稻田水資源利用效用的灌排模式響應(yīng)

李玥瑤， 吳夢(mèng)洋， 操信春， 湯樹海

(1. 河海大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210098；2. 漣水縣水利科學(xué)研究站，江蘇 淮安 223200)

農(nóng)業(yè)用水是水資源消耗最主要的部分，占全球總用水量的70%。農(nóng)業(yè)水資源的可持續(xù)發(fā)展是保障糧食高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要前提。中國(guó)廣義農(nóng)業(yè)水資源中超過50%來源于耕地的有效降水，同時(shí)降水對(duì)山水林田湖草生命共同體的系統(tǒng)治理和生態(tài)維護(hù)都十分關(guān)鍵。然而，受到技術(shù)方法和理論研究的局限，當(dāng)前在田間尺度上節(jié)水評(píng)價(jià)與用水管理多是通過減少灌溉水來實(shí)現(xiàn)的。因此對(duì)包含降水的農(nóng)業(yè)廣義水資源利用效用進(jìn)行全面評(píng)價(jià)是農(nóng)業(yè)水資源可持續(xù)利用決策的現(xiàn)實(shí)要求，也是對(duì)新時(shí)期治水方針的響應(yīng)。近年來，農(nóng)業(yè)用水及其效率的評(píng)價(jià)對(duì)象由灌溉水的單一評(píng)價(jià)向包含降水在內(nèi)的廣義水評(píng)價(jià)擴(kuò)展，評(píng)價(jià)指標(biāo)由傳統(tǒng)灌溉效率和作物水分利用效率轉(zhuǎn)向多水源的水資源效用及其對(duì)水環(huán)境的影響。這豐富了水資源利用的評(píng)價(jià)內(nèi)涵、擴(kuò)展了指標(biāo)的時(shí)空尺度，也增加了農(nóng)業(yè)水資源利用效用的維度。一直以來，關(guān)于農(nóng)業(yè)水資源利用量和利用效率評(píng)價(jià)指標(biāo)的定義還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。但不同空間尺度下的農(nóng)業(yè)水資源利用效用的評(píng)估內(nèi)容主要包括水資源利用量、水資源利用程度以及水資源產(chǎn)出能力的3個(gè)方面。已有研究利用全生育期灌溉水和降水投入的比例粗略計(jì)算出各平衡要素來自灌溉水和降水的部分，缺少伴隨水稻生長(zhǎng)進(jìn)程以水分遷移完整過程為基礎(chǔ)的灌溉水和降水精準(zhǔn)劃分。

水稻占中國(guó)糧食總產(chǎn)量的35%，是我國(guó)最主要的糧食作物之一。水稻種植過程涉及到與農(nóng)業(yè)水資源利用相關(guān)的完整過程，因此本文選取水稻為研究對(duì)象。改變灌溉排水模式是研究稻田水分運(yùn)移和利用效用的主要手段，已在水稻增產(chǎn)、節(jié)水及控污減排等方面進(jìn)行大量探索。不同灌排模式下的水資源消耗及其利用效率也是該領(lǐng)域的重要研究方向。Zhuang等模擬了節(jié)水灌溉模式對(duì)全國(guó)水稻用水效率和產(chǎn)量的影響，并評(píng)價(jià)了節(jié)水灌溉技術(shù)在不同區(qū)域的適用性；朱成立等借助試驗(yàn)手段觀測(cè)了田溝尺度控制灌排模式的節(jié)水減污效應(yīng)；操信春等結(jié)合數(shù)學(xué)分析方法提出了田間水資源利用效率綜合評(píng)價(jià)的水足跡框架。以往的研究雖然在農(nóng)田節(jié)水減排方面取得了重要進(jìn)展，但是在區(qū)分灌溉水和降水的利用上只是進(jìn)行簡(jiǎn)單假設(shè)，難以全面而真實(shí)地對(duì)水資源利用效用進(jìn)行揭示。本研究通過觀測(cè)不同灌排模式下的稻田水量平衡過程，構(gòu)建灌溉水、降水資源消耗分解的計(jì)算方法，從利用量、利用程度和產(chǎn)出能力3個(gè)層次構(gòu)建水資源效用評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析灌排模式對(duì)稻田水資源來源利用效用的影響，以期為農(nóng)業(yè)水資源高效利用理論的發(fā)展和水稻節(jié)水減排實(shí)踐提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)布設(shè)

試驗(yàn)于2017-2018在漣水水利科學(xué)研究站的試驗(yàn)田內(nèi)進(jìn)行,該研究站位于江蘇省淮安市漣水縣朱碼鎮(zhèn)境內(nèi)，地理位置坐標(biāo)是119°16′33″E，33°50′45″N。試驗(yàn)區(qū)土質(zhì)為壤土，土壤容重為1.42 g/cm，田間持水率(質(zhì)量含水率)為27.9%，pH為6.82，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.19%。采用當(dāng)?shù)爻Ｓ玫?種灌排模式：淺水勤灌(FI)、淺濕灌溉(WI)、控制灌溉(CI)和蓄水控灌(RI)的模式，設(shè)置4個(gè)處理、4個(gè)重復(fù)進(jìn)行水稻控制排水試驗(yàn)，各處理水分控制指標(biāo)見表1。本試驗(yàn)的水稻種植采用桶栽的方式，測(cè)桶內(nèi)側(cè)長(zhǎng)×寬×高為90 mm×68 mm×67 mm。試驗(yàn)測(cè)桶除灌排模式不同外(圖1)，其他管理措施一致。2017年和2018年水稻分別于6月17日和6月15日移栽，行株距為20 cm×15 cm，每穴3株，10月20日和10月12日收割。

表1 不同灌溉模式下的灌排標(biāo)準(zhǔn)

1.2 測(cè)定指標(biāo)

(1)土壤水分：每日上午8：00，當(dāng)田面有水層時(shí)，利用鋼尺人工讀取水層的深度，遇降雨進(jìn)行加測(cè)。當(dāng)田面沒有水層時(shí)，利用TDR探頭進(jìn)行土壤水分測(cè)定，在測(cè)桶中心處0～30 cm的土壤預(yù)埋1組TDR探頭。

(2)灌水和排水：參照各處理灌排控制標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)田面水層深度低于灌水下限時(shí)，需要及時(shí)補(bǔ)水以達(dá)到灌水上限；若田面水層深度大于最大蓄雨深度時(shí)，需要及時(shí)排水，使水層深度降至蓄雨上限。每次灌排后做好灌溉排水的時(shí)間和灌溉排水量的記錄。

(3)滲漏量：通過在桶底埋置三通管來模擬蒸滲儀測(cè)量滲漏量。三通管中的水面線要始終保持在桶內(nèi)土面以下的30 cm左右。

(4)產(chǎn)量：在水稻收割前，對(duì)每個(gè)處理的水稻進(jìn)行單打單收，待水稻自然曬干后測(cè)定該測(cè)桶內(nèi)的水稻實(shí)際產(chǎn)量。

(5)降水量：通過試驗(yàn)站雨量筒觀測(cè)。

圖1 試驗(yàn)測(cè)桶布置示意

1.3 水資源消耗與利用效率指標(biāo)計(jì)算

(1)田間耗水量。田間耗水量WRC可定義為田間水資源被使用或排出后不可再利用的部分。田間水分消耗途徑有蒸發(fā)蒸騰和深層滲漏2種。

WRC=+LEA

式中：WRC為田間耗水量(mm)；為田間蒸散量(mm)；LEA為田間滲漏量(mm)。

式中：為核算時(shí)段的總天數(shù)；為第天的田間蒸散量(mm)；LEA為第天的田間滲漏量(mm)。

每日的田間蒸散量根據(jù)稻田日水量平衡方程計(jì)算。

PRE+IRR=+DRA+LEA+FWD-FWD-1

式中：PRE為第天的降水量(mm)；IRR為第天的灌水量(mm)；DRA為第天的地表排水量(mm)；FWD為在第天結(jié)束時(shí)田間水層深度(mm)；FWD-1為第-1天結(jié)束時(shí)田間水層深度(mm)。

田間每日蒸散量和滲漏量中來自灌溉水和降水的部分均通過前1天結(jié)束時(shí)田間水層中灌溉水和降水的比例進(jìn)行計(jì)算。

(2)田間水資源利用效率。水資源利用效率包括水資源產(chǎn)出能力和有效利用程度2個(gè)方面。本文選取灌溉水生產(chǎn)力(IWP)、降水生產(chǎn)力(PWP)、水資源生產(chǎn)力(WRP)3個(gè)水資源產(chǎn)出能力指標(biāo)。其中灌溉水生產(chǎn)力定義為單位灌溉水有效投入量的糧食產(chǎn)量。降水生產(chǎn)力定義為單位降水有效投入量的糧食產(chǎn)量，計(jì)算公式為：

式中：為單位產(chǎn)量(kg/hm)；IRR為灌溉水投入量(mm)；DRA為灌溉水的地表排水量(mm)；PRE為降水投入量(mm)；DRA為降水的地表排水量(mm)。

水資源生產(chǎn)力WRP的含義是單位田間耗水量的糧食產(chǎn)量，用產(chǎn)量和田間耗水量的比值來計(jì)算。計(jì)算公式為：

式中：WRP為水資源生產(chǎn)力(kg/m)；為產(chǎn)量(kg/hm)。

衡量田間水資源有效利用程度，本文選取了灌溉效率()、降水利用率()、廣義水利用系數(shù)3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析。灌溉效率通過灌溉水的田間蒸散量和灌溉水投入量的比值進(jìn)行計(jì)算。降水利用率通過降水的田間蒸散量與降水投入量的比值計(jì)算。計(jì)算公式為：

改進(jìn)的廣義水利用系數(shù)()是衡量廣義水資源利用程度的指標(biāo)，通過田間耗水量與農(nóng)業(yè)廣義水資源投入量的比值來計(jì)算。其中廣義水資源投入量由灌溉水和降水2部分組成。計(jì)算公式為:

式中：IRR為灌溉水投入量(mm)；PRE為降水投入量(mm)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2019和SPSS 26軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和圖表繪制。影響因素的顯著性分析采用逐步線性回歸方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 稻田水量平衡參數(shù)及產(chǎn)量

稻田的水量平衡是稻田水資源消耗和利用的基礎(chǔ)，同時(shí)產(chǎn)量也是衡量水資源利用效率的重要因素。表2為2017-2018年各處理稻田水量平衡參數(shù)及產(chǎn)量的差異。通過對(duì)稻田的水量平衡分析，可以獲取不同灌排模式對(duì)各水量平衡要素以及田間耗水量的影響。

表2 2017-2018年各處理水量平衡參數(shù)

由表2可知，灌排模式對(duì)各水量平衡參數(shù)影響顯著。RI和CI處理的IRR較其他處理顯著減少，LEA和在各處理中也相對(duì)較低。相比FI和WI處理，RI和CI處理能夠依據(jù)水稻的需水規(guī)律，進(jìn)行田間水資源調(diào)控，減少IRR的投入；同時(shí)RI和CI處理的稻田除了返青期外田間不再設(shè)有水層，因此相對(duì)較低。在灌水上下限相同的情況下，RI處理較CI處理提高了蓄水深度，因此其LEA也更大。田間耗水量(WRC)由和LEA 2部分構(gòu)成，從水資源消耗的情況看，2017-2018年各處理占WRC的比例均超過了50%，蒸散發(fā)是水資源消耗的主要途徑。CI處理的在WRC中的占比在各處理中最大，RI處理次之。由于蒸散發(fā)是作物生產(chǎn)過程中的必要消耗，在WRC中的比例越大，表明更多的水資源在作物生產(chǎn)過程發(fā)揮了作用，因此CI、RI處理的水資源消耗結(jié)構(gòu)更加合理。

從表2還可以看出，2017-2018年WI的產(chǎn)量在各處理中最大，CI處理次之，并且與WI處理的差異不超過6%，但已有研究表明，CI處理相較于WI能夠顯著提高莖稈抗倒伏能力，所以綜合考慮下CI模式能夠更好地保證高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。

2.2 不同灌排模式田間水資源投入量和消耗量及其構(gòu)成

田間水資源由灌溉水和供給作物生長(zhǎng)發(fā)育過程中蒸散發(fā)消耗的降水構(gòu)成，也稱為廣義水資源投入量。對(duì)稻田水資源遷移的分析也是稻田水資源消耗及利用效率評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。由圖2可知，2017年各處理田間水資源的投入量的變化范圍為1 079.4～1 428.1 mm，其中RI處理的投入量在各處理中最少，CI處理次之。2018年降水量較2017年減少44.5%，田間水資源投入量也明顯減少，各處理的大小關(guān)系與2017年一致。2017年各處理田間耗水量(WRC)的變化范圍為717.4～999.1 mm，CI處理最小，RI處理次之；2018年各處理WRC的變化范圍為695.9～901.2 mm，各處理間大小關(guān)系與2017年相同。由于RI和CI處理的田面水層深度較低，蓄水深度又相對(duì)較高，一定程度減少了田間蒸散量，降低了田間滲漏量，所以WRC在各處理中也相對(duì)較低。從田間水資源的消耗結(jié)構(gòu)看，各處理降水消耗量的占比均超過了50%，平均值達(dá)到595.2 mm。2017-2018年RI處理降水消耗量平均占比為84.8%，在各處理中最大，CI處理次之。這說明RI和CI處理更有利于傳統(tǒng)意義上的灌溉水節(jié)約，同時(shí)田間灌溉消耗的成本就越低。此外，2018年各處理WRC中降水的平均占比相較2017年降低了11.0%，這表示降水投入量減少帶來的廣義水資源投入量結(jié)構(gòu)的改變也會(huì)影響到田間水資源消耗的結(jié)構(gòu)。

圖2 2017-2018年各處理田間水資源投入量和消耗量及其構(gòu)成

2.3 灌排模式對(duì)水資源利用效率指標(biāo)的影響

水資源利用效率的評(píng)價(jià)包含水資源產(chǎn)出能力和利用程度2方面。由表3可知，灌排模式對(duì)產(chǎn)出能力的各項(xiàng)指標(biāo)影響顯著。RI處理的IWP年均值為8.042 kg/m，在各處理中最大；CI處理次之，其IWP年均值為5.392 kg/m。2018年各處理灌溉水投入量的差異顯著性較2017年減弱，所以IWP的差異也相對(duì)減少。同時(shí)還可以看出，2017-2018年各處理PWP的變化范圍為1.0～1.7 kg/m。CI處理的PWP年均值為1.539 kg/m，WI處理次之，這2個(gè)處理間的差異不超過5%。2018年的PWP較2017年整體有所提高，這說明降水投入量的相對(duì)減少可能有助于PWP的提升。2017-2018年各處理WRP的變化范圍為0.96～1.41 kg/m，其中CI處理的WRP均在各處理中最大，年均高達(dá)1.364 kg/m，WI、RI、FI的WRP分別比CI處理減少了13.8%，20.2%，29.2%。綜合以上分析，灌排模式對(duì)水分生產(chǎn)力影響顯著，CI處理下稻田水資源產(chǎn)出能力較強(qiáng)。

基于水資源利用的有效程度層面本文選取了灌溉效率()、降水利用率()、廣義水利用系數(shù)()，探究灌排模式對(duì)利用程度的相關(guān)指標(biāo)的影響。由表4可知，CI處理的年均為0.472，在各處理中最高，RI處理次之，這2個(gè)處理間的差異不超過3%，因此CI處理和RI處理灌溉水的有效利用程度較高。2017-2018年RI處理的在各處理中最大，年均值為0.464；CI處理次之，其的年均值為0.406，可以看出RI和CI處理對(duì)降水的利用程度較高。此外2017-2018年的變化范圍為0.608～0.873，RI處理的在各處理中最大，平均比FI、WI、CI處理高出3.5%，5.6%，12.7%。由于CI處理的田間耗水量(WRC)較其他處理的減少程度比CI處理廣義水資源投入量較其他處理的減少程度小很多，所以導(dǎo)致也在各處理中最低，年均值為0.693。

表3 2017-2018年各處理稻田水資源產(chǎn)出能力相關(guān)指標(biāo)的差異 單位：kg/m3

通過分析發(fā)現(xiàn)，水資源利用程度也受到灌排模式的影響，但處理間的差異小于產(chǎn)出能力指標(biāo)間的差異。RI和CI處理下的、均較高，但是CI處理下的最低，RI處理的在各處理中最高。綜合來看，RI處理下稻田水資源利用程度更高，同時(shí)說明增加一定的儲(chǔ)雨庫容，不僅能提高降水的利用率，對(duì)整個(gè)田間水資源的利用程度也有所提高。

3 討 論

常用的農(nóng)業(yè)用水效率評(píng)價(jià)指標(biāo)的傳統(tǒng)算法是通過全生育期總的灌溉水和降水投入比例，粗略計(jì)算出田間耗水量中灌溉水和降水的部分，沒有考慮到灌溉水和降水在整個(gè)生育進(jìn)程中各自的作用。而本文在計(jì)算水資源效用評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)是以區(qū)分整個(gè)生育期灌溉水和降水通量為切入點(diǎn)，并逐日追蹤稻田水量平衡要素?，F(xiàn)將傳統(tǒng)方法計(jì)算出的用水效率指標(biāo)與本文計(jì)算出的用水效率指標(biāo)進(jìn)行比較。

表4 2017-2018年各處理稻田水資源利用程度的指標(biāo)差異

由圖3可知，采用日尺度下追蹤灌溉水和降水的計(jì)算方法得到的4個(gè)效率指標(biāo)與傳統(tǒng)方法得到的對(duì)應(yīng)指標(biāo)在不同處理的差異情況基本一致。本文計(jì)算得到2017年各處理的IWP較傳統(tǒng)方法的計(jì)算結(jié)果整體偏大；PWP較傳統(tǒng)方法的計(jì)算結(jié)果整體偏小。2018年受到降水投入量減少以及分布的影響，各處理地表排水中只排了降水，所以2種方法計(jì)算得到的IWP與PWP完全相同。、在本文計(jì)算方法下得到的結(jié)果較傳統(tǒng)方法偏低，其中2017-2018年各處理較傳統(tǒng)方法平均降低了23.2%；各處理較傳統(tǒng)方法平均降低49.1%。綜合分析，日尺度下追蹤灌溉水和降水的計(jì)算方法與傳統(tǒng)方法計(jì)算得到的指標(biāo)存在一定差異，除了IWP利用傳統(tǒng)方法下的計(jì)算結(jié)果偏小外，其他3個(gè)指標(biāo)通過傳統(tǒng)方法計(jì)算得到的結(jié)果均較大；2017年傳統(tǒng)方法與本文改進(jìn)方法計(jì)算得到的指標(biāo)差異較2018年更大。這說明以整個(gè)生育進(jìn)程視角進(jìn)行灌溉水和降水消耗通量的區(qū)分，能夠更加真實(shí)準(zhǔn)確地對(duì)田間水資源用水效率進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，特別是在降水頻繁的生育季。

注：帶*的是利用傳統(tǒng)方法計(jì)算得到的指標(biāo)。

此外，有別于常用的單一水資源利用效率評(píng)價(jià)指標(biāo)，本文從水資源“利用量-利用程度-產(chǎn)出能力”3個(gè)層次更加全面地對(duì)水資源效用進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)。在所選的評(píng)價(jià)指標(biāo)中，IWP和PWP反映的是灌溉水和降水有效投入量的產(chǎn)出能力，這2個(gè)指標(biāo)各處理間的差異與WRP所反映出的各處理水資源產(chǎn)出能力的差異基本一致，能看出CI處理下稻田水資源產(chǎn)出能力最強(qiáng)；和反映出的灌溉水和降水的有效利用程度與反映出的廣義水資源的利用程度均表明RI處理的水資源有效利用程度最大。CI處理的和僅次與RI，CI處理的在各處理中最低，但與RI處理間的差異不超過15%。為了從廣義水資源的視角進(jìn)一步對(duì)稻田高效的灌排模式進(jìn)行優(yōu)選，分別在3個(gè)層次中各選取一個(gè)同時(shí)涵蓋降水和灌溉水的綜合型評(píng)價(jià)指標(biāo)。

由圖4可知，在橫縱坐標(biāo)軸尺度相同的前提下，各處理所代表的點(diǎn)在縱坐標(biāo)軸方向上分布得更為密集，意味著各處理的差異小于各處理WRP的差異。其中2017年RI處理的最高，與其他處理的差異范圍在1.5%～14.4%；CI處理的WRP最高，與其他處理的差異范圍在16.2%～31.0%。2018年各處理WRP的平均差異也比各處理平均差異高出10.9%，CI處理的WRP依然最高。這說明在評(píng)價(jià)水資源利用效率時(shí)，WRP更具有代表性。因此CI處理的水資源利用效率在各處理中最高。同時(shí)2017-2018年CI處理的WRC年均值為706.7 mm，在各處理中是最低的，分別比RI、WI、FI處理低了6.7%，17.6%，25.6%。經(jīng)過“利用量-利用程度-產(chǎn)出能力”3個(gè)層次的綜合比對(duì)，優(yōu)選出稻田高效灌排模式為控制灌溉(CI)模式。CI處理可以有效地減少水資源的消耗，提高稻田水資源的產(chǎn)出能力。在控制灌溉模式下進(jìn)一步提升廣義水資源利用的潛力，優(yōu)化農(nóng)業(yè)水資源管理策略也是未來仍需要努力的方向。

注：各處理后括號(hào)內(nèi)數(shù)字為田間耗水量(WRC，mm)。

4 結(jié) 論

稻田水資源消耗量和利用效率指標(biāo)均受到灌排模式的影響。不同灌排模式下田間降水、灌溉水的消耗量均存在較大差異，CI處理水資源消耗量最低，并且消耗結(jié)構(gòu)更加合理。CI處理的稻田水資源產(chǎn)出能力在各處理中最強(qiáng)。RI處理的稻田水資源利用程度更高。分析表明，產(chǎn)出能力的指標(biāo)在評(píng)價(jià)水資源效率時(shí)更具有代表性，結(jié)合水資源利用量?jī)?yōu)選出控制灌溉(CI)為高效稻田灌排模式。CI處理可以有效減少稻田水資源的消耗、提高稻田水資源利用效率，從而更好地實(shí)現(xiàn)水稻種植節(jié)水、高產(chǎn)的目標(biāo)。特別是在降水頻繁的生育季，以區(qū)分整個(gè)生育期灌溉水和降水消耗通量的水資源利用效用評(píng)價(jià)指標(biāo)體系能夠更加準(zhǔn)確而全面地衡量農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中水資源的表現(xiàn)。