水足跡框架下稻田水資源利用效率綜合評(píng)價(jià)

操信春，崔思?jí)簦瑓菈?mèng)洋，任 杰，郭相平

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

1 研究背景

因水稻喜濕耐淹的特性，生育期天然降水往往難以滿足其需水特征，發(fā)展灌溉的同時(shí)滿足排水條件是水稻種植過(guò)程中的基本要求[1]；同時(shí)，化肥作為水稻增產(chǎn)保產(chǎn)的有效途徑，正被過(guò)度施用，從而增加了農(nóng)業(yè)面源污染的風(fēng)險(xiǎn)[2]。因此，在節(jié)約水資源、提高產(chǎn)量的同時(shí)降低對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響是稻田水資源利用效率評(píng)價(jià)和提升的目標(biāo)。在田間水肥運(yùn)移過(guò)程和水分耗用量核算的基礎(chǔ)上進(jìn)行指標(biāo)構(gòu)建和分析是農(nóng)業(yè)用水效率評(píng)價(jià)研究的一般路徑[3-4]。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)用水效率研究經(jīng)歷了由單一的灌溉效率或水分生產(chǎn)力指標(biāo)向綜合評(píng)價(jià)發(fā)展的過(guò)程[5]；稻田用水效率評(píng)價(jià)也實(shí)現(xiàn)了由節(jié)水灌溉到節(jié)水減排控污多重需求的轉(zhuǎn)變[6]。水稻具有明顯的兩棲性，不同生育期對(duì)土壤水分的要求不同，適宜的水分虧缺在復(fù)水后水稻表現(xiàn)出補(bǔ)償效應(yīng)。因此，通過(guò)改變灌溉排水模式來(lái)調(diào)控稻田水肥運(yùn)移過(guò)程，是稻田水分管理和污染控制的主要措施，也得到了廣泛認(rèn)可[7-9]。然而，節(jié)水與控污效果往往獨(dú)立評(píng)價(jià)而難以直接比較，無(wú)法為用水效率和灌排模式選擇提供全局信息。

水足跡概念的出現(xiàn)為全面評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)用水及其效率提供了全新的方法。作物水足跡為農(nóng)作物生育期消耗和污染的水資源總量，由藍(lán)水足跡（灌溉水消耗量）、綠水足跡（有效降水消耗量）和灰水足跡（農(nóng)田釋放污染物所需的水資源量）3個(gè)部分組成[10-11]。與傳統(tǒng)方法相比，區(qū)分藍(lán)、綠水資源的不同屬性的基礎(chǔ)上同時(shí)量化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)水資源數(shù)量和質(zhì)量的影響是水足跡理論的進(jìn)步之處[12-13]。因此，不同區(qū)域尺度上作物水足跡及其組成的表現(xiàn)均得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的分析[14-16]。在此基礎(chǔ)上，已有學(xué)者探索基于水足跡的農(nóng)業(yè)用水和節(jié)水評(píng)價(jià)研究。吳普特等[17]提出3種不同作物生產(chǎn)水足跡量化方法，以適應(yīng)不同評(píng)價(jià)目標(biāo)和尺度；Cao等[18]和Wang等[19]在田間和區(qū)域尺度上進(jìn)行了水稻作物生產(chǎn)水足跡和水分生產(chǎn)率指標(biāo)的對(duì)比分析；操信春等[20-21]將作物水足跡分別與灌溉發(fā)展程度、水資源稟賦結(jié)合，建立農(nóng)業(yè)用水效果評(píng)價(jià)和水短缺指標(biāo)，全面評(píng)估區(qū)域農(nóng)業(yè)用水效率；Mekonnen等[22]劃定作為生產(chǎn)水足跡標(biāo)準(zhǔn)，為農(nóng)業(yè)節(jié)水服務(wù)。此外，田間管理和節(jié)水灌溉對(duì)作物水足跡影響研究也開(kāi)始受到關(guān)注[23-24]。作物水足跡在農(nóng)業(yè)用水效率評(píng)價(jià)和水資源管理中的優(yōu)勢(shì)正在慢慢顯現(xiàn)。然而，當(dāng)前研究大多強(qiáng)調(diào)作物水足跡本身，將水足跡理論與傳統(tǒng)范式相結(jié)合，既能量化農(nóng)業(yè)用水和作物產(chǎn)出，又能分析環(huán)境影響，可為農(nóng)業(yè)用水效率評(píng)價(jià)提供新視角。

本文通過(guò)不同灌排模式下的稻田試驗(yàn)，觀測(cè)各處理的水、肥運(yùn)移和農(nóng)作物產(chǎn)量指標(biāo)并進(jìn)行氣象數(shù)據(jù)收集，從水資源利用率、水資源產(chǎn)出效益、水量及環(huán)境效益3個(gè)方面出發(fā)，形成合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，進(jìn)行基于水足跡的稻田水資源利用效率評(píng)價(jià)，分析水足跡框架下稻田水資源高效利用的灌排模式。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)布設(shè)與觀測(cè)試驗(yàn)于2015—2018年在河海大學(xué)江寧節(jié)水園區(qū)內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)共設(shè)有4種灌排模式處理：淺水勤灌（frequent and shallow irrigation，F(xiàn)SI）、淺濕灌溉（wet-shallow irrigation，WSI）、控制灌溉（controlled irrigation，CI）和蓄水-控灌（rain-catching and controlled irrigation，RC-CI）。灌排控制指標(biāo)參考了彭世彰等[6]和郭相平等[8]的文獻(xiàn)資料。試驗(yàn)設(shè)3個(gè)重復(fù)，各有底試驗(yàn)小區(qū)面積一致（圖1）。全生育期人工拔草，除灌排標(biāo)準(zhǔn)外其余農(nóng)技措施均相同。4年試驗(yàn)水稻在6月中下旬移栽，10月下旬收獲，生育期內(nèi)分別施以基肥、返青肥、分蘗肥和穗肥，其中基肥為復(fù)合肥（N∶P2O5∶K2O=15%∶15%∶15%）施用量300 kg/hm2，返青肥、分蘗肥、穗肥均為尿素（含氮量46.2%），施用量分別為：150、125和150 kg/hm2。

圖1 試驗(yàn)小區(qū)布置示意

觀測(cè)指標(biāo)和測(cè)定方面，土壤水分情況：每日上午8時(shí)測(cè)定，當(dāng)田面有水層時(shí)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)鋼尺讀取水層深度，遇明顯降雨進(jìn)行加測(cè)；當(dāng)田面無(wú)水層時(shí)，利用埋設(shè)在土壤中0～30 cm的TDR探頭進(jìn)行土壤含水率測(cè)定。灌溉和排水情況：參照灌排控制標(biāo)準(zhǔn)，記錄每次的灌排水時(shí)間和灌排水量。生育期每3 d排地下水一次，到生育期末補(bǔ)測(cè)一次，所有排水均取樣進(jìn)行氮素測(cè)試。氮素濃度測(cè)試：水樣中總氮測(cè)定采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法，銨氮測(cè)定采用納氏試劑比色法，硝氮測(cè)定采用紫外分光光度法。水樣采集后盡量2 h內(nèi)進(jìn)行測(cè)試分析，若水樣較多，放入冰柜于4℃低溫保存，24 h內(nèi)處理完畢。產(chǎn)量：水稻完熟期，按面積單打單收換算實(shí)際產(chǎn)量。在中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)上搜集試驗(yàn)區(qū)附近氣象站點(diǎn)的降雨量資料。

2.2 作物水足跡計(jì)算以稻田水量平衡為基礎(chǔ)計(jì)算農(nóng)作物水足跡，包含藍(lán)、綠和灰水足跡[17]：

式中：CWF為作物水足跡；CWFblue為藍(lán)水足跡；CWFgreen為綠水足跡；CWFgrey為灰水足跡，單位均為mm。對(duì)于考慮水肥利用全過(guò)程的稻田系統(tǒng)，各組分計(jì)算方法為：

式中：T為核算時(shí)段的總天數(shù)；和分別為第t天田間蒸散發(fā)水量中來(lái)自灌溉和天然降水的部分；分別為第t天地表排水與地下排水中氮素濃度，mg/L；分別為第t天地表排水與地下排水水量，mm；Cmax為環(huán)境容許最大濃度，以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838—2002）中的地表水Ⅴ類(lèi)水質(zhì)規(guī)定的總氮的濃度上限作為Cmax代入公式計(jì)算，即2.0 mg/L；Cnet為污染物自然界本底濃度，mg/L，試驗(yàn)灌溉水來(lái)源為自來(lái)水，取本底濃度為0。田間每日藍(lán)綠水足跡按日降水與灌水對(duì)田間水分平衡各要素的貢獻(xiàn)比例計(jì)算：

稻田日蒸發(fā)蒸騰量根據(jù)每日稻田水量平衡計(jì)算：

式中：P、I、SD和DP分別為降水量、灌溉水量、地表排水量和深層滲漏量；ΔFt為第t天稻田田間水量變化，即ΔFt=Ft+1-Ft，用水層深度表示，單位均為mm。

根據(jù)田間藍(lán)綠水利用與分解構(gòu)建日步長(zhǎng)水分動(dòng)態(tài)平衡方程，土壤初始有效水含量和初始水層劃歸為綠水，可求出每日田間藍(lán)綠水量：

作物生產(chǎn)水足跡（crop production water footprint，WFP）的值WFP用作物水足跡和產(chǎn)量（Y）的比值來(lái)計(jì)算，衡量作物對(duì)水資源的利用效率：

式中WFP的單位m3/kg，10是單位轉(zhuǎn)換系數(shù)。

2.3 層次分析法與模糊綜合評(píng)價(jià)考慮稻田水資源利用效率評(píng)價(jià)的特點(diǎn)，本文選擇層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)模型計(jì)算綜合評(píng)價(jià)值并判斷水資源利用效率等級(jí)。

（1）層次分析法。層次分析法是一種定性定量相結(jié)合的多屬性決策分析方法。該方法克服了定量權(quán)重確定方法中追求數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律而忽視了決策者偏好的不足，被學(xué)者廣泛用于水資源利用效率評(píng)價(jià)中[25]。其基本步驟如下：

①首先建立多層次的結(jié)構(gòu)。本研究根據(jù)稻田水資源利用效率的性質(zhì)和高效用水的目標(biāo)，考慮水資源利用的3個(gè)方面，選擇13個(gè)基礎(chǔ)指標(biāo)，并根據(jù)指標(biāo)的相互聯(lián)系與區(qū)別構(gòu)建三個(gè)層次的指標(biāo)體系。

②按照Saaty標(biāo)度（1-9）定量化，形成判斷矩陣。為了綜合不同專(zhuān)家的判斷，本研究將專(zhuān)家咨詢法和層次分析法結(jié)合起來(lái)，編制專(zhuān)家打分表，通過(guò)專(zhuān)家咨詢和幾何平均數(shù)的方法確定判斷矩陣。本文實(shí)際發(fā)出專(zhuān)家打分表12份，收回12份。根據(jù)此次建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)指標(biāo)層建立3個(gè)判斷矩陣，準(zhǔn)則層建立1個(gè)判斷矩陣，共4個(gè)判斷矩陣。

③在得到各層指標(biāo)的判斷矩陣后，即可通過(guò)MATLAB計(jì)算判斷矩陣的最大特征根λmax及其對(duì)應(yīng)的特征向量wi，即該矩陣中各因素的權(quán)重。

④判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)。

（2）模糊綜合評(píng)價(jià)。模糊綜合評(píng)價(jià)是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，根據(jù)給出的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)測(cè)值，經(jīng)過(guò)模糊變換對(duì)研究問(wèn)題做出評(píng)價(jià)的一種方法?；静襟E如下：①確定各層的權(quán)重系數(shù)A；②計(jì)算單因素指標(biāo)層隸屬度，推求評(píng)判矩陣R；③建立模型，計(jì)算綜合評(píng)價(jià)值。

按公式P=B○S=A○R○(1，2，3，4，5)T計(jì)算評(píng)價(jià)得分值。其中在計(jì)算目標(biāo)層的綜合評(píng)價(jià)值時(shí)，需根據(jù)實(shí)際情況對(duì)準(zhǔn)則層隸屬度進(jìn)行歸一化。最后根據(jù)評(píng)價(jià)值判斷等級(jí)并選擇高效灌排模式，綜合評(píng)分值越大表明效率越高。

3 綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立通過(guò)分析總結(jié)農(nóng)業(yè)用水效率評(píng)價(jià)研究現(xiàn)狀，本文指標(biāo)體系建立原則如下：（1）體現(xiàn)稻田水資源利用效率評(píng)價(jià)的目標(biāo)和內(nèi)涵；（2）指標(biāo)體系在全面反映稻田水資源利用效率特性的前提下，盡量減少指標(biāo)數(shù)目；（3）指標(biāo)特殊性與普遍性相統(tǒng)一；（4）指標(biāo)要具有一定的實(shí)用性和可操作性。

根據(jù)以上原則，本文建立了由目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層三個(gè)層次組成的指標(biāo)體系框架如表1所示。其中目標(biāo)層反映稻田水資源利用的綜合水平，是稻田水資源利用過(guò)程中水資源、經(jīng)濟(jì)及生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的綜合體現(xiàn)。準(zhǔn)則層由水資源利用率、水資源產(chǎn)出效益、水量及環(huán)境效益3個(gè)準(zhǔn)則組成。本研究中水資源利用率指稻田系統(tǒng)中水資源利用程度的總體情況。水資源產(chǎn)出效益指各項(xiàng)與水資源相關(guān)的投入所對(duì)應(yīng)的產(chǎn)出效益。水量及環(huán)境效益是指水稻生產(chǎn)全過(guò)程中的各項(xiàng)水量指標(biāo)以及生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的環(huán)境影響。指標(biāo)層是描述稻田水資源利用效率的一組基礎(chǔ)指標(biāo)，本文在理論分析、文獻(xiàn)查閱和咨詢專(zhuān)家基礎(chǔ)上，反復(fù)研究，選擇能表征稻田水資源利用效率的13個(gè)指標(biāo)。

表1 綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系框架

3.2 指標(biāo)的評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)參考已有的成果[26]和咨詢專(zhuān)家，確定指標(biāo)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，指標(biāo)的等級(jí)閾值按照Ⅰ（低）、Ⅱ（中低）、Ⅲ（中）、Ⅳ（中高）、Ⅴ（高）5級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分別確定，具體劃分如表2所示。

3.3 指標(biāo)的權(quán)重根據(jù)層次分析法確定的指標(biāo)權(quán)重見(jiàn)表3。各判斷矩陣和總體的隨機(jī)性一致比例CR均滿足要求，通過(guò)一致性檢驗(yàn)。從表3可知：水資源產(chǎn)出效益權(quán)重較大，表明專(zhuān)家對(duì)水資源產(chǎn)出的重視程度，也與中國(guó)水資源短缺和糧食安全的基本情況相符。水量及環(huán)境效益比水資源利用率的權(quán)重高44.8%。水量及環(huán)境效益包含水稻全生育期實(shí)際消耗水量和環(huán)境影響兩個(gè)方面，其次環(huán)境治理正在成為日益重要的話題，對(duì)環(huán)境影響的量化和評(píng)價(jià)自然也成為主要內(nèi)容。在水資源利用率各指標(biāo)中，廣義水資源利用系數(shù)權(quán)重最大，因?yàn)樵撝笜?biāo)涵蓋藍(lán)、綠水資源，內(nèi)容更為豐富。在水資源產(chǎn)出效益各指標(biāo)中，作物生產(chǎn)水足跡權(quán)重最大，作物水分利用效率次之，灌溉水分生產(chǎn)率再次，最后是勞動(dòng)生產(chǎn)率。作物生產(chǎn)水足跡是全面衡量水資源產(chǎn)出效益的指標(biāo)，已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)水資源利用效率的評(píng)價(jià)中。在水量及環(huán)境效益各指標(biāo)中，灌溉用水量最大，其次是作物水足跡，然后是總氮淋失量，最后是節(jié)水量和灰水比例。灌溉用水量是水稻生產(chǎn)耗水最直接的反映，與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入的關(guān)系也最為緊密?？偟苁Я繖?quán)重大于節(jié)水量則體現(xiàn)了對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水有了更新的認(rèn)識(shí)，強(qiáng)調(diào)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中水資源可持續(xù)利用。

表2 體系指標(biāo)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

表3 各個(gè)層次評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

4 作物水足跡及其組成

2015—2018年各處理CWF及其組成如圖2所示。各年份處理間的CWF均存在差異，說(shuō)明灌排模式能夠?qū)λ舅阚E產(chǎn)生影響。然而，灌排模式間的CWF及其組成的大小關(guān)系隨著年份發(fā)生改變。圖2顯示，除2017年外，處理間CWF的大小關(guān)系均表現(xiàn)為WSI＞CI＞FSI＞RC-CI；2015年CWF均低于1000 mm，其中RC-CI、FSI、CI的值分別比WSI（953 mm）減少了20.8%、2.6%和2.5%；2016年處理間差異明顯大于2015年，后三者分別在WSI處理（1028.7 mm）的基礎(chǔ)上降低了34.4%、13.7%及3.3%，其中RC-CI的674.7 mm為所有觀測(cè)結(jié)果的最小值；2018年各處理作物水足跡均超過(guò)了900 mm（圖2（d），普遍高于前3年，其中WSI處理達(dá)到了1132.3 mm。由圖2（c）可知，2017年RC-CI的CWF為846.3 mm，仍為最低處理；FSI的CWF達(dá)1022.6 mm，超過(guò)WSI的936.3 mm成為水稻作物水足跡最高的灌溉模式。

圖2 2015—2018各處理水稻水足跡及組成

從年均情況看，4種灌溉模式的CWF分別為976.8（FSI）、1008.7（WSI）、954.4（CI）和792.6（RCCI）mm，前三者較為接近，以水足跡為標(biāo)準(zhǔn)的高效灌排模式為蓄水控灌。然而，作物水足跡組成在年份和處理間存在復(fù)雜的大小關(guān)系?？傮w上看，藍(lán)水在所有處理中的占比最小，2015與2017年各處理綠水均占主導(dǎo)地位，其余年份表現(xiàn)為灰水比例最大。所有處理藍(lán)水足跡比例均值僅為16.4%，最大值和最小值出現(xiàn)在2016年的FSI（23.0%）和2015年的RC-CI（7.4%）處理。綠水和灰水足跡比例均值分別為40.9%和42.7%，總體上較為接近。但二者的關(guān)系存在較大不確定性，如2015年RC-CI處理的綠水比例高達(dá)63.2%，高出灰水足跡比例（30.3%）32個(gè)百分點(diǎn)，而在2018年的CI處理中，綠水和灰水比例分別為31.1%和55.0%，前者比后者低23.9%。藍(lán)水足跡的降低是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)節(jié)水的主要目標(biāo)；綠水具有較低的機(jī)會(huì)成本，水足跡大小接近的同時(shí)增大綠水足跡比例有利于降低成本；而灰水足跡的控制是實(shí)現(xiàn)水資源高效可持續(xù)利用的重要需求。不同灌排模式下水足跡及其組成關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，也體現(xiàn)了基于水足跡的農(nóng)業(yè)用水效率綜合評(píng)價(jià)的現(xiàn)實(shí)意義。

5 綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

由于建立的指標(biāo)體系具有層次關(guān)系，計(jì)算隸屬度和綜合評(píng)價(jià)值也需要分層進(jìn)行，即從指標(biāo)層開(kāi)始算起，隨后依次是準(zhǔn)則層和目標(biāo)層，最后按照建立的模型計(jì)算綜合效率評(píng)價(jià)值，結(jié)果列于表4。

從表4可知，2015、2016年各處理模糊綜合評(píng)分值大小依次為RC-CI＞CI＞W(wǎng)SI＞FSI，等級(jí)為3級(jí)或4級(jí)。當(dāng)年RC-CI處理的作物生產(chǎn)水足跡、勞動(dòng)生產(chǎn)率、作物水足跡、灌溉用水量、總氮淋失量和灰水比例較其他處理均擁有明顯優(yōu)勢(shì)，使得綜合評(píng)分值和評(píng)價(jià)等級(jí)最高。2017年各處理綜合評(píng)分值大小依次為CI＞RC-CI＞W(wǎng)SI＞FSI，評(píng)價(jià)等級(jí)為3級(jí)或4級(jí)。CI與RC-CI處理相比，水資源產(chǎn)出效益上具有較大優(yōu)勢(shì)，但這種優(yōu)勢(shì)被勞動(dòng)生產(chǎn)率和節(jié)水量的劣勢(shì)抵消了，使得二者整體表現(xiàn)即綜合評(píng)分值接近，評(píng)價(jià)等級(jí)相同；CI與其他處理相比，作物生產(chǎn)水足跡、勞動(dòng)生產(chǎn)率、作物水分利用率、作物水足跡（圖2（c））、灌溉用水量、節(jié)水量均具有優(yōu)勢(shì)，因此綜合評(píng)分值和評(píng)價(jià)等級(jí)較高。2015—2017年大多數(shù)處理的評(píng)價(jià)等級(jí)為3級(jí)，這是因?yàn)檩^高等級(jí)和較低等級(jí)的指標(biāo)權(quán)重較大且接近。2018年各處理綜合評(píng)分值大小和評(píng)價(jià)等級(jí)關(guān)于與前2年類(lèi)似，而導(dǎo)致結(jié)果的原因不盡相同。與其他處理相比，2018年RC-CI處理的降水利用率、廣義水資源利用系數(shù)、勞動(dòng)生產(chǎn)率、作物水足跡、灌溉用水量、總氮淋失量和灰水比例擁有顯著優(yōu)勢(shì)，綜合評(píng)分值和評(píng)價(jià)等級(jí)最高。其余處理評(píng)價(jià)等級(jí)均為3級(jí)，原因是田間灌溉效率、降水利用率、廣義水資源利用系數(shù)、作物生產(chǎn)水足跡、勞動(dòng)生產(chǎn)率和節(jié)水量向第3級(jí)聚集，這些指標(biāo)權(quán)重超過(guò)了0.5000。2015、2016和2018年RC-CI占優(yōu)勢(shì)的指標(biāo)權(quán)重接近或超過(guò)一半，而2017年CI和RC-CI處理的各指標(biāo)呈現(xiàn)此強(qiáng)彼弱、總體接近的特點(diǎn)，這些表現(xiàn)均反映在綜合評(píng)價(jià)值和等級(jí)確定上，綜合評(píng)價(jià)結(jié)果具有可信度。本研究在日步長(zhǎng)上觀測(cè)作物水足跡及其相關(guān)指標(biāo)的決定參數(shù)，數(shù)據(jù)可靠性強(qiáng)于基于作物模型和灌溉制度假設(shè)的模擬評(píng)估方法[11，16]，也保障了評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況的吻合程度。

表4 2015—2018年稻田水資源利用效率綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

蓄水控灌和控制灌溉全生育期灌水上、下限相同，說(shuō)明稻田仍有較長(zhǎng)時(shí)間處于無(wú)水層狀態(tài)，土壤透氣性得到良好的保障。在南京，乃至整個(gè)江淮之間的氣候呈現(xiàn)出雨熱同期的特點(diǎn)，降雨大多集中于7、8月，對(duì)應(yīng)水稻的分蘗期和拔節(jié)孕穗期，分蘗期蓄水深度大，一定程度上可以減少無(wú)效分蘗，拔節(jié)孕穗期是水稻需水關(guān)鍵期，此時(shí)大量的降雨可以明顯減少灌溉用水量和灌水次數(shù)，節(jié)省勞動(dòng)力和成本。蓄水控灌對(duì)于雨水的集蓄，在短時(shí)間內(nèi)雖會(huì)增加滲漏，但在較深的水層中，作物對(duì)氮磷的吸收以及硝化、反硝化作用降低氮素濃度更加明顯，有效減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的影響。蓄水控灌雖然造成了一定程度的減產(chǎn)，可能是干旱脅迫降低了水稻的耐淹能力，但耗水量卻有明顯的降低，使該處理水資源利用效率整體上升。

6 討論

將綜合評(píng)價(jià)結(jié)果與當(dāng)前最常用的農(nóng)業(yè)用水效率評(píng)價(jià)指標(biāo)作物水分利用效率（WUE）及作物水足跡（CWF）進(jìn)行比較，列于表5。依據(jù)Spearman等級(jí)相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)，WUE、CWF評(píng)價(jià)和綜合評(píng)價(jià)排序之間的相關(guān)性系數(shù)均為0.700，表明WUE與CWF均能一定程度反映稻田水資源利用效率，但由于對(duì)水資源占用量核算，二者在處理間的表現(xiàn)存在差異。

表5 2015—2018年稻田水資源利用效率評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比

本文的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是基于水資源、經(jīng)濟(jì)及生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展建立的，有別于以降低水量投入和提高糧食產(chǎn)出為目標(biāo)的農(nóng)業(yè)用水評(píng)價(jià)指標(biāo)。CWF評(píng)估和提升目標(biāo)旨在降低作物全生育期投入的水資源量，難以維持產(chǎn)量穩(wěn)定；WUE核算單位水量消耗所獲得的作物產(chǎn)量，沒(méi)有區(qū)分藍(lán)、綠水資源屬性和各自發(fā)揮的作用；此外，兩者均忽視了水資源的有效利用程度和農(nóng)業(yè)管理水平。可以看出評(píng)價(jià)指標(biāo)體系比單一指標(biāo)所涵蓋的信息更為全面，并且層次分析法的運(yùn)用也有效規(guī)避了主觀因素對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響。水稻不同生育期的需水特點(diǎn)不同，在生長(zhǎng)過(guò)程中準(zhǔn)確判斷水稻所處生育期，確定合理的田間水位，對(duì)于保證水資源，尤其是降水資源的高效利用有重要意義。蓄水控灌會(huì)造成一定的減產(chǎn)，增加了推廣難度，因此需要采取措施穩(wěn)定產(chǎn)量。精細(xì)化的田間管理有利于水稻生長(zhǎng)發(fā)育，除了除草和農(nóng)藥等農(nóng)技措施外，改良水稻品種提高作物耐淹能力也是需要努力的方向。保證農(nóng)田水利工程配套和良好運(yùn)行，移栽水稻前進(jìn)行土地平整提高灌水均勻度，均有利于灌排措施和效益良好發(fā)揮。不合理的施肥量和施肥方式都會(huì)導(dǎo)致氮素大量淋溶，因此水稻施肥需根據(jù)水稻長(zhǎng)勢(shì)，隨水施肥，同時(shí)避開(kāi)大量降雨，方可在確保產(chǎn)量的同時(shí)減少環(huán)境影響。

綜上所述，基于水足跡理論進(jìn)行農(nóng)業(yè)用水效率綜合評(píng)價(jià)更加清晰地揭示，農(nóng)業(yè)節(jié)水減排需要在發(fā)展灌溉技術(shù)以提高水資源利用率、改良作物品種以維持水稻產(chǎn)量和提高管理水平以控制環(huán)境影響三個(gè)方面尋求提升。因此，作物水足跡、其涵蓋的指標(biāo)體系以及農(nóng)業(yè)用水效率綜合評(píng)價(jià)理念可以作為稻田工程布局、種植設(shè)計(jì)和灌溉制度制定的依據(jù)。需要注意的是，降水過(guò)程是田間水分管理決策和水肥運(yùn)移規(guī)律的原動(dòng)力，也是影響作物水足跡及其組成的重要因素。對(duì)區(qū)域降水進(jìn)行可靠預(yù)估是基于水足跡理論和指標(biāo)體系設(shè)定高效灌排模式參數(shù)時(shí)需要考慮的問(wèn)題。

7 結(jié)論

試驗(yàn)觀測(cè)的水稻作物水足跡在674.7～1132.3 mm之間，灌溉排水模式對(duì)水足跡及其構(gòu)成均具有重要影響。指標(biāo)體系權(quán)重的計(jì)算表明水資源產(chǎn)出效益最受重視，水稻生產(chǎn)過(guò)程中的環(huán)境問(wèn)題也不可忽視?；谒阚E的稻田水資源利用效率綜合評(píng)價(jià)克服了傳統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)功能單一的問(wèn)題。2015—2018年各處理稻田水資源利用效率綜合評(píng)分值在2.8058～3.9432之間，綜合評(píng)價(jià)等級(jí)為中高或高。水資源利用效率總體上從高到低依次為蓄水-控灌、控制灌溉、淺濕灌溉和淺水勤灌，大部分年份的高效灌排模式為蓄水控灌?；谒阚E的農(nóng)業(yè)用水效率評(píng)價(jià)為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水評(píng)估提供全面而嶄新的視角，也可為農(nóng)業(yè)水資源高效可持續(xù)利用的技術(shù)開(kāi)發(fā)和管理實(shí)踐提供支撐。