劉路廣，譚君位，吳 瑕，王麗紅，曹俊龍

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鄂北地區(qū)水稻適宜節(jié)水模式與節(jié)水潛力

劉路廣1，譚君位2※，吳 瑕1，王麗紅3，曹俊龍4

（1. 湖北省水利水電科學(xué)研究院，武漢 430070；2. 武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072； 3. 湖北水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430070；4. 長(zhǎng)渠灌溉試驗(yàn)站，襄陽(yáng) 441000）

研究作物需水規(guī)律、探尋適宜節(jié)水模式對(duì)緩解農(nóng)業(yè)用水短缺十分重要。該文基于長(zhǎng)渠灌溉試驗(yàn)站2009?2013年的水稻灌溉試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了淺灌、中蓄、濕潤(rùn)3種傳統(tǒng)灌溉模式下水稻的需水規(guī)律；運(yùn)用率定后的ORYZA_V3模型模擬了30 a（1981?2010年）不同灌溉模式、不同灌溉下限以及不同灌水定額等多種情景下的水稻生長(zhǎng)，對(duì)比分析了水稻各生育階段騰發(fā)量、耗水量、灌溉定額、灌水次數(shù)、產(chǎn)量以及水分生產(chǎn)率在不同情景下的差異；通過(guò)模擬典型年不同受旱情景下的水稻生長(zhǎng)，對(duì)比分析了各生育階段不同受旱程度對(duì)水稻騰發(fā)量和產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明：與淺灌模式相比，濕潤(rùn)模式下水稻年均產(chǎn)量增加2.7%、灌溉用水量減少4.2%；中蓄模式下水稻產(chǎn)量減少2.3%、灌溉用水量減少1.1%；濕潤(rùn)模式優(yōu)于淺灌、中蓄模式。分蘗期的灌溉下限低于90%能減少水稻騰發(fā)量47%以上，其他階段的灌溉下限低于70%時(shí)能減少水稻騰發(fā)量10%以上；拔節(jié)孕穗期和抽穗開(kāi)花期受旱對(duì)產(chǎn)量的影響最大；綜合考慮節(jié)水、降低田間管理難度、確保糧食產(chǎn)量等因素，提出了鄂北地區(qū)的適宜灌溉模式：蓄水深度為60 mm，返青期保持薄水層，黃熟期水層自然落干，拔節(jié)孕穗期、乳熟期可中度受旱（灌溉下限為飽和含水率的70%～80%），分蘗、抽穗開(kāi)花期可輕度受旱（灌溉下限不能低于飽和含水率的80%）；灌水定額為30～40 mm。該適宜灌溉模式可為鄂北地區(qū)至少可節(jié)水1.68億m3，具有巨大的節(jié)水潛力。研究結(jié)果對(duì)指導(dǎo)鄂北地區(qū)水稻灌溉用水和明晰節(jié)水重點(diǎn)具有重要意義。

灌溉；騰發(fā)量；模型；ORYZA_V3模型；節(jié)水潛力

0 引 言

鄂北地區(qū)是湖北省歷史上有名的“旱包子”地。近年來(lái)隨著區(qū)域城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，城鎮(zhèn)供水?dāng)D占農(nóng)業(yè)灌溉用水和生態(tài)環(huán)境用水現(xiàn)象日益嚴(yán)重，旱災(zāi)頻繁。水資源供需矛盾已嚴(yán)重制約糧食生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定，是鄂北地區(qū)最直接、最現(xiàn)實(shí)和最緊迫的民生問(wèn)題[1]。水稻是鄂北地區(qū)主產(chǎn)糧食作物之一，為高耗水作物，如何在保證糧食產(chǎn)量前提下，實(shí)現(xiàn)節(jié)水顯得尤為關(guān)鍵。中國(guó)常見(jiàn)的水稻節(jié)水灌溉模式有間歇灌溉、薄淺濕曬、淺灌中蓄等，相比傳統(tǒng)淹灌模式，具有節(jié)水、改善土壤肥力、增產(chǎn)等效果[2-3]。由于不同地區(qū)農(nóng)田小氣候差異較大，氣溫、土壤等作物生長(zhǎng)要素不相同，且降雨分布時(shí)空不均勻的特性，導(dǎo)致不同地區(qū)的水稻需水規(guī)律、灌溉臨界值、灌溉定額等具有一定的差異性。因此，在不同水稻種植區(qū)，研究水稻的需水規(guī)律、制定適宜的灌溉制度對(duì)區(qū)域的水稻灌溉管理具有重要的指導(dǎo)意義。

由于田間灌溉試驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)，且通常需要投入大量的人力、物力和財(cái)力，關(guān)于作物模型的研究引起了廣泛關(guān)注。運(yùn)用作物生長(zhǎng)模型模擬不同條件下的作物生長(zhǎng)，為研究氣候變化對(duì)作物騰發(fā)量、產(chǎn)量的影響[4-6]，作物田間管理方式和灌溉制度的優(yōu)化[7-8]，以及產(chǎn)量預(yù)測(cè)[9-11]等提供了有效途徑。ORYZA模型是荷蘭瓦赫寧根大學(xué)和國(guó)際水稻研究所聯(lián)合開(kāi)發(fā)的水稻模型，能夠模擬潛在條件、水限制條件、氮素限制條件以及水氮聯(lián)合限制條件下水稻生長(zhǎng)過(guò)程，且模擬效果良好[12]，在中國(guó)、中東以及東南亞地區(qū)得到了廣泛的驗(yàn)證和應(yīng)用[7, 13-15]。Yadav等[7]運(yùn)用ORYZA模型模擬了長(zhǎng)系列年不同條件下的水稻生長(zhǎng)，分析了不同生育階段不同灌溉下限對(duì)水稻產(chǎn)量和水分生產(chǎn)率的影響，并提出了特定氣候條件下的水稻最優(yōu)灌溉下限；Feng等[8]運(yùn)用ORYZA模型模擬分析了水稻生育期內(nèi)田面無(wú)水層的天數(shù)、地下水埋深以及灌溉下限對(duì)水稻生長(zhǎng)、產(chǎn)量及灌溉定額的影響，指出灌溉水量在一定程度上取決于降雨的有效利用量，且地下水位不影響水稻的產(chǎn)量，但對(duì)灌溉水量具有較大的影響。

本文采用灌溉試驗(yàn)與模型模擬相結(jié)合方法，擬定多種灌溉模式與受旱方案，運(yùn)用ORYZA（version3.0，ORYZA_V3）模型模擬不同情景下水稻生長(zhǎng)，分析不同灌溉模式和受旱條件下水稻的需水規(guī)律、產(chǎn)量變化，探討鄂北地區(qū)水稻適宜灌溉模式，并計(jì)算分析鄂北地區(qū)水稻不同灌溉模式的節(jié)水潛力，明晰節(jié)水重點(diǎn)。本文相關(guān)研究成果對(duì)鄂北地區(qū)緩解水資源供需矛盾和實(shí)現(xiàn)最嚴(yán)格水資源管理制度具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 田間試驗(yàn)處理

長(zhǎng)渠灌溉試驗(yàn)站（31°11′N(xiāo)，112°11′E）為湖北省灌溉試驗(yàn)重點(diǎn)站，位于湖北襄陽(yáng)市宜城市境內(nèi)，根據(jù)地理位置、氣候條件、作物種類(lèi)、土壤等因素，長(zhǎng)渠灌溉試驗(yàn)站為鄂北地區(qū)典型代表站，具體位置見(jiàn)圖1。該試驗(yàn)站于2009－2013年期間采用測(cè)坑開(kāi)展了水稻不同灌溉模式田間試驗(yàn)研究，試驗(yàn)設(shè)置了淺灌、中蓄和濕潤(rùn)模式3種處理，各處理3次重復(fù)。測(cè)坑布置見(jiàn)圖2，上排為西面，下排為東面，從左至右分別編號(hào)為東1-東9、西1-西9。其中，東1、東5、東9、西1、西5、西9均為無(wú)底測(cè)坑，其余為有底測(cè)坑。3種灌溉模式田面水層控制標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。施肥水平和施肥次數(shù)采用大田施肥習(xí)慣，移栽前一次下足底肥（碳酸氫銨、過(guò)磷酸鈣各750 kg/hm2）返青期末追施尿素150 kg/hm2。前茬作物為小麥，移栽前耕耙各2次。計(jì)劃防治病蟲(chóng)害3～5次，適時(shí)曬田，葉面追肥（拔節(jié)孕穗期）。

表1 長(zhǎng)渠灌溉試驗(yàn)站中稻灌溉制度試驗(yàn)處理水層

注：表中3個(gè)連續(xù)數(shù)據(jù)（如5-30-30）分別表示灌溉下限、灌溉上限和一次降雨后田間最大蓄水上限; RG、ET、LT、JB、HF、MK、YR分別表示返青期、分蘗前期、分蘗后期、拔節(jié)孕穗期、抽穗開(kāi)花期、乳熟期以及黃熟期。下同。

Note: Three continuous data in table (eg. 5-30-30) represent the lower, upper limit of irrigation and the maximum limit after rain, respectively; RG, ET, LT, JB, HF, MK, and YR is returning green, early tillering, late tillering, jointing-booting, heading flowering, milky and yellow-ripening stages, respectively. The same below.

1.2 ORYZA模型參數(shù)率定和驗(yàn)證

模型參數(shù)的率定過(guò)程及相關(guān)說(shuō)明如下：

1）由于水稻播種日期不同，從而導(dǎo)致水稻物候日期（抽穗、開(kāi)花、成熟）存在一定差異。采用長(zhǎng)渠灌溉試驗(yàn)站水稻物候?qū)崪y(cè)資料對(duì)ORYZA_V3模型物候參數(shù)（營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期、光周敏感期、幼穗分化期以及灌漿期的發(fā)展速率DVRJ、DVRI、DVRP、DVRR）進(jìn)行率定；

2）由于長(zhǎng)渠灌溉試驗(yàn)站缺乏水稻生育期不同階段的水稻莖、葉、穗等干物質(zhì)量的相關(guān)資料，無(wú)法直接對(duì)ORYZA_V3模型中的基本參數(shù)進(jìn)行率定。位于湖北荊門(mén)的團(tuán)林灌溉試驗(yàn)中心站（30°52′N(xiāo)，112°11′E）與長(zhǎng)渠灌溉試驗(yàn)站相距約97 km，地理特征相近，中稻品種和管理措施十分相似，且該站具有豐富的水稻灌溉試驗(yàn)資料，綜合考慮水稻品種、生長(zhǎng)環(huán)境、氣候等因素，ORYZA_V3模型中的基本參數(shù)（干物質(zhì)分配系數(shù)FLV、FST、FSO，死葉速率DRLV等）初步采用2010年團(tuán)林試驗(yàn)資料率定結(jié)果；

3）在率定和驗(yàn)證期間，分別采用長(zhǎng)渠灌溉試驗(yàn)站2010、2011年逐日氣象資料驅(qū)動(dòng)ORYZA_V3模型，并分別采用長(zhǎng)渠灌溉試驗(yàn)站2010、2011年的實(shí)測(cè)產(chǎn)量資料對(duì)模型的模擬結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)模型參數(shù)進(jìn)一步率定與驗(yàn)證。

1.3 數(shù)值模擬方案設(shè)置

1.3.1 不同灌溉模式設(shè)置

根據(jù)灌溉試驗(yàn)研究成果，基于不同灌溉下限及灌水定額，擬定多種灌溉模式。模型基本設(shè)置：1）蓄雨深度統(tǒng)一設(shè)定為60 mm；2）灌溉下限設(shè)置：返青期和抽穗開(kāi)花期水分脅迫會(huì)造成嚴(yán)重減產(chǎn)，需要保持水層，灌溉下限設(shè)置為0；其他生育階段按水稻耕作層飽和含水率百分比設(shè)定6個(gè)水平：95%、90%、85%、80%、70%和60%；黃熟期自然落干；3）灌水定額設(shè)定5個(gè)水平：20、30、40、50和60 mm；4）氣象資料，長(zhǎng)渠試驗(yàn)站的長(zhǎng)系列氣象資料不全，日照、降雨、溫度等逐日資料大量缺失，無(wú)法使用?？紤]到該試驗(yàn)站位于宜城市，與宜城氣象站相距約61 km，2個(gè)站點(diǎn)的海拔僅相差2.8 m（長(zhǎng)渠試驗(yàn)站海拔為65 m，宜城站海拔為67.8 m），且地形、地貌相同，氣候差異十分小。宜城站有連續(xù)多年（1981－2010年）的逐日氣象資料，包括日照、日最高氣溫、日最低氣溫、日均風(fēng)速、日降雨量等。因此，方案中采用的氣象資料均來(lái)自宜城站（31°42′N(xiāo)，112°12′E）。

不同灌溉下限（6個(gè)水平）、不同灌水定額（5個(gè)水平）共計(jì)30種灌溉模式，每種灌溉模式模擬30 a，模型共運(yùn)行900次。

1.3.2 不同受旱方案設(shè)置

為了探討鄂北地區(qū)水稻在不同生育階段對(duì)水分脅迫的敏感性以及不同受旱程度水稻產(chǎn)量的影響，本文基于ORYZA_V3模型模擬不同典型年、不同生育階段、不同受旱條件下的水稻生長(zhǎng)。模型基本設(shè)置：1）降雨是重要的水平衡項(xiàng)之一，為消除降雨對(duì)模擬試驗(yàn)干擾，明晰受旱處理對(duì)作物生長(zhǎng)的影響，將水稻本田期所有降雨設(shè)置為0 mm，水稻騰發(fā)量全部由灌溉滿(mǎn)足；2）水稻充分灌溉和不同生育階段遭受不同程度受旱處理，按耕作層飽和含水率的百分比設(shè)定4個(gè)受旱程度：90%、80%、70%和60%；3）水稻生育期各階段受旱處理分8種受旱類(lèi)型：分蘗受旱、拔節(jié)孕穗期受旱、抽穗開(kāi)花期受旱、乳熟期受旱、分蘗期和拔節(jié)孕穗期連旱、拔節(jié)孕穗期和抽穗開(kāi)花期連旱、抽穗開(kāi)花期和乳熟期連旱、分蘗后期和拔節(jié)孕穗期和抽穗開(kāi)花期連旱。單生育階段受旱類(lèi)型或多生育階段連旱類(lèi)型均按耕作層飽和含水率的百分比設(shè)定4個(gè)受旱程度：90%、80%、70%、60%；4）根據(jù)宜城站1981－2010年的氣象資料，按水稻生育期內(nèi)的累積降雨量進(jìn)行排頻，分為豐水年（1996年）、平水年（1984年）、枯水年（1985年）3個(gè)典型年。

根據(jù)受旱程度及受旱類(lèi)型，共計(jì)32種受旱方案。根據(jù)水稻生育期內(nèi)的累積降雨量（宜城站1981?2010年）進(jìn)行排頻，分為豐水年（1996年）、平水年（1984年）、枯水年（1985年）3個(gè)典型年。采用3個(gè)典型年（1996、1984、1985年）氣象資料（日最高氣溫、日最低氣溫、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速、飽和水汽壓等），模擬32種受旱方案，模型共運(yùn)行96次。

1.4 節(jié)水潛力計(jì)算方法

1.4.1 傳統(tǒng)節(jié)水潛力

通常將實(shí)施節(jié)水灌溉措施前毛灌溉用水量與實(shí)施節(jié)水灌溉措施后毛灌溉用水量的差值作為傳統(tǒng)節(jié)水潛力[16]，計(jì)算公式為：

式中Δ為傳統(tǒng)節(jié)水潛力，m3；0,net為節(jié)水灌溉模式實(shí)施前的凈灌溉定額，m3/hm2；1,net為節(jié)水灌溉模式實(shí)施后的凈灌溉定額，m3/hm2；0為節(jié)水措施實(shí)施前的灌溉水利用系數(shù)；1為節(jié)水措施實(shí)施后的灌溉水利用系數(shù)；為灌溉面積，hm2。

1.4.2 耗水節(jié)水潛力

區(qū)域內(nèi)某部門(mén)或行業(yè)通過(guò)各種節(jié)水措施所節(jié)約的水資源量并沒(méi)有損失，仍然存留在區(qū)域水資源系統(tǒng)內(nèi)部，或被轉(zhuǎn)移到其他水資源緊缺的部門(mén)或行業(yè)，滿(mǎn)足該部門(mén)或行業(yè)的需水要求，因此，取用水的減少量并非真正意義上節(jié)水。為了克服傳統(tǒng)節(jié)水潛力評(píng)價(jià)和計(jì)算方法的局限性，許多學(xué)者主張從水資源消耗特性出發(fā)，研究區(qū)域真正節(jié)水潛力，提出了耗水節(jié)水潛力[17-18]。根據(jù)耗水節(jié)水潛力定義及已有研究成果，耗水節(jié)水潛力計(jì)算公式為

式中ET為耗水節(jié)水潛力，m3；為未實(shí)施節(jié)水措施前的作物騰發(fā)量，mm；為實(shí)施節(jié)水措施后的作物騰發(fā)量，mm；為研究區(qū)的面積，hm2。

2 結(jié)果與分析

2.1 田間灌溉試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1.1 不同灌溉模式水稻需水特性分析

不同灌溉模式水稻各生育期多年平均（2009－2013年）騰發(fā)量和耗水量見(jiàn)圖3a，不同灌溉模式水稻年均騰發(fā)量和灌溉用水量見(jiàn)圖3b。

a. 水稻生育期各階段騰發(fā)量與耗水量

a. Evapotranspiration and water consumption in different rice growth stage

由圖3a可知，水稻各生育階段騰發(fā)量淺灌模式與中蓄模式差異較小，而濕潤(rùn)模式明顯低于其他2種模式；與淺灌模式相比，濕潤(rùn)模式和中蓄模式下水稻生育期內(nèi)騰發(fā)量平均減少4.4%、1.3%。水稻耗水量在分蘗后期和黃熟期3種灌溉模式下基本相同且明顯低于其他生育階段；在拔節(jié)孕穗期，中蓄模式下的耗水量最大、淺灌模式次之、濕潤(rùn)模式最小，分別為384.8、382.6、345.0 mm；在返青期、分蘗前期、抽穗期和乳熟期，淺灌模式下的耗水量最大、中蓄模式次之、濕潤(rùn)模式最??；與淺灌模式相比，濕潤(rùn)模式和中蓄模式下在返青期、分蘗前期、抽穗期和乳熟期的耗水量分別平均減少15.0%、3.4%。由圖3b可知，淺灌、中蓄和濕潤(rùn)模式下水稻本田期騰發(fā)量分別為532.7、526.3和506.6 mm。與淺灌模式相比，中蓄模式和濕潤(rùn)模式下水稻本田期騰發(fā)量分別減少1.2%、4.9%；淺灌、中蓄和濕潤(rùn)模式下水稻本田期灌溉用水量分別為984、973和743 mm。與淺灌模式相比，中蓄模式和濕潤(rùn)模式下水稻本田期灌溉定額分別減少1.1%、4.2%。

2.1.2 不同灌溉模式水稻產(chǎn)量變化規(guī)律

不同灌溉模式水稻年均產(chǎn)量、灌溉水分生產(chǎn)率（產(chǎn)量與灌溉用水總量之比）和作物水分生產(chǎn)率（產(chǎn)量與作物需水總量之比）結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4可知，水稻年均產(chǎn)量濕潤(rùn)模式最大、淺灌模式次之、中蓄模式最小，與淺灌模式相比，濕潤(rùn)模式下水稻年均產(chǎn)量增加2.7%，中蓄模式下水稻產(chǎn)量減少2.3%。灌溉水分生產(chǎn)率和作物水分生產(chǎn)率濕潤(rùn)模式最大、淺灌模式次之、中蓄模式最小。2種水分生產(chǎn)率濕潤(rùn)模式與其他2種模式相差較大，而淺灌模式和中蓄模式相差較小；與淺灌模式相比，濕潤(rùn)模式下灌溉水分生產(chǎn)率和作物水分生產(chǎn)率分別提高36.0%、8.0%，而中蓄模式下2種水分生產(chǎn)率分別減少1.2%、1.1%。

2.2 ORYZA模型參數(shù)率定和驗(yàn)證

ORYZA模型率定和驗(yàn)證期水稻產(chǎn)量實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 水稻產(chǎn)量實(shí)測(cè)值與模擬值

由表2可知，淺灌、中蓄2種灌溉模式，水稻產(chǎn)量模擬值小于實(shí)測(cè)值；而濕潤(rùn)灌溉模式，模擬值偏高。不同灌溉模式，率定期產(chǎn)量模擬值保持不變，而驗(yàn)證期產(chǎn)量模擬值具有一定差異。養(yǎng)分充足條件下，ORYZA模型中主要通過(guò)水分脅迫模擬水分對(duì)水稻生長(zhǎng)的影響，3種灌溉模式下水稻生育期內(nèi)灌溉控制下限最小設(shè)定為0 mm，即不會(huì)造成水稻水分脅迫，僅分蘗后期曬田時(shí)可能因?yàn)闅庀笠蛩卦斐啥唐谒置{迫。率定期（2010年）水稻曬田期間有降雨，水稻生育期內(nèi)沒(méi)有產(chǎn)生水分脅迫，從而3種灌溉模式下水稻產(chǎn)量一致?？傮w上講，水稻產(chǎn)量模擬值與實(shí)測(cè)值吻合較好，相對(duì)誤差在5%以?xún)?nèi)，表明該模型具有較好適用性，模型參數(shù)取值合理且模擬精度可靠。

2.3 不同灌溉模式與受旱方案模擬分析

2.3.1 不同灌溉模式水稻產(chǎn)量變化規(guī)律

不同灌溉模式水稻30 a（1981－2010年）平均產(chǎn)量見(jiàn)表3。由表3可知，同一灌溉下限，不同灌水定額水稻多年平均產(chǎn)量差異較小。隨灌水定額的增加，水稻產(chǎn)量也未表現(xiàn)出一致性的規(guī)律。因此，灌水定額對(duì)水稻產(chǎn)量影響很小。同一灌水定額，不同灌溉下限對(duì)水稻產(chǎn)量具有較明顯影響，且水稻多年平均產(chǎn)量隨灌溉下限的下降呈現(xiàn)減少的變化規(guī)律。當(dāng)灌溉下限為80%～100%時(shí)，水稻產(chǎn)量下降不明顯；當(dāng)灌溉下限小于80%時(shí)，水稻產(chǎn)量明顯減產(chǎn)。

表3 不同灌溉下限、不同灌水定額對(duì)應(yīng)的水稻30 a（1981-2010）平均產(chǎn)量

注：灌溉下限以占飽和土壤含水率的百分比表示。下同。

Note: lower limit of irrigation is represented by the percent to saturated soil moisture content. The same below.

2.3.2 不同灌溉模式灌溉需水規(guī)律

不同灌溉模式水稻本田期灌溉定額和灌溉次數(shù)結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖5a可知，同一灌溉下限，不同灌水定額對(duì)灌溉定額具有較明顯影響，水稻本田期多年平均灌溉定額隨灌水定額的增加呈現(xiàn)增加變化趨勢(shì)。同一灌水定額，不同灌溉下限對(duì)灌溉定額亦具有較明顯影響，灌溉定額隨灌溉下限的降低呈現(xiàn)減少變化趨勢(shì)。當(dāng)灌溉下限為80%～100%時(shí)，灌溉定額相差較?。欢喔认孪薜陀?0%時(shí)，灌溉定額下降明顯。由圖5b可知，同一灌溉下限，不同灌水定額對(duì)灌溉次數(shù)具有明顯影響，灌水定額越小，灌溉次數(shù)越多。當(dāng)灌水定額低于30 mm時(shí)，灌溉次數(shù)明顯增加，而灌水定額為30～60 mm時(shí)，灌溉次數(shù)相近，差異不大。同一灌水定額，不同灌溉下限對(duì)灌溉次數(shù)亦具有較明顯影響，且灌溉次數(shù)隨灌溉下限增加而減少。當(dāng)灌溉下限為80%～100%時(shí)，灌溉次數(shù)幾乎相同；當(dāng)灌溉下限低于80%時(shí)，灌溉次數(shù)明顯減少。

a. 灌溉定額

a. Irrigation quota

2.3.3 不同受旱方案水稻騰發(fā)量變化規(guī)律

根據(jù)不同受旱方案不同生育期水稻騰發(fā)量模擬結(jié)果，不同水平年水稻騰發(fā)量變化規(guī)律差異不大，因此將平水年、枯水年和豐水年不同受旱方案不同生育水稻騰發(fā)量進(jìn)行平均，結(jié)果見(jiàn)圖6。其中，圖6a－圖6d顯示，分蘗期受旱時(shí)，灌溉下限為90%、80%、70%、60%對(duì)應(yīng)的該階段騰發(fā)量比正常條件下分別減少47%、55%、53%、64%；拔節(jié)孕穗期受旱時(shí)，不同灌溉下限對(duì)應(yīng)的該階段騰發(fā)量比正常條件下分別減少4%、6%、10%、22%；抽穗開(kāi)花期受旱時(shí)，不同灌溉下限對(duì)應(yīng)的該階段騰發(fā)量比正常條件下分別減少2%、5%、9%、32%；乳熟期受旱時(shí)，不同灌溉下限對(duì)應(yīng)的該階段騰發(fā)量比正常條件下分別減少7%、9%、11%、28%。

圖6a－圖6d還顯示，分蘗、拔節(jié)孕穗期連旱時(shí)，灌溉下限為90%、80%、70%、60%對(duì)應(yīng)的拔節(jié)孕穗期騰發(fā)量比正常條件下分別減少3%、4%、9%、16%；拔節(jié)孕穗期、抽穗開(kāi)花期連旱時(shí)，不同灌溉下限對(duì)應(yīng)的抽穗開(kāi)花期騰發(fā)量比正常條件下分別減少2%、4%、8%、23%；抽穗開(kāi)花期、乳熟期連旱時(shí)，不同灌溉下限對(duì)應(yīng)的乳熟期騰發(fā)量比正常條件下分別減少7%、9%、16%、27%。分蘗期至抽穗開(kāi)花期連旱時(shí)，不同灌溉下限對(duì)應(yīng)的抽穗開(kāi)花期騰發(fā)量比正常條件下分別減少3%、4%、8%、27%。

可見(jiàn)，水稻騰發(fā)量在分蘗期受到灌溉下限的影響最大，乳熟期次之，其次為拔節(jié)孕穗期；由于抽穗開(kāi)花期的天數(shù)較短，騰發(fā)量的受灌溉下限的影響最小。2個(gè)或3個(gè)生育階段連旱時(shí)，各受旱階段水稻騰發(fā)量受灌溉下限的影響與單階段受旱時(shí)幾乎保持一致，多階段連旱不會(huì)加劇受旱階段水稻騰發(fā)量的減少。

2.3.4 不同受旱方案水稻產(chǎn)量變化規(guī)律

將平水年、枯水年和豐水年不同受旱方案不同生育水稻產(chǎn)量進(jìn)行平均，得出正常灌溉條件下水稻的產(chǎn)量為8 139 kg/hm2，其他不同灌水下限下水稻產(chǎn)量見(jiàn)圖6e。

圖6e顯示，分蘗期單階段受旱時(shí)，灌溉下限為90%、80%、70%、60%對(duì)應(yīng)的減產(chǎn)率分別為3.1%、4.0%、4.7%、6.6%；拔節(jié)孕穗期單階段受旱時(shí)，不同灌溉下限對(duì)應(yīng)的減產(chǎn)率分別為0.1%、0.3%、0.6%、3.5%；抽穗開(kāi)花期單階段受旱時(shí)，不同灌溉下限對(duì)應(yīng)的減產(chǎn)率分別為0.1%、0.3%、1.6%、11.3%；乳熟期單階段受旱時(shí)，不同灌溉下限對(duì)應(yīng)的減產(chǎn)率分別為0.2%、0.5%、1.3%、6.1%。

圖6e還顯示，分蘗期、拔節(jié)孕穗期連旱時(shí)，灌溉下限為90%、80%、70%、60%對(duì)應(yīng)的減產(chǎn)率分別為3.1%、4.0%、5.2%、10.7%；拔節(jié)孕穗期、抽穗開(kāi)花期連旱時(shí)，不同灌溉下限對(duì)應(yīng)的減產(chǎn)率分別為0.1%、0.6%、2.2%、15.3%；抽穗開(kāi)花期、乳熟期連旱時(shí)，不同灌溉下限對(duì)應(yīng)的減產(chǎn)率分別為0.2%、0.8%、4.5%、19.8%；分蘗期至抽穗開(kāi)花期3階段連旱時(shí)，不同灌溉下限對(duì)應(yīng)的減產(chǎn)率分別為3.1%、4.1%、6.7%、21.9%。

可見(jiàn)，單階段受旱條件下，灌溉下限為60%時(shí)，抽穗開(kāi)花期對(duì)最終產(chǎn)量的影響最大（減產(chǎn)率高達(dá)11.3%），分蘗期、乳熟期、拔節(jié)孕穗期受旱對(duì)產(chǎn)量的影響依次減小。同一灌溉下限時(shí)，2階段或3階段連旱對(duì)產(chǎn)量的影響大于單階段受旱；其中，灌溉下限高于70%時(shí)，分蘗至抽穗開(kāi)花期3階段連旱對(duì)產(chǎn)量的影響最大，其次為分蘗、拔節(jié)孕穗期2階段連旱；當(dāng)灌溉下限低于70%時(shí)，多階段連旱會(huì)導(dǎo)致比較嚴(yán)重的減產(chǎn)。

2.4 鄂北地區(qū)節(jié)水潛力

2.4.1 傳統(tǒng)節(jié)水潛力

灌溉水利用系數(shù)參考最嚴(yán)格水資源管理制度紅線指標(biāo)和湖北省現(xiàn)代灌溉發(fā)展規(guī)劃綜合確定，取0.5；水稻種植面積主要采用各縣市2013年統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)，取25.3萬(wàn)hm2。根據(jù)灌溉試驗(yàn)成果，濕潤(rùn)模式凈灌溉定額為33.0 m3/hm2；中蓄模式為43.3 m3/hm2；淺灌模式為43.7 m3/hm2。試驗(yàn)數(shù)據(jù)與大田實(shí)際灌溉定額相比偏大，主要由于測(cè)坑漏失嚴(yán)重。根據(jù)模型模擬結(jié)果，淺灌模式凈灌溉定額為18.7 m3/hm2，中蓄模式為18.5 m3/hm2；濕潤(rùn)模式為18.0 m3/hm2；本文推薦的適宜灌溉模式下凈灌溉定額為15.2 m3/hm2。模擬值與試驗(yàn)值相差較大是因?yàn)榭紤]了犁底層作用，因此模擬結(jié)果與實(shí)際更相近。凈灌溉定額采用模擬結(jié)果，而中蓄模式或淺灌模式接近于鄂北地區(qū)大田灌溉模式（即為現(xiàn)有灌溉模式），因此，0,net取淺灌模式和中蓄模式均值，為18.6 m3/hm2；1,net取推薦適宜灌溉模式，為15.2 m3/hm2。根據(jù)公式（1），計(jì)算得到鄂北地區(qū)傳統(tǒng)節(jié)水潛力為3.94億m3。

2.4.2 耗水節(jié)水潛力

根據(jù)試驗(yàn)成果，淺灌模式水稻騰發(fā)量為532.7 mm；中蓄模式為526.3 mm；濕潤(rùn)模式為506.6 mm。與現(xiàn)有灌溉模式（騰發(fā)量淺灌模式和中蓄模式的均值）相比，采用濕潤(rùn)灌溉模式耗水節(jié)水潛力為5 790.6萬(wàn)m3。

根據(jù)模型模擬結(jié)果，濕潤(rùn)模式水稻騰發(fā)量為468.4 mm；推薦適宜的灌溉模式下水稻騰發(fā)量為423.5 mm。模擬值與觀測(cè)值相比，偏小，主要原因是模型識(shí)別的水稻生育期與觀測(cè)時(shí)間相比偏小10 d左右。因此，與濕潤(rùn)模式相比，推薦的適宜灌溉模式耗水節(jié)水潛力為1.1億m3。

與現(xiàn)有的灌溉模式相比，若采用推薦的適宜灌溉模式，耗水節(jié)水潛力可達(dá)到1.68億m3。耗水節(jié)水潛力低于傳統(tǒng)節(jié)水潛力，主要是由于回歸水重復(fù)利用。從另一角度，采用本文推薦的適宜灌溉模式，至少可節(jié)約用水1.68億m3，可見(jiàn)，鄂北地區(qū)節(jié)水潛力巨大。

3 討 論

灌溉試驗(yàn)中3種水稻灌溉模式：中蓄灌溉模式下，蓄水上限雖然比淺灌和濕潤(rùn)灌溉模式高，但由于試驗(yàn)?zāi)攴菟旧趦?nèi)降雨較少，降雨利用率沒(méi)有明顯提升。因此，中蓄灌溉和淺灌模式下的灌溉定額沒(méi)有明顯差異；而濕潤(rùn)灌溉模式下，騰發(fā)量較低，且減少了灌溉次數(shù)，降雨利用率反而提升，灌溉定額低于中蓄灌溉和淺灌模式?？梢?jiàn)，從節(jié)水和增產(chǎn)角度，濕潤(rùn)模式優(yōu)于其他兩種模式。

根據(jù)鄂北地區(qū)的水稻灌溉試驗(yàn)結(jié)果，田間水層的短暫落干能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)水、提高水分生產(chǎn)率[19-22]。張玉屏等[23]提出，干干濕濕的灌溉方式下水稻全生育期騰發(fā)量只需要同期有水層騰發(fā)量的48.7%，具有最佳的節(jié)水、增產(chǎn)效果；莊德續(xù)等[24]、和玉璞等[25]研究發(fā)現(xiàn)，控制灌溉模式能夠有效降低水稻各生育階段的需水強(qiáng)度，減少灌水量，且能提高水分生產(chǎn)效率。而鄂北地區(qū)3種傳統(tǒng)灌溉模式均為有水層灌溉，在確保水稻產(chǎn)量相對(duì)穩(wěn)定的前提下，可見(jiàn)該地區(qū)的水稻灌溉仍具有一定的節(jié)水空間。為此，有必要在灌溉試驗(yàn)成果基礎(chǔ)上，開(kāi)展更多方案的數(shù)值模擬，以探討鄂北地區(qū)水稻適宜灌溉模式。

降低灌溉下限或灌水定額能夠減少水稻本田期灌溉定額，當(dāng)灌溉下限低于飽和含水率的80%時(shí)，水稻本田期的灌溉定額減少。一方面是因?yàn)榻档凸喔认孪藁蚬嗨~在一定程度上提高了降雨利用效率；另一方面，灌溉下限越低且灌水定額越低，田面水層落干時(shí)間越長(zhǎng)，水稻受到水分脅迫的程度和持續(xù)時(shí)間也越長(zhǎng)，從而極大地減少了水稻棵間蒸發(fā)量和水稻蒸騰量[26-27]。單生育期受旱時(shí)，受旱程度越嚴(yán)重，對(duì)該生育期的騰發(fā)量及最終產(chǎn)量影響越大；然而，當(dāng)水稻在分蘗、拔節(jié)孕穗期以及抽穗開(kāi)花期單階段受旱時(shí)，能促進(jìn)根系的發(fā)育，其后生育階段的騰發(fā)量會(huì)出現(xiàn)“反彈”現(xiàn)象（如分蘗期單階段受旱之后，拔節(jié)孕穗期的水稻騰發(fā)量比正常灌溉條件下水稻騰發(fā)量增加約1%），這與實(shí)際情況十分相符[28-29]。拔節(jié)期至乳熟期，當(dāng)單生育階段灌溉下限低于70%時(shí)，隨著受旱程度的增加，受旱階段的水稻騰發(fā)量和最終產(chǎn)量受干旱的影響越大，而且多個(gè)階段連續(xù)受旱時(shí)對(duì)水稻騰發(fā)量和產(chǎn)量的影響比單生育期受旱更大。在拔節(jié)孕穗期和抽穗期，水稻產(chǎn)量對(duì)水分脅迫最敏感[30-31]。

綜合對(duì)比分析，同一灌溉下限，灌水定額高于40 mm時(shí)，水稻本田期的灌溉次數(shù)明顯減少，但水稻本田期灌溉定額較大；同一灌溉下限，灌水定額低于30 mm時(shí)，水稻本田期的灌溉定額明顯降低，但灌溉次數(shù)較多，增加了田間管理的難度。而且，當(dāng)受旱程度較輕時(shí)（灌溉下限高于飽和含水率的80%），騰發(fā)量有一定程度降低，產(chǎn)量降低不明顯；而受旱程度較重（低于飽和含水率的70%）時(shí)，水稻本田期的灌溉定額明顯減少，但水稻產(chǎn)量產(chǎn)生明顯減產(chǎn)現(xiàn)象。因此，本文推薦的適宜灌溉模式為：蓄水深度為60 mm，返青期保持有水層，黃熟期水層自然落干，拔節(jié)期和乳熟期可適當(dāng)中度受旱（灌溉下限為70%～80%的飽和含水率），而其他生育期各階段的灌溉下限不宜低于耕作層土壤飽和含水率的80%；灌水定額為30～40 mm。

4 結(jié) 論

通過(guò)分析長(zhǎng)渠灌溉試驗(yàn)站長(zhǎng)系列年的灌溉試驗(yàn)資料得出，鄂北地區(qū)3種傳統(tǒng)灌溉模式中，濕潤(rùn)模式優(yōu)于淺灌模式和中蓄模式，且具有明顯的節(jié)水和增產(chǎn)效果。

基于模型模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，降低分蘗期的灌溉下限能夠有效減少水稻騰發(fā)量，當(dāng)灌溉下限低于90%時(shí)即能減少正常條件下分蘗騰發(fā)量的47%以上；降低拔節(jié)孕穗期、抽穗開(kāi)花期以及乳熟期的灌溉下限低于70%時(shí)能減少相應(yīng)階段正常條件下騰發(fā)量的10%以上；然而，多階段連旱不會(huì)加劇相應(yīng)階段騰發(fā)量的減少。拔節(jié)孕穗期和抽穗開(kāi)花期受重旱時(shí)（灌溉下限低于70%）對(duì)最終產(chǎn)量的影響最大，但灌溉下限高于70%時(shí)單階段受旱對(duì)產(chǎn)量的影響較?。欢嚯A段連旱對(duì)產(chǎn)量的影響較大，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)盡量避免。

為了確保水稻產(chǎn)量，同時(shí)兼顧節(jié)水、盡可能降低田間管理難度（如減少灌水次數(shù)），提出了鄂北地區(qū)的適宜灌溉模式：蓄水深度為60 mm，返青期保持有水層，黃熟期水層自然落干，拔節(jié)期和乳熟期可適當(dāng)中度受旱（灌溉下限為飽和含水率的70%～80%），而其他生育階段可輕度受旱（灌溉下限不低于80%的飽和含水率）；避免2個(gè)或3個(gè)生育階段連續(xù)受旱；灌水定額為30～40 mm。

與現(xiàn)有灌溉模式相比，在鄂北地區(qū)采用該適宜灌溉模式的傳統(tǒng)節(jié)水潛力為3.94億m3，耗水節(jié)水潛力可達(dá)到1.68億m3?？梢?jiàn)，本文推薦的適宜灌溉模式在鄂北地區(qū)具有較大的節(jié)水潛力。

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Reasonable irrigation mode and water-saving potential for rice in Northern Hubei Province

Liu Luguang1, Tan Junwei2※, Wu Xia1, Wang Lihong3, Cao Junlong4

(1.430070,; 2430072,; 3.430070,;4.,441000,)

The agricultural water and ecological water have been continuously squeezed due to increasing urban domestic water consumption in China. Moreover, the inconsistency between water supply and demand in agriculture has been threating the regional food security, ecological environment protection, and social stability. Therefore, the study on crop water requirement and water-saving irrigation mode is important to mitigate the water shortage in agriculture. In this paper, yield and water demand regulation of paddy rice under different irrigation modes were analyzed based on the field experiments conducted in 2009-2013 at Changqu Irrigation Station (31°11′N(xiāo), 112°11′E), Xiangyang, Hubei Province. ORYZA_V3 model was calibrated against the measured rice yield obtained in 2010, and validated with measured rice yield obtained in 2011. Then, the calibrated model was used to simulate the rice growth for 30 years (1981-2010) under three traditional irrigation modes and several drought schemes, which were designed with combinations of lower limits of irrigation, irrigation water quotas, and irrigation times for drought in different rice growing stages. Based on model outputs, evapotranspiration and water consumption were calculated for each growing stage,and irrigation quota, irrigation times, yields and water productivity were compared. Based on that, an optimum irrigation mode was proposed for this region, and its water-saving potential was calculated. The results indicated that, compared to shallow irrigation (SI) mode, the annual average yield under wetting irrigation (WI) mode increased by 2.7% and the irrigation quota decreased by 4.2%, whereas the yield under middle-store irrigation (MI) mode decreased by 2.3% and the irrigation quota decreased by 1.1%. Thus, among the traditional irrigation modes, WI mode is better than SI mode and MI mode from the points of saving water and improving production. Furthermore, lower irrigation threshold less than 90% of saturated soil moisture in tillering stage (TL) reduced evapotranspiration by more than 47%, and in other stages evapotranspiration were reduced by more than 10% when the irrigation threshold was less than 70% of saturated soil moisture. In addition, drought in jointing-booting (JB) and heading flowering (HF) stage had stronger effects on rice yield than that in other stages. After an overall consideration of water-saving, field management efficiency and food security, the optimum irrigation mode for this region was suggested: The maximum water level in field after rain was set as 60 mm, thin water layer should be kept in returning green (RG) and heading flowering (HF) stages, whereas natural fall was advisable in yellow-ripping (YR) stage, and moderate drought was allowed only in jointing-booting (JB) and milky-ripening (MK) stages with lower limit of irrigation between 70%-80% of saturated soil moisture while light drought was suggested in other stages with the lower limit of irrigation higher than 80% of saturated soil moisture, and the irrigation water quota was set as 30-40 mm. The optimum irrigation mode had great water-saving potential, which could save at least 0.168 billion m3water for northern part of Hubei Province. The results of this study were of important significance in guiding the irrigation for paddy rice in this region.

irrigation; evapotranspiration; model; ORYZA_V3 model; water-saving potential

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.04.024

S275

A

1002-6819(2017)-04-0169-09

2016-06-03

2016-09-10

湖北省水利重點(diǎn)科研項(xiàng)目（HBSLKY201404）

劉路廣，男，漢，山東德州人，博士，從事節(jié)水灌溉與水資源優(yōu)化配置研究。武漢 湖北省水利水電科學(xué)研究院，430070。 Email：wlhllg814704@163.com

譚君位，男，土家族，博士生，從事水資源高效利用。武漢 武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，430072。 Email：tanjunwei@whu.edu.cn

劉路廣，譚君位，吳 瑕，王麗紅，曹俊龍. 鄂北地區(qū)水稻適宜節(jié)水模式與節(jié)水潛力[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(4)：169－177. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.04.024 http://www.tcsae.org

Liu Luguang, Tan Junwei, Wu Xia, Wang Lihong, Cao Junlong. Reasonable irrigation mode and water-saving potential for rice in Northern Hubei Province[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(4): 169－177. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.04.024 http://www.tcsae.org