灌排模式對(duì)稻田作物水足跡的影響

吳夢(mèng)洋 操信春 任 杰

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

0 引言

水稻是中國主要糧食作物之一[1]，其種植面積超過3 000萬hm2。與其他作物不同，水稻耐淹喜濕的特征使其在生育期內(nèi)消耗大量的水。另外，化肥的過度使用和不合理的灌排加劇了稻田氮磷的流失，造成周圍水體和土壤的污染[2]。改變灌排模式是稻田水肥調(diào)控的主要手段。大量研究表明，選擇合理的灌排模式有利于水稻節(jié)水高產(chǎn)，降低氮素淋溶造成的環(huán)境污染[3-7]。不同灌排模式下作物生長(zhǎng)、耗水及氮磷排放的研究得到研究者關(guān)注，如彭世彰等[8]從作物需水量角度分析了控制灌溉的節(jié)水效應(yīng)，俞雙恩等[9]探究了不同灌排模式下水稻株高和莖蘗生長(zhǎng)規(guī)律，喬欣等[10]以氮磷流失量為指標(biāo)研究了不同灌排模式之間的差異。然而，已有研究選取指標(biāo)相對(duì)單一，無法綜合判斷不同灌排模式下水稻的節(jié)水減排效果。水足跡能夠同時(shí)量化田間作物生長(zhǎng)過程對(duì)水資源及水環(huán)境的影響[11]，有望為稻田灌排模式評(píng)價(jià)提供新的途徑。水足跡由藍(lán)水足跡、綠水足跡與灰水足跡組成，其中藍(lán)、綠水足跡分別表示作物生長(zhǎng)過程中消耗的灌溉水和降水，灰水足跡則表示在給定自然本底濃度和現(xiàn)有環(huán)境水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)下，吸收污染物排放所需的水量[12]。農(nóng)業(yè)水足跡占據(jù)人類生產(chǎn)和消費(fèi)水足跡的絕大部分，因此農(nóng)作物水足跡評(píng)估成為水足跡領(lǐng)域研究的重要內(nèi)容，其核算尺度也涉及國家、省區(qū)、流域、灌區(qū)及田間等[13-15]。在作物水足跡評(píng)估的基礎(chǔ)上，基于水足跡理論的農(nóng)業(yè)水管理已成為重要研究方向。付強(qiáng)等[16]和操信春等[17]利用水足跡方法評(píng)價(jià)了糧食生產(chǎn)中的農(nóng)業(yè)水資源利用效率；馮東溥等[18]揭示了水足跡時(shí)空變化的原因；軒俊偉等[19]發(fā)現(xiàn)，采取調(diào)整農(nóng)作物種植比例、減少氮肥使用量等措施能有效減少區(qū)域農(nóng)業(yè)用水量；王玉寶等[20]探索了氣候變化對(duì)旱作玉米水足跡及用水效率的影響；卓拉等[21]模擬了不同灌溉方式下旱地作物生產(chǎn)水足跡的表現(xiàn)。在水足跡視角下農(nóng)業(yè)水資源利用的可持續(xù)性開始受到關(guān)注[22]。然而，將水足跡應(yīng)用于灌排模式選擇，以減小農(nóng)業(yè)用水量和面源污染的研究鮮見報(bào)道，使其優(yōu)勢(shì)難以得到發(fā)揮。本研究基于稻田作物水足跡計(jì)算方法，量化水稻水足跡并分析不同灌排模式的差異，明晰水稻真實(shí)消耗的水資源及其類型，以期為稻田節(jié)水減排提供理論與實(shí)踐參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況與方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2017—2018年在河海大學(xué)江寧節(jié)水園區(qū)(31°57′N，118°50′E)內(nèi)進(jìn)行。桶栽試驗(yàn)土壤取自節(jié)水園區(qū)內(nèi)，土壤干容重為1.31 g/cm3，土壤飽和質(zhì)量含水率為38.2%，類型為黏壤土，全磷、速效磷、全氮、速效氮質(zhì)量比分別為33.0、10.37、62.9、47.4 mg/kg，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.40%，pH值8.10。

試驗(yàn)共設(shè)4種灌排模式：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)參照文獻(xiàn)[23-25,8]，具體灌排標(biāo)準(zhǔn)見表1。試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理，3個(gè)重復(fù)，各試驗(yàn)小區(qū)面積一致，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，每個(gè)試驗(yàn)測(cè)坑外設(shè)置保護(hù)帶減少組間和外界環(huán)境的相互影響，同步觀測(cè)各處理水稻植株的生長(zhǎng)與系統(tǒng)水分等指標(biāo)。2017年水稻6月21日移栽，10月24日收割。2018年水稻6月26日移栽，10月20日收割。水稻生長(zhǎng)過程中根據(jù)生育期施肥，其中基肥為復(fù)合肥(N、P2O5、K2O比例為15%：15%：15%)，施用量300 kg/hm2，返青肥、分蘗肥、穗肥均為尿素(含氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于等于46.2%)，施用量分別為150、125、150 kg/hm2。

表1 不同灌排模式下的灌排標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Differential standards of different irrigation and drainage modes

1.2 指標(biāo)及測(cè)定

(1)土壤水分情況：每日08:00測(cè)定，當(dāng)田面有水層時(shí)，通過標(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。

(2)灌溉和排水情況：參照各處理灌排控制標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)田面水層或土壤含水率降至灌水下限時(shí)，灌水至上限(考慮天氣情況)，若某次或當(dāng)日降雨使水層深度超過蓄雨上限，則及時(shí)排水至蓄雨上限，記錄每次的灌排水時(shí)間和灌排水量。桶栽試驗(yàn)時(shí)，桶底埋置了三通管，模擬蒸滲儀，為保持三通管中水面線在桶內(nèi)土壤表面以下30 cm左右，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)行氮素含量測(cè)試。

(3)氮素含量測(cè)試：水樣中總氮含量測(cè)定采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法[26]，銨氮含量測(cè)定采用納氏試劑比色法[27]，硝氮含量測(cè)定采用紫外分光光度法[28]。水樣采集后盡量2 h內(nèi)進(jìn)行測(cè)試分析，若水樣較多，可放入冰柜于4℃低溫保存，24 h內(nèi)處理完畢。

(4)產(chǎn)量：水稻完熟期，按每桶面積單打單收換算實(shí)際產(chǎn)量。

(5)氣象資料：在中國氣象數(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。

1.3 作物生產(chǎn)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(Water footprint，WF),衡量作物生產(chǎn)過程中實(shí)際消耗的水量，其等于藍(lán)水足跡、綠水足跡與灰水足跡的和[29]，即

WF=WFblue+WFgreen+WFgrey

(1)

(2)

(3)

(4)

式中WF——農(nóng)作物水足跡，mm

WFblue——藍(lán)水足跡，mm

WFgreen——綠水足跡，mm

WFgrey——灰水足跡，mm

Cmax——環(huán)境容許最大質(zhì)量濃度，mg/L

Cnat——自然本底濃度，mg/L

灰水足跡按地表和地下排水中的氮素含量計(jì)算，以GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的地表水Ⅴ類水質(zhì)規(guī)定的總氮質(zhì)量濃度上限(2.0 mg/L)作為Cmax代入公式計(jì)算；污染物的自然本底濃度取0 mg/L。

田間每日藍(lán)、綠水足跡按日降水與灌溉水對(duì)田間水分平衡各要素的貢獻(xiàn)比例計(jì)算，即

(5)

式中Ft-1——t-1日田間水量，mm

稻田日蒸發(fā)蒸騰量根據(jù)每日稻田水量平衡計(jì)算，即

(6)

式中Pt——降水量，mm

It——灌溉水量，mm

Dt——深層滲漏量，mm

ΔFt——稻田田間水量變化量，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，計(jì)算式為

(7)

作物生產(chǎn)水足跡衡量作物水資源利用效率，用作物水足跡和產(chǎn)量的比值來計(jì)算，計(jì)算式為

WFP=10WF/Y

(8)

式中WFP——作物生產(chǎn)水足跡，m3/kg

Y——作物產(chǎn)量，kg/hm2

2 結(jié)果與分析

2.1 稻田水量平衡參數(shù)

表2為2017—2018年各處理水稻水量平衡參數(shù)。由表2可知，對(duì)于灌水次數(shù)，RC-CI最小，CI次之。灌溉用水量由大到小依次為FSI、WSI、CI、RC-CI，F(xiàn)SI和WSI在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)田面具有水層，蒸發(fā)蒸騰量和滲漏量均較大，灌溉用水量因此較大。RC-CI具有較大的蓄雨上限，能夠較好地積蓄雨水，因此灌水次數(shù)和灌溉用水量都最小。對(duì)于地表排水次數(shù)，RC-CI最小，F(xiàn)SI其次，CI與WSI相同。對(duì)于地表排水量，RC-CI最小，原因同樣是RC-CI具有較大的蓄雨上限，尤其是2018年整個(gè)生育期田面水層沒有超過蓄雨上限。地下排水量由大到小依次為FSI、WSI、RC-CI、CI，根據(jù)表1，CI處理不同生育期灌水上限、灌水下限和蓄雨上限都較低，因此田面水層較薄或沒有水層，并且水層停留時(shí)間較短，減少了滲漏量，地下排水量也因此減少。對(duì)于總蒸發(fā)蒸騰量，F(xiàn)SI和WSI比其他處理高，原因是土壤表面經(jīng)常有水層或經(jīng)常被濕潤(rùn)。

表2 2017—2018年各處理水量平衡參數(shù)Tab.2 Water balance parameters of each treatment in 2017 and 2018

2.2 作物藍(lán)、綠、灰水足跡

觀測(cè)結(jié)果顯示，所有對(duì)象的水稻水足跡變化范圍為846.3～1 132.3 m。圖1(圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著(p<0.05)，下同)為2017—2018年各處理水稻藍(lán)、綠水足跡及其顯著性分析結(jié)果。水稻藍(lán)、綠水足跡范圍分別為98.9～227.5 mm、325.5～400.1 mm。由圖1a可知，2017年灌排模式對(duì)水稻各處理藍(lán)水足跡影響顯著，各處理藍(lán)水足跡由大到小依次為FSI、WSI、CI、RC-CI，RC-CI、CI、WSI藍(lán)水足跡分別比FSI減少43.6%、39.8%、12.9%。由圖1b可知，2018年灌排模式對(duì)水稻各處理藍(lán)水足跡影響顯著，各處理藍(lán)水足跡由大到小依次為FSI、WSI、CI、RC-CI，RC-CI、CI、WSI藍(lán)水足跡分別比FSI減少52.2%、29.1%、3.0%。由圖1c可知，2017年灌排模式對(duì)水稻各處理綠水足跡影響顯著，各處理綠水足跡由大到小依次為WSI、CI、RC-CI、FSI，F(xiàn)SI、RC-CI、CI綠水足跡分別比WSI減少9.4%、3.8%、2.7%。由圖1d可知，2018年灌排模式對(duì)水稻各處理綠水足跡影響顯著，各處理綠水足跡由大到小依次為RC-CI、FSI、CI、WSI，WSI、CI、FSI綠水足跡分別比RC-CI減少18.6%、17.8%、10.2%。

綜合以上分析可知，不同灌排模式對(duì)水稻藍(lán)、綠水足跡影響顯著。各處理藍(lán)水足跡由大到小依次為FSI、WSI、CI、RC-CI。FSI和WSI藍(lán)水足跡較大的原因是灌溉用水量和總蒸發(fā)蒸騰量都較大。RC-CI處理灌溉用水量最小，另外根據(jù)2.1節(jié)的分析，該處理總蒸發(fā)蒸騰量不高，藍(lán)水足跡因此最小。對(duì)于綠水足跡RC-CI處理最大，主要受地表排水的影響。

圖2為2017—2018年水稻各處理灰水足跡及其顯著性分析結(jié)果。水稻灰水足跡范圍為335.8～605.9 mm。由圖2a可知，2017年灌排模式對(duì)水稻灰水足跡影響顯著，各處理灰水足跡由大到小依次為FSI、WSI、RC-CI、CI，CI、RC-CI、WSI灰水足跡分別比FSI減少22.7%、21.2%、19.9%。對(duì)于地表排水灰水足跡，其由大到小依次為FSI、WSI、CI、RC-CI，RC-CI、CI、WSI地表排水灰水足跡分別比FSI減少61.7%、56.2%、21.3%。對(duì)于地下排水灰水足跡，其由大到小依次為FSI、RC-CI、CI、WSI，WSI、CI、RC-CI地下排水灰水足跡分別比FSI減少19.3%、6.1%、1.2%。各處理灰水足跡的主要組成部分為地下排水灰水足跡。由圖2b可知，2018年灌排模式對(duì)水稻灰水足跡影響顯著，各處理灰水足跡由大到小依次為WSI、CI、FSI、RC-CI，RC-CI、FSI、CI灰水足跡分別比WSI減少32.8%、14.6%、4.2%。對(duì)于地表排水灰水足跡，其由大到小依次為WSI、CI、FSI、RC-CI，RC-CI、FSI、CI地表排水灰水足跡分別比WSI減少100%、21.9%、0.8%。對(duì)于地下排水灰水足跡，其由大到小依次為RC-CI、FSI、WSI、CI，CI、WSI、FSI地下排水灰水足跡分別比RC-CI減少81.2%、76.0%、70.4%。FSI、WSI、CI灰水足跡的主要組成部分為地表排水灰水足跡，RC-CI處理生育期內(nèi)水層沒有超過蓄雨上限，未產(chǎn)生地表排水，因此只有地下排水灰水足跡。

綜合以上分析可知，不同灌排模式對(duì)水稻灰水足跡影響顯著，RC-CI處理灰水足跡最小，主要和排水有關(guān)。2017年各處理地下排水灰水足跡大于地表排水灰水足跡，原因是地表排水距離施肥時(shí)間較遠(yuǎn)，相比較2018年，較多的氮素從地下淋失。

2.3 作物生產(chǎn)水足跡及其組成

FSI、WSI、CI、RC-CI年均作物生產(chǎn)水足跡分別為1.26、1.18、1.06、1.08 m3/kg。圖3為2017—2018年各處理作物生產(chǎn)水足跡及其差異的顯著性分析結(jié)果。由圖3a可知，2017年灌排模式對(duì)水稻各處理作物生產(chǎn)水足跡影響顯著，其由大到小依次為FSI、WSI、RC-CI、CI，CI、RC-CI、WSI作物生產(chǎn)水足跡分別比FSI減少22.3%、17.4%、10.7%。由圖3b可知，2018年灌排模式對(duì)水稻各處理作物生產(chǎn)水足跡影響顯著，其由大到小依次為FSI、WSI、CI、RC-CI，RC-CI、CI、WSI作物生產(chǎn)水足跡分別比FSI減少11.5%、10.7%、2.3%。綜合以上分析可知，不同灌排模式對(duì)水稻作物生產(chǎn)水足跡影響顯著，所有重復(fù)作物生產(chǎn)水足跡的范圍為0.94～1.31 m3/kg，F(xiàn)SI處理生產(chǎn)水足跡最大，說明該處理水稻水資源利用效率最低。FSI處理作物生產(chǎn)水足跡較高的原因主要是蒸發(fā)蒸騰量和灌溉用水量較大，與RC-CI相比，F(xiàn)SI處理作物生產(chǎn)水足跡較高的原因還包括灰水足跡較大。WSI處理作物生產(chǎn)水足跡較高的原因主要是蒸發(fā)蒸騰量和灰水足跡較大。

圖4為2017—2018年各處理水足跡組成比例，分析組成有助于研究水足跡影響因素。綠水源于降水，不需要通過工程措施來獲取，即綠水機(jī)會(huì)成本較小，綠水比例增加意味著水資源綜合利用效益提高。藍(lán)水和綠水統(tǒng)稱為消耗性用水，灰水則是稀釋性用水，消耗性用水比例的增加相當(dāng)于更多的水資源在作物生育期發(fā)揮了作用，有利于水稻生長(zhǎng)。由圖4a可知，2017年各處理灰水比例均超過39.4%，灰水比例和綠水比例總體接近，藍(lán)水比例最小。由圖4b可知，各處理灰水比例均接近50%，CI處理更是達(dá)到55.0%。各處理水足跡組成成分最主要是灰水足跡，其次是綠水足跡，最后是藍(lán)水足跡。就水足跡組成而言，藍(lán)水足跡比例最小，總體在10.9%～22.3%之間，綠水足跡比例則在28.8%～44.1%之間，充分證明了降雨對(duì)于作物生長(zhǎng)的重要程度。灰水足跡比例在39.4%～55.0%之間，2018年灰水比例普遍大于2017年，這與降雨量密不可分。

3 討論

水分對(duì)于水稻生長(zhǎng)發(fā)育至關(guān)重要，適宜的灌排模式可以保證產(chǎn)量，有利于節(jié)水減排。從本文研究結(jié)果看，很大一部分灌溉水沒有被作物利用，形成藍(lán)水足跡，淺水勤灌和淺濕灌溉不僅增加灌溉用水量和勞動(dòng)強(qiáng)度，經(jīng)常存在的水層還增加了土壤水勢(shì)梯度，滲漏量顯著提升，同時(shí)可能攜帶土壤中的氮素大量淋失，造成面源污染。綠水足跡的形成和降雨量及其分布都密不可分。2017年降雨較2018年更為頻繁，峰值低，蓄水控灌的優(yōu)勢(shì)不明顯，各處理綠水足跡的差異較小。地表和地下排水造成的氮素污染，受排水量和氮素濃度的共同影響。2017年蓄水控灌總排水量高于控制灌溉，但灰水足跡無顯著差異，一方面蓄水控灌淹水作用較強(qiáng)，促進(jìn)土壤反硝化作用，降低氮素濃度。另一方面，由于降水集中于作物生育前期，排水中氮素濃度偏低，氮素排放總量下降，這也是2017年整體灰水足跡小于2018年的主要原因。2018年蓄水控灌通過攔蓄降雨，減少了含高濃度氮素地表水的排放。淺水勤灌由于田面存在薄水層，這對(duì)于維持地溫，調(diào)節(jié)田間小氣候有重要意義，但同時(shí)也會(huì)增加成本和環(huán)境負(fù)擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)。相關(guān)研究顯示控制灌溉條件下水稻的作物需水量相比淺水勤灌減少[8]，與本文消耗性(藍(lán)、綠)水足跡的核算結(jié)果基本一致；郭相平等[25]研究發(fā)現(xiàn)，控制灌溉和蓄水控灌作物需水量沒有顯著差異，也與本研究結(jié)果相吻合。然而這些研究沒有分解出水資源的來源，也沒有從水量的角度來考慮灌溉排水對(duì)環(huán)境的影響。本文基于水足跡視角，通過藍(lán)、綠水的區(qū)分，可以分辨出作物需水量減少的主要原因在于藍(lán)水足跡的降低。同時(shí)，計(jì)算結(jié)果還顯示，水稻生產(chǎn)過程中灰水比例均超過39.4%,2018年淺濕灌溉和控制灌溉處理灰水比例更是在50%以上。這說明灰水足跡在灌排模式的評(píng)價(jià)和選擇中不可忽視。郝樹榮等[30]考慮灌排水量、氮磷流失負(fù)荷、產(chǎn)量及灌溉水分生產(chǎn)率優(yōu)選高效灌排模式。然而指標(biāo)類型不同，各指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果并不總是一致，也難以統(tǒng)一為同一指標(biāo)，最終選擇仍受主觀因素影響。水足跡理論將氮素流失統(tǒng)一于作物水資源耗用量之中，為灌排模式評(píng)價(jià)和優(yōu)選提供更加簡(jiǎn)單而全面的途徑。

4 結(jié)束語

基于農(nóng)作物水足跡計(jì)算方法，分析了2017—2018年各灌排模式下水稻作物的水足跡指標(biāo)及組成，結(jié)果表明，灌排模式能夠顯著改變水稻作物的水足跡。水稻藍(lán)、綠、灰水足跡范圍分別為98.9～227.5 mm、325.5～400.1 mm、335.8～605.9 mm，所有處理水足跡的范圍為846.3～1 132.3 mm，蓄水控灌水足跡最小。淺水勤灌、淺濕灌溉、蓄水控灌、控制灌溉生產(chǎn)水足跡年均值分別為1.26、1.18、1.08、1.06 m3/kg，蓄水控灌和控制灌溉的水資源利用效率接近。就水足跡組成而言，藍(lán)、綠、灰水足跡比例分別為10.9%～22.3%、28.8%～44.1%、39.4%～55.0%，說明在水稻生產(chǎn)過程中降雨的利用和環(huán)境影響不容忽視。綜合考慮作物水足跡及其組成，蓄水控灌為符合節(jié)水減排目標(biāo)的最優(yōu)灌排模式。