劉德斌，鄒玉田，王小寅

(1.江蘇省沿海水利科學(xué)研究所，江蘇 東臺224200； 2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京210098)

稻田凈灌水量與渠首毛灌水量是首尾法測算灌溉水有效利用系數(shù)(Irrigation water utilization efficiency，IWUE)的2個(gè)重要參數(shù)，其測量的準(zhǔn)確與否將直接關(guān)系到IWUE值的測算精度[1]。針對渠首毛灌水量的量測，國內(nèi)已有大量學(xué)者做了相關(guān)的研究工作[2-4]，提出了一些簡便的方法，而田間凈灌水量的測量，目前主要采用《全國農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測算分析技術(shù)指導(dǎo)細(xì)則》(以下簡稱《細(xì)則》)中的直接量測法和觀測分析法2種測算方法獲得。直接量測法是依據(jù)灌溉前后田間計(jì)劃濕潤層中土壤含水率變化，結(jié)合灌溉后田面水深計(jì)算出稻田凈灌水量，此方法對試驗(yàn)條件要求較低，但操作過程繁瑣，且田面水深的測算易受水稻莖稈影響；觀測分析法是采用先進(jìn)水量計(jì)量設(shè)備在進(jìn)水口處實(shí)測，利用田間進(jìn)出水量差值計(jì)算出稻田凈灌水量，其操作較為簡單，但因參與IWUE測算的樣點(diǎn)田塊數(shù)量眾多且分布零散，部分落后地區(qū)目前尚未配備先進(jìn)量水設(shè)施，使用時(shí)受到一定限制。因此，有必要開展相關(guān)研究，將2種稻田凈灌水量測算方法各自的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，以提升凈灌水量的測算精度和測算效率。

本文通過小區(qū)試驗(yàn)的方法，對比直接量測法與觀測分析法所得凈灌水量間的差異，并分析其產(chǎn)生的原因，為稻田凈灌水量的快速準(zhǔn)確測算提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)選址在江蘇省沿海墾區(qū)灌溉試驗(yàn)站的試驗(yàn)田內(nèi)進(jìn)行，地理坐標(biāo)：東經(jīng)120°21′37.17″，北緯32°48′29.61″。多年平均氣溫14.5 ℃，降水量1 075.8 mm，無霜期天數(shù)220 d。試驗(yàn)地水稻種植史較長，其田間犁底層深度為30～35 cm。試驗(yàn)區(qū)土壤為沙壤土，具體理化性狀見表1。

表1 試驗(yàn)區(qū)土壤(0～35 cm)理化性狀

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)區(qū)面積0.3 hm2,內(nèi)設(shè)4個(gè)試驗(yàn)小區(qū)(單行排布)，面積均為60.0 m2(10.0 m ×6.0 m)。試驗(yàn)前將小區(qū)內(nèi)表土整平，為防止相鄰小區(qū)間灌水時(shí)側(cè)滲串流的發(fā)生，在小區(qū)周圍均用PVC塑料薄膜設(shè)置隔水堰，堰體上口高于土表20 cm，下口至稻田犁底層。為減少邊際效應(yīng)對試驗(yàn)結(jié)果造成影響，在各小區(qū)間設(shè)置1 m寬隔離行。各試驗(yàn)小區(qū)土壤肥力及栽培管理水平保持一致。試驗(yàn)品種為淮稻5號，旱直播方式、淺濕灌溉技術(shù)栽培，生長期128 d，種植密度180萬株/hm2，重復(fù)3次。試驗(yàn)期間歷次灌溉前，田面均無水層存在，其凈灌水量主要采用濕潤灌溉的公式[5]計(jì)算而得。主要觀測指標(biāo)及方法如下。

(1)小區(qū)凈灌水量。同次灌溉下，小區(qū)凈灌水量有2種測算方法。①直接量測法：以QT表示，根據(jù)灌溉前后計(jì)劃濕潤層土壤含水率的變化及田面水層深度的測量值，計(jì)算出某次灌溉下小區(qū)的凈灌水量，其土壤含水率值采用環(huán)刀分層取樣測定，田面水層深度采用預(yù)先布設(shè)的水位測針測得，測針精度0.1 mm；②觀測分析法：以QB表示，采用潛水泵提取田間農(nóng)渠水源進(jìn)行小區(qū)灌溉，為便于各小區(qū)灌水量準(zhǔn)確計(jì)量，在潛水泵出水口處安裝過濾裝置及水表。

(2)偏差系數(shù)K。與觀測分析法相比，直接量測法所測結(jié)果的偏差程度QT/QB表示。

(3)莖面積指數(shù)SAI。是指淹沒于田面水層中的水稻莖稈(含葉鞘包裹部分)總投影面積占取樣植株總占地面積的比值。試驗(yàn)時(shí)小區(qū)均采用“五點(diǎn)法”隨機(jī)抽樣，每樣點(diǎn)選擇固定10 株，每5 d定期測量一次，遇灌溉時(shí)加測。主要指標(biāo)有株數(shù)、分蘗數(shù)、地表3 cm處莖稈(含葉鞘)截面最大長、最大寬，其中莖稈截面長、寬測量時(shí)所用工具為數(shù)顯式螺旋測微器，型號MDC-25MJ。

因水稻根部地表3 cm處圓形莖稈受葉鞘包裹，截面近似于橢圓形狀，故莖面積指數(shù)SAI計(jì)算公式為：

(1)

式中：ρ種為種植密度,株/hm2；Msl為地表3 cm處莖稈截面的最大長度,m；Msw為地表3 cm處莖截面的最大寬度,m；j為抽樣測定株數(shù)(j=1,…,m)；i為第j株的分蘗數(shù)(i=1,…,n)。

2 結(jié)果與分析

2.1 2種方法所得凈灌水量比較

試驗(yàn)期間小區(qū)共計(jì)9次提水灌溉，將直接量測法與觀測分析法所測得的凈灌水量整理得圖1。從圖1可以看出，2種方法所得凈灌水量有著相同的高峰與低谷。就圖1而言，第1次和第4～6次存在2個(gè)顯著的灌溉高峰，這是因?yàn)榈?次灌溉為稻田泡田期，其耗水量在水稻需水量中占有較大比例；而第4～6次則是處于水稻的拔節(jié)-孕穗期，為使水稻高產(chǎn)，此階段也要有充足的水量供應(yīng)作保障。

圖1 2種測算方法下試驗(yàn)小區(qū)歷次凈灌水量

水稻生育期內(nèi)的歷次凈灌水量測算值表現(xiàn)為直接量測法>觀測分析法，兩者相差1.4%～11.7%；且2種方法所測平行樣間的區(qū)分效果，隨灌水次數(shù)的增加而逐漸顯著。這是因?yàn)?，直接量測法所測結(jié)果QT是由2部分組成，一部分是將田間計(jì)劃濕潤層浸泡至飽和所需的水量Q浸，另一部分是灌溉后田面水層的持有水量Q持，在計(jì)算Q持時(shí)，直接采用灌溉后的田面水層深度h持參與，而未考慮水稻莖稈對田面水層的填充作用會導(dǎo)致水面上升，使得h持的測定值較實(shí)際偏大，進(jìn)而影響Q持的測算準(zhǔn)確度。

2.2 灌溉時(shí)莖面積指數(shù)SAI測算

莖面積指數(shù)SAI能較好地反映水稻莖稈對田面水層的填充效果。據(jù)式⑴可知，SAI與種植密度、莖稈粗細(xì)間關(guān)系極為密切。將歷次灌溉時(shí)SAI的計(jì)算結(jié)果整理，得表2。從表2可以看出，SAI表現(xiàn)出隨生育期的延長而增大趨勢，并至水稻末次灌溉(乳熟期)時(shí)值最大，最大為0.102。SAI在分蘗-拔節(jié)期間上升最為明顯，由分蘗期的0.025上升為拔節(jié)期的0.079，至抽穗-乳熟期時(shí)，增長趨緩并逐漸穩(wěn)定。這是因?yàn)?，處于分蘗-拔節(jié)期的水稻，營養(yǎng)生長處于高峰，莖稈快速增粗、分蘗數(shù)顯著增加，至生長末期(乳熟期)，水稻莖稈的營養(yǎng)生長基本停止，轉(zhuǎn)變?yōu)榈竟壬成L的緣故所致。

表2 灌溉時(shí)試驗(yàn)小區(qū)莖面積指數(shù)SAI測算成果

2.3 偏差系數(shù)K與莖面積指數(shù)SAI間關(guān)系

將圖1中2種凈灌水量測量值整理，計(jì)算出偏差系數(shù)K，與表2中莖面積指數(shù)SAI歸并，繪制成圖2。從圖2可以看出，偏差系數(shù)K與莖面積指數(shù)SAI間呈明顯線性關(guān)系，其線性方程為：

K=0.997+1.127SAIR=0.996

(2)

圖2 偏差系數(shù)與莖面積指數(shù)(SAI)關(guān)系

利用式(2)，對直接量測法所得的結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)，以達(dá)到快速且準(zhǔn)確的測算效果。

3 成果驗(yàn)證

為檢驗(yàn)小區(qū)試驗(yàn)成果的合理性與準(zhǔn)確性，在江蘇省的東臺、鹽都、大豐、濱海和建湖5縣(市、區(qū))共15個(gè)小型灌區(qū)進(jìn)行了大田驗(yàn)證試驗(yàn)[6]。試驗(yàn)結(jié)束，將直接量測法、觀測分析法和公式校準(zhǔn)法(采用偏差系數(shù)K對直接量測法所測結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)后所得值)3種途徑所測大田總凈灌溉水量整理，見圖3。

圖3 各試驗(yàn)灌區(qū)大田總凈灌水量及偏差系數(shù)

從圖3(a)可以看出，直接量測法與觀測分析法所測得的總凈灌溉水量整體趨勢一致，且直接量測法略大于觀測分析法所測結(jié)果；采用偏差系數(shù)K對直接量測法所測值進(jìn)行校準(zhǔn)的結(jié)果，與觀測分析法所測值極為接近；與觀測分析法相比，直接量測法所測大田總凈灌溉水量整體偏大3.3%～5.8%，而公式校準(zhǔn)法則為-1.1%～+1.6%[見圖3(b)]；公式校準(zhǔn)所測得的灌區(qū)總凈灌溉水量更接近于觀測分析法所得結(jié)果，其結(jié)果更為合理準(zhǔn)確，可減少稻田總凈灌水量測算偏差2.3%～6.3%。

4 討 論

小區(qū)試驗(yàn)表明，采用直接量測法所測得稻田凈灌水量QT，與觀測分析法所測結(jié)果間存在較大差異。單次灌溉下，2種方法所測田間凈灌水量值會產(chǎn)生1.4%～11.7%的偏差。分析原因是：直接量測法所測結(jié)果QT是由田間計(jì)劃濕潤層浸泡至飽和所需的水量Q浸和灌溉后田面水層的持有水量Q持組成，計(jì)算Q持時(shí)直接采用灌溉后的田面水層深度h持參與，而未考慮水稻莖稈對田面水層填充作用導(dǎo)致水面上升，h持測定值較真實(shí)值偏大，進(jìn)而影響Q持的測算準(zhǔn)確度。采用下述式(3)，對直接量測法所測稻田單次凈灌溉水量進(jìn)行校準(zhǔn)，可減少稻田總凈灌水量的測算偏差2.3%～6.3%，為保證稻田總凈灌水量的測算準(zhǔn)確度，建議對QT進(jìn)行校準(zhǔn)：

QJ=QT(0.997+1.127SAI)-1

(3)

式中：QJ為田間凈灌水量(公式校準(zhǔn)法)；QT為田間凈灌水量(直接量測法)；SAI為灌溉時(shí)田間水稻莖面積指數(shù)，采用式(1)計(jì)算而得。

5 結(jié) 論

(1)采用《細(xì)則》中介紹的直接量測法測算稻田凈灌水量時(shí)，因未考慮植株莖稈對田面水層的填充作用，導(dǎo)致單次田間凈灌水量的測算結(jié)果較觀測分析法偏大1.4%～11.7%，因此，需對《細(xì)則》中的直接量測法所測的稻田凈灌水量結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)，才能使該方法所測得的結(jié)果更加真實(shí)可靠。

(2)莖面積指數(shù)SAI能較好地反映出生長于田間的水稻莖稈對田面水層的填充效果。SAI總體表現(xiàn)出隨生育期的延長而增大的趨勢，在分蘗-拔節(jié)期間SAI上升最為明顯，由分蘗期的0.025上升為拔節(jié)期的0.079，至抽穗-乳熟期時(shí)，隨著水稻莖稈營養(yǎng)生長轉(zhuǎn)化為生殖生長，其上升趨緩并逐漸穩(wěn)定，至水稻末次灌溉(乳熟期)時(shí)值最大為0.102。

(3)偏差系數(shù)K與莖面積指數(shù)SAI間存在良好的線性關(guān)系。利用此關(guān)系，對《細(xì)則》中介紹的直接量測法所測稻田單次凈灌水量測量值進(jìn)行校準(zhǔn)，可減少稻田總凈灌水量測算偏差2.3%～6.3%。

[1] 李英能.淺論灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)[J].中國農(nóng)村水利水電，2003，(7)：23-26.

[2] 楊延春,劉德斌,鄒志國.江蘇省大型灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)測定方法----以東臺市堤東灌區(qū)為例[J].節(jié)水灌溉,2014,(3)：72-74.

[3] 蔡長舉,付 杰,劉 瀏.水位-流量關(guān)系曲線在山區(qū)無量水設(shè)施渠道水量測量中的運(yùn)用[J].節(jié)水灌溉,2012,(7)：29-30.

[4] 陳強(qiáng)富,劉海巍,袁 園,等.首尾法在小型灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)測算中的應(yīng)用[J].中國農(nóng)村水利水電,2013,(3)：73-74，77.

[5] SL13-2015,灌溉試驗(yàn)規(guī)范[S].

[6] 俞雙恩,于智恒,郭 杰,等.河網(wǎng)區(qū)灌溉水利用系數(shù)的尺度轉(zhuǎn)換[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2015,31(8):147-151.