不同水文年型下水稻節(jié)水灌溉技術(shù)方案模擬與評價

陳凱文 俞雙恩 李倩倩 張夢婷 王 煜 劉子鑫

(河海大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院, 南京 210098)

0 引言

水稻是我國主要的糧食作物之一，我國南方地區(qū)水稻種植面積占全國水稻種植面積的78.9%[1]。作為一種喜濕耐淹作物，水稻全生育期內(nèi)需要消耗大量水。近年來隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，工業(yè)和城市居民用水增加，農(nóng)業(yè)可用水量呈下降趨勢，水資源不足是制約水稻種植的重要瓶頸，水稻節(jié)水灌溉勢在必行。研究表明，合理地調(diào)控農(nóng)田水分狀況是實現(xiàn)水稻高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的基礎(chǔ)，對提高水資源利用效率、減輕農(nóng)業(yè)面源污染具有重要意義[2-3]。

水稻生長發(fā)育與耗水不僅與水分管理模式有關(guān)，而且受不同水文年型的影響，需要進(jìn)一步研究分析與評估科學(xué)、合理的水稻灌排制度。長系列的田間灌排試驗是制定水稻節(jié)水高效灌排制度的重要依據(jù)，但是多年的田間試驗需要大量人力、物力和財力，尤其是進(jìn)行多因子耦合試驗。運用農(nóng)業(yè)水文模型模擬不同條件下農(nóng)田水分變化和作物生長情況，為研究不同氣候情景下水稻生長與需水規(guī)律提供了有效途徑。其中，SWAP-WOFOST模型綜合考慮了植株蒸騰、棵間蒸發(fā)與根系吸水等過程，并耦合了作物光合、呼吸和干物質(zhì)積累過程[4]，可以從機理上認(rèn)識農(nóng)田水分轉(zhuǎn)化過程和作物耗水規(guī)律，為定量分析水稻生長與節(jié)水減排等問題提供了重要的技術(shù)支撐。

目前，國內(nèi)外多應(yīng)用SWAP(Soil-Water-Atmosphere-Plant)模型模擬土壤包氣帶的水、熱及溶質(zhì)的運移，并結(jié)合WOFOST(World food studies)模型研究與植物生長的交互作用。繳錫云等[5]基于江蘇省高郵灌區(qū)的田間試驗，在格田尺度上研究并確定了SWAP模型在稻田水分運移模擬的應(yīng)用條件。李小梅等[6]通過不同灌溉制度下灌水水平、土壤水勢及水稻產(chǎn)量等試驗資料，對SWAP模型模擬旱稻灌溉制度及作物生長的適應(yīng)性進(jìn)行了驗證。XUE等[7]針對春小麥、春玉米和向日葵3種主要作物，應(yīng)用SWAP-WOFOST模型進(jìn)行了參數(shù)率定和驗證，探討了這3種作物合理的咸淡水輪灌模式及對耕作層土壤的影響。目前，SWAP-WOFOST模型運用多見于北方干旱、半干旱地區(qū)，而對于南方地區(qū)水稻干濕交替條件下的研究尚不多見。

本文利用大型蒸滲測坑水稻控制灌排的試驗資料，結(jié)合南方水稻灌區(qū)實際情況[8]，通過改進(jìn)SWAP模型的灌溉排水模塊，以適應(yīng)本地化的灌排需求，由SWAP-WOFOST模型模擬不同年型下多種情景的農(nóng)田水分動態(tài)變化和水稻的生長過程，分析豐、平、枯3種年型下不同節(jié)水灌溉模式的水稻需水及產(chǎn)量變化，評估適宜的水稻節(jié)水灌溉模式，以期為指導(dǎo)南方稻作區(qū)灌排實踐提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗分別于2016年和2017年5—10月在河海大學(xué)南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點實驗室節(jié)水與農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗場內(nèi)進(jìn)行。試驗區(qū)(31.92°N，118.79°E)屬于亞熱帶濕潤氣候，年均降雨量1 021.3 mm，其中5—9月降雨量占年平均降雨量的60%以上，年均蒸發(fā)量900 mm，年平均無霜期237 d，年平均氣溫15.7℃，日照時數(shù)2 212.8 h。試驗區(qū)共有32個長2.5 m、寬2.0 m的蒸滲測坑，按南北方向布置，共2排，每排16個，地面設(shè)移動式雨棚，地下為廊道及設(shè)備室。土壤pH值為6.82，有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.19%，氮質(zhì)量比0.98 g/kg，全磷質(zhì)量比1.12 g/kg，其他主要物理性質(zhì)見表1。

表1 供試土壤的主要物理性質(zhì)Tab.1 Main physical properties of soil in experiment site

1.2 試驗控水方案設(shè)計

結(jié)合南方地區(qū)水稻生長特點及氣候條件，參照文獻(xiàn)[9]，設(shè)計不同的處理控水方案(表2)。各處理田面有水層時，保持2 mm/d的田間滲漏量，田間水層深度超出上限時人工輔助抽排至蓄雨上限；田面無水層時，禁止地下排水。供試水稻品種為南粳9108，2016年為6月23日移栽，10月20日收割；2017年為6月29日移栽，10月25日收割。全生育期共施肥3次，基肥為氮磷鉀復(fù)合肥(N、P、K質(zhì)量比為15∶15∶15)，施肥量900 kg/hm2；分蘗肥與穗肥均為尿素(氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為46.4%)，施肥量均為100 kg/hm2。

1.3 測定指標(biāo)與方法

(1)氣象數(shù)據(jù)。由節(jié)水園區(qū)內(nèi)的氣象站觀測氣

表2 各處理控水方案Tab.2 Water control program of each treatment

注：左側(cè)數(shù)值為控水下限，中間數(shù)值為灌水上限，右側(cè)數(shù)值為蓄雨上限。農(nóng)田水位以田面為“0”，正值表示田面水層深度，負(fù)值表示農(nóng)田地下水的埋深，下同。

象要素，包括降水量、最高溫度、最低溫度、相對濕度、風(fēng)速、日照時長等，1956—2015年的長序列氣象資料來自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)提供的南京(StationID：58238)氣象數(shù)據(jù)。

(2)農(nóng)田水位、土壤含水率及灌排水量。當(dāng)田面有水層時，通過豎尺在固定觀測點測量田面水層深度。無水層時則由地下水位觀測井觀測并記錄各處理的地下水埋深。蒸滲測坑中田面無水層及受旱時期，采用土鉆取土法采樣，由干燥法測定0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土層的土壤質(zhì)量含水率。灌排水量均接流量計進(jìn)行測量，每天09:00對農(nóng)田水分進(jìn)行調(diào)控。

(3)水稻生長指標(biāo)。葉面積指數(shù)(Leaf area index，LAI)：每5 d使用LAI-2000型葉面積儀(LI-COR，美國)定時觀測水稻群體LAI。株高：水稻移栽前測量1次株高，從分蘗期開始，每隔5 d定點觀測6穴株高，用豎尺測量作物地面以上的長度(不包括根部)，揚花前為田面至最高葉尖的高度，揚花后為田面至穗頂(不計芒)的高度?？挤N：每個處理隨機選取5穴，測量每穴的穗長、穗數(shù)及干物質(zhì)的質(zhì)量，脫粒、曬干并計產(chǎn)。

1.4 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

1.4.1土壤水分運動

SWAP模型將土壤水分簡化為垂向一維運動，并采用經(jīng)典的Richards方程予以描述。對于土壤水力特性，即土壤持水曲線和非飽和水力傳導(dǎo)率函數(shù)，采用Mualem-van Genuchten模型進(jìn)行計算，計算式為

(1)

(2)

(3)

(4)

式中θs——土壤飽和含水率，cm3/cm3

θr——土壤殘余含水率，cm3/cm3

h——土壤壓力水頭，cm

θ——土壤含水率，cm3/cm3

α——進(jìn)氣值倒數(shù)，cm-1

Ks——土壤飽和水力傳導(dǎo)率，cm/d

K(h)——土壤非飽和水力傳導(dǎo)率，cm/d

m——經(jīng)驗系數(shù)

λ——孔徑連通系數(shù)

n——孔徑分布系數(shù)

Se——相對飽和度

根據(jù)土壤組分，利用RETC軟件生成模型所需的van Genuchten模型的輸入?yún)?shù)，經(jīng)率定后的參數(shù)取值見表3。

表3 率定后SWAP模型的主要輸入?yún)?shù)Tab.3 Calibrated values of primary input parameters for SWAP model

1.4.2作物需水量

模型采用FAO推薦的Penman-Monteith公式[10]計算作物潛在騰發(fā)量ETP。在田面有植株覆蓋的情況下，模型利用葉面積指數(shù)和土壤覆蓋率將作物潛在騰發(fā)量劃分為土壤潛在蒸發(fā)量EP及作物潛在蒸騰量TP。在濕潤土壤表面，實際蒸發(fā)量主要由氣象條件控制，等于土壤的潛在蒸發(fā)量EP。當(dāng)土壤變干時，土壤表面可傳輸?shù)淖畲笳舭l(fā)量Emax通過達(dá)西定律進(jìn)行計算[4]，然后模型取EP和Emax中的較小值作為實際的土面蒸發(fā)量Ea。而作物實際蒸騰量Ta則等于根系吸水分布函數(shù)對水稻根區(qū)進(jìn)行積分。

1.4.3作物生長

WOFOST模型模擬作物生長及產(chǎn)量，能夠模擬詳細(xì)的作物光合、呼吸和干物質(zhì)積累過程，具體模型介紹見文獻(xiàn)[4]。該模型在南方水稻作物中研究得較少，參考Oryza2000模型中相同參數(shù)的默認(rèn)值及相關(guān)文獻(xiàn)的研究結(jié)果[11-13]對模型的水稻初始生長參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，模型中水稻不同生育期的株高和葉面積指數(shù)均來自于蒸滲測坑試驗觀測。根據(jù)2016年和2017年的試驗數(shù)據(jù)對作物主要生長參數(shù)進(jìn)行率定，結(jié)果如表4所示。

表4 率定后的WOFOST模型作物生長參數(shù)Tab.4 Calibrated values of primary crop biological parameters for WOFOST model

1.4.4模型評價標(biāo)準(zhǔn)

采用相對誤差(Relative error，RE)、納什效率系數(shù)(Nash-Sutcliffe efficiency coefficient，NSE)、均方根誤差(Root mean square error，RMSE)和決定系數(shù)R2對模型進(jìn)行定量評價[14]。其中，R2越接近1、RMSE越接近0，說明模型模擬效果越好。而NSE的取值范圍為-∞～1，數(shù)值越接近1則模擬得越好。

1.4.5模擬方案設(shè)置

借助江蘇省水稻灌溉方面多年積累的實際經(jīng)驗，《江蘇省水稻節(jié)水灌溉技術(shù)規(guī)范》(DB32/T 2950—2016)對水稻節(jié)水灌溉技術(shù)類型、技術(shù)要點和實施要求等提出明確規(guī)定[8]，并逐步在全省范圍內(nèi)進(jìn)行推廣。根據(jù)規(guī)范及參照文獻(xiàn)[15-16]，擬定4種水稻節(jié)水灌溉模式，如表5所示。

表5 不同生育期水稻節(jié)水灌溉田間水分調(diào)控指標(biāo)Tab.5 Water control thresholds of water-saving irrigation of rice at different growth stages

采用Fortran90語言進(jìn)行編程，對SWAP模型的灌溉排水模塊進(jìn)行本地化改進(jìn)：在地表徑流計算模塊中將作物生長的積溫計算作為回調(diào)函數(shù)，允許按照積溫來劃分不同生育期的最大積水深度(蓄雨上限)；根據(jù)輸入的灌水閾值，判斷是土壤含水率還是農(nóng)田水位的指標(biāo)，以滿足在同一灌溉技術(shù)體系內(nèi)兩種指標(biāo)的切換要求；增加灌水指標(biāo)的數(shù)組上界，在分蘗期末(淺水勤灌模式下)和黃熟期不設(shè)置灌水、并將蓄雨上限設(shè)為0 cm，分別模擬排水曬田和田面落干。同時設(shè)置判定雨天的24 h降雨量閾值為0.5 cm/d，避免模型在陰雨天進(jìn)行不必要的灌溉，以模擬現(xiàn)實情況下的稻田灌排。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型驗證及適用性評價

通過2016年和2017年2 年試驗監(jiān)測，利用2016年的3種試驗處理的觀測資料對模型參數(shù)進(jìn)行率定，再由2017年的試驗數(shù)據(jù)驗證校正后的模型。模型的上邊界選取有地表積水的大氣邊界，土體下邊界設(shè)在150 cm 處，下邊界條件為每天實測蒸滲測坑的地下排水量。模擬初始時刻田面為泡田水層，則模型的初始條件為各蒸滲測坑中實測的水層深度。蒸滲測坑四周均為不透水邊界。

如圖1所示，稻田田面水層深度模擬值與實測值的數(shù)據(jù)點均落在1∶1線附近。由表6可知，田間水層深度模擬值與實測值的RMSE在0.54～0.98 cm，NSE均不小于0.935，決定系數(shù)R2均不小于0.880；在田面無水層及曬田、落干等時期取土樣，由干燥法測土壤含水率，其模擬值與實測值的RMSE在0.007～0.010 cm3/cm3，NSE均不小于0.813，決定系數(shù)R2均不小于0.831。如表7所示，率定期水稻產(chǎn)量分布在實測產(chǎn)量6.1%誤差以內(nèi)，而驗證期水稻產(chǎn)量略低于實測值，但相對誤差均在5%以內(nèi)。由此說明，率定后的 SWAP-WOFOST模型較好地適應(yīng)南方地區(qū)水稻生長條件，能夠較好地模擬稻田干濕交替情況下的土壤水分變化及作物生長過程。

圖1 稻田水層深度模擬值與實測值比較結(jié)果Fig.1 Comparison of simulated and observed values of ponded water depth

表6 稻田水分運移的模擬結(jié)果統(tǒng)計參數(shù)Tab.6 Statistic indices for soil water movement simulation accuracy of SWAP model in paddy fields

表7 水稻產(chǎn)量模擬值與實測值比較Tab.7 Comparison of simulated and observed values for rice yield

2.2 灌排試驗數(shù)據(jù)分析

對2年的測坑灌排試驗數(shù)據(jù)取平均，全生育期內(nèi)，對照、控制灌排(淺蓄)和控制灌排(深蓄)的灌溉定額為347.8、322.7、299.0 mm，地表排水量分別為216.7、201.3、185.1 mm。即與CK相比，T1和T2處理的灌溉定額分別減小了7.2%和14.0%，T1和T2處理的地表排水量分別減小了7.1%和14.6%，有效利用了天然降雨。由表7可知，與CK相比，T1產(chǎn)量增加了3.8%，T2產(chǎn)量減小了3.0%，水稻年均產(chǎn)量為控制灌排(淺蓄)最大、對照次之、控制灌排(深蓄)最小。CK、T1和T2處理的灌溉水分生產(chǎn)率分別為2.42、2.70、2.73 kg/m3，在2年試驗期內(nèi)控制灌排(深蓄)處理的灌溉水分生產(chǎn)率均為最高，并充分蓄集雨水，在灌排實踐中達(dá)到了節(jié)水省工的目的。

2.3 不同年型的灌排方案模擬分析

2.3.1水文年型劃分

根據(jù)1956—2015年60年降雨資料，分別統(tǒng)計各年份水稻主要生育期6—10月之間的降雨量之和，并進(jìn)行排頻計算，由皮爾遜-Ⅲ型適線法可以得到不同年型的生育期降雨量，并對降雨頻率p≤37.5%、37.5%62.5%分別劃分為豐水年組、平水年組、枯水年組[17]，其中豐水年和枯水年組均有22年，平水年組有16年，各年型分組情況見表8。設(shè)立了4種節(jié)水灌溉方案，每種節(jié)水灌溉方案模擬60年，即模型共模擬240次。

表8 1956—2015年水文年型分組Tab.8 Hydrological year groups from 1956 to 2015

2.3.2節(jié)水減排效果分析

不同節(jié)水灌溉模式下水稻灌排水量與頻次多年平均的統(tǒng)計結(jié)果見表9。其中，將24 h累計降雨量大于50.0 mm的降雨記為暴雨，將24 h累計降雨量大于25.0 mm的降雨記為大雨，對1956—2016年水稻全生育期的降雨量、暴雨次數(shù)和大雨次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計。

由表9可知，降雨量對稻田灌排具有明顯影響。同一節(jié)水灌溉模式下，水稻本田期內(nèi)降雨量越大，則所需灌溉定額越小，排水量越大。以控制灌溉為例，豐水年和平水年的水稻灌水量比枯水年分別減小29.6%和16.7%，灌水次數(shù)比枯水年分別減少16.9%和11.7%；而控制灌溉在枯水年和平水年的排水量比豐水年分別減小89.4%和60.4%，排水次數(shù)比豐水年分別減少78.4%和51.2%。由于減小了排水量和排水次數(shù)，充分利用天然降雨，不同的節(jié)水灌溉模式均減小了水稻灌溉定額和灌溉次數(shù)，以實現(xiàn)控灌減排、節(jié)省人工的效果。

同一年型下，不同節(jié)水灌溉模式的灌水量由大到小依次為淺水勤灌、控制灌排、淺濕灌溉、控制灌溉。由于控制灌溉模式下地表不需要維持水層，僅保持稻田土壤濕潤即可，4種模式的灌水次數(shù)均為控制灌溉最小，淺水勤灌最大。而對于稻田的排水量和排水次數(shù)，淺水勤灌模式最大，其他3種節(jié)水灌溉模式較為接近。以豐水年組為例，對比淺水勤灌，淺濕灌溉、控制灌溉和控制灌排3種模式的節(jié)水率分別為34.4%、47.6%和32.6%，排水量分別減少9.8%、12.2%和13.8%，灌水次數(shù)分別減少25.7%、36.6%和33.7%，排水次數(shù)分別減少11.4%、10.7%和10.7%，有利于降低農(nóng)民負(fù)擔(dān)、減少勞動強度。與淺濕灌溉相比，另外3種節(jié)水灌溉模式在枯水年的排水次數(shù)均小于3次，且小于大雨次數(shù)，平水年的排水次數(shù)與大雨次數(shù)均小于7次，說明節(jié)水灌溉模式有效發(fā)揮了稻田的濕地作用，提供的蓄滯“庫容”能夠有效承納雨水、減輕防洪壓力。

表9 不同年型下水稻不同節(jié)水灌溉模式的控灌減排效果Tab.9 Effect of reducing irrigation and drainage under different irrigation and drainage patterns in different hydrological years

2.3.3節(jié)水高產(chǎn)效果分析

稻田水分管理除了調(diào)節(jié)田面水層、滿足水稻生理需水(主要為蒸騰蒸發(fā))外，還需要維持一定的田間滲漏量。從表10可知，同一節(jié)水灌溉模式下，不同年型的騰發(fā)量由大到小依次為枯水年、平水年、豐水年。這是因為枯水年晴好天氣較多，凈太陽輻射更大，則相同節(jié)水灌溉模式下枯水年蒸騰蒸發(fā)量更高。另外，豐水年稻田蓄雨次數(shù)多、雨量大，豐水年的稻田滲漏量也高于平水年和枯水年。以控制灌溉為例，枯水年和平水年的騰發(fā)量比豐水年分別增加了16.4%和10.1%，而滲漏量比豐水年分別減小了21.8%和3.6%?？梢娫诠?jié)水灌溉模式下，降雨量越小的年份，水稻用于蒸騰蒸發(fā)的生理需水越多，進(jìn)行田間滲漏的生態(tài)用水越少。

而對于同一年型，水稻騰發(fā)量一般為淺水勤灌模式最大，控制灌溉與控制灌排模式較小，滲漏量由大到小依次為淺水勤灌、控制灌排、淺濕灌溉、控制灌溉。以豐水年組為例，控制灌溉的騰發(fā)量比淺水勤灌減小了5.4%，滲漏量減少了21.4%。由于淺水勤灌需要保持田面薄水層，在地表有積水情況下土壤蒸發(fā)量按水面蒸發(fā)進(jìn)行計算，同時地表水頭越高滲漏量也越大，不利于減少田間耗水。

表10 不同年型下水稻不同節(jié)水灌溉模式的田間耗水量和產(chǎn)量Tab.10 Field water consumption and yield of rice under different water-saving irrigation modes in different hydrological years

圖2 不同年型下水稻不同節(jié)水灌溉模式的雨水利用率和水分生產(chǎn)率Fig.2 Rainfall utilization efficiency and water productivity of rice under different water-saving irrigation modes in different hydrological years

取水稻生育期內(nèi)降雨量與排水量之差占降雨量的百分?jǐn)?shù)作為稻田雨水利用率，取水稻產(chǎn)量與作物需水量的比值為作物水分生產(chǎn)率，而水稻產(chǎn)量與灌水量的比值為灌溉水分生產(chǎn)率。不同節(jié)水灌溉模式的雨水利用率和水分生產(chǎn)率如圖2所示。其中各年型下淺水勤灌的雨水利用率均為最小，在豐、平、枯3種年型下雨水利用率分別為46.1%、63.0%和77.6%；淺濕灌溉、控制灌溉和控制灌排3種模式豐水年的雨水利用率大于51.3%，平水年大于71.9%，枯水年大于88.3%，蓄雨效果良好。降雨量越少的年份，節(jié)水灌溉模式的雨水利用率越高，而灌溉水分生產(chǎn)率和作物水分生產(chǎn)率均有所降低?？刂乒嗯诺墓喔人稚a(chǎn)率在豐、平、枯3種年型下分別為5.52、4.65、3.83 kg/m3，各年型下均為最高；控制灌溉的作物水分生產(chǎn)率在豐、平、枯3種年型下分別為2.45、2.31、2.06 kg/m3，各年型下均為最高。由于南方地區(qū)雨熱同期，既是水稻主要生育期，也是南方地區(qū)主汛期，稻作區(qū)提高蓄雨效果，減少稻田排水，一方面有利于減少稻田氮磷排放、降低面源污染的風(fēng)險[18]，另一方面通過稻田調(diào)蓄汛期雨水，有利于減輕防洪排澇壓力[19]，同時能保證水稻不嚴(yán)重減產(chǎn)。如表11所示，各種年型下4種節(jié)水灌溉模式的作物產(chǎn)量相差不大，淺濕灌溉產(chǎn)量最高，控制灌溉產(chǎn)量最低。與淺濕灌溉相比，控制灌溉豐、平、枯3種年型的減產(chǎn)率依次為3.0%、8.8%和4.6%，但灌溉水分生產(chǎn)率分別提高了21.1%、16.1%和26.9%。

表11 評價指標(biāo)層及各指標(biāo)賦值Tab.11 Evaluation index layer and indices assignment

2.4 灌排方案評價優(yōu)選

為指導(dǎo)南方稻作區(qū)灌排實踐，采用熵權(quán)TOPSIS模型，結(jié)合模型60年的模擬結(jié)果，從節(jié)水、省工和高產(chǎn)3個角度對推薦的4種節(jié)水灌溉技術(shù)方案進(jìn)行優(yōu)選。熵權(quán)TOPSIS模型計算方法詳見文獻(xiàn)[20]，由 Matlab 編寫算法實現(xiàn)方案優(yōu)選。選取1級指標(biāo)層為節(jié)水、省工和高產(chǎn)3個指標(biāo)，2級指標(biāo)層在節(jié)水方面選擇灌水量和雨水利用率2個指標(biāo)，省工方面采用灌水次數(shù)和排水次數(shù)2個指標(biāo)，高產(chǎn)方面則選擇了水稻的籽粒產(chǎn)量作為評價指標(biāo)，評價指標(biāo)層及各指標(biāo)賦值如表11所示。

熵權(quán)TOPSIS模型計算所得的相對貼近度越大，表示越接近于最優(yōu)方案，由圖3可知，綜合考慮節(jié)水、省工、高產(chǎn)3種效應(yīng)，豐水年為控制灌排與淺濕灌溉較優(yōu)，平水年為控制灌排與控制灌溉較優(yōu)，枯水年為淺濕灌溉與控制灌排較優(yōu)。由于控制灌排模式的農(nóng)田水位指標(biāo)易于觀測、便于操作，與土壤含水率指標(biāo)相比，有利于指導(dǎo)農(nóng)民的稻作實踐[9]，同時控制灌排模式在保證產(chǎn)量的前提下具有穩(wěn)健的節(jié)水省工效果，實際生產(chǎn)中有重要的推廣運用價值。

圖3 不同年型下水稻不同節(jié)水灌溉模式的熵權(quán) TOPSIS模型相對貼近度Fig.3 Relative adjacency of entropy weighted TOPSIS model under different water-saving irrigation modes in different hydrological years

3 討論

本試驗結(jié)果表明水稻控制灌排能夠節(jié)水、高產(chǎn)，并提高了水分生產(chǎn)率。和玉璞等[21]研究發(fā)現(xiàn)，節(jié)水灌溉與控制排水耦合調(diào)控能有效降低水稻各生育階段的需水強度，減少灌水量，而保持穩(wěn)定的水稻產(chǎn)量，使得水稻水分生產(chǎn)效率進(jìn)一步增加。本試驗3種處理的產(chǎn)量大于7 946 kg/hm2，水分生產(chǎn)率高于和玉璞等[21]研究中的0.97～1.54 kg/m3以及TAN等[22]研究中的0.80～1.24 kg/m3，這可能與土壤質(zhì)地、灌水量和肥料施用量有密切聯(lián)系。由于本試驗在蒸滲測坑內(nèi)開展，小尺度的精細(xì)管理便于清理雜草、減少水分和肥料流失，有利于提高產(chǎn)量，而在大田尺度下，土壤與水稻生長條件還存在較大的空間變異性。試驗中稻田土壤包氣帶存在飽和與非飽和頻繁交替的情況，土壤處于反復(fù)地脫濕與吸濕的過程，土壤落干時期土壤含水率模擬值與實測值的NSE均不小于0.813，決定系數(shù)R2均不小于0.831，田面淹水情況下積水層深度的RMSE在0.54～0.98 cm之間，NSE均不小于0.935，決定系數(shù)R2均不小于0.880，與采用HYDRUS-1D模型模擬干濕交替稻田中土壤水分變化動態(tài)的研究[23]相較，SWAP模型表現(xiàn)良好。試驗所用蒸滲測坑四周布置有隔水擋板，模擬時將其概化為不透水邊界，計算結(jié)果中的田間耗水不考慮稻田的側(cè)向滲漏。而南方灌區(qū)稻作區(qū)的溝、田水體具有相互影響、協(xié)同控制的特點[24]，不同節(jié)水灌溉模式需要進(jìn)一步在大田尺度及灌區(qū)尺度和不同地理分區(qū)中進(jìn)行驗證與推廣。

水稻生長依賴于雨熱同期的環(huán)境條件，夏季正是南方地區(qū)高溫和降雨易發(fā)期。高溫脅迫及高溫與水分交互脅迫同樣會導(dǎo)致田間耗水過程改變，影響水稻生長過程和最終的產(chǎn)量[25]。在綜合考慮節(jié)水、省工、高產(chǎn)3種效應(yīng)前提下，本研究灌排方案評價中雖然淺水勤灌模式相對貼近度均為最低，各年型下表現(xiàn)一般，但淺水勤灌模式在水稻全生育期大部分時間內(nèi)保持薄水層，有利于維持地溫、改善農(nóng)田小氣候，對維持水稻高產(chǎn)具有重要意義。文獻(xiàn)[26-28]表明，水稻節(jié)水灌溉技術(shù)有利于削減氮磷負(fù)荷、減少化肥及農(nóng)藥的流失和溫室氣體的排放，因此灌排方案的優(yōu)選同樣需要考慮減排控污的優(yōu)點[29]。同時，在未來氣候變化的增溫情景下，水文與氣候條件的變化影響著水稻作物耗水與灌溉需水規(guī)律[30]，不同節(jié)水灌溉模式的運用前景和穩(wěn)健性有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

(1)結(jié)合2 年的試驗監(jiān)測，利用改進(jìn)后的SWAP-WOFOST模型對干濕交替條件下稻田水分運移和水稻生長過程進(jìn)行模擬。土壤落干時期土壤含水率模擬值與實測值的RMSE在0.007～0.010 cm3/cm3之間，NSE均不小于0.813，決定系數(shù)R2均不小于0.831；田面淹水情況下積水層深度的RMSE在0.54～0.98 cm之間，NSE均不小于0.935，決定系數(shù)R2均不小于0.880，模擬效果較好。經(jīng)率定后的SWAP-WOFOST 模型可用于模擬稻田水分運移和水稻生長過程，為稻田水文研究提供便捷可行的方法。

(2)與淺水勤灌相比，豐、平、枯不同水文年型下淺濕灌溉、控制灌溉和控制灌排3種節(jié)水灌溉模式均能有效地削減灌排水量，減少灌溉與排水頻次，有利于減輕田間管理負(fù)擔(dān)。以豐水年組為例，對比淺水勤灌，淺濕灌溉、控制灌溉和控制灌排3種模式的節(jié)水率分別為34.4%、47.6%和32.6%，排水量分別減少9.8%、12.2%和13.8%，灌水次數(shù)分別減少25.7%、36.6%和33.7%，排水次數(shù)分別減少11.4%、10.7%和10.7%，節(jié)水、減排、省工效果明顯。同時節(jié)水灌溉模式減少了水稻的生理需水和田間滲漏，并能夠維持水稻高產(chǎn)，提高了水分利用效率。60 年模擬期內(nèi)，控制灌排的灌溉水分生產(chǎn)率在豐、平、枯3種年型分別為5.52、4.65、3.83 kg/m3，各年型下均為最高；控制灌溉的作物水分生產(chǎn)率在豐、平、枯3種年型分別為2.45、2.31、2.06 kg/m3，各年型下均為最高。節(jié)水灌溉模式在不同水文年型下表現(xiàn)穩(wěn)定，節(jié)水高產(chǎn)效果明顯，在實際生產(chǎn)中有推廣運用價值。

(3)綜合考慮水稻種植中田間勞動、水分投入和產(chǎn)量回報等因素，選取灌水量、雨水利用率、灌溉次數(shù)、排水次數(shù)和產(chǎn)量5個指標(biāo)進(jìn)行灌排方案優(yōu)選，評價結(jié)果表明，豐水年為控制灌排與淺濕灌溉較優(yōu)，平水年為控制灌排與控制灌溉較優(yōu)，枯水年為淺濕灌溉與控制灌排較優(yōu)，這表明對于不同的水文年型，在保證產(chǎn)量的前提下控制灌排具有穩(wěn)健的節(jié)水省工效果，且農(nóng)田水位指標(biāo)易于觀測、便于操作，有利于指導(dǎo)稻田節(jié)水灌溉實踐。