滇中水稻不同灌溉模式需水规律及水分生产率研究

王树鹏，韩焕豪，崔远来，黄 英，王 杰，张 雷

(1.云南省水利水电科学研究院，昆明 650228；2.武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072)

滇中是云南省水稻主产区，水稻种植面积和产量都居云南省前列[1]。水稻是耗水耗肥大户，随着全球水资源的日益贫乏和旱灾的日益严重, 研究水稻在发育过程中对水分的需求、减少水稻灌溉、提高水分利用率是中国节水农业一个重要发展方向[2]。对不同灌溉模式下水稻需水规律和水分生产效率的分析研究是正确制定稻田土壤水分调控标准和指导稻田灌溉管理的重要依据[3]。云南省水稻需水规律研究相对落后，加之云南有突出的高原立体气候和复杂的地形地貌，平原地区已有水稻灌溉试验研究成果不能照搬[4]，故开展云南省水稻需水规律研究必要且迫切。本文以滇中的嵩明和大理两个试验点中稻为研究对象，在大理开展水稻淹水灌溉试验，在嵩明开展淹水灌溉和间歇灌溉两种灌溉模式对比试验研究，分析不同位置及灌溉模式下滇中水稻需水规律，以期对云南水稻高效灌溉用水管理提供依据。

1 试验设计及处理

1.1 试验区概况

嵩明试验区位于25°21′N，103°07′E。属亚热带高原季风气候，夏无酷暑，冬无严寒，多年平均气温15.2 ℃，多年平均降雨量961.7 mm。其中5-10月降水量约占全年降水量的72%～85%。土壤为粉沙质黏壤土，饱和含水量为50.4%，密度为1.27 g/m3。供试水稻品种为云南省农科院最新培育的香型有机稻云粳37，5月18日插秧，9月15日收割，整个生育期共121 d。

大理试验区位于25°50′N、100°10′E。四季温差小，冬干夏雨，垂直差异显著。土壤类别中紫色土类占土地总面积的31.75%，红壤土占27.7%。试验区耕作层属粉沙质壤土，土壤饱和体积含水率为48.23%，田间持水率为41.5%，密度为1.14 g/cm2。供试水稻品种为当地普遍种植的楚粳28，5月11日插秧，9月25日收割，整个生育期共138 d。

1.2 试验处理设计

嵩明水稻不同灌溉模式试验在大型测坑中进行，2个有底测坑和1个无底测坑用来进行间歇灌溉试验，另2个有底和1个无底测坑进行淹水灌溉试验，共6个测坑。两种灌溉模式的水层控制标准见表1，每日早上8∶00观测测坑水层深度。插秧后至返青期各灌溉模式均保持 30 mm 的水层，以后土壤水分到达灌前下限即灌至上限，灌水及降雨前后加测, 当无水层时采用土壤水分速测仪TDR测定土壤水分, 并于各生育期观测水稻生理发育动态, 收获时测定各项产量结构指标。

表1 嵩明水稻测坑水层控制标准

大理水稻在农民田间用塑料薄膜包裹的田埂隔成的小区内进行，只进行淹水灌溉试验，具体水层控制标准见表2。小区水位用自计式HOBO水位计进行观测。

表2 大理水稻小区水层控制标准 mm

2 结果与分析

2.1 水稻需水规律

水稻蒸发蒸腾量(ETc)由耗水量减去渗漏量获得，有水层时日耗水量由水量平衡方程为：

WC=h1-h2+P+m-d

(1)

式中：WC是时段内田间耗水量；h1是时段初田面水层深度；h2是时段末田面水层深度；P是时段内降雨量；m是时段内的灌水量；d是时段内排水量。

无水层时，由TDR所测土壤含水率变化后依式(2)计算，即：

S=gH(q1-q2)

(2)

式中：S是土壤含水量变化量，mm；γ是土壤密度，g/cm3；H是土壤湿润层深度，mm；θ1，θ2分别是时段前后土壤含水率，%。

当无降雨、灌溉及田间渗漏发生时，S即为某一时段的蒸发蒸腾量；如当日有降水，再把降水量计算进去。嵩明、大理两地不同灌溉模式水稻各生育期日均蒸发蒸腾量如表3所示。由表3可见，两地水稻各生育期日均ETc都是返青期较小，分蘖期最大，以后各生育期持续减小。这和内地低海拔地区水稻日均ETc最大值出现在拔节孕穗期或抽穗开花期不同，主要是大理、嵩明两地和低海拔地区的气候差异所致。水稻ETc是水稻生长发育进程及气候条件共同作用的结果，从水稻生长发育进程而言，一般拔节孕穗期或抽穗开花期叶面积指数最大，需水最旺盛，因此次阶段的蒸发蒸腾强度最大，云南高原地区中稻返青及拔节期在5月底到6月中旬，正处于旱季，虽然从水稻生理角度不是需水最旺盛期，但由于气候干燥，因此其日均ETc最大，而进入拔节孕穗期或抽穗开花期，由于进入雨季，其日均ETc相应减少。

表3 试验点水稻各生育期日均蒸发蒸腾量 mm

两地比较表明，在返青期和黄熟期，嵩明水稻日均ETc低于大理；分蘖期、抽穗开花期和乳熟期时的日均ETc均高于大理；拔节孕穗期两地日均ETc相差不大。不同灌溉模式比较表明，嵩明两种灌溉模式下的日均ETc相差较小，除分蘖期外，其余生育期淹水灌溉下的日均ETc稍高于间灌。

2.2 参考作物蒸发蒸腾量ET0

采用FAO Penman-Monteith公式[6]计算ET0，把嵩明和大理的气象数据代入公式可得两地各生育期日均ET0变化如图1所示。嵩明ET0日均值在水稻移栽后的返青期最大，黄熟期最小。除了拔节孕穗期和抽穗开花期的ET0日均值几乎相同外，整个生育期的ET0均值几乎按同一斜率在逐渐减小。大理ET0日均值从分蘖期开始有所上升，分蘖期过后开始下降至乳熟期，然后黄熟期又上升，呈波动变化趋势。可见两地都是在水稻生育期前期ET0较大，而生育后期ET0较小，是一个逐渐减小的过程。这主要是因为两地五六月气温较高、辐射较强、风速较强且降雨量较少导致的，这与低海拔地区有较大差别，在低海拔地区，七八月温度最高、辐射最强，ET0最大值一般出现在这2个月份，水稻生育前期和生育后期的ET0都相对较小，全生育期的ET0日均值是一个上凸的单峰曲线。比较ETc与ET0日均在生育期变化规律可见，两者表现出较好的一致性，即ETc日均值变化过程受气象因子影响显著。

图1 试验点水稻生育期内ET0日均值

2.3 作物系数

作物系数(Kc)为作物蒸发蒸腾量与ET0的比值，即：

(3)

式中：ETc为作物蒸发蒸腾量，mm。

把嵩明和大理水稻ETc和ET0数据代入公式(3)中得到两地各生育期作物系数Kc变化曲线如图2所示。由图2可知，嵩明两种灌溉模式下水稻Kc都是返青期较小，然后在拔节孕穗期达到峰值后逐渐减小。Kc大于1.0的有分蘖期、拔节孕穗期和抽穗开花期。总体来看两种灌溉模式之间Kc差异不大，但淹灌的稍大于间灌。大理水稻Kc从返青期开始逐渐增加，到抽穗开花期达到最大值，然后迅速减小，形成单峰曲线。且水稻各生育期的作物系数均大于1.0，最小值出现在返青期，为1.10，最大值出现在抽穗开花期，为1.35，全生育期作物系数均值为1.2。Kc除与作物种类有关外，同种作物的Kc还具有明显的地域性差别。嵩明和大理两地Kc差别主要和水稻品种有关，其次和两地气象因素差别关系也较大。图2可见除分蘖期和拔节孕穗期Kc较接近以外，大理水稻Kc明显比嵩明的大。

图2 嵩明、大理两地水稻作物系数变化对比

进一步结合图1分析发现，两地Kc差异变化趋势和ET0日均值差异变化趋势是一致的，即ET0日均值差距越大则Kc差距也越大。表现为，两地分蘖期和拔节孕穗期ET0日均值较接近，其Kc也较接近；返青期、抽穗开花期和乳熟期ET0日均值相差较大，其Kc相差也较大。把嵩明、大理两地气象中的温度、风速和相对湿度进行单一要素对比，结果如图3所示。可以看出，大理小区水稻生育期内温度更高、风速更大且相对湿度较低，均对大理水稻生长更有利。3种气象要素都对Kc变化产生较大影响，但就嵩明、大理两地Kc差异变化来看，两地水稻同生育期温度上的差异对Kc的影响最大，是主导气象因素。

2.4 水量平衡要素

嵩明和大理水稻水量平衡要素变化如表4所示，可知与淹灌相比，嵩明水稻间歇灌溉减少灌水量44.3 mm，节水23.4%。整个生育期内降雨量偏多且各生育期降雨分布较均匀，使得灌水量不多，降雨利用率较高。根据表4中水量平衡要素可知间灌的降雨利用率为38.9%，淹灌的降雨利用率为31.2%，间灌的降雨利用率比淹灌提高25%。间灌下的渗漏量为平均每天1.34 mm，淹灌下渗漏量为平均每天1.5 mm，与淹水灌溉相比，间歇灌溉的节水能力主要来自于提高了降雨利用率，减少了渗漏量，并在一定程度上降低了蒸发蒸腾量。与淹水灌溉相比，渗漏量减少19.2 mm、蒸发蒸腾量减少25.7 mm，减少幅度分别为10.6%和5%。大理同样整个水稻生育期内降雨量偏多且主要分布在7-9月，相应的排水也集中在这3个月。五六月降雨较少，灌水主要集中在这2个月，且灌水量较嵩明测坑多。渗漏量为平均每天0.87 mm，较嵩明少。根据表4中水量平衡要素可知降雨利用率为39.7%，比嵩明测坑水稻略高。

图3 嵩明、大理两地单一气象因素对比

表4 嵩明、大理两地水量平衡要素变化 mm

2.5 产量与水分生产率

嵩明和大理水稻产量及水分生产率如表5所示。可知在嵩明试验区水稻间歇灌溉蒸发蒸腾量水分生产率和灌溉水分生产率都比淹灌的要大，但由于亩产较低，即便是间歇灌溉，其1.18 kg/m3的水分生产率也相对较低。由于大理水稻亩产比嵩明高出较多，相应的水分生产率也高出嵩明很多。蒸发蒸腾量水分生产率高出嵩明测坑间灌66.9%、淹灌84.1%；灌水量水分生产率高出嵩明间灌53.2%、淹灌95.2%。

表5 测坑水稻不同灌溉模式下水分生产率

3 结 语

本文通过对滇中嵩明和大理两地水稻不同灌溉模式下需水规律及水分生产率的研究，得出以下主要结论。

(1)水稻品种不同，其生育期蒸发蒸腾量和产量的差异也较大。滇中高原有比较突出的春旱现象，水稻生育前期参考作物蒸发蒸腾量最大，并持续减少至生育后期，受此影响，水稻日均蒸发蒸腾量峰值出现在分蘖期，与低纬度地区一般出现在拔节孕穗或抽穗开花期不同。

(2)嵩明和大理两地作物系数差别主要与水稻品种有关，与两地气象因素差别关系也较大。两地作物系数差异变化趋势和ET0日均值差异变化趋势一致，温度、风速和相对湿度3种气象要素都对作物系数变化产生较大影响，其中温度是主导气象因素。

(3)与淹灌相比，嵩明水稻间歇灌溉更节水。间歇灌溉的节水能力主要来自于提高了降雨利用率，减少了渗漏量，并在一定程度上降低了蒸发蒸腾量。大理水稻降雨利用率比嵩明水稻略高。大理水稻亩产高于嵩明，相应的水分生产率也高于嵩明。

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[1] 云南省农牧渔业厅编.云南省种植业区划[M].昆明:云南科技出版社,1992.

[2] 张荣萍,马 均,王贺正,等.不同灌水方式对水稻生育特性及水分利用率的影响[J].中国农学通报, 2005,21(9):144-150.

[3] 季 飞,付 强,王克全,等.不同水分条件对水稻需水量及产量影响[J].灌溉排水学报, 2007,26(5):82-85.

[4] 罗红英,崔远来,赵树君.西藏青稞灌溉定额的空间分布规律[J].农业工程学报, 2013,(10):116-122.

[5] 朱士江,孙爱华,张忠学.三江平原不同灌溉模式水稻需水规律及水分利用效率试验研究[J]. 节水灌溉, 2009,(11):12-14.

[6] Allen R G, Pereira L S, Raes D, et al. Crop evapotranspiration-guidelines for computing crop water requirements: FAO irrigation and drainage, Paper No.56[R]. Rome: Food and Agriculture Organization of United Nations, 1998:52-77,84-86.