潘少斌，劉路廣，吳 瑕，張建濤，陳緒勛，董 葦，楊小偉

(1. 湖北省水利水電科學(xué)研究院，武漢 430070; 2. 湖北省節(jié)水研究中心，武漢 430070)

0 引 言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，近10年湖北省早稻種植面積基本在40 萬(wàn)hm2左右，種植范圍涉及湖北省中部、東部及中南部。早稻作為湖北省主要灌溉作物之一，其灌溉用水是湖北省農(nóng)業(yè)用水乃至全省用水總量的重要組成部分。

灌溉用水定額是農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉、水資源優(yōu)化配置的重要依據(jù)，是實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的基礎(chǔ)[1]。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化及節(jié)水技術(shù)的發(fā)展，早稻品種、耕作方式、灌溉模式及管理水平均發(fā)生了變化，早稻灌溉用水定額也發(fā)生了相應(yīng)變化[2-5]。然而，湖北省現(xiàn)行早稻灌溉用水定額標(biāo)準(zhǔn)頒布于2003年，歷時(shí)近15年，已難以適應(yīng)當(dāng)前及今后的水資源管理需求?；谀壳把芯楷F(xiàn)狀及問題，有必要進(jìn)行早稻灌溉定額修訂，以便更好地指導(dǎo)早稻灌溉用水管理。

1 資料情況與計(jì)算分區(qū)

1.1 資料情況

(1)灌溉試驗(yàn)資料。本次早稻灌溉定額修訂共搜集團(tuán)林、明山、梅川、徐家河、四湖、古角、白蓮河、金星、南川、三湖連江、長(zhǎng)渠、望城崗等12個(gè)灌溉試驗(yàn)站的早稻試驗(yàn)成果，試驗(yàn)成果涵蓋了湖北省所有早稻種植區(qū)域。

(2)氣象資料。搜集了湖北省早稻種植區(qū)內(nèi)42個(gè)氣象站點(diǎn)資料，主要包括逐日降雨、蒸發(fā)、日照時(shí)數(shù)、溫度、濕度、風(fēng)速等。

(3)實(shí)地調(diào)研?？紤]早稻灌溉試驗(yàn)成果年代久遠(yuǎn)，以及灌溉試驗(yàn)條件與大田種植具有一定差異，直接采用試驗(yàn)資料難以完全滿足灌溉定額修訂要求，需要進(jìn)行實(shí)地調(diào)研。2018年3月15日-23日，對(duì)天門市、麻城市、浠水縣、通山縣等早稻種植典型縣市的灌溉用水情況進(jìn)行了實(shí)地調(diào)研，摸清了早稻生育期、灌溉水層控制標(biāo)準(zhǔn)、降雨利用等情況。

1.2 計(jì)算分區(qū)

為便于定額修訂成果銜接與應(yīng)用，本文結(jié)合湖北省農(nóng)業(yè)區(qū)劃和干旱分區(qū)，根據(jù)湖北省早稻種植區(qū)域分布，以江漢平原區(qū)、鄂東南山丘區(qū)、鄂東沿江平原、鄂東北山丘區(qū)和鄂中丘陵區(qū)為早稻灌溉用水定額計(jì)算分區(qū)。

2 早稻灌溉定額相關(guān)參數(shù)計(jì)算與分析

2.1 早稻作物系數(shù)計(jì)算與規(guī)律分析

作物系數(shù)(Kc)指不同生育期實(shí)際作物蒸發(fā)蒸騰量與參考作物蒸發(fā)蒸騰量的比值，體現(xiàn)了實(shí)際作物和參考作物之間物理和生理上的差異。本文根據(jù)試驗(yàn)實(shí)測(cè)的作物需水量和推求的參考作物需水量，反推作物系數(shù)。

(1)不同品種早稻作物系數(shù)變化規(guī)律分析。為分析早稻品種對(duì)作物系數(shù)的影響，選擇團(tuán)林站相同灌溉模式下不同品種早稻不同生育期作物系數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，見圖1。由圖1可知，早稻品種對(duì)作物系數(shù)具有一定影響，主要原因是不同品種作物高度、葉面積指數(shù)等特性參數(shù)會(huì)有一定的差異，進(jìn)而影響作物需水量和作物系數(shù)[6,7]。總體來(lái)講，不同品種早稻作物系數(shù)差異性并不大，作物系數(shù)均在抽穗開花期前后達(dá)到最大值。另外，盡管對(duì)比分析采用的灌溉模式相同，但由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)年份不同，并未消除氣候因素對(duì)作物系數(shù)的影響。

圖1 團(tuán)林站早稻不同品種不同生育期作物系數(shù)

(2)不同灌溉模式早稻作物系數(shù)變化規(guī)律分析。為分析不同灌溉模式對(duì)早稻作物系數(shù)的影響，選擇團(tuán)林站同一年份同一品種不同灌溉模式不同生育期早稻作物系數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，見圖2。由圖2可知，不同灌溉模式早稻作物系數(shù)具有一定差異性，但差異不大。由于不同灌溉模式的稻田蓄水深度不同，導(dǎo)致稻田保持田面有水層的天數(shù)有所不同，因此株間蒸發(fā)量略有區(qū)別。但是各生育期田間土壤基本達(dá)到飽和含水率以上，因此作物騰發(fā)量雖有一定差異，但差異并不大，這也是不同灌溉模式下作物系數(shù)差異不大的原因。

圖2 團(tuán)林站早稻不同灌溉模式不同生育期作物系數(shù)(廣陸矮，1976年)

(3)不同生育期早稻作物系數(shù)變化規(guī)律分析。考慮到灌溉模式影響較小，因此早稻作物系數(shù)不按灌溉模式進(jìn)行分類。根據(jù)各灌溉試驗(yàn)站試驗(yàn)成果，去除各生育期作物系數(shù)奇異值，采用算術(shù)平均法確定各灌溉試驗(yàn)站不同生育期早稻作物系數(shù)，具體見圖3。由圖3可知，早稻作物系數(shù)基本呈現(xiàn)單峰的變化趨勢(shì)，在抽穗開花期前后作物系數(shù)最大。返青期、分蘗末期和黃熟期作物系數(shù)相對(duì)較小，原因主要是返青期作物蒸騰量相對(duì)較小，而分蘗末期和黃熟期一般采取曬田或落干措施，土壤水分較少，作物騰發(fā)量相對(duì)較小。

圖3 各試驗(yàn)站不同生育期早稻作物系數(shù)

(4)不同分區(qū)早稻作物系數(shù)。根據(jù)灌溉定額分區(qū)以及各分區(qū)灌溉試驗(yàn)站分布，采用算術(shù)平均法確定各分區(qū)不同生育期早稻作物系數(shù)。具體計(jì)算成果見圖4。由于早稻分蘗末期采用曬田措施，而灌溉試驗(yàn)資料并未進(jìn)行詳細(xì)劃分。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)成果分析，分蘗末期(無(wú)水層)早稻作物系數(shù)可由分蘗末期(有水層)早稻作物系數(shù)乘以0.7折算。由圖4可知，各分區(qū)早稻作物系數(shù)變化趨勢(shì)基本一致，具有一定差異，但相差并不大。作物系數(shù)差異性是地形、土壤、氣候、灌溉模式、品種等因素綜合作用的結(jié)果。

圖4 各分區(qū)不同生育期早稻作物系數(shù)

2.2 稻田滲漏量變化規(guī)律分析

(1)不同灌溉模式早稻稻田滲漏量變化規(guī)律分析。根據(jù)團(tuán)林站1975年早稻灌溉試驗(yàn)成果可知[圖5(a)]，本田各生育階段，除抽穗期外，其他生育期淺灌勤灌模式日均滲漏量大于淺灌濕潤(rùn)模式。根據(jù)團(tuán)林站1979年早稻灌溉試驗(yàn)成果可知[圖5(b)]，早稻本田生育期內(nèi)，淺灌適蓄模式相比淺灌曬田模式各生育期日均滲漏量大小不一，但總體上淺灌適蓄模式日均滲漏量略大于淺灌曬田模式。這表明，灌溉模式對(duì)稻田滲漏量具有一定影響，隨著蓄水深度的增加，稻田滲漏量呈增大趨勢(shì)。但總體上，不同灌溉模式之間稻田滲漏量相差并不大。

圖5 早稻不同灌溉模式不同生育期日均滲漏量(團(tuán)林站)

(2)不同地形早稻稻田滲漏量變化規(guī)律分析。選擇團(tuán)林站塝田和沖田試驗(yàn)成果分析可知[圖6(a)]，早稻本田各生育階段，塝田日均滲漏量普遍高于沖田日均滲漏量。選擇山區(qū)(望崗坡站)、丘陵區(qū)(明山站)、平原區(qū)(四湖站)3種地形典型試驗(yàn)站試驗(yàn)成果進(jìn)行分析[圖6(b)]，早稻不同生育階段內(nèi)日均滲漏量呈現(xiàn)山區(qū)>丘陵區(qū)>平原區(qū)的變化規(guī)律，地形因素對(duì)稻田滲漏量影響較為明顯。

圖6 早稻不同地形不同生育期日均滲漏量

(3)不同分區(qū)早稻稻田滲漏量。根據(jù)稻田滲漏量變化規(guī)律分析可知，灌溉模式和地形因素對(duì)稻田滲漏量均具有一定影響，而地形因素影響較大?；诘咎餄B漏量影響因素分析，根據(jù)地形條件采用灌溉試驗(yàn)站資料確定不同分區(qū)不同生育期稻田滲漏量。對(duì)于節(jié)水灌溉模式，如間歇灌溉或“薄淺濕曬”等，可將生育期內(nèi)稻田土壤含水率低于飽和含水率時(shí)滲漏量設(shè)置為0進(jìn)行處理。不同分區(qū)稻田滲漏量成果見表1。分蘗末期有水層時(shí)的日均滲漏量參考分蘗期，分蘗末期無(wú)水層時(shí)的日均滲漏量為0。泡田期日均滲漏量采用返青期日均滲漏量。

表1 不同分區(qū)早稻不同生育期日均滲漏量 mm

2.3 泡田期水面蒸發(fā)與飽和需水量計(jì)算與分析

(1)水面蒸發(fā)。稻田插秧前需要泡田，當(dāng)早稻泡田期有大型蒸發(fā)皿水面蒸發(fā)觀測(cè)資料時(shí)，直接采用觀測(cè)值；當(dāng)無(wú)大型蒸發(fā)皿觀測(cè)資料時(shí)，則由小型蒸發(fā)皿觀測(cè)值或參考作物騰發(fā)量進(jìn)行轉(zhuǎn)換。以監(jiān)利縣為例，大型蒸發(fā)皿水面蒸發(fā)量e大與參考作物騰發(fā)量ET0、大型蒸發(fā)皿水面蒸發(fā)量e大與小型蒸發(fā)皿水面蒸發(fā)量e小之間關(guān)系見圖7。

(2)飽和需水量。早稻泡田飽和需水量與泡田前的土壤含水量直接相關(guān)，而土壤含水量受降雨和蒸發(fā)等因素影響具有不確定性。早稻一般在4月中下旬泡田，湖北省11月至次年4月降雨普遍較少，土壤含水率不高，早稻泡田前土壤初始含水率取田間持水率的70%，耕作層土壤厚度取200 mm，土壤飽和含水率為46.48%，田間持水率為66.39%(占土壤孔隙率)，經(jīng)折算早稻泡田飽和需水量為50 mm。

2.4 生育期及田間水層控制標(biāo)準(zhǔn)

(1)早稻生育期。早稻生育期受作物品種、地理位置、氣候因子(氣溫、日照、濕度)等因素影響[8]。根據(jù)試驗(yàn)成果和實(shí)地調(diào)研，湖北省早稻插秧一般在4月底至5月初，收割一般在7月下旬，生育期(含泡田期)長(zhǎng)度為90 d左右。人工耕作情況下，早稻泡田時(shí)間一般在6～7 d左右，而機(jī)械耕作條件下，泡田期極大縮短，一般在1～2 d之內(nèi)?？紤]計(jì)算方便，避免更多的統(tǒng)計(jì)分析工作，不同生育期生長(zhǎng)天數(shù)每年采用固定值，即多年平均值。

(2)早稻田間水層控制標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)實(shí)地調(diào)研，淺灌適蓄是目前湖北省大田早稻灌溉的主要模式；由于間歇灌溉具有節(jié)水、灌水次數(shù)少等優(yōu)點(diǎn)，更容易在大田，特別是灌溉條件較好的地區(qū)推廣。因此，節(jié)水灌溉模式選擇間歇灌溉。根據(jù)試驗(yàn)成果和實(shí)地調(diào)研，早稻蓄雨上限深度山丘區(qū)一般大于平原區(qū)、降雨量小的地區(qū)(枯水地區(qū))一般大于降雨量大的地區(qū)(豐水地區(qū))。根據(jù)地形條件、灌溉試驗(yàn)成果、實(shí)地調(diào)研、早稻不同生育階段需水情況，確定了不同分區(qū)淺灌適蓄和間歇灌溉2種灌溉模式下早稻灌溉水層控制標(biāo)準(zhǔn)[9]，具體見表2。

圖7 監(jiān)利縣e大與ET0、e大與e小之間關(guān)系

3 早稻灌溉定額計(jì)算成果與合理性分析

3.1 不同灌溉分區(qū)早稻灌溉定額計(jì)算成果

根據(jù)灌溉定額計(jì)算參數(shù)與影響因素分析，早稻灌溉定額受灌溉模式及耕作方式影響較為明顯[10,11]。灌溉模式對(duì)作物騰發(fā)、田間滲漏及降雨有效利用率均有較大影響；機(jī)械耕作方式與人工耕作相比，極大縮短了泡田時(shí)間，進(jìn)而影響泡田定額。因此，早稻灌溉定額按照灌溉模式分為淺灌適蓄和間歇灌溉；按照耕作方式分為人工耕作和機(jī)械耕作。灌溉模式與耕作方式進(jìn)行組合共計(jì)算4種灌溉定額：人工耕作+淺灌適蓄、機(jī)械耕作+淺灌適蓄、人工耕作+間歇灌溉、機(jī)械耕作+間歇灌溉。

表2 不同分區(qū)早稻不同生育階段水層控制標(biāo)準(zhǔn)

注：①0～30～50指灌溉下限、灌溉上限和蓄雨上限；灌溉下限90%指土壤含水率占飽和含水率的百分比。②間歇灌溉下限低于飽和含水率時(shí)，可根據(jù)土壤特性、犁底層埋深等折算成水深。

根據(jù)上述早稻灌溉定額計(jì)算方法，計(jì)算1973-2013年各典型縣早稻灌溉定額。根據(jù)不同分區(qū)典型縣市早稻灌溉定額，采用算術(shù)平均法確定不同分區(qū)不同頻率早稻灌溉定額，具體成果見表3。

表3 湖北省不同分區(qū)不同縣市不同頻率早稻灌溉定額 m3/hm2

注：本次修訂早稻灌溉定額與2003年灌溉定額比，增長(zhǎng)1%(含1%)以上記為“↑”，減少1%(含1%)以上記為“↓”，變化在1%以內(nèi)，記為“→”。

由表3可知，同一分區(qū)相同灌溉模式和頻率下，機(jī)械耕作灌溉定額一般低于人工耕作下的灌溉定額，表明耕作方式進(jìn)步有利于農(nóng)業(yè)節(jié)水；相同耕作方式與頻率下，間歇灌溉灌溉定額低于淺灌適蓄灌溉定額，主要是因?yàn)殚g歇灌溉有利于提高降雨利用率。從灌溉用水定額分區(qū)上講，鄂東南山丘區(qū)和鄂東沿江平原的早稻灌溉定額相對(duì)較低，而鄂東北山丘區(qū)、鄂中丘陵區(qū)和江漢平原區(qū)相對(duì)較高。早稻灌溉定額空間差異主要是早稻耗水量和降雨量綜合作用的結(jié)果。

3.2 不同分區(qū)早稻灌溉定額合理性分析

(1)與相關(guān)試驗(yàn)成果對(duì)比分析。選擇明山站早稻灌溉定額試驗(yàn)觀測(cè)值與試驗(yàn)站所在的麻城市早稻灌溉定額計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比分析。灌溉定額為生育期內(nèi)灌溉定額，不包括泡田定額；試驗(yàn)值采用淺灌中蓄模式，計(jì)算值采用淺灌適蓄模式。剔除試驗(yàn)值中明顯奇異值后，對(duì)比結(jié)果見圖8。

由圖8可知，麻城市早稻灌溉定額計(jì)算值與明山站觀測(cè)值變化趨勢(shì)一致，且相差較小，產(chǎn)生差異的主要原因可能是生育期降雨量不同導(dǎo)致。從早稻灌溉定額多年均值看，明山站觀測(cè)值為1 797 m3/hm2，麻城市計(jì)算值為1 983 m3/hm2，計(jì)算值相對(duì)偏大，但是考慮到降雨的差異(多年平均降雨量明山站為670 mm，麻城市為602 mm)，誤差在合理范圍內(nèi)。這表明計(jì)算參數(shù)取值合理、定額計(jì)算成果可靠。

圖8 麻城市早稻灌溉定額計(jì)算值與明山站觀測(cè)值對(duì)比

(2)與2003年頒布的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比分析。如表4所示，與2003年早稻灌溉定額相比，人工耕作+淺灌適蓄灌溉模式條件下，鄂東北山丘區(qū)、鄂中丘陵區(qū)早稻灌溉定額明顯降低；其他分區(qū)除鄂東沿江平原、鄂東南山丘區(qū)85%頻率的早稻灌溉定額略有下降外，不同水平年均有所增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)幅度不大。機(jī)械耕作淺灌適蓄灌溉模式條件下，除鄂東沿江平原區(qū)50%與75%頻率、鄂東南山丘區(qū)50%頻率的早稻灌溉定額提高超過5%以外，其他分區(qū)不同水平年均有一定程度降低或基本保持不變(增長(zhǎng)幅度小于5%)，這表明先進(jìn)耕作方式能夠促進(jìn)農(nóng)業(yè)節(jié)水。人工耕作間歇灌溉模式條件下，除鄂東沿江平原區(qū)50%頻率基本保持不變外，各分區(qū)不同水平年早稻灌溉定額均有一定程度降低，這表明節(jié)水灌溉模式的節(jié)水效果較好。機(jī)械耕作間歇灌溉模式條件下，各分區(qū)不同水平年早稻灌溉定額均有一定程度降低。由于本次早稻灌溉定額修訂考慮了灌溉模式及耕作方式，與2003年標(biāo)準(zhǔn)相比，更能真實(shí)反映湖北省早稻灌溉用水水平。

4 結(jié)論與建議

本文基于灌溉試驗(yàn)成果及實(shí)地調(diào)研，計(jì)算并分析了湖北省不同分區(qū)早稻作物系數(shù)、稻田滲漏量、泡田期水面蒸發(fā)量、飽和需水量、生育期及水層控制標(biāo)準(zhǔn)等灌溉定額計(jì)算參數(shù)；通過分析耕作方式與灌溉模式對(duì)早稻灌溉定額的影響，提出了4種組合模式下不同分區(qū)不同頻率早稻灌溉定額， 更全面地反映了湖北省早稻灌溉用水水平，用水戶可根據(jù)耕作方式和灌溉模式的不同選擇相應(yīng)的灌溉定額成果，具有一定先進(jìn)性與可操作性。目前，湖北省主要適用機(jī)械耕作+淺灌適蓄條件下的灌溉定額，對(duì)于水源和灌溉設(shè)施條件較好的地區(qū)建議采用機(jī)械耕作+間歇灌溉條件的灌溉定額。