象條件有所差異，同一種灌溉模式并不一定適用于所有的水文年型。因此，為了克服田間試驗(yàn)的不足，探求不同水文年型適宜的灌溉模式，提高試驗(yàn)結(jié)果的代表性，需要進(jìn)行不同水文年型、不同灌溉模式下的水稻生長模擬。

ORYZA模型是由國際水稻研究所和荷蘭瓦赫寧根大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的水稻生長模型，能模擬潛在條件、水限制條件、氮限制條件下水稻的生長發(fā)育。ORYZA模型目前已更新至ORYZA_V3版本[1]，并已被廣泛應(yīng)用于水稻生長的研究之中[2-5]。A.M. Radanielson等[2]使用ORYZA_V3模型模擬鹽害地區(qū)水稻生長，各項(xiàng)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)達(dá)0.86～0.99；Yuan等[3]使用ORYZA_V3模型模擬華中地區(qū)水稻生長，各項(xiàng)指標(biāo)NRMSE基本在25%以內(nèi)；劉路廣等[6]應(yīng)用ORYZA_V3模型模擬不同灌溉模式下的鄂北地區(qū)水稻生長情況，提出返青期保持水層，黃熟期自然落干，拔節(jié)孕穗及乳熟期可中度受旱，分蘗及抽穗開花期輕度受旱的適宜灌溉模式。然而，基于ORYZA模型的不同水文年型、不同灌溉模式下的水稻生長模擬的研究鮮有報道。

以贛撫平原灌區(qū)田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對ORYZA_V3模型進(jìn)行率定與驗(yàn)證。使用ORYZA_V3模型模擬長系列氣象條件不同灌溉模式下試驗(yàn)區(qū)早晚稻生長，分析不同水文年型不同灌溉模式下早晚稻產(chǎn)量、灌溉定額、灌水次數(shù)、騰發(fā)量、降雨利用率及水分生產(chǎn)率等指標(biāo)。以期提出適宜于試驗(yàn)區(qū)早晚稻的節(jié)水灌溉模式，為試驗(yàn)區(qū)灌溉水管理決策提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 田間試驗(yàn)

江西省灌溉試驗(yàn)中心站(以下簡稱試驗(yàn)站)位于贛撫平原灌區(qū)，東經(jīng)116°00′，北緯28°26′，高程22.60 m。試驗(yàn)站處于亞熱帶季風(fēng)氣候帶，氣候溫暖，降雨豐富，日照充足，年平均日照為1 575.5 h，年均降雨量為1 685.2 mm，年平均氣溫為17.7 ℃，蒸發(fā)量為943 mm[7]。

試驗(yàn)于2012、2013年在田間小區(qū)中開展，每個小區(qū)面積為75 m2。試驗(yàn)設(shè)置了傳統(tǒng)淹灌W0、節(jié)水灌溉W12種灌溉模式。不同灌溉模式的田間水層控制標(biāo)準(zhǔn)詳見文獻(xiàn)[8]。施氮肥制度為兩次施肥(基肥50%，分蘗肥50%)，施氮肥量為180 kg/hm2，為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民常用的施肥方式。

1.2 ORYZA模型率定與驗(yàn)證

ORYZA_V3模型的率定與驗(yàn)證工作介紹如下：

(1)模型參數(shù)率定：使用2012年試驗(yàn)站氣象資料運(yùn)行ORYZA_V3模型，并使用2012年實(shí)測干物質(zhì)量及產(chǎn)量數(shù)據(jù)對模擬結(jié)果進(jìn)行評價，對部分模型參數(shù)進(jìn)行率定[9-10]。模型需要率定的參數(shù)主要與試驗(yàn)區(qū)環(huán)境、氣候有關(guān)，包括：營養(yǎng)生長期、光敏感周期、幼穗分化期、灌漿期發(fā)育速率(DVRJ、DVRI、DVRP、DVRR)，葉、莖、穗的干物質(zhì)分配系數(shù)(FLV、FST、FSO)，死葉系數(shù)(DRLV)，最大葉面積相對增長率(RGRLMX)等。

(2)模型有效性評價：使用2013年試驗(yàn)數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行驗(yàn)證。對率定期及驗(yàn)證期的模擬結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果做統(tǒng)計(jì)分析。統(tǒng)計(jì)分析選用的指標(biāo)為相對誤差。

1.3 不同灌溉模式設(shè)置

早晚稻分蘗后期進(jìn)行曬田，不進(jìn)行灌水。生育期內(nèi)其余階段根據(jù)耕作層灌前土壤含水率占飽和含水率的百分比設(shè)置輕度干旱W2、中度干旱W3、重度干旱W43種節(jié)水灌溉模式，分別表示灌前土壤含水率下限占飽和含水率的85%、75%、65%。3種節(jié)水灌溉模式在返青、分蘗前、分蘗后、拔節(jié)孕穗、抽穗開花、乳熟期、黃熟期灌水上限分別為20、30、0、30、30、30、0 mm，雨后蓄水上限分別為30、50、0、60、60、50、0 mm。另外，設(shè)置傳統(tǒng)淹灌模式W0作對照，灌水上限在返青、分蘗前、分蘗后、拔節(jié)孕穗、抽穗開花、乳熟期、黃熟期分別為30、50、0、50、50、50、0 mm，雨后蓄水上限分別為40、50、0、70、70、50、0 mm。

4種灌溉模式下施氮肥量均為180 kg/hm2，其中基肥50%，分蘗肥50%。

對4種灌溉模式對應(yīng)的情景進(jìn)行長系列(1961-2016)模擬，并根據(jù)早稻及晚稻生育期內(nèi)的累計(jì)降雨量分別進(jìn)行排頻，選出早稻及晚稻生育期內(nèi)的豐、平、枯水年組，并計(jì)算不同水文年組生育期內(nèi)的平均累積降雨量(表1)。統(tǒng)計(jì)4種灌溉模式在不同水文年的產(chǎn)量、灌溉定額、灌水次數(shù)、騰發(fā)量、降雨利用率，水分生產(chǎn)率，分析不同灌溉模式下早晚稻的生長情況。

表1 早稻及晚稻生育期內(nèi)不同水文年組Tab.1 Different hydrological year groups in the growth period of early and late season rice

2 結(jié)果與分析

2.1 ORYZA模型率定與驗(yàn)證

選取2012年早晚稻干物質(zhì)量、產(chǎn)量等數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行率定，并選用2013年相應(yīng)數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證期早晚稻干物質(zhì)量模擬結(jié)果見圖1(限于篇幅2012年率定期略)。率定期及驗(yàn)證期早晚稻產(chǎn)量實(shí)測與模擬值對比結(jié)果如表2所示。由圖1與表2可知，雖然早晚稻驗(yàn)證期莖干物質(zhì)量、穗干物質(zhì)量部分實(shí)測點(diǎn)偏離模擬曲線較多，但總干物質(zhì)量、綠葉干物質(zhì)量模擬效果較好，早晚稻率定及驗(yàn)證期產(chǎn)量模擬值的相對與實(shí)測值的誤差均在5%以內(nèi)。故可認(rèn)為，模型對試驗(yàn)區(qū)早晚稻干物質(zhì)量、產(chǎn)量模擬效果良好，且模擬得到的產(chǎn)量數(shù)據(jù)具有較高精確性，可使用率定后的模型進(jìn)行不同灌溉模式下試驗(yàn)區(qū)早晚稻生長的長系列模擬。

圖1 早稻與晚稻干物質(zhì)量模擬結(jié)果(驗(yàn)證期2013年)Fig.1 Dry matter production simulation results of early rice and late rice(verification period)

表2 早稻產(chǎn)量實(shí)測值與模擬值對比Tab.2 Comparison of measured and simulated values of yield of early and late season rice

2.2 不同灌溉模式下水稻產(chǎn)量變化分析

開展不同灌溉模式下的產(chǎn)量逐年模擬，統(tǒng)計(jì)不同水文年組不同灌溉模式下早晚稻產(chǎn)量結(jié)果，并計(jì)算早晚稻節(jié)水灌溉模式相對于傳統(tǒng)淹灌模式的增產(chǎn)率(表3)。

由表3可知，同一水文年組，早晚稻節(jié)水灌溉模式相對于傳統(tǒng)淹灌模式W0均可提高產(chǎn)量，在一定范圍內(nèi)降低灌前水分下限可提高水稻產(chǎn)量。主要是因?yàn)楣?jié)水灌溉下干濕交替的田間水分狀況有利于氮素的吸收，分析節(jié)水灌溉模式相對傳統(tǒng)淹灌模式總氮吸收量的變化率(表4)，可以發(fā)現(xiàn)節(jié)水灌溉模式下早稻總氮吸收量在豐、平、枯水年相對淹灌模式分別增加1.0%～1.7%、0.2%～2.2%、0.3%～1.7%，晚稻分別增加1.1%～3.5%、1.6%～3.4%、2.3%～3.5% 。當(dāng)灌前水分下限降低到一定水平后，增產(chǎn)率下降。主要是因?yàn)?，適當(dāng)?shù)乃置{迫能促進(jìn)水稻根系生長，使水稻吸收較多的水分和養(yǎng)分，促使水稻增產(chǎn)[11]。若水分脅迫時間過長，則會影響水稻的正常生理活動，甚至產(chǎn)生不可逆的損害，使產(chǎn)量下降[6]。早稻不同節(jié)水灌溉模式下豐、平、枯水年組增產(chǎn)率分別為1.3%～2.1%、0.4%～2.6%、0.4%～1.6%，晚稻相應(yīng)的增產(chǎn)率分別為1.7%～2.7%、0.8%～3.2%、1.1%～1.9%。從增產(chǎn)的角度，贛撫平原灌區(qū)早稻生育期降雨多，在豐、平水年宜采用重度干旱的節(jié)水灌溉模式W4，在枯水年宜采用中度干旱的節(jié)水灌溉模式W3；晚稻生育期降雨較少，在豐、平水年宜采用中度干旱的節(jié)水灌溉模式W3，在枯水年宜采用輕度干旱的節(jié)水灌溉模式W2。使用推薦的節(jié)水灌溉模式，早稻在豐、平、枯水年能分別增產(chǎn)2.1%、2.6%、1.6%；晚稻能分別增產(chǎn)2.7%、3.2%、1.9%。

表3 不同灌溉模式下早晚稻產(chǎn)量模擬值對比Tab.3 Comparison of early and late season rice yields under different irrigation modes

表4 節(jié)水灌溉模式相對傳統(tǒng)淹灌模式下總氮吸收量變化率 %Tab.4 Rate of change of total nitrogen uptake in water-saving irrigation modes compared to traditional irrigation mode

2.3 不同灌溉模式下水稻灌溉定額與灌水次數(shù)分析

統(tǒng)計(jì)不同水文年組不同灌溉模式下早晚稻的灌溉定額及其節(jié)水率(表5)。由表5可知，同一灌溉模式下早晚稻豐水年組灌溉定額最小，枯水年組灌溉定額最大。同一水文年組，早晚稻節(jié)水灌溉模式下的灌溉定額均顯著低于傳統(tǒng)淹灌模式，且隨灌前水分下限的下降而減少。早稻不同節(jié)水灌溉模式下豐、平、枯水年組節(jié)水率分別為25.2%～38.4%、42.3%～48.8%、38.0%～56.2%，晚稻相應(yīng)的節(jié)水率分別為30.2%～45.4%、21.8%～41.5%、15.7%～38.0%。從節(jié)水的角度，在保證產(chǎn)量的前提下，早稻由于生育期降雨多，宜采用較干旱的節(jié)水灌溉模式，晚稻由于生育期降雨少且干旱，宜采用干旱程度較輕的節(jié)水灌溉模式。早稻在豐、平水年采用W4模式，枯水年采用W3模式能分別節(jié)水38.4%、48.8%、47.4%。晚稻在豐、平水年采用W3模式，枯水年采用W2模式能分別節(jié)水37.6%、27.9%、15.7%。

表5 不同灌溉模式下早晚稻灌溉定額模擬值對比 mmTab.5 Comparison of early and late season rice irrigation quota under different irrigation modes

統(tǒng)計(jì)不同水文年組不同灌溉模式下早晚稻的灌水次數(shù)及其變化率(表6)。由表6可知，同一灌溉模式下，早晚稻在豐水年全生育期內(nèi)灌水次數(shù)最少，枯水年灌水次數(shù)最多。同一水文年組下，早晚稻節(jié)水灌溉模式的灌水次數(shù)均低于傳統(tǒng)淹灌模式，且隨灌前水分下限下降而減少。早稻不同節(jié)水灌溉模式下灌水次數(shù)與傳統(tǒng)淹灌相比在豐、平、枯水年組分別減少47.6%～66.7%、58.1%～71.0%、48.4%～71.0%，晚稻灌水次數(shù)相應(yīng)減少40.4%～65.4%、32.2%～62.7%、24.3%～58.6%。灌水次數(shù)的減少在當(dāng)前農(nóng)村勞動力短缺的情況下有利于減少田間水分管理的工作壓力。從減少灌水次數(shù)的角度，在保證產(chǎn)量的前提下，早晚稻宜采用較干旱的節(jié)水灌溉模式。

表6 不同灌溉模式下早晚稻灌水次數(shù)模擬值對比Tab.6 Comparison of early and late season rice irrigation times under differentirrigation modes

2.4 不同灌溉模式下水稻騰發(fā)量分析

統(tǒng)計(jì)不同水文年組不同灌溉模式下早晚稻的騰發(fā)量及其變化率(表7)。由表7可知，同一灌溉模式下，早晚稻豐水年騰發(fā)量水平最低，枯水年騰發(fā)量水平最高。主要是因?yàn)樨S水年水稻生育期內(nèi)降雨多且日照少，使騰發(fā)量水平較低。同一水文年組下，早晚稻節(jié)水灌溉模式的騰發(fā)量均較傳統(tǒng)淹灌模式低。主要是因?yàn)楣?jié)水灌溉模式降低灌前水分下限提高了土壤蓄積雨水的能力，減少了田面水層存在的時間，一定程度上降低了蒸發(fā)量。另一方面適當(dāng)?shù)乃置{迫抑制了水稻蒸騰作用，降低了蒸騰量。早稻不同節(jié)水灌溉模式下騰發(fā)量相對于傳統(tǒng)淹灌模式在豐、平、枯水年組分別減少0.9%～1.6%、1.6%～3.0%、4.3%～6.3%，晚稻騰發(fā)量相應(yīng)減少5.2%～9.9%、6.0%～14.1%、5.0%～17.7。從降低騰發(fā)量的角度，在保證產(chǎn)量的前提下，贛撫平原灌區(qū)早晚稻宜采用較干旱的節(jié)水灌溉模式。

表7 不同灌溉模式下早晚稻騰發(fā)量模擬值對比Tab.7 Comparison of early and late season rice evapotranspiration under different irrigation modes

2.5 不同灌溉模式下降雨利用率比較

統(tǒng)計(jì)不同水文年組不同灌溉模式下早晚稻生育期內(nèi)累積降雨量與排水量，根據(jù)水量平衡法[12]計(jì)算早晚稻的降雨利用率(見表8)。由表8可知，同一灌溉模式下早晚稻枯水年降雨利用率最高，豐水年降雨利用率最低。同一水文年組下，早晚稻節(jié)水灌溉模式的降雨利用率基本較傳統(tǒng)淹灌模式高。主要是因?yàn)楣?jié)水灌溉模式增大了水稻田的蓄雨深度，減少了田面排水。早稻不同節(jié)水灌溉模式降雨利用率相對于傳統(tǒng)淹灌模式在豐、平、枯水年分別提升0.8%～2.4%、7.5%～10.4%、6.6%～13.7%，晚稻降雨利用率分別提升9.0%～11.3%、3.2%～6.4%、3.7%～6.3%。從提高降雨利用率的角度，早晚稻宜采用節(jié)水灌溉模式，并參考產(chǎn)量、騰發(fā)量等指標(biāo)確定節(jié)水灌溉模式適宜的干旱程度。

2.6 不同灌溉模式下水分生產(chǎn)率比較

根據(jù)不同水文年組不同灌溉模式下早晚稻產(chǎn)量、騰發(fā)量計(jì)算作物蒸發(fā)蒸騰量水分生產(chǎn)率(以下簡稱水分生產(chǎn)率)(見表9)。由表9可知，同一水文年組下，早晚稻節(jié)水灌溉模式下水分生產(chǎn)率較傳統(tǒng)淹灌模式高。早稻不同節(jié)水灌溉模式下水分生產(chǎn)率相對于傳統(tǒng)淹灌模式在豐、平、枯水年組分別增加2.3%～3.8%、2.1%～5.8%、5.0%～7.5%，晚稻相應(yīng)增加5.6%～12.8%、8.0%～17.3%、7.3%～21.5%。從提高水分生產(chǎn)率的角度，在保證產(chǎn)量的前提下，贛撫平原灌區(qū)早晚稻宜采用較干旱的節(jié)水灌溉模式。

3 結(jié) 論

選用江西灌溉試驗(yàn)中心站2012年與2013年的試驗(yàn)資料對ORYZA_V3模型進(jìn)行率定與驗(yàn)證。結(jié)果顯示ORYZA_V3模型能較好的模擬試驗(yàn)區(qū)不同灌溉模式下的早晚稻生長。

表8 不同灌溉模式下早晚稻降雨利用率模擬值對比 %Tab.8 Comparison of early andlate season rice rainfall utilization under different irrigation modes

表9 不同灌溉模式下早晚稻水分生產(chǎn)率模擬值對比Tab.9 Comparison of early andlate season rice r water productivity under different irrigation modes

開展不同灌溉模式下試驗(yàn)區(qū)早晚稻的逐年模擬，并統(tǒng)計(jì)不同水文年組早晚稻的產(chǎn)量、灌溉定額、灌水次數(shù)、騰發(fā)量、降雨利用率、水分生產(chǎn)率指標(biāo)。結(jié)果顯示，在一定范圍內(nèi)降低灌前水分下限能提高早晚稻的產(chǎn)量。當(dāng)灌前水分下限降低到一定水平后，因長時間的水分脅迫，早晚稻增產(chǎn)率將有所下降。降低灌前水分下限，能降低騰發(fā)量，降低灌溉定額，減少灌水次數(shù)，提高降雨利用率與水分生產(chǎn)率。

從節(jié)水增產(chǎn)的角度，推薦試驗(yàn)區(qū)早稻在豐、平水年采用重度干旱的節(jié)水灌溉模式W4，枯水年采用中度干旱的節(jié)水灌溉模式W3。與傳統(tǒng)淹灌模式W0相比在豐、平、枯水年能分別增產(chǎn)2.1%、2.6%、1.6%，節(jié)水38.4%、48.8%、47.4%。推薦試驗(yàn)區(qū)晚稻在豐、平水年采用中度干旱的節(jié)水灌溉模式W3，枯水年采用輕度干旱的節(jié)水灌溉模式W2。與傳統(tǒng)淹灌模式W0相比在豐、平、枯水年能分別增產(chǎn)2.7%、3.2%、1.9%,節(jié)水37.6%、27.9%、15.7%。