根據(jù)常州市水稻灌區(qū)現(xiàn)狀探討推廣控灌模式的意義

曹 琦，莊 楊，徐焯俊

（1.常州市城市防洪工程管理處,江蘇 常州 213022；2,江蘇大禹水務(wù)有限公司,江蘇 常州 213022）

0 引言

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)離不開水資源,隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展,部分水資源充裕地區(qū)也陷入了水質(zhì)性缺水的怪圈,過去有些學者甚至著手研究劣質(zhì)水、微咸水灌溉的可行性,試圖在利弊權(quán)衡中尋找農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與灌溉用水的平衡點。目前,大部分地區(qū)已經(jīng)意識到保障農(nóng)業(yè)用水的重要性,但我國大部分地區(qū)灌溉用水管理粗放、水資源浪費、水肥利用效率低下,要進一步減輕了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的用水壓力,必須從制定科學合理的節(jié)水灌溉制度和提升生產(chǎn)者節(jié)水意識著手。

提升灌溉水利用系數(shù)的動力來源應(yīng)該是提升工程措施和改良管理制度并重,貫穿其中的思想是節(jié)約農(nóng)業(yè)用水,穩(wěn)步提升農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)。調(diào)查數(shù)據(jù)顯示,我國灌溉水有效利用系數(shù)每提高0.05,對應(yīng)可節(jié)約150 億m3~200 億m3的水資源[1]。相比旱作物,水稻是農(nóng)業(yè)用水、用肥大戶,我國水稻種植面積約占糧食作物種植面積的30%,產(chǎn)量近糧食總產(chǎn)量一半,用水量占了農(nóng)業(yè)用水量的60%[2],推廣稻田節(jié)水技術(shù)具有不可忽視的意義。針對水稻灌區(qū)的節(jié)水技術(shù)種類豐富,單灌溉模式就主要有控制灌溉、間歇灌溉、濕潤灌溉、淺灌深蓄等,其中控制灌溉最為常見,它主要以節(jié)水減排為切入點,結(jié)合水稻各生育階段的不同水分需求,以不對水稻的生理機能、干物質(zhì)積累量、產(chǎn)量產(chǎn)生負面影響為灌溉指標的選擇標準[3],對水稻進行有促、有控、有調(diào)的灌溉水量調(diào)整,充分發(fā)揮作物的水分自我調(diào)節(jié)能力,利用根層土壤含水量與水稻之間的互相反饋作用,最大程度地減少灌溉用水量。

國土二調(diào)成果顯示,常州市農(nóng)作物播種面積247.59 萬畝,其中糧食作物播種面積140.87 萬畝,多年平均農(nóng)業(yè)用水量為10.79 億m3,約占總用水量的40%。雖然常州地處太湖水域,水資源充足,但2022年的大旱給我們敲響了警鐘,推廣節(jié)水灌溉,能未雨綢繆節(jié)約水資源,而且非必要不覆蓋水層的模式能增加土壤氧含量,抑制嫌氣性細菌,降低根層土壤中有毒有害物質(zhì)的產(chǎn)生效率,加快有機質(zhì)的分解,提高土壤肥力；另外還有效加大了稻田蓄雨水能力,提升降雨有效利用率,降低降雨產(chǎn)生的地面徑流量,減輕排澇壓力,同時有效減少農(nóng)業(yè)尾水排放和稻田的過度滲漏,控制農(nóng)田氮磷排放,降低農(nóng)業(yè)面源污染排放風險,是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟、社會、環(huán)境三者綜合效益最大化的有效途徑。

本文選取溧陽后六灌區(qū)為常規(guī)灌研究對象,檢測淹灌模式下的農(nóng)田有效水利用系數(shù),分析現(xiàn)行灌溉制度的合理性,再結(jié)合昆山試驗基地多年累積的控灌數(shù)據(jù),分析推廣控制灌溉對節(jié)約水資源、降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本的實際作用。

1 常規(guī)灌指導(dǎo)指標

截至2021年底,常州市有小型灌區(qū)3844 個,絕大部分灌區(qū)灌溉制度缺失,常年根據(jù)農(nóng)戶種植經(jīng)驗采用傳統(tǒng)淹灌,雖然滿足《江蘇省農(nóng)業(yè)灌溉用水定額》（蘇水節(jié)[2019] 17）的要求,但與控制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本,實現(xiàn)農(nóng)作物增產(chǎn)、減排的長期發(fā)展需求并不匹配。

根據(jù)彭世彰,俞雙恩等人的研究成果[4],長江中下游地區(qū)常規(guī)灌指導(dǎo)指標見表1。

生育期返青期6 d~8 d分蘗期30 d 拔節(jié)孕穗期30 d 抽穗開花期30 d~35 d乳熟期20 d黃熟期前期 中期 后期 前期 后期蓄雨水上限/mm 50 70 70 90 120 120 100 60 自然落干灌水上限/cm 3.0 5.0 5.0 θs 6.0 6.0 5.0 3.0 自然落干灌水下限/cm 1.0 2.0 2.0 0.7θs 3.0 3.0 2.0 1.0 自然落干田間水分狀態(tài) 淺水 淺水 淺水 曬田 淺水 淺水 淺水 淺水 自然落干images/BZ_97_207_1789_1193_1829.png

2 樣點灌區(qū)灌水情況

后六灌區(qū)位于常州溧陽市東部平原區(qū),提水灌溉,設(shè)計灌溉面積為0.06 萬畝,2021年有效灌溉面積0.0423 萬畝,田面平整,土壤類型為粘質(zhì)土,作物類型為水稻（南粳46）,采用防滲渠道輸水地面灌溉的形式,地下水埋深為-1.04 m~-3.97 m。將后六灌區(qū)劃分5 個典型田塊,1 號田塊32.61 畝,2 號田塊141.86 畝,3 號田塊102.54 畝,4 號田塊90.11 畝,5號田塊56.11 畝,監(jiān)測水稻全生育期灌水情況。

圖1 后六灌區(qū)平面布置圖

2.1 灌溉水有效利用系數(shù)測算

在樣點灌區(qū)采用水位變化法,計算常規(guī)灌模式下的畝均凈灌溉用水量,由此推求灌區(qū)的凈灌溉水量；檢測渠首流量結(jié)合泵站運行情況,計算灌區(qū)毛灌溉用水量,得出樣點灌區(qū)的農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)。

初始灌水前在田塊適當?shù)臏y量位置打入水尺,其上端與地面相平,灌水結(jié)束20 min 后,以水尺上端為起點,測定水深,此水深為不考慮入滲損失的灌溉水深H1。另外選擇固定點,用無底的鐵筒防止側(cè)滲,鐵筒下沿埋入地面以下10 cm~40 cm（埋深按水稻生育階段調(diào)整）,灌水前在桶內(nèi)布設(shè)防沖塑料布,打入水尺,灌溉開始后,迅速向鐵筒內(nèi)注水,桶內(nèi)水層厚度為H（H 為次灌溉田間灌水深度）,灌水結(jié)束20 min 后,測定筒內(nèi)水位,此時水位與H 的差值即為灌水過程中的入滲水量H2。H1與H2的和即為某次灌溉的田塊實際灌水深度,將其視為典型田塊單次灌溉凈水深。

后續(xù)在田間持有水層時灌水,只需灌水前在田塊適當?shù)臏y量位置打入水尺,其上端與田間水層相平,灌水結(jié)束20 min后,以水尺上端為起點,測定水深,此水深為灌溉凈水深。

典型田塊畝均凈灌溉用水量計算公式為：

式中：n 為典型田塊灌水總次數(shù)；hij為典型田塊單次灌溉凈水深度,cm。

由表2 可知,灌區(qū)畝均凈灌溉水量為395.87 m3/畝,符合溧陽市灌溉用水定額（平水年和設(shè)計年水稻基本用水定額分別為445 m3/畝、495 m3/畝）的標準。根據(jù)W凈=A×Wj（其中A 為灌區(qū)水稻總面積,畝）,估算出后六灌區(qū)水稻全生育期凈灌溉用水量為16.76 萬m3。

表2 2021年后六灌區(qū)測算分析表

在輸水渠道渠首采用旋槳式流速儀進行流量實測,計算方法按《灌溉渠道系統(tǒng)量水規(guī)范》,樣點灌區(qū)為純水稻種植區(qū),毛灌溉水量可近似看做渠首流量與泵站開關(guān)機時間的乘積。

其中：Qi為單次灌水渠首流量,m3/s；Ti為單次灌水時間,h；n 為灌水次數(shù)；W 為灌區(qū)毛灌溉用水總量,m3。

綜上,灌水期間,泵站提水總量為26.61 萬m3,因灌區(qū)渠道旁有總面積約為70.4 畝的蟹塘2 座,在蟹塘邊設(shè)有水尺,測量每次開機灌水期間蟹塘水深變化情況,得到累計水深變化為升高0.467 m,由此可估算灌區(qū)的其他用水量約為2.21 萬m3（即表2 中扣除水量）,水稻生育期毛灌溉水量為24.40 萬m3。后六灌區(qū)2021年灌溉水有效利用系數(shù)為0.687,與發(fā)達國家相比有很大的進步空間。

2.2 灌溉習慣合理性分析

2021年為豐水年，溧陽市6 月~10 月降雨量約為1029.5 mm,降雨天數(shù)54 天左右（其中20 mm 以上降雨量的天數(shù)為10 天）。將表2 的灌水情況與表1 的建議灌溉指標進行比較,得到圖2。

圖2 灌區(qū)灌水情況與常規(guī)灌指導(dǎo)指標對比圖

由圖2 可知,2021年后六灌區(qū)水稻全生育期的16 次灌水有4 次灌水量較少,其中發(fā)生在8 月10 日、11 日的兩次灌水,灌水量明顯低于指導(dǎo)指標下限,這是因為7 月24 日~28 日臺風煙花期間的降水（254 mm）補充了田間水,并且8 月11 日~16 日受冷暖峰交匯影響發(fā)生的降雨量高達233.5 mm,根據(jù)表1 中列明的常規(guī)灌模式下稻田蓄雨水上限值,一般降雨小于20 mm 時處在稻田容蓄降雨能力范圍內(nèi),利用率較高,因此雖然強降雨期間灌水較少,大部分降雨仍舊轉(zhuǎn)變成農(nóng)業(yè)尾水排出稻田。另外,有6 次灌溉量超出表1 建議的灌水上限,勢必引起農(nóng)田滲漏量、廢尾水增加,降低灌溉水有效利用系數(shù)。

綜上,灌區(qū)雖已經(jīng)對農(nóng)田灌溉執(zhí)行總量控制和定額管理,但農(nóng)業(yè)生產(chǎn)人員節(jié)水意識不強,管理隨意性較大,2020年同為豐水年,水稻生育期溧陽市降雨量為1015 mm,灌區(qū)灌水總量為22.54 萬m3,這更證實灌溉習慣的隨意性。因此改良地區(qū)灌溉制度,執(zhí)行控制灌溉,可以有效節(jié)約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)耗費的水資源,提升灌溉水和降雨的有效利用。

3 推廣水稻控制灌溉前景分析

河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室昆山試驗研究基地同處太湖流域,多年平均降水量600 mm,年蒸發(fā)量1365.9 mm。試驗田水稻品種同為南粳46,耕層土壤質(zhì)地為重壤土,根層土壤飽和含水率（θs）平均為50.2%,基于水稻生長環(huán)境的相似性,該試驗基地的控灌試驗結(jié)論對常州市具有極強的參考價值。2014年~2018年,試驗基地根據(jù)表3 控灌模式開展水稻種植試驗。

表3 水稻控制灌溉各生育期階段根層土壤水分控制指標[3]

試驗期用TDR（Trase system 1，Soil Moisture Equipment,USA）觀測土壤含水量（θ）,觀測時間為每天上午8∶00,如需灌水,根據(jù)根層實際含水率和飽和含水率的差值計算實際灌水量Irri=10 H（θs-θ）（式中,H 為根層深度,mm；θs表示飽和含水率,%）。灌水期間采用水表量測灌溉水量,如發(fā)生超灌或突發(fā)降雨需排水,則打開排水口,得到表4。

表4 降雨、灌水量稻季平均值（2014年~2018年）

試驗基地控灌模式下的水稻田多年平均凈灌溉定額僅需270.15 m3/畝。據(jù)統(tǒng)計,2021年常州市水稻灌區(qū)實灌面積約為84.93 萬畝,其中提水渠道灌區(qū)60.49 萬畝,平均凈灌溉定額395.53 m3/畝；提水管灌灌區(qū)0.13 萬畝,平均凈灌溉定額394.00 m3/畝。假設(shè)在全市水稻提水灌區(qū)執(zhí)行表3 的控灌,在其他灌溉條件不變的情況下,最多每年可節(jié)約7600 萬m3的灌溉水,按照大溪灌區(qū)往年農(nóng)業(yè)水價測算報告,不考慮年型和供水運行成本費用的情況下,末級渠系平均水價約為0.116 元/m3,提水灌區(qū)控管后,共計可節(jié)省水稻灌溉成本881 萬元。

常州市大部分灌區(qū)的灌溉設(shè)施和計量水表已經(jīng)滿足推廣控制灌溉的基礎(chǔ)條件,只需加測耕地土壤初始含水率、以及水稻生育期各階段的根系層土壤飽和含水率,同時在田間加設(shè)TDR 探頭跟蹤檢測根系層土壤含水率,保證其不低于灌水下限,原則上可實現(xiàn)控制灌溉。

4 結(jié)語

選取溧陽后六灌區(qū)為常規(guī)灌研究對象,檢測淹灌模式下的農(nóng)田有效水利用系數(shù),分析現(xiàn)行灌溉制度的合理性。結(jié)果表明：后六灌區(qū)2021年灌溉水有效利用系數(shù)為0.687,與發(fā)達國家相比還有很大的進步空間；結(jié)合昆山試驗基地多年累積的控灌數(shù)據(jù)分析得出,推廣控灌技術(shù)可在保障灌溉效率的基礎(chǔ)上有效節(jié)約水資源,降低灌溉成本；改良地區(qū)灌溉制度,執(zhí)行控制灌溉,可以有效節(jié)約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)耗費的水資源,提升灌溉水和降雨的有效利用。