灌溉措施對稻田灰水足跡和水分利用效率的影響研究

肖劍峰，吳夢洋，湯樹海，操信春*

（1.河海大學 農業(yè)科學與工程學院，南京 210098；2.漣水水利科學研究站，江蘇 淮安 223200）

灌溉措施對稻田灰水足跡和水分利用效率的影響研究

肖劍峰1，吳夢洋1，湯樹海2，操信春1*

（1.河海大學 農業(yè)科學與工程學院，南京 210098；2.漣水水利科學研究站，江蘇 淮安 223200）

【目的】揭示稻田水資源利用效用，優(yōu)選高效灌排模式?！痉椒ā客ㄟ^觀測淺水勤灌（FSI）、淺濕灌溉（WSI）、控制灌溉（COI）和蓄水控灌（RCI）下稻田水肥遷移過程，結合水足跡與用水效率指標，分析了灌溉措施對稻田排水、灰水足跡及其水分利用效率的影響?！窘Y果】受不同灌溉措施的影響，稻田排水量、灰水足跡及其水分利用效率均存在差異。2017—2018年各處理稻田排水量為387.6～593.7 mm，RCI處理最小，而COI處理最多。FSI、WSI、COI、RCI處理下水稻灰水足跡的年均值分別為386.3、420.6、431.2、273.1 mm。藍水足跡、綠水足跡、灰水足跡的組成比例分別為6.0%～24.0%、31.8%～58.0%、37.0%～54.0%，且RCI處理下綠水足跡最大、藍水足跡和灰水足跡均最小，其用水結構更符合水稻節(jié)水減污的要求?！窘Y論】對比傳統(tǒng)方法和水足跡框架下農業(yè)水資源評價指標，將田間排水量及灰水足跡加入稻田水分利用效率評價至關重要，且蓄水控灌為綜合灰水足跡和水分利用效率下的高效灌溉措施。

灰水足跡；用水效率；灌溉措施；節(jié)水減污；水稻

0 引 言

【研究意義】水稻是我國主要糧食作物之一，種植面積約3 000萬hm2，占糧食種植面積的35%左右。由于耐鹽喜濕的生長特性，淹水灌溉是水稻生產最常用的水分管理方式。然而，肥料的過量使用和不合理的灌溉排水方式，隨地表排水和地下滲漏產生的水量損失和氮磷淋失不僅降低了稻田水肥利用效率，而且造成嚴重的面源污染[1-2]。因此，在提升水資源效用的同時減少環(huán)境負荷是農業(yè)節(jié)水研究發(fā)展的必然趨勢?！狙芯窟M展】改變灌排模式是調控稻田水肥的主要手段，將節(jié)水灌溉技術與控制排水相結合有利于水稻的節(jié)水減污[3-5]。然而，由于污染物和水資源效用的評價體系難以融合，導致了在以往的研究中2個方面難以兼顧。作為水資源利用評價的新工具，水足跡可以從水量和水質衡量人類活動對水資源的消耗。具體到農業(yè)生產系統(tǒng)，它反映了作物生育期對水資源的總需求，由藍水足跡、綠水足跡和灰水足跡3部分組成，其中藍水足跡、綠水足跡分別為以蒸發(fā)蒸騰形式消耗而不再被重復利用的灌溉水和有效降水，灰水足跡為稀釋系統(tǒng)排放污染物（如氮）使其達到環(huán)境標準所需的水量[6]。它不僅區(qū)分了作物水分來源的藍水、綠水屬性，而且還量化了農業(yè)生產對水環(huán)境的負面影響。因此，它可以更全面地體現(xiàn)出作物生長過程中廣義水資源和真實水耗用之間的關系。由于農作物水足跡占全球水足跡的巨大比例，農業(yè)生產水足跡核算、評估及調控成為水足跡領域的研究熱點和發(fā)展方向。已有研究[7-9]開展了不同區(qū)域與空間尺度農作物水足跡及其組成的計算與分析，核算尺度從全球、國家、流域、省市、灌區(qū)到田間等。這些研究在說明進行水足跡調控的必要性同時也促發(fā)了其應用于區(qū)域農業(yè)水管理的研究。Wu等[10]結合中國糧食水足跡和區(qū)域虛擬水流動的評估，建議將農業(yè)水足跡控制作為農業(yè)節(jié)水的手段；Wang等[11]、付強等[12]利用作物生產藍綠水足跡來評價區(qū)域糧食生產用水效率；Le等[13]建立了水足跡框架的灌溉用水可持續(xù)評價指標；Duan等[14]及韓宇平等[15]試圖通過揭示區(qū)域作物水足跡變異的驅動因子來為其降低策略提供參考。特別地，剝離作物水足跡內涵與傳統(tǒng)評價范式難以協(xié)調農業(yè)生產系統(tǒng)灌排設施建設、水肥高效利用以及糧食安全產出之需求[16-17]。為此，Cao等[18]通過觀測田間水肥運移過程對比分析了作物生產水足跡與傳統(tǒng)水分生產率指標的表現(xiàn)，并在水足跡框架下建立農業(yè)用水效果[19]、廣義水系數(shù)[20]、水資源效率[21]、水足跡效率[22]指標以完善區(qū)域農業(yè)用水效率評價指標體系。【切入點】然而，將水足跡理論應用于灌排模式優(yōu)選，以提高稻田水分利用效率的同時減少環(huán)境污染的研究鮮見報道?！緮M解決的關鍵問題】本研究基于水足跡理論，通過觀測稻田排水及其中氮磷淋失質量濃度的變化過程，量化水稻生產灰水足跡并分析不同灌排模式對稻田水分利用效率的影響，以期為水稻的節(jié)水減污提供理論依據(jù)和實踐參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

田間試驗于2017—2018年在江蘇省漣水水利科學研究站（33°50'N，119°16'E）進行。試驗區(qū)土質為沙壤土，0～100 cm土層平均土壤干體積質量1.424 g/cm3，田間持水率27.9%，飽和含水率33.04%（質量含水率），土壤肥力中等，有機質質量分數(shù)為2.19%，pH值為6.82。參照當?shù)剞r藝技術，試驗共設4種灌溉措施：淺水勤灌（FSI）、淺濕灌溉（WSI）、控制灌溉（COI）和蓄水控灌（RCI），各項灌溉措施的田間水深（含水率）標準如表1所示。試驗設4個處理，每個處理3次重復。每個單元的中間都安裝有1個微型蒸滲儀（0.5 m×0.5 m×1.0 m）和1個觀察井（直徑5.0 cm，深度1.2 m）。2017年水稻6月17日移栽，10月19日收割，2018年6月26日移栽，10月12日收割，基肥為碳酸氫銨1 125 kg/hm2，磷肥375 kg/hm2，分蘗期追施尿素225 kg/hm2。

表1 水稻各生育期內不同灌溉措施下田間水分控制標準Table 1 Field moisture control standards of different irrigation measures during rice growing period

注 “mm”表示田面水深單位，“%”表示表層30 cm土層土壤含水率占土壤飽和含水率θs的百分比。

1.2 指標及測定

水稻試驗08:00測定，當田面有水層時，通過鋼尺讀取水層深度，遇降水進行加測；當田面無水層時，利用埋設在土壤中0～30 cm的TDR探頭進行土壤水分測定。灌水和排水情況，參照各處理灌排控制標準，當土壤水分降至灌水下限時，即灌水至上限，若水層深度超過最大蓄水深度，則及時排水至蓄水上限，記錄每次的灌排水時間和灌排水量。田間蒸騰量用微型蒸滲儀測量，生育期每3天用小型水泵從觀察井排地下水1次，到生育期末補測1次，所有排水均取樣進行含氮量、含磷量測試。水樣中總氮測定采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（GB 11894—89），銨態(tài)氮測定采用納氏試劑比色法（GB 7479—87），硝態(tài)氮測定采用紫外分光光度法（GB 7480—87），總磷測定采用鉬酸銨分光光度法（GB 11893—89）。水樣采集后盡量2 h內測試分析，若水樣較多時，可放入冰柜于4 ℃低溫保存，24 h內處理完畢。產量：在水稻收割前，對每個處理進行單打單收，自然曬干，測定水稻的實際產量。搜集試驗區(qū)附近氣象站點資料，包括溫度、濕度、風速、太陽輻射量、降水量等。如圖1分別為2017—2018年試驗區(qū)水稻生育期內降水過程。

圖1 2017—2018年試驗區(qū)水稻生育期內降水量分布Fig.1 Precipitation of rice growing period in the experimental area from 2017 to 2018

1.3 作物灰水足跡和田間水分利用效率計算

1）作物灰水足跡。水稻生產過程中形成的面源污染主要是氮、磷引起的，不同成分環(huán)境臨界質量濃度不同，所需的稀釋水量也不相同；同一稀釋水能同時稀釋多種污染物；稀釋新增面源污染所需的水量由所需稀釋水量最大的污染物決定，在數(shù)量上等于該污染物的稀釋水量。田間尺度計算有別于區(qū)域尺度，當某次農田排水中面源污染物超過環(huán)境臨界質量濃度，才需淡水稀釋；反而言之，排水中面源污染物未超過環(huán)境臨界質量濃度，則不需淡水稀釋，為此采取式（1）進行田間尺度面源污染灰水足跡計算，設農田共排水N次，面源污染物有i種，受納水體的自然本底質量濃度指自然條件、無人為影響下水體中某污染物的質量濃度設為0。

第i種面源污染源灰水足跡為：

式中：GWFi為第i種面源污染源灰水足跡（mm）；hq為第q次排水的排水量（mm）；為第q次排水第i種污染物的質量濃度（g/L）；為第i種面源污染物的環(huán)境容許最大質量濃度（g/L）。若某次排水中Ciq-Cimax≤0，則該次灰水足跡為0。

面源污染灰水足跡為：

本文選擇TN（總氮）和TP（總磷）2項指標，參數(shù)最大門限值參照《地表水環(huán)境質量標準（GB3838—2002）》《地下水質量標準（GB/T14848—93）》有關規(guī)定，本次TN最大門限值為2 mg/L，TP最大門限值為0.2 mg/L。

單位糧食產量的灰水足跡，也稱作糧食生產灰水足跡，計算式為：

式中：GWFg為糧食生產灰水足跡（m3/kg）；Y為水稻產量（kg/hm2）；GWF為灰水足跡（mm）。

2）田間水分利用效率。基于農業(yè)水資源評價途徑—“利用量-有效程度-產出能力”，本文依次選取作物水足跡（CWF）、作物水分利用率（WUE）、灌溉水分生產率（IWP）、作物生產水足跡（WFP）和水資源系數(shù)（WRE）等指標來評價稻田水分利用效率。

以稻田水量平衡為基礎，作物水足跡（CWF）反映了作物整個生育期內水分消耗狀況，包括藍水足跡、綠水足跡和灰水足跡：

式中：CWFblue、CWFgreen分別為藍水足跡、綠水足跡，二者的和統(tǒng)稱為消耗性水足跡，即作物蒸發(fā)蒸騰量（ET），單位均為mm。

作物生產水足跡（WFP）衡量作物對水資源的利用效率，用作物產量和作物水足跡比值表示，計算式為：

式中：WFP為作物生產水足跡（kg/m3）；CWF為作物水足跡（mm）；10為單位轉換系數(shù)。

作物水分利用效率（WUE）衡量單位水量所獲得的作物產量，用作物產量和蒸發(fā)蒸騰量的比值表示，計算式為：

式中：WUE表示作物水分利用效率（kg/m3）；ET表示全生育期蒸發(fā)蒸騰量（mm）；10為單位轉換系數(shù)。

灌溉水分生產率（IWP）是指單位灌溉用水量消耗所能生產的農作物經(jīng)濟產品數(shù)量，計算式為：

式中：IWP為灌溉水分生產率（kg/m3）；ETb為灌溉水蒸發(fā)蒸騰量（mm）；IW為從最后一級渠道進入田間的灌溉水量（mm）；Uf為田間灌溉水利用系數(shù)，由灌區(qū)當局提供；10為單位轉換系數(shù)。

水資源系數(shù)（WRE）表征區(qū)域水資源需求總量的有效性，計算式為：

式中：GWF為作物灰水足跡（mm）；ET為全生育期蒸發(fā)蒸騰量（mm）；D為田間排水量（mm），由地表排水（Drun）和地下滲漏（Dper）組成。

2 結果與分析

2.1 灌溉措施對稻田排水及氮磷淋失的影響

表2為2017—2018年4種灌溉措施下地表排水及TN、TP質量濃度的變化過程。試驗區(qū)2017、2018年水稻生長期內降水量分別為998.0 mm和634.2 mm，其中短期暴雨的次數(shù)分別為5次和3次，其頻率和發(fā)生時間與地表排水基本吻合。由于2017年試驗區(qū)內降水相對頻繁，且降水量較多，各灌溉措施下稻田排水量（地表、地下）均比2018年大，且波動幅度更加明顯。

圖2為2017—2018年4種灌溉措施下地下滲漏及其污染物質量濃度的變化過程。各處理中，COI處理下水稻各生育階段蓄水上限均為最小，因此其地表排水量最大，而RCI處理蓄水上限均為最大，其地表排水次數(shù)和排水量均最少，特別是在2018年，整個生育期內沒有進行排水。水稻施肥后，除了少量被植物根系吸收和土壤吸附外，很大一部分游離于田間水層中，因此，排水勢必會伴隨著污染物（TN、TP）的淋失。2017年地表排水中TN、TP淋失質量濃度變化范圍分別為0.87～7.38、0.01～0.23 mg/L，較2018年明顯減小（0.9～12.7、0.1～0.5 mg/L）。從整個生育期來看，地表排水中TN質量濃度較TP質量濃度大，且早期質量濃度明顯高于中后期，這是因為水稻生育早期，水稻覆蓋度較低，且根系發(fā)育尚不發(fā)達，基肥入田之后，對肥料中氮磷元素吸收較少，再加上頻繁降水的淋洗，使肥料中大多數(shù)氮磷來不及被水稻根系吸收就隨田間排水流出[23]。

表2 不同灌溉措施下地表排水量和污染物質量濃度Table 2 Observed surface drainage and pollutant concentration for different irrigation measures

圖2 不同灌溉措施下的日地下排水量和污染物質量濃度Fig.2 Daily subsurface drainage and pollutant concentration for different irrigation measures

各處理中，COI處理灌水上限、灌水下限和蓄水上限都較低，使得田間水層較薄或沒有，同時水層存蓄的時間較短，因此全生育期內其地下滲漏量最小，年均值為267.8 mm，其次是RCI、WSI、FSI處理，年均值依次為304.6、365.4、411.1 mm。同樣地，2017年地下排水中TN、TP淋失質量濃度分別在0.41～4.71、0.0～0.2 mg/L之間波動，較2018年明顯減?。?.01～5.96、0.02～0.2 mg/L），且各處理中RCI處理TN淋失質量濃度普遍較高（1.37～5.96 mg/L）。綜合可知，地下滲漏是稻田排水的主要方式，且以TN淋失為主。總體而言，RCI處理排水量最小，年均值僅為387.6 mm，比FSI、WSI、COI處理依次減少34.7%、33.6%、22.0%；RCI處理TN、TP淋失量最小，其次是FSI、WSI、COI處理。

2.2 灌溉措施對稻田灰水足跡的影響

基于灰水足跡的定義，其在一定程度上反映了水體污染物的淋失狀況。表3為2017—2018年4種灌溉措施下由地表排水產生灰水足跡的變化過程。

表3 2017—2018年由地表排水和化肥浸出造成的灰水足跡Table 3 Grey water footprint (GWF) caused by surface drainage and fertilizer leaching in 2017—2018

2017年水稻生育期內產生了大量的地表排水，各灌溉措施下GWFN均較2018年高，但GWFP卻正好相反，這是因為2017年地表排水中TP的質量濃度普遍較低，甚至沒有達到磷源污染物的環(huán)境最大容許質量濃度（0.2 mg/L）。然而，TN淋失質量濃度明顯大于TP，使GWFN所占比例較大（79.6%～97.8%），GWF在年際間的變化規(guī)律和GWFN相同。各處理中，RCI處理地表排水最少，其產生GWF最小，年均值僅為108.2 mm，其次是FSI、WSI、COI處理，依次相差64.5%、70.4%和71.9%。同樣，圖3為2017—2018年4種灌溉措施下由地下排水產生灰水足跡的變化過程。由圖3可知，2017年FSI、WSI、COI、RCI處理下每日最大地下灰水足跡分別為9.51、7.71、8.36、11.5 mm，由于環(huán)境最大容許質量濃度的限制，F(xiàn)SI、WSI、COI、RCI處理地下灰水足跡大于0的天數(shù)分別占整個生育期的34.1%、11.4%、18.2%和40.9%，而2018年各處理地下灰水足跡日最大峰值較2017年明顯增大（14.86、13.66、10.86、20.26 mm）。綜合以上分析，表4為2017—2018年4種灌溉措施下水稻全生育期作物灰水足跡顯著性分析結果。由表4可知，2018年稻田地下排水產生的灰水足跡較2017年大，其中WSI處理最為明顯，灰水足跡比2017年增加了634.6%，其次是COI、RCI、FSI處理。各處理中，由于COI、WSI處理地下排水較少，其產生的灰水足跡較小，2 a均值分別為46.5、55.5 mm；RCI處理地下灰水足跡2 a均值最大，與其相比，F(xiàn)SI、WSI、COI處理地下灰水足跡2 a均值分別小50.5%、66.3%和71.8%。但總體而言，2017、2018年水稻灰水足跡變化范圍分別為279.1～409.2、267.1～453.2 mm，且各處理中灰水足跡均呈COI處理gt;WSI處理gt;FSI處理gt;RCI處理的規(guī)律。此外，TN淋失是稻田灰水足跡的主要來源，地表排水是其主要產生方式，且RCI處理是產生灰水足跡最小的灌溉措施，更有利于減輕水稻生產對水環(huán)境的污染。

圖3 2017—2018年地下排水灰水足跡Fig.3 Grey water footprint caused by subsurface drainage in 2017—2018

表4 不同灌溉措施下全生育期作物灰水足跡Table 4 Crop grey water footprint under different irrigation measures

注 同列不同小寫字母表示處理間差異顯著（plt;0.05），下同。

2.3 灌溉措施對稻田水分利用效率的影響

圖4為2017—2018年4種灌溉措施下水稻生產的作物水足跡組成比例，分析水足跡的組成有助于水資源的分類管理，了解其影響因素。由圖4（a）可知，2017年各處理水足跡組成比例波動明顯，其中灰水足跡比例均超過37%，COI處理下更是達到54.0%，這與其蓄水上限最小、排水量大密不可分，而藍水足跡比例最小，僅占6.0%～23.0%。各處理中，F(xiàn)SI、WSI、COI處理水足跡的組成成分大小一致，灰水足跡是最主要的，其次是綠水足跡，最后是藍水足跡，而RCI處理則表現(xiàn)為：綠水足跡gt;灰水足跡gt;藍水足跡，這是因為RCI處理下蓄水上限較大，排水較少，能夠較大可能的將生育期內綠水資源存蓄在稻田中。由圖4（b）可知，2018年各處理水足跡組成成分變化規(guī)律與2017年保持一致，藍水足跡比例仍為最小，但均有小幅度的上升，這是由于2018年降水較少，增加了作物對灌溉水的需求。綜合以上分析，就水足跡組成而言，藍水足跡比例最小，僅占6.0%～24.0%，綠水足跡在31.8%～58.0%之間，充分表明降水在水稻生產中的重要程度，而灰水足跡則在37.0%～54.0%之間，說明稻田排水中因TN、TP淋失而產生的水污染問題不容忽視。

圖4 2017—2018年水稻生產的作物水足跡構成Fig.4 Crop water footprint (CWF) composition for rice production in 2017—2018

為探尋田間排水對稻田水分利用效率的影響，表5為2017—2018年4種灌溉措施對作物產量和水稻生產用水效率的顯著性分析結果。由表5可知，水稻產量的變化范圍為7 950.8～9 811.1 kg/hm2，RCI處理下最小，年均值為8 093.8 kg/hm2，其次是FSI處理，年均值為8 619.3 kg/hm2。一般來說，作物生長的關鍵時期水分消耗較大，降水常難以滿足田間耗水需求。由于FSI、WSI處理灌水上限和灌水下限均較大，使得稻田內經(jīng)常保有一定的水層，因此其蒸發(fā)蒸騰量較RCI、COI處理顯著增加。與年均值最小的RCI處理（449.6 mm）相比，F(xiàn)SI、WSI處理分別增加了16.1%、12.3%?；谵r業(yè)水資源評價途徑，灌溉措施對各評價指標影響顯著，其中作物水足跡（CWF）在711.0～973.2 mm之間波動，RCI處理下最小，且比FSI、WSI、COI處理平均減少了21.2%、23.9%和24.2%，這主要與其灰水足跡最小有關；而作物水分利用效率（WUE）變化范圍為1.581～2.087 kg/m3，且COI處理下最大，年均值為2.016 kg/m3，而FSI處理最小，年均值僅為1.651 kg/m3，這是由COI處理下產量較高和蒸發(fā)蒸騰量較低共同決定的。對于灌溉水分生產率（IWP），其由大到小依次是COI、RCI、WSI、FSI處理，年均值分別為6.657、6.312、4.643、3.788 kg/m3，且RCI、WSI、FSI處理分別比COI處理平均減小5.2%、30.3%、43.1%，這是因為COI、RCI處理下灌水上限和灌水下限均較小，使得生育期內灌水較少，從而降低了作物對灌溉水的消耗。同樣地，灌溉措施對作物生產水足跡（WFP）影響顯著，由于RCI處理下作物水足跡顯著減小，其年均值（1.134 kg/m3）最大，而FSI處理最小，年均值僅為0.952 kg/m3，二者相差19.1%；而對于水資源系數(shù)（WRE），RCI處理年均值為0.405，較其他處理顯著增大，其次是FSI、WSI、COI處理，分別比RCI處理降低了14.1%、17.3%、19.3%，這與其排水量和作物水足跡均最小有關。綜上可知，田間排水及其TN、TP淋失而產生灰水足跡是水稻生長過程中水資源消耗的重要內容，將其考慮入稻田水分利用效率評價至關重要。

表5 2017—2018年灌溉措施對大田作物產量和水稻生產用水效率的影響Table 5 Effects of irrigation measures on field crop yield and water use efficiency of rice production in 2017—2018

注 同列不同小寫字母表示處理間差異顯著（plt;0.05）。

3 討 論

3.1 灰水足跡的計算

受污染物淋失量、污染物類型、土壤類型、作物生長狀況及田間水分運移過程等因素的影響，水稻生產灰水足跡存在明顯差異。表6為以往有關水稻生產灰水足跡與本研究結果對比。

表6 關于水稻生產灰水足跡的研究結果對比Table 6 Comparison on the grey water footprint of rice production

由表6可知，水稻生產灰水足跡范圍為0.048～5.164 m3/kg，且除Zhuo等[28]和Cao等[18]外，本研究中水稻生產GWFg均較大。氮素是以往最為關注的稻田污染物。由于各地環(huán)境水質標準不統(tǒng)一，污染物最大容許限度也存在差異。Zhuo等[28]在估算灰水足跡時考慮了動物糞便肥料，同時他們對最大容許和天然氮質量濃度之間的差值進行了最為嚴格的假設（Cmax-Cnat=0.8 mg/L），而在其他研究多為10 mg/L，因此其GWFg最大；Yoo等[26]同時量化了水稻生產中氮磷流失的影響，但由于設定的環(huán)境水質標準較低（N：Cmax-Cnat= 40 mg/L、P：Cmax-Cnat=4 mg/L），其所得GWFg反而最?。籆hapagain等[25]依據(jù)歐盟硝酸鹽標準，設定“50 mg/L”的允許限度，因此其GWFg也較小。然而，本研究僅關注TN和TP的淋失，而忽略了殺蟲劑、除草劑、重金屬等其他污染物和水體自凈能力的影響，GWFg可能不太準確。因此，綜合考慮多種污染物的共同影響仍然是精確量化作物生產灰水足跡的重點。此外，由于缺少淋溶率數(shù)據(jù)庫和田間試驗數(shù)據(jù)，α=10%是常用的粗略假定值。然而，這可能與實際情況不一致。為此，Yoo等[26]在估算GWFg時參考了前人研究中水稻生產的氮磷淋失量（TN：12.9 kg/hm2；TP：1.01 kg/hm2）；Cao等[18]通過現(xiàn)場測量證實了水稻生產水足跡評估在田間試驗中的可行性，且發(fā)現(xiàn)氮浸出率僅為6.2%；Wu等[31]基于日尺度下稻田排水中氮濃度變化計算其淋失量。然而，農業(yè)水污染主要是面源污染，結合相關水文模型計算淋失率也可以提高計算精度。

特別地，Cao等[18]發(fā)現(xiàn)作物灰水足跡受生育期降水影響，且當降水量為400～1 000 mm時，水稻灰水足跡在0.63～0.96 m3/kg之間波動。雖然施肥量與施肥策略相同，但本研究中計算所得的GWFg較小，這是因為本試驗區(qū)水稻生育期內降水量和排水量顯著增加，降低了TN、TP的流失質量濃度?？梢?，改變灌排模式將有助于減輕污染物的流失，這在本研究中也得到了驗證。然而，本研究參考當?shù)剞r藝技術只設計了4種常見灌溉措施，最優(yōu)化的灌排模式還有待進一步探究。

3.2 灌排模式評價指標

構建合適的指標以核算水資源消耗情況是評價農業(yè)用水效率的一般方法?；谵r業(yè)水資源評價途徑—“利用量-有效程度-產出能力”，表5中ET、WUE和IWP是以往常用的評價指標。根據(jù)本文的研究結果，高耗水和氮磷污染是限制水稻發(fā)展的重要挑戰(zhàn)。然而，這與稻田排水密切相關。ET表征作物生產水資源的有效消耗量，卻忽略了排水中氮磷等污染物對水環(huán)境的負面影響。降水和灌溉水是作物生產水分消耗的直接來源，但由于天然降水的機會成本相比灌溉水低，減少灌溉水的投入量或提高灌溉水分生產率（IWP）是以往水稻節(jié)水研究的主要途徑[32-34]。雖然，WUE核算了單位廣義水資源消耗的作物產量，但沒有區(qū)分藍水、綠水資源屬性和各自發(fā)揮的作用。此外，選擇合理的灌排措施將有助于水稻節(jié)水高產，降低氮磷流失污染。然而，由于評價指標的限制，有關水稻節(jié)水和減污的研究常是單獨進行[23,35]。基于水足跡的框架，藍水、綠水足跡對應作物蒸發(fā)蒸騰量（ET）的同時還表明水稻生育期內31.8%～58.0%的水分消耗是來自降水資源，而灌溉水僅為6.0%～24.0%，且通過降低藍水足跡可以減少作物需水量。顯然，這將有助于水資源的分類管理。特別地，基于灰水足跡，它不僅衡量了稀釋稻田排水中污染物使其達到環(huán)境標準所需的水量，而且通過降低其在作物水足跡的組成比例就可以反映水稻的減污效果。綜上所述，水足跡理論將稻田氮磷淋失的污染水量統(tǒng)一于作物水分消耗之中，不僅可以更全面地描述水稻生產中廣義水資源與真實水資源耗用之間的關系，而且為稻田節(jié)水減污的綜合評價提供了便利。

4 結 論

1）地下滲漏是稻田排水的主要方式，TN是水稻生產的主要污染物，且蓄水控灌下排水次數(shù)和排水量均為最少，有利于在節(jié)省田間勞作成本的同時降低肥料流失的可能性。

2）地表排水是稻田產生灰水足跡的主要途徑，且蓄水控灌下水稻對水環(huán)境的污染顯著減少。就水足跡組成而言，藍水足跡、綠水足跡、灰水足跡的組成比例分別為6.0%～24.0%、31.8%～58.0%、37.0%～54.0%，說明水稻生產的降水利用和污染問題不容忽視。

3）根據(jù)農業(yè)水資源評價途徑，蓄水控灌下水稻作物水足跡最小（利用量），水資源系數(shù)（有效程度）和作物生產水足跡（產出能力）均為最高。因此，綜合考慮灰水足跡和水分利用效率下，蓄水控灌是促進水稻節(jié)水減污的最優(yōu)灌溉措施。

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Effect of Irrigation on Footprint of Grey Water and Water Use Efficiency of Paddy Fields

XIAO Jianfeng1, WU Mengyang1, TANG Shuhai2, CAO Xinchun1*
(1. College of Agricultural Science and Engineering, Hohai University, Nanjing210098, China;2.Lianshui Water Conservancy Research Institute, Huaian 223200, China)

【Objective】Improving irrigation water use efficiency is important in developing sustainable agriculture.Taking paddy field as an example, this paper investigates how to achieve this goal via irrigation optimization.【Method】The study is based on changes in water and fertilizers measured in 2017—2018 from fields under four different irrigation methods: frequent-shallow irrigation (FSI), wet-shallow irrigation (WSI), controlled irrigation(COI), rain-catching and controlled irrigation (RCI). For each irrigation, we calculate its impact on drainage, grey water footprint (GWF), and water use efficiency combined with grey water footprint (WF).【Result】Drainage from different treatment ranged from 387.6 to 593.7 mm, with RCI and COI draining the least and highest water,respectively. The annual average GWF of FSI, WSI, COI and RCI is 386.3, 420.6, 431.2 and 273.1 mm, respectively.The percentage of blue, green, and gray water in all treatments is in the range of 6.0%～24.0%, 31.8%～58.0%,37.0%～54.0%, respectively, with the RCI giving the greatest green footprint and least blue print.【Conclusion】Comparing traditional method and the proposed WF framework reveals that it is crucial to considering both drainage and GWF in evaluating water use efficiency of the paddy fields. For the four irrigation methods we compare, RCI is most efficient for paddy fields in the region we studied.

grey water footprint; water use efficiency; irrigation measure; water saving and pollution reduction;paddy

肖劍峰, 吳夢洋, 湯樹海, 等. 灌溉措施對稻田灰水足跡和水分利用效率的影響研究[J]. 灌溉排水學報, 2023, 42(2):42-51.

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S271

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022381

1672 - 3317（2023）02 - 0042 - 10

2022-07-12

國家自然科學基金項目（51979074）；江蘇省自然科學基金項目（BK20221504）

肖劍峰（1997-），男。碩士研究生，主要研究方向為農業(yè)水土資源高效利用與保護。E-mail: 201310010011@hhu.edu.cn

操信春（1986-），男。教授，博士生導師，博士，主要研究方向為農業(yè)水土資源高效利用與保護。E-mail: caoxinchun@hhu.edu.cn

責任編輯：白芳芳