蝦稻共作灌溉定額確定方法研究

劉路廣，吳 瑕，關(guān)洪林，潘少斌，崔遠(yuǎn)來，董 葦，楊小偉，羅 強(qiáng)

蝦稻共作灌溉定額確定方法研究

劉路廣1,2，吳 瑕1,2，關(guān)洪林1,2，潘少斌1,2，崔遠(yuǎn)來3，董 葦1,2，楊小偉1,2，羅 強(qiáng)3

（1. 湖北省水利水電科學(xué)研究院，武漢 430070；2. 湖北省節(jié)水研究中心，武漢 430070；3. 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，武漢 430072）

近年來，中國長江中下游流域大面積發(fā)展了蝦稻共作適水農(nóng)業(yè)，該種養(yǎng)模式改變了田塊結(jié)構(gòu)及用水模式，其灌溉定額計(jì)算有別于普通農(nóng)作物且具有一定復(fù)雜性，目前還未見相關(guān)研究報(bào)道。該文在實(shí)地調(diào)研的基礎(chǔ)上，根據(jù)蝦稻共作田塊結(jié)構(gòu)與用水特點(diǎn)，將1個(gè)周年劃分為水稻非生育期階段、水稻生育期蝦稻分養(yǎng)階段、水稻生育期蝦稻共養(yǎng)階段3個(gè)階段，基于水量平衡原理，提出蝦稻共作灌溉定額確定方法。以湖北省潛江市為例，通過資料搜集和計(jì)算參數(shù)確定，采用該文提出的計(jì)算方法對蝦稻共作灌溉定額進(jìn)行了計(jì)算，蝦稻共作灌溉定額多年平均12 945 m3/hm2。該研究成果為蝦稻共作灌溉定額提供了理論依據(jù)，對指導(dǎo)蝦稻共作灌溉用水及水資源管理具有重要意義。

灌溉；降雨；蒸發(fā)蒸騰；蝦稻共作；水量平衡原理；確定方法

0 引 言

蝦稻共作是將種植業(yè)與養(yǎng)殖業(yè)有機(jī)結(jié)合的一種新型生態(tài)農(nóng)業(yè)模式，是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)與現(xiàn)代科技相結(jié)合的產(chǎn)物，具有潛在生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[1-4]。由于蝦稻共作種養(yǎng)模式穩(wěn)糧增收成效顯著，該種養(yǎng)模式在中國長江中下游流域湖北、湖南、江西、安徽、江蘇等省份得到了推廣應(yīng)用[5-7]。根據(jù)全國水產(chǎn)技術(shù)推廣總站2018年發(fā)布的中國小龍蝦產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告，2017年全國蝦稻共作面積達(dá)到了567 khm2。目前，國內(nèi)外在蝦稻共作種養(yǎng)技術(shù)方面開展了許多研究工作[8-12]，取得了一些研究成果。增產(chǎn)增質(zhì)方面，蝦稻共作可增加農(nóng)民收入，提高水稻品質(zhì)[13]，部分研究表明還可促進(jìn)水稻增產(chǎn)[9-10,14]；土壤肥力方面，可改善土壤結(jié)構(gòu)，有助于保持土壤肥力[14-17]；生物多樣性方面，對雜草具有控制作用[18]，顯著影響水體浮游植物和土壤微生物結(jié)構(gòu)[19-21]。在科學(xué)研究及推廣應(yīng)用過程中，在田塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、水肥管理等種養(yǎng)技術(shù)方面總結(jié)了大量經(jīng)驗(yàn)[22-24]。

由于蝦稻共作改變了田塊結(jié)構(gòu)和用水模式[25-26]，水平衡要素及計(jì)算參數(shù)發(fā)生了變化，進(jìn)而影響了灌溉定額及其計(jì)算方法，與一般農(nóng)作物灌溉定額計(jì)算相比[27-29]，具有一定復(fù)雜性。灌溉定額是節(jié)約用水和水資源管理的基礎(chǔ)性工作[30]，而目前蝦稻共作灌溉定額計(jì)算方法未見相關(guān)研究報(bào)道，因此如何計(jì)算蝦稻共作灌溉定額成為當(dāng)前亟待解決的問題。根據(jù)研究現(xiàn)狀及存在問題，開展實(shí)地調(diào)研，系統(tǒng)科學(xué)提出蝦稻共作灌溉定額計(jì)算方法，對指導(dǎo)蝦稻灌溉用水及水資源管理具有重要意義。

1 實(shí)地調(diào)研蝦稻共作模式

2018年3月，對蝦稻共作模式發(fā)源地湖北省潛江市熊口鎮(zhèn)華山蝦稻共作基地及農(nóng)戶進(jìn)行了實(shí)地調(diào)研，摸清了蝦稻共作田塊結(jié)構(gòu)（稻田與蝦溝尺寸）、龍蝦養(yǎng)殖要點(diǎn)、水稻生育期、水層控制標(biāo)準(zhǔn)、水肥管理經(jīng)驗(yàn)等。蝦稻共作一般在稻田四周開挖蝦溝，蝦溝與稻田平面布置示意圖見圖1。

注：L1為蝦稻共作田塊總長度，m；L2為稻田長度，m；B1為蝦稻共作田塊總寬度，m；B2為稻田寬度，m。

根據(jù)蝦稻共作模式種養(yǎng)特點(diǎn)，可將1個(gè)周年劃分為3個(gè)階段：水稻非生育期階段、水稻生育期蝦稻分養(yǎng)階段、水稻生育期蝦稻共養(yǎng)階段。水稻非生育期階段指水稻種植前和收割后的一段時(shí)期，該階段小龍蝦可在蝦溝及稻田內(nèi)活動(dòng)；水稻生育期蝦稻分養(yǎng)階段主要是指水稻生長前期和后期（如返青期、分蘗期、乳熟期和黃熟期），小龍蝦僅在蝦溝內(nèi)活動(dòng)；水稻生育期蝦稻共養(yǎng)階段指水稻生長中期（拔節(jié)孕穗期和抽穗開花期），小龍蝦可在蝦溝及稻田內(nèi)活動(dòng)。

2 蝦稻共作灌溉定額計(jì)算方法

2.1 水稻非生育期階段灌溉定額

水稻非生育期階段水層控制標(biāo)準(zhǔn)見圖2，該階段蝦溝與稻田水體連成一體，因此，將蝦溝和稻田作為1個(gè)計(jì)算單元，根據(jù)水量平衡原理，水量平衡方程可概化為

h

蝦,

末

=

h

蝦,

初

+

P

有效

+

m

蝦

?

E

?

S

（1）

式中0為水稻非生育期階段灌溉定額，m3/hm2。

注：蝦,蓄為水稻非生育期階段降雨后最大蓄水水位，mm；蝦,上為水稻非生育期階段適宜水層水位上限，mm；蝦,下為水稻非生育期階段適宜水層水位下限，mm。

Note:蝦,蓄is max water level after rainfall in non-growth stage of rice, mm;蝦,上is upper limit of suitable water level in non-growth stage of rice, mm;蝦,下is lower limit of suitable water level in non-growth stage of rice, mm.

圖2 水稻非生育期階段水層控制標(biāo)準(zhǔn)示意圖

Fig.2 Water layer control standard in non-growth stage of rice

2.2 水稻生育期蝦稻分養(yǎng)階段灌溉定額

水稻生育期蝦稻分養(yǎng)階段水層控制標(biāo)準(zhǔn)見圖3所示。蝦溝和稻田分別基于水量平衡原理進(jìn)行計(jì)算。

蝦溝水量平衡計(jì)算方程可概化為

h

溝,

末

=

h

溝,

初

+

P

有效

+

m

溝

?

E

?

S

（3）

式中溝,末為該階段計(jì)算時(shí)段末蝦溝水層水位，mm；溝,初為該階段計(jì)算時(shí)段初蝦溝水層水位，mm；溝為該階段該計(jì)算時(shí)段蝦溝灌水定額，mm。

注：h稻,蓄為水稻生育期蝦稻分養(yǎng)階段稻田最大蓄雨水位，mm；h稻,上為水稻生育期蝦稻分養(yǎng)階段稻田適宜水層上限水位，mm；h稻,下為水稻生育期蝦稻分養(yǎng)階段稻田適宜水層下限水位，mm；h溝,蓄為水稻生育期蝦稻分養(yǎng)階段蝦溝最大蓄雨水位，mm；h溝,上、B上分別為水稻生育期蝦稻分養(yǎng)階段蝦溝適宜水層上限水位及對應(yīng)寬度，m；h溝,下、B下分別為水稻生育期蝦稻分養(yǎng)階段蝦溝適宜水層下限水位及對應(yīng)寬度，m。

若蝦溝水層水位溝,末降至蝦溝適宜水層下限水位溝,下，且無降雨，則需進(jìn)行灌水（補(bǔ)水）至蝦溝適宜水層上限水位溝,上。蝦溝第次灌水的補(bǔ)水量記為W，第次灌水的灌水定額記為溝,j，第次灌水前的蝦溝水層水位溝,末記為溝,j（=1,2,…,，表示該階段的蝦溝灌水總次數(shù)）。若蝦溝水層水位溝,末大于降雨后蝦溝最大蓄水水位溝,蓄，則需進(jìn)行排水至溝,蓄。第次蝦溝補(bǔ)水量j計(jì)算公式為

Wj

=0.5(

B

上

+

B

下

)(

h

溝,

上

?

h

溝,j

)×2(

L

1

+

B

2

)×10

-3

（4）

式中1為蝦稻共作田塊總長度，對于環(huán)形蝦溝即稻田長度與2倍蝦溝寬度之和，m。

稻田水量平衡計(jì)算方程可概化為

h

稻,

末

=

h

稻,

初

+

P

有效

+

m

稻

?ET

C

?

S

（5）

式中稻,末為該階段計(jì)算時(shí)段末稻田水層水位，mm；稻,初為該階段計(jì)算時(shí)段初稻田水層水位，mm；稻為該階段該計(jì)算時(shí)段稻田灌水定額，mm；ETC為水稻蒸發(fā)蒸騰量，mm。

若稻田水層水位稻,末降至稻田適宜水層下限稻,下，且無降雨，則需進(jìn)行補(bǔ)水至稻田適宜水層上限稻,上。稻田第次灌水的灌水量記為，第次灌水的灌水定額稻記為稻,k，第次灌水前的稻田水層水位稻,末記為稻,k，其中=1,2,…,（表示該階段的稻田灌水總次數(shù)）。若稻田水層水位稻,末大于降雨后稻田最大蓄水水位稻,蓄，則需進(jìn)行排水至稻,蓄。第次稻田灌水量W為

Wk

=10

-3

m

稻,k

A

稻

=10

-3

A

稻

(

h

稻,

上

?

h

稻,k

)

=10

-3

B

2

·

L

2

(

h

稻,

上

?

h

稻,k

) （6）

式中W為稻田灌水量，m3；稻為稻田面積，m2。

水稻生育期蝦稻分養(yǎng)階段灌溉定額

2.3 水稻生育期蝦稻共養(yǎng)階段灌溉定額

水稻生育期蝦稻共養(yǎng)階段水層控制標(biāo)準(zhǔn)見圖4所示。該階段蝦溝和稻田水體連為一體，將蝦溝和稻田作為1個(gè)計(jì)算單元，其水量平衡方程為

式中2為水稻生育期蝦稻共養(yǎng)階段灌溉定額，m3/hm2。

注：蝦稻,蓄為水稻生育期蝦稻共養(yǎng)階段稻田最大蓄雨水位，mm；蝦稻,上為水稻生育期蝦稻共養(yǎng)階段適宜水層上限水位，mm；蝦稻,下為水稻生育期蝦稻共養(yǎng)階段適宜水層下限水位，mm。

Note:蝦稻,蓄is max water level after rainfall at crayfish-rice culture stage at growth stage of rice, mm;蝦稻,上is upper limit of suitable water level at crayfish-rice culture stage at growth stage of rice, mm;蝦稻,下is lower limit of suitable water level at crayfish-rice culture stage at growth stage of rice, mm.

圖4 水稻生育期蝦稻共養(yǎng)階段水層控制標(biāo)準(zhǔn)示意圖

Fig.4 Water layer control standard of crayfish-rice culture stage at growth stage of rice

2.4 水質(zhì)換水定額

因水質(zhì)問題，部分區(qū)域在蝦稻共作生長期間還需要進(jìn)行換水，換水定額3可根據(jù)水質(zhì)情況、試驗(yàn)觀測及經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行取值。

2.5 蝦稻共作灌溉定額

將水稻非生育期階段、水稻生育期蝦稻分養(yǎng)階段、水稻生育期蝦稻共養(yǎng)階段的灌溉定額與水質(zhì)換水定額相加，得到了蝦稻共作灌溉定額（m3/hm2），具體見式（10）。蝦稻共作灌溉定額計(jì)算方法中均采用水位值，水位為相對于蝦溝底部的水位值，控制水層標(biāo)準(zhǔn)也是相對于蝦溝底部的水位值。

=0+1+2+3（10）

3 公式應(yīng)用實(shí)例

3.1 研究區(qū)概況

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年湖北省漁稻綜合種養(yǎng)（主要為蝦稻共作）面積達(dá)到330 khm2，位居全國首位。潛江市為蝦稻共作發(fā)源地，其蝦稻共作面積達(dá)到了46.7 khm2以上。本研究以湖北省潛江市為例，根據(jù)實(shí)地調(diào)研與相關(guān)技術(shù)規(guī)程[5]，確定了相關(guān)計(jì)算參數(shù)，并對蝦稻共作灌溉定額進(jìn)行了計(jì)算。

3.2 數(shù)據(jù)來源及計(jì)算過程

1）計(jì)算單元結(jié)構(gòu)尺寸

稻田四周開挖蝦溝，蝦稻共作計(jì)算單元長度1=260 m，蝦稻共作計(jì)算單元寬度1=100 m，蝦溝寬度4 m，深1.5 m，邊坡1:1，蝦溝埂高0.5 m。

2）氣象資料

本研究收集了潛江氣象站1973－2013年共計(jì)41 a逐日氣象資料，包括水面蒸發(fā)量、降雨量、日最高氣溫、日最低氣溫、日平均氣溫、平均相對濕度、日平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)等。

3）水稻蒸發(fā)蒸騰量

根據(jù)氣象資料利用Penman-Monteith公式計(jì)算參考作物騰發(fā)量ET0，通過作物系數(shù)c與參考作物騰發(fā)量乘積得到實(shí)際作物騰發(fā)量ETC。通過實(shí)地調(diào)研，搜集到了江漢平原區(qū)丫角站（1985－2005年）、東風(fēng)渠站（1960－1967年、1976－2003年）、三湖連江站（1983年、1985－1991年、1993－2003年）試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過丫角站、東風(fēng)渠站、三湖連江站試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得到了江漢平原區(qū)水稻作物系數(shù)，本研究直接采用該值，具體見表1。

4）稻田與蝦溝滲漏量

水稻生育期內(nèi)稻田滲漏量采用江漢平原區(qū)丫角站、東風(fēng)渠站、三湖連江站試驗(yàn)分析值（試驗(yàn)?zāi)攴萃希?；水稻非生育期蝦溝與稻田一直保持有水層，參考中稻返青期稻田滲漏成果。具體見表1。

5）水面蒸發(fā)量

由于潛江站僅有小型蒸發(fā)皿水面蒸發(fā)資料，無大型蒸發(fā)皿水面蒸發(fā)觀測資料，因此采用值法進(jìn)行轉(zhuǎn)換。值采用天門站點(diǎn)（1997－2001年）率定值0.607。

6）水質(zhì)換水定額

根據(jù)實(shí)地調(diào)研，水質(zhì)條件較好的地區(qū)不存在水質(zhì)換水定額，本次計(jì)算不考慮水質(zhì)換水定額。

7）蝦稻共作水稻生育期及水層控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)實(shí)地調(diào)研，水稻非生育期、水稻孕穗期、抽穗開花期稻田水層與蝦溝水層持平；其他生育期蝦溝水層低于稻田田埂高度。根據(jù)調(diào)研成果，確定了不同時(shí)期稻田與蝦溝水層設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)。具體見表1。

3.3 結(jié)果與分析

根據(jù)多年計(jì)算結(jié)果，統(tǒng)計(jì)了不同頻率水稻生育蝦稻共作灌溉定額、水稻非生育期蝦稻灌溉定額、蝦稻共作灌溉定額，具體見表2。由表2可知，蝦稻共作灌溉定額多年平均為12 945 m3/hm2，明顯大于中稻灌溉用水定額；蝦稻共作灌溉定額在50%頻率、75%頻率、85%頻率及90%頻率下分別為13 185、14 355、14 925和15 285 m3/hm2，不同頻率灌溉用水定額相差較小，主要原因是不同頻率降雨主要影響水稻灌溉定額。與水稻相比，蝦稻灌溉定額較大主要原因包括：1）計(jì)算時(shí)段為全年，而水稻灌溉定額僅為水稻生育期；2）水稻非生育期水面蒸發(fā)量大于土壤蒸發(fā)；3）水稻生育期蝦稻共養(yǎng)階段水層較深，孕穗期為實(shí)現(xiàn)小龍蝦到稻田活動(dòng)，有一次定額較大的補(bǔ)水；4）水稻收獲后蝦溝和稻田水層持平需要一次定額較大的補(bǔ)水。

表1 不同時(shí)期水稻作物系數(shù)、稻田及蝦溝滲漏量及水層控制標(biāo)準(zhǔn)

表2 蝦稻共作灌溉定額計(jì)算成果表

根據(jù)湖北省灌溉用水定額標(biāo)準(zhǔn)，江漢平原區(qū)水稻灌溉定額多年平均值為4 050 m3/hm2，本研究水稻生育期蝦稻共作灌溉定額多年平均值為5 370m3/hm2，主要原因是蝦稻共作水稻田水層深度明顯增加，導(dǎo)致灌溉定額增加，符合一般規(guī)律。根據(jù)實(shí)地調(diào)研，潛江市蝦稻共作灌溉定額約為水稻灌溉定額的3倍左右，約12 150 m3/hm2，本蝦稻共作灌溉定額為12 945 m3/hm2，計(jì)算成果與實(shí)地調(diào)研較為接近，能夠反映蝦稻共作用水水平，表明了計(jì)算成果的合理性與計(jì)算方法的可行性。由于研究區(qū)水質(zhì)條件較好，不存在水質(zhì)換水定額，本研究未考慮水質(zhì)換水定額，當(dāng)水質(zhì)條件不好，需要進(jìn)行換水時(shí)，還應(yīng)考慮該部分定額。

4 結(jié) 論

1）在實(shí)地調(diào)研基礎(chǔ)上，將1個(gè)周年劃分為水稻非生育期階段、水稻生育期蝦稻分養(yǎng)階段、水稻生育期蝦稻共養(yǎng)階段3個(gè)階段；根據(jù)每個(gè)階段水分控制標(biāo)準(zhǔn)，基于水平衡原理，系統(tǒng)性提出了蝦稻共作的計(jì)算方法。

2）以湖北省潛江市為例，對計(jì)算參數(shù)進(jìn)行了確定，采用本研究提出的方法對潛江市蝦稻共作灌溉定額進(jìn)行了計(jì)算，蝦稻共作灌溉定額多年平均12 945 m3/hm2。

本研究成果為蝦稻共作灌溉定額提供了一種計(jì)算方法，對蝦稻共作區(qū)域水資源配置、農(nóng)業(yè)取水許可等用水管理具有重要指導(dǎo)意義。

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Determination method of irrigation quota of crayfish-rice culture

Liu Luguang1,2, Wu Xia1,2, Guan Honglin1,2, Pan Shaobin1,2, Cui Yuanlai3, Dong Wei1,2, Yang Xiaowei1,2, Luo Qiang3

(1.,430070,; 2.,430070; 3.,,430072,)

In the recent years, areas of crayfish-rice culture are greatly increased in Lower-and-Middle Section of Yangtze River. This farming model has changed the structure of the field and water-use model. The determination model of irrigation quota is different from general crop and more complex. In this study, we established a method to determine irrigation quota of crayfish-rice culture. The study took Qianjiang city of Hubei Province as a case. By investigation in March 2018, we found the crayfish-rice culture in this study area was carried out in fields with crayfish ditch around the paddy field. The culture was divided into 3 stages in a year: crayfish-rice culture at growing stage of rice, crayfish-rice separate culture at growing stage of rice and non-growth stage of rice. During non-growth stage of rice, water body in the paddy field was connected with crayfish ditch. The water layer control model was established based on water balance equation during each stage to calculate irrigation quota. In addition, the quota of water change from poor to good quality was required if the irrigation water quality was poor. Thus, the total irrigation quota of crayfish-rice culture was the sum of irrigation quota at each stage and quota of water change. In 2017, the crayfish-rice culture area reached 46.7 khm2in Qianjiang city. A case study was taken as an example of application of the calculation method in Qianjiang. The field length of crayfish-rice culture was 260 m. The width was 100 m, The width of crayfish ditch was 4 m, its depth was 1.5 m, the slope was 1:1 and the ridge height was 0.5 m. The evaportanspiration of rice was calculated based on Penman-Monteith formula with meteorological data from 3 experimental stations. The other data were from these stations. Due to good water quality, we didn’t consider the water change quota. The crayfish-rice irrigation quota was calculated by the proposed determination method. According to calculation, the annual average irrigation quota of crayfish-rice culture was 12 945 m3/hm2, which was high than irrigation quota of rice. The irrigation quota of crayfish-rice culture at frequency of 50%, 75%, 85% and 90% was 13 185, 14 335, 14 925 and 15 285 m3/hm2, respectively. The irrigation quota was not greatly different among different frequency. According to, the multiyear irrigation quota of rice in this study area was 4 050 m3/hm2. According to this study, the irrigation quota during growing stage of rice was 5 370 m3/hm2, which was higher than the. It was because the irrigation quota in this study included the water for crayfish-rice culture. The investigation on this study showed that the irrigation quota of crayfish-rice culture was about 3 times of that of rice, about 12 150 m3/hm2. It was closer to our study (12 945 m3/hm2). It confirmed the practicability of proposed calculation model. The research provides a calculation method for irrigation quota determination of crayfish-rice culture, and have guiding significance for irrigation and water resources management.

irrigation; precipitation; evapotranspiration; crayfish-rice culture; water balance principle; determination method

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.15.010

S275

A

1002-6819(2019)-15-0071-06

2019-01-20

2019-07-10

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題（2018YFC1508305）；2017年度湖北省水利廳重點(diǎn)科研項(xiàng)目（HBSLKY201710）

劉路廣，博士，從事節(jié)水灌溉與水資源優(yōu)化配置研究。Email：wlhllg814704@163.com

劉路廣，吳 瑕，關(guān)洪林，潘少斌，崔遠(yuǎn)來，董 葦，楊小偉，羅 強(qiáng). 蝦稻共作灌溉定額確定方法研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(15)：71－76. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.15.010 http://www.tcsae.org

Liu Luguang, Wu Xia, Guan Honglin, Pan Shaobin, Cui Yuanlai, Dong Wei, Yang Xiaowei, Luo Qiang. Determination method of irrigation quota of crayfish-rice culture[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(15): 71－76. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.15.010 http://www.tcsae.org