基于降水頻率分析的旱直播水稻滴灌灌溉制度研究

摘要：為了推動旱直播水稻滴灌技術(shù)的大面積推廣，選擇位于吉林省中部地區(qū)的岔路河水田試驗基地進(jìn)行灌溉制度試驗，分析旱直播水稻滴灌條件下耗水規(guī)律與耗水強度，首次制定適于吉林省自然條件下旱直播水稻滴灌灌溉制度。結(jié)果表明：旱直播水稻耗水規(guī)律大致相同，表現(xiàn)為前期較少、中期增加、后期又逐漸減少的“單峰式”變化規(guī)律，最大值出現(xiàn)在分蘗期；耗水強度呈先增強后減弱的“單峰式”變化規(guī)律，抽穗開花期為旱直播水稻的需水關(guān)鍵期。制定旱直播水稻滴灌優(yōu)化灌溉制度，豐水年灌水6次，1次灌水時間2 h，灌水定額135 m³/hm²，灌溉定額810 m³/hm²；平水年灌7次，1次灌水時間2～3 h，灌水定額135～225m³/hm²，灌溉定額1 305 m³/hm²；枯水年灌11次，1次灌水時間2～3 h，灌水定額135～225 m³/hm²，灌溉定額2 295 m³/hm²；特枯水年灌12次，1次灌水時間2～3 h，灌水定額135～225 m³/hm²，灌溉定額2 340 m³/hm²。與常規(guī)水稻淹灌相比，不同的水文年型下的旱直播水稻滴灌栽培節(jié)水率均達(dá)到70%以上，節(jié)水效果顯著，節(jié)水潛力巨大，適合在吉林省水田區(qū)尤其是水資源供需矛盾問題突出地區(qū)進(jìn)行適度推廣。

關(guān)鍵詞：旱直播水稻；耗水規(guī)律；降水頻率；優(yōu)化灌溉制度

中圖分類號：S274.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）18-0075-07

收稿日期：2023-12-04

基金項目：吉林省科技發(fā)展計劃項目（編號：20200402007NC）。

作者簡介：司昌亮（1988—），男，黑龍江人，碩士，工程師，從事水利水電工程及節(jié)水灌溉研究。E-mail：scl88927105@163.com。

通信作者：尚學(xué)靈，研究員，從事農(nóng)田水利研究。E-mail：sky.sxl@163.com。

中國是世界上最大的稻米生產(chǎn)國之一^［1］，其稻米產(chǎn)量對全球糧食安全具有深遠(yuǎn)的影響。值得注意的是，水稻在其種植過程中需要耗費大量的水資源，是農(nóng)業(yè)耗水最多的谷物類作物，占農(nóng)業(yè)用水量的60%^［2］。傳統(tǒng)的水稻種植以人工育苗移栽為主，該種植模式勞動強度大，需水量高^［3］。相比傳統(tǒng)的插秧淹灌種植模式，旱直播水稻種植模式能節(jié)省人力資源和農(nóng)業(yè)用水，便于機械化種植，提高作業(yè)效率，具有高效節(jié)水特性，可緩解我國水資源緊缺問題，提高水稻生產(chǎn)率^［4～7］。旱直播水稻可分為旱種旱管和旱種水管2種技術(shù)模式。相較于水稻旱播水管模式，水稻旱播旱管可在充分利用降雨的情況下，通過關(guān)鍵生育期灌水措施提高稻米產(chǎn)量和水分生產(chǎn)效率^［8-11］。不同水分管理方式對旱直播水稻產(chǎn)量存在顯著影響，旱管模式下節(jié)約灌水量50%左右，產(chǎn)量降低 7%～16%^［12］。隨著直播稻的大力推廣與應(yīng)用，我國河南、河北、黑龍江、寧夏等地直播面積也在不斷擴大，其中寧夏水稻直播面積已達(dá)到水稻種植面積的 95%，吉林省也有部分地區(qū)開始嘗試進(jìn)行旱直播水稻種植^［13-16］。但隨著旱直播水稻種植面積的不斷擴大，實際生產(chǎn)中灌溉制度缺失、水肥脫節(jié)等問題嚴(yán)重制約著旱直播水稻技術(shù)的大面積推廣。

本研究根據(jù)吉林省的自然氣候條件，以控制灌溉為基礎(chǔ)，在岔路河灌溉試驗站進(jìn)行旱直播水稻滴灌種植灌溉制度試驗，分析滴灌條件下旱直播水稻耗水量及耗水強度的變化規(guī)律，探究旱直播水稻滴灌條件下產(chǎn)量變化特征，探求降水頻率分布特征，確定不同灌溉保證率下旱直播水稻種植典型年，求解滴灌灌溉水力參數(shù)，并首次制定適于吉林省中部地區(qū)旱直播水稻滴灌栽培的優(yōu)化灌溉制度，既可實現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)增效，又可節(jié)約大量水資源，使有限的水資源合理再分配，保障水資源的可持續(xù)利用，對于水生態(tài)環(huán)境和糧食安全建設(shè)具有重要的現(xiàn)實意義^［17-19］。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

岔路河灌溉試驗站位于吉林省永吉縣岔路河鎮(zhèn)，地處吉林省中東部松嫩平原向長白山區(qū)過渡地帶，四季分明，大陸性季風(fēng)氣候，多年平均蒸發(fā)量1 316 mm，多年平均降水量為673 mm，平均風(fēng)速3.1 m/s，年平均氣溫4.4 ℃，平均年積溫2 704 ℃，多年平均日照時數(shù)2 445 h，年平均無霜期145 d，最大凍土層深度1.5 m。岔路河灌溉試驗站試驗區(qū)土壤理化性質(zhì)為：

容重 1.26 g/m³、pH值7.4、田間持水量24.6%、有機質(zhì)含量15.21 g/kg、堿解氮含量62.42 mg/kg、有效磷含量18.21 mg/kg、速效鉀含量143.27 mg/kg。

1.2 方案設(shè)計

以岔路河灌溉試驗站2021年灌溉制度試驗數(shù)據(jù)為研究對象。試驗選擇在基地的測桶試驗區(qū)（具備遮雨棚）內(nèi)進(jìn)行，采用滴灌進(jìn)行補充灌溉，采取不利用雨水、完全依靠灌溉的策略。

參考《灌溉試驗規(guī)范》（SL 13—2015），旱直播水稻生育階段劃分為7個階段：發(fā)芽出苗期、苗期、分蘗期、拔節(jié)孕穗期、抽穗開花期、乳熟期和黃熟期^［20］。本試驗選擇7個生育期中對水分較為敏感的5個生育期（苗期、分蘗期、拔節(jié)孕穗期、抽穗開花期、乳熟期）進(jìn)行土壤水分控制，其余2個生育期（發(fā)芽出苗期、黃熟期）不處理。不同土壤水分控制下限標(biāo)準(zhǔn)確定不同的灌水定額，試驗采用5因素4水平均勻試驗設(shè)計，其中5因素選擇苗期、分蘗期、拔節(jié)孕穗期、抽穗開花期、乳熟期，4水平為4種土壤水分下限控制水平，即田間持水量的100％、90％、80％、70％，上限為田間持水量（表1）。

1.3 試驗區(qū)設(shè)計

本試驗在測桶內(nèi)進(jìn)行，測桶直徑0.6 m，高0.9 m，測桶內(nèi)的土壤為水田耕作土壤原狀回填。每個測桶均單灌單排，單獨計量，定量定時灌溉，灌溉水為井水，采用張力計及剖面土壤水分測量儀（TRIME）指導(dǎo)灌溉。

旱直播水稻采用旱種旱管模式，按照1管4行（寬窄行）種植模式（行距10、20、10 cm，穴距10～20 cm），于5月1日在測桶內(nèi)人工播種，5月26日左右出苗，10月7日收割。播種后觀測逐日土壤墑情、土壤溫度、作物長勢，記錄每次灌水量。

氮肥、磷肥、鉀肥用量按 N∶P₂O₅∶K₂O=2∶1∶1比例施用，全生育期施 N 180 kg/hm²、P₂O₅90 kg/hm²、K₂O 90 kg/hm²。磷肥一次性作基肥施用，氮肥按基肥∶分蘗肥∶調(diào)節(jié)肥∶穗肥=4∶3∶1∶2比例施用，鉀肥按照基肥∶穗肥=6∶4 比例施用，均采用滴施的方式進(jìn)行。病蟲草害防治采用統(tǒng)一管理方式。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用WPS 2021、DPS、SPSS數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 旱直播水稻滴灌條件下全生育期耗水量與耗水強度分析

旱直播水稻種植全程采用旱作模式，不建立水層，不存在泡田期。故在進(jìn)行旱直播水稻耗水量分析計算時，以旱田耗水量計算公式為依據(jù)，求得旱直播水稻滴灌條件下分生育階段耗水量，進(jìn)而更加精準(zhǔn)地分析旱直播水稻全生育期耗水情況。其耗水量計算公式為：

ET_1-2=10∑ni=1γ_iH_i（W_i1-W_i2）+M+P+K-C。（1）

式中：ET_1-2為階段耗水量，mm；i為土壤層次數(shù)號數(shù)；n為土壤層次總數(shù)目；γ_i為第i層土壤干容重，g/cm³；H_i為第i層土壤的厚度，cm；W_i1為第i層土壤在時段初的含水量（干土重的百分率）；W_i2為第i層土壤在時段末的含水量（干土重的百分率）；M為時段內(nèi)的灌水量，mm；P為時段內(nèi)的有效降水量，mm；K為時段內(nèi)的地下水補給量，mm；C為時段內(nèi)的排水量（地表排水與下層排水之和），mm。

灌溉期間地下水位埋深在10 m以下，所以地下水的補給量在計算作物耗水量時不予考慮，即K=0。試驗區(qū)采用滴灌技術(shù)，定點定時定量地灌水，不會產(chǎn)生深層滲漏和地表排水，所以不予考慮時段內(nèi)排水量，即C=0；一般將5 mm以下的降水稱為無效降水，計算時不考慮，故公式變?yōu)椋?/p>

ET_1-2=10∑ni=1γ_iH_i（W_i1-W_i2）+M+P。（2）

由表2可知，各處理下旱直播水稻耗水規(guī)律大致相同，均表現(xiàn)為前期較少、中期增加、后期又逐漸減少的“單峰式”變化規(guī)律，最大值出現(xiàn)在分蘗期，最小值出現(xiàn)在黃熟期。其中，發(fā)芽出苗期—苗期的耗水量為10.55～55.85 mm，這段時期水稻沒有葉片或葉片較小，蒸發(fā)蒸騰主要以棵間蒸發(fā)為主；分蘗期的耗水量為131.62～153.86 mm，這段時期水稻葉片增加并逐漸覆蓋地表，蒸發(fā)蒸騰由棵間蒸發(fā)為主轉(zhuǎn)為葉片蒸騰為主；拔節(jié)孕穗期—抽穗開花期的耗水量為82.34～148.73 mm，這一時期水稻葉片發(fā)達(dá)，已基本覆蓋田面，水稻生長茂盛，是水稻生育期中最重要的時期，蒸發(fā)蒸騰主要以葉片蒸騰為主；乳熟—黃熟期階段耗水量為5.99～70.13 mm，這一時期水稻生長進(jìn)入成熟時期，葉片蒸騰減少，棵間蒸發(fā)也減少，水稻耗水量也隨之減少。

因KZ1處理的分生育階段土壤水分以田間持水量作為控制水平，故可將此處理的耗水量作為旱直播水稻實際耗水量，并以此進(jìn)行耗水強度（圖1）及灌溉制度研究。

由圖1可知，隨著水稻生育期的推進(jìn)，旱直播水稻實際耗水強度呈先增強后減弱的“單峰式”規(guī)律變化，抽穗開花期最高，發(fā)芽出苗期最低。故可確定抽穗開花期為旱直播水稻的需水關(guān)鍵期。

2.2 旱直播水稻產(chǎn)量差異性分析

由表3可知，與充分灌溉相比，旱直播條件下各處理均存在不同程度的減產(chǎn)。其中，KZ9處理減產(chǎn)最為嚴(yán)重，減產(chǎn)率32.28%；其次為KZ12處理，減產(chǎn)率32.05%；KZ10處理減產(chǎn)率最小，僅為0.08%。

由表3還可知，旱直播水稻滴灌灌溉可實現(xiàn)水稻穩(wěn)產(chǎn)，但也對各生育期的土壤水分提出了嚴(yán)格要求。若水稻各生育期的土壤水分控制不嚴(yán)格，不能及時、有效地進(jìn)行補充灌溉，水稻需水無法得到及時滿足時，水稻減產(chǎn)的概率較大，且減產(chǎn)幅度亦較大。故亟需制定合理、有效的旱直播水稻滴灌灌溉制度，以保證旱直播水稻滴灌灌溉的有效運行與推廣。

2.3 旱直播水稻滴灌條件下灌水定額分析

根據(jù)根系生長狀況，可將灌水定額按4個階段進(jìn)行劃分，即發(fā)芽出苗期、苗期—分蘗期、拔節(jié)孕穗期—抽穗開花期、乳熟期—黃熟期，并根據(jù)這4個階段的相應(yīng)參數(shù)（表4）計算灌水定額。

參照《微灌工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50485—2020）^［21］和《半干旱地區(qū)玉米膜下滴灌工程規(guī)劃設(shè)計規(guī)程》（DB 22/T 2642—2017）^［22］計算旱直播水稻滴灌水力參數(shù)，確定灌水定額。

由表5可知，旱直播水稻滴灌條件下發(fā)芽出苗期、苗期—分蘗期、拔節(jié)孕穗期—抽穗開花期、乳熟期—黃熟期的毛灌水定額分別為67.20、131.70、213.33、220.00 m³/hm²，各階段一次灌水延續(xù)時間分別為0.81、1.58、2.56、2.64 h。

2.4 旱直播水稻設(shè)計代表年的確定

運用吉林市永吉縣氣象站連續(xù)30年（1990—2019年）的降水量資料成果為典型數(shù)據(jù)，利用降水頻率分布曲線統(tǒng)計分析，分別求得25%、50%、75%、90%灌溉保證率下的吉林市（5—10月）水稻全生育期降水量為762.33、636.17、548.41、497.05 mm。

經(jīng)計算，吉林市2015、2008、2014、2000年5月1日至10月7日（已覆蓋旱直播水稻全生育期）降水量分別為729.00、637.00、556.20、479.40 mm，分別與各灌溉保證率下降水量最為接近，因此將2015、2008、2014、2000年分別選定為灌溉保證率25%、50%、75%、90%的典型年。

2.5 旱直播水稻有效降水量、灌溉定額和灌水次數(shù)的確定

根據(jù)典型年降水量推導(dǎo)有效降水量，則2015、2008、2014、2000年的有效降水量分別為579.60、509.60、444.96、383.52 mm。

依據(jù)求得的旱直播水稻分生育階段耗水量、毛灌水定額、有效降水量，求得不同灌溉保證率下旱直播水稻滴灌全生育期內(nèi)的灌溉定額與灌水次數(shù)。

由表6可知，在耗水量相同的情況下，隨著灌溉保證率從25%增加到90%，旱直播水稻的灌水次數(shù)逐漸增加，依次為6、7、11、12次，90%灌溉保證率下的灌水次數(shù)比25%灌溉保證率下多6次，增加100%。

2.6 旱直播水稻優(yōu)化灌溉制度的制定

結(jié)合“2.1”節(jié)、“2.2”節(jié)、“2.3”節(jié)研究結(jié)果，制定旱直播水稻滴灌條件下的灌溉制度。

為了便于實際操作，對制定的旱直播水稻灌溉制度（表7）進(jìn)行取整、精簡、優(yōu)化，優(yōu)化后的旱直播水稻滴灌灌溉制度更利于旱直播水稻滴灌技術(shù)的大面推廣。

由表8可知，旱直播水稻滴灌條件下豐水年灌水6次，1次灌水2 h，灌水定額135 m³/hm²，灌溉定額810 m³/hm²；平水年灌水7次，1次灌水2～3 h，灌水定額135～225 m³/hm²，灌溉定額1 305 m³/hm²；枯水年灌水11次，1次灌水2～3 h，灌水定額135～225 m³/hm²，灌溉定額2 295 m³/hm²；特枯水年灌水12次，1次灌水2～3 h，灌水定額135～225 m³/hm²，灌溉定額2 340 m³/hm²。

2.7 旱直播水稻節(jié)水能力分析

依據(jù)制定的旱直播水稻滴灌灌溉定額，將50%、75%灌溉保證率下灌溉定額與吉林省地方標(biāo)準(zhǔn)《用水定額》（DB 22/T 389—2019）中吉林市常規(guī)水稻灌溉定額進(jìn)行對比，結(jié)果見表9。

由表9可知，50%灌溉保證率下旱直播水稻滴灌種植較常規(guī)水稻節(jié)約灌溉水量6 295 m³/hm²，節(jié)水率82.83%；75%灌溉保證率下節(jié)約灌溉水量5 505 m³/hm²，節(jié)水率70.58%?？梢?，旱直播水稻滴灌種植節(jié)水效果極為明顯，節(jié)水潛力巨大。

3 討論

本試驗以吉林省自然條件下種植的旱直播水稻為對象，利用岔路河灌溉試驗站2021年灌溉制度試驗數(shù)據(jù)，采取不利用雨水、完全灌溉策略，制定了適于吉林省中部地區(qū)旱直播水稻滴灌優(yōu)化灌溉制度，為旱直播水稻滴灌栽培技術(shù)在吉林省的示范和推廣提供重要的理論基礎(chǔ)依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐，對吉林省稻作節(jié)水具有重大的戰(zhàn)略意義。

旱直播水稻滴灌栽培技術(shù)是將旱直播技術(shù)與滴灌技術(shù)有機結(jié)合，通過滴灌系統(tǒng)將水肥藥精準(zhǔn)地輸送到水稻的根部，提高水分、養(yǎng)分的利用效率，同時避免大水漫灌帶來的水資源浪費，是一種新型的水稻種植技術(shù)，具有節(jié)水、高效、方便等優(yōu)點。本研究結(jié)果顯示：

（1）與常規(guī)水稻淹灌相比，旱直播水稻節(jié)水效果極為明顯，田間節(jié)水率達(dá)70%以上。

（2）與常規(guī)水稻淹灌相比，旱直播水稻根系更長、更粗、更壯，分布范圍更廣，活力更強，且呈現(xiàn)白根多、黑根少的現(xiàn)象。

（3）旱直播水稻滴灌栽培不建立水層，具有良好的促控作用，能降低田間濕度，抑制雜草生長，提高透光率和通風(fēng)，不利于病菌存活。

（4）旱直播水稻滴灌栽培可有效提高水分和養(yǎng)分的利用率，減輕施用的農(nóng)藥和肥料下滲流失，緩解面源污染。

（5）旱直播水稻滴灌栽培技術(shù)采用滴灌系統(tǒng)進(jìn)行水肥管理，減少了人工干預(yù)和勞動強度。

綜上，隨著水資源的日益短缺，旱直播水稻滴灌種植相比于常規(guī)水稻淹灌種植優(yōu)點顯著，具有較好的經(jīng)濟、社會、生態(tài)效益，故建議在以高效節(jié)水灌溉為前提的條件下，在水田區(qū)適度推廣旱直播水稻滴灌栽培技術(shù)，以緩解水田區(qū)水資源供需矛盾問題，有效促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)論

在不同水分處理下，旱直播水稻耗水規(guī)律大致相同，均表現(xiàn)為前期較少、中期增加、后期又逐漸減少的“單峰式”變化規(guī)律，最大值出現(xiàn)在分蘗期，最小值出現(xiàn)在黃熟期。

旱直播水稻實際耗水強度呈先增強后減弱的“單峰式”變化規(guī)律，抽穗開花期為旱直播水稻的需水關(guān)鍵期。

為了便于實際操作，利用降水頻率分布曲線統(tǒng)計分析，求得旱直播水稻不同生育階段的耗水量、毛灌水定額、有效降水量等水力參數(shù)，制定旱直播水稻滴灌優(yōu)化灌溉制度，即：豐水年灌水6次，1次灌水時間2 h，灌水定額135 m³/hm²，灌溉定額810 m³/hm²；平水年灌水7次，1次灌水時間2～3 h，灌水定額135～225 mm³/hm²，灌溉定額1 305 m³/hm²；枯水年灌水11次，1次灌水時間2～3 h，灌水定額135～225 m³/hm²，灌溉定額2 295 m³/hm²；特枯水年灌水12次，1次灌水時間2～3 h，灌水定額135～225 m³/hm²，灌溉定額2 340 m³/hm²。

與常規(guī)水稻淹灌相比，50%灌溉保證率下旱直播水稻滴灌種植節(jié)約灌溉水量6 295 m³/hm²，節(jié)水率82.83%，75%灌溉保證率下節(jié)約灌溉水量5 505 m³/hm²，節(jié)水率70.58%，節(jié)水效果明顯，節(jié)水潛力巨大，可見在水田區(qū)適度推廣旱直播水稻滴灌栽培技術(shù)能有效緩解水田區(qū)水資源供需矛盾。

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