湖北省晚稻灌溉定額計算參數(shù)與修訂方法研究

劉路廣，潘少斌，吳 瑕，陳緒勛，王麗紅

(1. 湖北省水利水電科學研究院，武漢 430070；2. 湖北省節(jié)水研究中心，武漢 430070；3. 湖北水利水電職業(yè)技術學院，武漢 430070)

0 引 言

灌溉定額是實施“總量控制、定額管理”的重要依據(jù)，是實現(xiàn)節(jié)水灌溉、水資源優(yōu)化配置、水資源利用、提高灌溉用水效率及效益、農(nóng)業(yè)取水許可管理的基礎[1-3]。2003年湖北省頒布了灌溉用水定額標準，但隨著節(jié)水灌溉技術與農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，作物品種、灌溉模式、灌溉技術以及耕作方式等均發(fā)生了變化，灌溉用水定額也會發(fā)生相應變化，現(xiàn)行灌溉用水定額標準難以適應當前及今后一個時期的水資源規(guī)劃設計與用水管理等需求。據(jù)統(tǒng)計，湖北省近7年晚稻種植面積基本平穩(wěn)，平均種植面積為43.67 萬hm2，占總耕地面積的12.7%，占作物總播種面積5.42%。晚稻作為湖北省重要的灌溉作物，因此，開展湖北省晚稻灌溉定額修訂研究對構建湖北省灌溉定額標準體系、貫徹落實最嚴格水資源管理制度、促進水資源優(yōu)化配置、指導水資源規(guī)劃與管理具有重要意義。

1 晚稻灌溉定額分區(qū)與資料搜集

1.1 晚稻灌溉定額分區(qū)

灌溉用水定額受作物品種、氣候條件、地形條件、灌水方法及技術、土壤質地、農(nóng)業(yè)耕作措施、田間工程及土地平整狀況、灌溉管理水平等諸多因素影響[4,5]。部分影響因素具有明顯的區(qū)域差異性，這亦是灌溉用水定額產(chǎn)生區(qū)域差異的主要原因。為合理反映灌溉用水定額區(qū)域差異，劃分灌溉定額分區(qū)時應綜合考慮氣候條件、地形條件、土壤質地以及灌溉管理水平等因素。湖北省農(nóng)業(yè)區(qū)劃和干旱分區(qū)成果，都將湖北省劃分為鄂西北山區(qū)、鄂西南山區(qū)、鄂北崗地、鄂中丘陵區(qū)、鄂東北山丘區(qū)、鄂東南山丘區(qū)、江漢平原區(qū)和鄂東沿江平原區(qū)8個分區(qū)(圖1)，該分區(qū)成果能夠反映氣候條件、地形條件、作物種植等因素區(qū)域差異性。為便于成果相銜接，本次湖北省晚稻灌溉用水定額分區(qū)采用湖北省農(nóng)業(yè)區(qū)劃和干旱分區(qū)成果。

湖北省晚稻種植主要分布在黃岡市、荊州市、武漢市、咸寧市、黃石市、孝感市、鄂州市、天門市、宜昌市(僅枝江市)、荊門市和仙桃市。從分區(qū)上講，主要涉及江漢平原區(qū)、鄂東南山丘區(qū)、鄂東沿江平原、鄂東北山丘區(qū)、鄂中丘陵區(qū)。

圖1 湖北省灌溉定額分區(qū)圖

1.2 資料搜集

本研究共收集了12個灌溉試驗站晚稻灌溉試驗成果。從分區(qū)上講，鄂中丘陵區(qū)3個(團林站、徐家河站、長渠站)、江漢平原區(qū)3個(四湖站、三湖連江、金星站)、鄂東北山丘區(qū)1個(明山站)、鄂東沿江平原3個(梅川站、古角站、白蓮河站)、鄂東南山丘區(qū)1個(南川站)、鄂西南山丘1個(望城崗)，灌溉試驗資料涵蓋了湖北省晚稻種植區(qū)域；從試驗數(shù)據(jù)觀測年份上講，主要集中在20世紀80、90年代，試驗數(shù)據(jù)偏舊。為彌補試驗資料缺陷，2018年3月對天門市、麻城市、浠水縣、通山縣等典型縣的晚稻種植與灌溉用水情況進行了實地調研，調查了晚稻種植、生育期、水層控制標準及灌溉用水等情況。

2 晚稻灌溉定額計算參數(shù)

2.1 晚稻作物系數(shù)變化規(guī)律分析

(1)不同品種晚稻作物系數(shù)變化規(guī)律分析。分析了團林站和明山站同一灌溉模式不同品種不同生育期晚稻作物系數(shù)變化規(guī)律，具體見圖2。由圖2可知，不同品種晚稻作物系數(shù)具有一定差異，晚稻品種因素對作物系數(shù)具有一定影響。這主要因為不同品種作物高度、葉面積指數(shù)等作物特性不同，進而影響作物需水量和作物系數(shù)[6]。團林站不同品種晚稻作物系數(shù)差異性并不大，一般抽穗開花期作物系數(shù)達到最大[圖2(a)]；明山站不同品種晚稻作物系數(shù)變化趨勢基本一致，但數(shù)值之間差異較大[圖2(b)]，一方面可能是品種因素導致；另一方面可能是由于華矮15號僅1年灌溉試驗數(shù)據(jù)，缺乏代表性。在對比分析作物品種影響因素時基本消除了灌溉模式因素影響，但由于試驗數(shù)據(jù)年份不同，并未消除氣候因素影響。

圖2 不同品種晚稻作物系數(shù)變化規(guī)律

(2)不同灌溉模式晚稻作物系數(shù)變化規(guī)律分析。分析了團林站和長渠站同一年份同一品種不同灌溉模式不同生育期作物系數(shù)變化規(guī)律，具體見圖3。由圖3可知，團林站淺灌適蓄模式各生育期晚稻作物系數(shù)基本略高于淺灌模式；長渠站不同灌溉模式各生育期晚稻作物系數(shù)相差很小，且無一致性變化規(guī)律?？傮w來講，不同灌溉模式晚稻作物系數(shù)具有一定差異性，但相差并不大。不同灌溉模式，稻田蓄水深度不同，導致稻田保持有水層的天數(shù)不同，進而會對株間蒸發(fā)量有所影響。但由于不同灌溉模式稻田土壤含水率達到了飽和含水率以上(曬田期除外)，作物基本不會產(chǎn)生水分脅迫，騰發(fā)量差異并不大，這亦是不同灌溉模式晚稻作物系數(shù)差異較小的主要原因。

圖3 不同灌溉模式不同生育期晚稻作物系數(shù)

(3)不同分區(qū)晚稻作物系數(shù)。由于灌溉模式對作物系數(shù)影響不大，因此作物系數(shù)確定未按灌溉模式進行分類。根據(jù)灌溉定額分區(qū)及灌溉試驗站分布，采用算術平均法確定各分區(qū)不同生育期晚稻作物系數(shù)。由于晚稻分蘗末期采用曬田措施，而灌溉試驗資料并未進行詳細劃分，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)成果，分蘗末期(無水層)晚稻作物系數(shù)由分蘗末期(有水層)晚稻作物系數(shù)乘以0.7折算。不同分區(qū)晚稻作物系數(shù)計算成果見圖4，晚稻作物系數(shù)返青期、分蘗末期和黃熟期作物系數(shù)相對較小，主要由于返青期作物蒸騰量相對較小；分蘗末期和黃熟期一般采用曬田或落干措施，土壤水分較少，作物騰發(fā)量相對較小。孕穗期、抽穗開花期和乳熟期晚稻作物系數(shù)相對較大。各分區(qū)晚稻作物系數(shù)變化趨勢基本一致，差異并不大。

圖4 各分區(qū)不同生育期晚稻作物系數(shù)

2.2 不同分區(qū)晚稻稻田滲漏量

(1)不同灌溉模式晚稻稻田滲漏量變化規(guī)律分析。由團林站晚稻灌溉試驗成果可知[圖5(a)]，除抽穗期外，其他生育期淺灌深蓄模式日均滲漏量大于淺灌勤灌模式。由梅川站晚稻灌溉試驗成果可知[圖5(b)]，晚稻本田生育期內淺灌中蓄模式日均滲漏量大于淺灌濕潤模式。以上試驗成果分析表明，隨著蓄水深度的增加，稻田滲漏量呈增加變化趨勢，但不同灌溉模式之間稻田滲漏量相差并不大。

圖5 不同灌溉模式晚稻日均滲漏量

(2)不同地形晚稻稻田滲漏量變化規(guī)律分析。由團林站試驗成果可知[圖6(a)]，晚稻本田各生育階段，塝田日均滲漏量高于沖田。選擇山區(qū)(望崗坡站)、丘陵區(qū)(明山站)、平原區(qū)(四湖站)3種地形典型代表站進行分析[圖6(b)]，晚稻不同生育階段內日均滲漏量呈現(xiàn)山區(qū)>丘陵區(qū)>平原區(qū)的變化規(guī)律。以上試驗成果表明，地形對稻田滲漏量具有一定影響，并且表現(xiàn)為山區(qū)>丘陵區(qū)>平原區(qū)。地形因素對稻田滲漏量影響較為明顯。

圖6 不同地形晚稻日均滲漏量

(3)不同分區(qū)晚稻稻田滲漏量。根據(jù)稻田滲漏量變化規(guī)律分析可知，灌溉模式和地形因素對稻田滲漏量均具有一定影響，而地形因素影響較大。根據(jù)地形條件采用灌溉試驗資料確定不同分區(qū)不同生育期稻田滲漏量。對于節(jié)水灌溉模式，如間歇灌溉或“薄淺濕曬”等，可將生育期內稻田土壤含水率低于飽和含水率時滲漏量設置為0進行處理。不同分區(qū)稻田滲漏量見表1。鄂東南山丘區(qū)灌溉試驗站為南川試驗站，且僅有1年的晚稻本田生育期滲漏量合計值，資料不足無法直接確定?？紤]地形條件與鄂東北山丘區(qū)相近，因此采用鄂東北山丘區(qū)的稻田滲漏成果。分蘗末期有水層時期內日均滲漏量參考分蘗期，分蘗末期無水層時期的日均滲漏量為0。泡田期日均滲漏量采用返青期日均滲漏量。

表1 不同分區(qū)晚稻不同生育期日均滲漏量 mm

2.3 不同分區(qū)晚稻泡田期水面蒸發(fā)和飽和需水量

當晚稻泡田期有大型蒸發(fā)皿水面蒸發(fā)觀測資料時，直接采用觀測值；當無大型蒸發(fā)皿觀測資料時，則由小型蒸發(fā)皿觀測值或參考作物騰發(fā)量進行轉換。典型縣晚稻泡田期小型蒸發(fā)皿水面蒸發(fā)、大型蒸發(fā)皿水面蒸發(fā)和參考作物騰發(fā)量之間關系見圖7。

圖7 典型縣(監(jiān)利縣)小型蒸發(fā)皿水面蒸發(fā)、大型蒸發(fā)皿水面蒸發(fā)和參考作物騰發(fā)量之間關系

晚稻泡田飽和需水量與泡田前的土壤含水量直接相關，由于晚稻和早稻一般是輪種，晚稻泡田前土壤含水率相對較高，按飽和含水率80%考慮。經(jīng)折算，晚稻泡田飽和需水量為20 mm。

2.4 生育期及田間水層控制標準

(1)晚稻生育期。晚稻生育期受作物品種、地理位置、氣候因子(氣溫、日照、濕度)等因素影響。根據(jù)試驗成果和實地調研，人工耕作條件下，一般7 d左右；機械耕作條件下，晚稻泡田期極大縮短，一般1～2 d。晚稻插秧一般在7月底，根據(jù)浠水縣和通山縣調研情況，當?shù)卮嬖诓徊濉鞍艘谎怼?，即八一之前插秧的說法。晚稻收割一般在10月底，部分年份可能會推遲到11月上旬。晚稻生育期(含泡田期)長度為90～100 d左右。根據(jù)試驗及實地調研，確定了各分區(qū)晚稻生育期，見圖8。基本表現(xiàn)為由南至北增加趨勢，符合一般規(guī)律。為計算方便，避免更多的統(tǒng)計分析工作，不同生育期生長天數(shù)每年采用固定值，即多年平均值。

圖8 不同分區(qū)晚稻生育期

(2)晚稻田間水層控制標準。根據(jù)實地調研，淺灌適蓄是目前湖北省大田晚稻灌溉的主要模式。大田晚稻灌溉與試驗田存在以下方面的不同：①除水源和灌排條件很好的區(qū)域外，農(nóng)戶一般會充分利用降水資源；②隨著農(nóng)村勞動力轉移，灌溉次數(shù)少也是在農(nóng)戶樂于選擇的灌溉模式；③對于水源有保障，且灌溉輸水時間短的區(qū)域灌溉下限相對較低，而灌溉輸水時間長或水源保障不足的區(qū)域，則灌溉下限可適當提高。在節(jié)水灌溉模式方面，“薄淺濕曬”和“間歇灌溉”相關研究與應用較多[7-10]，由于間歇灌溉具有節(jié)水、灌水次數(shù)少等優(yōu)點更容易在大田，特別是灌溉條件較好的地區(qū)推廣[10]。綜上所述，選擇淺灌適蓄和間歇灌溉2種模式作為本次晚稻灌溉定額修編采用的灌溉模式。根據(jù)地形條件、灌溉試驗成果、實地調研、晚稻不同生育階段需水及耐旱情況，確定了不同分區(qū)2種灌溉模式晚稻灌溉水層控制標準，具體見表2和表3。

表2 不同分區(qū)晚稻不同生育階段水層控制標準-淺灌適蓄

表3 不同分區(qū)晚稻不同生育階段水層控制標準-間歇灌溉

注：0～40～60指灌溉下限、灌溉上限和蓄雨上限；灌溉下限90%為土壤含水率占飽和含水率的百分比。

3 晚稻灌溉定額計算與分析

3.1 不同灌溉定額分區(qū)晚稻灌溉定額計算分析

根據(jù)灌溉定額計算參數(shù)與影響因素分析，將湖北省晚稻灌溉定額按照灌溉模式分為淺灌適蓄模式和間歇灌溉模式；同時，由于耕作方式影響晚稻泡田時間及泡田定額，因此按照耕作方式分為人工耕作和機械耕作。灌溉模式與耕作方式進行組合共計4種灌溉定額：人工耕作+淺灌適蓄、機械耕作+淺灌適蓄、人工耕作+間歇灌溉、機械耕作+間歇灌溉。

根據(jù)水量平衡，對1973-2013年湖北省各典型縣晚稻灌溉定額進行了計算。根據(jù)不同分區(qū)典型縣晚稻灌溉定額，采用算術平均法確定了不同分區(qū)不同頻率晚稻灌溉定額，具體成果見圖9。由圖9可知，相同灌溉模式和頻率下，機械耕作灌溉定額一般低于人工耕作下的灌溉定額，表明耕作方式進步有利于農(nóng)業(yè)節(jié)水；相同耕作方式與頻率下，間歇灌溉模式灌溉定額低于淺灌適蓄模式，主要由于間歇灌溉有利于提高降雨利用率。從區(qū)域分布上，同一灌溉模式與耕作方式條件下，鄂東南山丘區(qū)和鄂東沿江平原的晚稻灌溉定額相對較低，而鄂東北山丘區(qū)、鄂中丘陵區(qū)和江漢平原區(qū)相對較高。

圖9 湖北省不同分區(qū)不同頻率晚稻灌溉定額

3.2 不同分區(qū)晚稻灌溉定額合理性分析

(1)與相關試驗成果對比分析。選擇松滋市和荊門市晚稻灌溉定額計算值分別與金星站和團林站觀測值進行對比分析。灌溉定額為本田生育期內灌溉定額，不含泡田定額；計算值采用淺灌適蓄模式，試驗值金星站采用淺灌模式，團林站采用淺灌勤灌或淺灌適蓄，灌溉模式相近。剔除試驗值中明顯奇異值后，對比結果見圖10。由圖10(a)可知，松滋市晚稻灌溉定額計算值與金星站觀測值相差較小，產(chǎn)生差異的主要原因可能是生育期降雨量不同導致。從晚稻灌溉定額多年均值看，金星站觀測值為3 060 m3/hm2，松滋市計算值為2 835 m3/hm2，計算值相對偏小，但相對誤差為7%，在合理范圍內。由圖10(b)可知，荊門市晚稻灌溉定額計算值與團林站觀測值變化趨勢一致，且相差不大。1975-1977年3年的相對誤差較大，主要原因可能是降雨量差別較大。從晚稻灌溉定額多年均值看，團林站觀測值為3 085 m3/hm2，荊門市計算值為3 082 m3/hm2，計算值與觀測值基本相同，這表明了計算參數(shù)和計算成果的合理性。

圖10 晚稻灌溉定額計算值與觀測值對比

(2)與2003年頒布的標準對比分析。與2003年晚稻灌溉定額相比，人工耕作淺灌適蓄條件下，鄂東北山丘區(qū)晚稻灌溉定額明顯降低，其他分區(qū)晚稻灌溉定額升降不一，但升降幅度均不大；機械耕作淺灌適蓄條件下，除江漢平原區(qū)多年平均與50%頻率、鄂中丘陵區(qū)50%頻率的晚稻灌溉定額略有提高外，其他分區(qū)不同水平年均有一定程度降低，這表明先進耕作方式有利于農(nóng)業(yè)節(jié)水；人工耕作間歇灌溉條件下，除江漢平原50%頻率晚稻灌溉定額基本未變化外，不同分區(qū)不同水平年晚稻灌溉定額基本有一定程度降低，這表明節(jié)水灌溉模式節(jié)水效果較好；機械耕作間歇灌溉條件下，不同分區(qū)不同水平年晚稻灌溉定額均有一定程度降低。本次修訂提出不同灌溉模式與耕作方式下的灌溉定額，更能反映湖北省用水水平，具有一定可行性與先進性。

(3)湖北省不同分區(qū)晚稻灌溉定額。通過與灌溉試驗成果和2003年湖北省灌溉定額標準的對比與分析，晚稻灌溉定額成果是合理的，并具有一定可行性與先進性。用戶可根據(jù)耕作方式和灌溉模式的不同選擇相應的灌溉定額成果。目前，湖北省一般為機械耕作+淺灌適蓄組合模式下的灌溉定額，對于水源條件和灌溉設施條件較好的地區(qū)建議推薦采用機械耕作+間歇灌溉條件的灌溉定額。

4 結 語

(1)本文基于灌溉試驗成果和典型縣實地調研資料，對不同分區(qū)晚稻灌溉定額計算參數(shù)(作物系數(shù)、稻田滲漏量、水面蒸發(fā)、飽和需水量、水層控制標準等)進行了計算和分析。

(2)基于灌溉定額計算參數(shù)與影響因素分析，計算了湖北省晚稻不同分區(qū)不同頻率4種組合模式(人工耕作+淺灌適蓄、機械耕作+淺灌適蓄、人工耕作+間歇灌溉、機械耕作+間歇灌溉)灌溉定額。

表4 湖北省不同分區(qū)不同縣市不同頻率晚稻灌溉定額 m3/hm2

(3)通過與灌溉試驗成果和2003年湖北省灌溉定額標準進行對比，分析了晚稻灌溉定額成果合理性。并提出了定額成果使用范圍，即湖北省灌溉定額一般選擇機械耕作+淺灌適蓄條件下灌溉定額，對于水源條件和灌溉設施條件較好的地區(qū)建議推薦采用機械耕作+間歇灌溉條件下灌溉定額。