馬世浩，楊 丞，王貴兵，張 賡，李小坤，3

（1.華中農業(yè)大學資源與環(huán)境學院華中農業(yè)大學微量元素研究中心，武漢430070；2.全國農業(yè)技術推廣服務中心，北京100125；3.華中農業(yè)大學雙水雙綠研究院，武漢430070）

0 引言

水稻是我國主要糧食作物之一，占糧食種植面積的35%左右，我國約有65%的人口以稻米為主食[1]。同時，水稻也是種植過程中用水量最多的作物[2]。我國水稻生產中最常用的水分管理方式是淹水灌溉，水稻生長的過程需要大量水來保持水層，但通常只有不到一半的水能被水稻消耗利用[3,4]。稻田灌水量是小麥和玉米等其他作物2～3 倍，耗水量極大[5]，稻田灌溉水的水分生產率僅為1 kg/m3[6]。據(jù)研究，目前我國西南地區(qū)稻田灌溉用水量9 000 m3/hm2以上，北方部分地區(qū)由于降雨量小，灌水量更是高達15 000～22 500 m3/hm2，遠高于當?shù)厮緦嶋H需要的灌水量[7]，水資源浪費極其嚴重。而全國有70%左右的耕地干旱缺水，每年僅灌區(qū)缺水約300 億m3[8]。由于缺乏有效的節(jié)水灌溉技術和管理，很大一部分灌溉用水在田間輸水的過程中損失。在一些大型灌溉區(qū)域，每生產1 kg 稻米要消耗約4～5 m3的水，其中作物生長只需要25%～30%水分，而大部分水通過蒸發(fā)和滲漏損失了[9]。

節(jié)水灌溉是在正常條件下節(jié)水，并且保證農作物高產穩(wěn)產，通過優(yōu)化灌水次數(shù)和灌水定額，減少灌溉用水總量[10]。2019年我國農業(yè)灌溉耗水量2 387.6 億m3，占全國耗水總量的74.6%[6]。隨著世界人口的增長，以及城鎮(zhèn)和工業(yè)的發(fā)展，用于農作物灌溉的水資源越來越匱乏，水稻生產的可持續(xù)發(fā)展和糧食安全已經受到了威脅[11,12]。“大水大肥”作為傳統(tǒng)稻田生產習慣采用的水肥管理模式，不僅造成水資源嚴重浪費，而且會由于土壤滲漏、地表徑流而引起一系列問題[13]。另外，由于水資源在年際間、地區(qū)間及年內分布不均，稻米生產受到干旱造成的區(qū)域和季節(jié)性缺水的威脅，即使在我國雨水較多的南方地區(qū)，季節(jié)性干旱也是頻繁發(fā)生，每年受旱面積近700 hm2[14]。并且隨著氣候的變化，近些年水稻受旱面積有增加的趨勢[15]。

因此，發(fā)展節(jié)水農業(yè)，研究水稻高產高效節(jié)水灌溉技術模式，是我國一項重大戰(zhàn)略需求[16]。隨著全球氣候變暖，預計將導致水稻種植的灌溉用水需求量增加13%～23%[17]。據(jù)估計到2025年，亞洲的水稻灌溉地區(qū)將有17～22萬hm2面積的水稻將面臨物質或經濟缺水[18,19]。中國約有94.2%的稻田適合節(jié)水灌溉，通過全面采用節(jié)水灌溉，我國稻米產量可能提高5.4%～6.9%，節(jié)省22.1%～26.4%的灌溉水[20]。研究節(jié)水灌溉技術，以更少的水種植水稻，提高用水效率，從而實現(xiàn)灌溉的可持續(xù)性，無論是對于穩(wěn)定我國水稻生產安全，還是水資源高效利用，都具有重要的意義，是維持農業(yè)可持續(xù)發(fā)展和實現(xiàn)水資源安全目標的重要戰(zhàn)略措施和必然選擇。自20世紀80年代以來，國內外學者對水稻節(jié)水灌溉技術模式進行了研究，提出了很多節(jié)水灌溉技術，如“淺濕灌溉、間歇灌溉、控制灌溉、蓄雨灌溉、自動控制灌溉、適雨灌溉、滴灌”等，均取得了顯著成效，水稻節(jié)水灌溉理論不斷豐富和發(fā)展。雖然目前我國的節(jié)水灌溉技術模式繁多，但缺少系統(tǒng)的比較以及針對不同區(qū)域實際田間效果及優(yōu)缺點的梳理。因此，本文綜述了幾種常用的水稻節(jié)水灌溉技術模式，比較了不同技術模式節(jié)水、增產的效果，并分析了它們的優(yōu)缺點，以期能為發(fā)展水稻節(jié)水灌溉提供理論基礎。

1 水稻節(jié)水灌溉技術模式

1.1 “淺、濕、曬”灌溉

“淺、濕、曬”灌溉的研究始于20世紀80年代，也是我國應用時間最久、應用地域最廣的節(jié)水灌溉模式。廣西推廣的“薄、淺、濕、曬”、浙江等地推廣的“薄露灌溉”和北方地區(qū)推廣的“淺、濕”灌溉都與其類似，只是田間水分控制標準不同。

“薄、淺、濕、曬”的水分控制標準為：薄水插秧（15～20 mm），淺水返青（20～40 mm），分蘗前期濕潤（10 mm），分蘗后期曬田，拔節(jié)孕穗期再灌水（10～20 mm），抽穗揚花期保持薄水層（5～15 mm），乳熟期濕潤（10 mm），黃熟期濕潤、落干。

“淺、濕”灌溉的水分控制標準為：在移栽和返青階段保持30～50 mm 的淺水層，在分蘗初期、拔節(jié)和孕穗期以及抽穗揚花期，淺水和濕潤交替進行，每次灌水30～50 mm，當水層落干后可重新灌溉；分蘗后期曬田，乳熟期淺、濕、曬交替進行，灌水后水深10～20 mm，當土壤田間持水量降至80%時再次灌溉，黃熟期停止灌溉，自然落干。

“薄露灌溉”的技術要點：“薄”意味著灌溉水層通常應小于15 mm，“露”是指田間表層土壤應暴露于在空氣中或陽光下，并且不應長時間浸泡在水中，每次灌水后都要自然落干露田[21,22]，田間水分控制標準類似于拔節(jié)前和黃熟期階段的“薄、淺、濕、曬”灌溉。研究表明[23-27]，與常規(guī)灌溉相比，稻田采用“淺、濕、曬”灌溉技術模式不僅能節(jié)約7%～41%的灌溉用水，而且能使水稻產量提高5.5%～20.9%（表1）。

1.2 間歇灌溉技術

“間歇灌溉”又稱為“干濕交替灌溉”，由美國學者于20世紀80年代最先提出。它是按一定周期，階段性地向水稻田間供水灌溉，通過有無水層控制來構成淺水與濕潤反復交替。這種模式在南方地區(qū)的湖北、安徽和浙江等省以及北方有采用[21,28]。其田間水分控制標準如下：在返青期維持30～50 mm的水層，分蘗后期曬田，黃熟期停止灌溉，自然落干即可。根據(jù)不同的土壤狀況、地下水位、氣候條件和生育期，可分別采用重度間歇淹水和輕度間歇淹水。重度間歇淹水每7～9 d灌水一次，每次50～70 mm，田面保持20～40 mm 水層，隨后自然落干，有水層保持4～5 d，無水層3～4 d，如此反復交替，灌水前土壤含水率不低于田間持水率的85%～90%；輕度間歇淹水每4～6 d灌水一次，每次灌水30～50 mm，使田面保持15～20 mm水層，有水層和無水層各2～3 d，灌水前土壤含水率不低于田間持水率的90%～95%[29]。研究表明[20,26,30-34]，與常規(guī)灌溉相比，“間歇灌溉”能使稻田灌水減少25%～77.8%，增產4.7%～18%；但也有研究表明，“間歇灌溉”不利于水稻高產，并且重度間歇灌溉會導致減產[35,36]（表1）。

表1 不同灌溉技術的節(jié)水增產效果Tab.1 Water saving and yield increasing effects of different irrigation techniques

1.3 控制灌溉技術

“控制灌溉”不同地方叫法有差別，如半干旱栽培、控水灌溉、水插旱管等，該技術是20世紀80年代初由河海大學開始試驗研究，并于90年代正式提出水稻控制灌溉的概念?！翱刂乒喔取笔腔诠?jié)水灌溉條件下水稻新的需水規(guī)律及水稻在不同生長階段不同需水量，在發(fā)揮水稻自身調節(jié)功能和適應性的基礎上，遵循適時適量、科學供水原則的灌溉新技術[37]。其技術要點為：只在插秧至水稻返青期建立20～30 mm 水層，其他生育階段灌水后均不建立水層，而是把根層土壤水分作為控制指標，來確定灌水定額和灌水時間。水分控制上限為土壤飽和含水率，下限則取土壤飽和含水率的60%～80%。如遇降雨，稻田可適當蓄水，但蓄水不能超過50 mm，時間不能超過5 d[29]。根據(jù)各地區(qū)的試驗[20,24,30,31,38]，“控制灌溉”比常規(guī)灌溉節(jié)水約24%～45.9%，增產約1.8%～16%，但也有報道稱“控制灌溉”會導致水稻減產（表1）。

1.4 蓄雨型灌溉技術

“蓄雨型灌溉技術”是以充分利用降雨為原則的一項技術，在不影響水稻高產的前提下，盡可能多的積蓄雨水，以提高降雨利用率。在我國湖北、福建等地區(qū)研究推廣的“少灌多蓄”技術以及安徽、江蘇研究的“淺灌深蓄”、“控灌中蓄”等技術都屬于這一類型[22]。無降雨時按照其他技術灌溉，降雨時，雨水層可以超過灌溉水層的上限標準。這樣不僅減輕了排水負擔，而且減少了灌水量。淺蓄一般宜在水稻生長前期和后期進行，雨后田面水深可超出灌溉水層20～30 mm；而中期可多蓄，雨后水深可超出30～50 mm[22,39]。各地在推廣各種節(jié)水灌溉技術同時，常常會與“蓄雨型灌溉”相結合，對于節(jié)水和利用降雨會有更好的效果。研究表明[20,40,41]，與常規(guī)灌溉相比，“蓄雨型灌溉”減少了43.4%～87.7%的灌溉量，增產11.8%～36.9%（表1）。

1.5 適雨灌溉

“適雨灌溉”是由浙江省水利河口研究院提出的一種水稻灌溉方法，在保證水稻產量的前提下，每次灌水前適度干旱脅迫，降雨時再讓水稻適度遭受淹水脅迫，旱澇脅迫交替發(fā)生。其具體技術方法按耕作栽培模式又分為平地模式、溝畦模式和秸稈覆蓋模式[42]。平地模式田間控水標準為：返青期灌溉下限為土壤飽和含水率，上限為20 mm 田面水層，蓄雨上限為田面水深35～50 mm；分蘗前期灌溉下限為土壤負壓-20 kPa，土壤飽和含水率為上限，蓄雨上限為田面水深85～100 mm；分蘗后期，灌溉下限為土壤負壓-25～-30 kPa，上限也為土壤飽和含水率，蓄雨上限為田面水深130～150 mm；拔節(jié)孕穗期灌溉下限為土壤負壓-15～-20 kPa，上限為田面水深100～150 mm，蓄雨上限為田面水深180～200 mm；黃熟期，蓄雨上限為田面水深50～80 mm，自然落干[42]。研究表明[43-45]，與常規(guī)灌溉相比，“適雨灌溉”下產量增加了2.1%～4.4%，灌溉用水量降低了41.7%～81.9%（表1）。

1.6 滴灌技術

“滴灌”又稱為微灌，主要通過加壓管道、閥門和滴管將水直接灌入根部或土壤表面。水稻“滴灌”技術主要應用于北方干旱地區(qū)，南方多雨地區(qū)應用較少。滴灌時的滴水量、滴水線深度、滴頭間距和額定流量對節(jié)水效果有很大影響。在成華偉[46]等人的研究中，采用單翼迷宮式滴灌帶，滴頭額定流量2.8 L/h 左右，全生育期滴水240 m3，節(jié)水率達到60%。在PARTHASARATHI[47]等人的研究中，地下灌溉滴頭間距為0.8 m，流速為1.0 L/h，是最經濟高效的方法，節(jié)水27%，并且不會影響產量。除了這些一般的滴灌模式外，近年來，新疆天業(yè)有限公司研發(fā)出一項高效節(jié)水的現(xiàn)代化栽培、灌溉技術——“膜下滴灌”，其最早試驗應用于棉花種植，隨后進行水稻試驗。該技術改變了水稻傳統(tǒng)的“水作”種植模式，全生育期無水層、不起壟，是水稻生產中節(jié)水效果最明顯的技術。水稻滴灌系統(tǒng)由首部樞紐、輸送水管網(wǎng)、毛管及控制、量測和保護裝置等組成[46]。滴水過程為水經水泵加壓進入首部樞紐，經過濾后送到輸配水管網(wǎng)然后到干管、支管和毛管，再由毛管上的滴頭滴入水稻的耕層，滿足水稻對水的需求，并且能節(jié)水60%以上[48]。近些年，該技術已經在新疆地區(qū)進行了大面積推廣。據(jù)新疆天業(yè)集團的測算，“膜下滴灌”技術能使主要大田作物平均增產30%以上。但有研究表明[49,50]，與常規(guī)灌溉相比，“膜下滴灌”雖然能減少灌溉用水55.1%～64.5%，但水稻產量會降低或持平。另外，現(xiàn)在的國外已經有很多滴灌的自動化控制方面的研究[51]，如BARKUNAN[52]提出一種水稻滴灌自動化系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用智能手機采集土壤圖像，計算土壤濕度，然后通過GSM 模塊間歇地將數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿⒖刂破魃?。微控制器決定灌溉，并將農田的狀況發(fā)送到農民手機上。其試驗研究表明，與常規(guī)灌溉和傳統(tǒng)滴灌相比，分別節(jié)約了41.5%和13%的水。

1.7 自動控制灌溉

我國“自動控制灌溉”是在引進國外技術的基礎上發(fā)展起來的，起初是在干旱地區(qū)的旱地作物示范區(qū)應用，技術逐步達到成熟，進而大面積推廣應用。但是稻田自動化控制灌溉起步較晚，關于這方面的研究并不多，目前大多還處于理論階段。將計算機、3S 技術、太陽能等現(xiàn)代高新技術應用于灌溉領域，監(jiān)測農作物土壤墑情和氣候等條件，并根據(jù)監(jiān)測結果，采用精確的灌溉設施對作物進行灌溉，是今后水稻節(jié)水灌溉技術發(fā)展的方向[52-57]。國內方面，邱照寧[53]等提出了一種水稻精準節(jié)水灌溉全自動控制系統(tǒng)，通過田間遙測雷達監(jiān)測水層，然后在通過手機遠程遙控抽排水泵，進行灌溉或排水。錢夢清[54]等提出了一種基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡技術的稻田節(jié)水控制灌溉系統(tǒng)，通過傳感器來監(jiān)測土壤墑情，依據(jù)水稻生育期需水信息自動控制灌溉和排水，調節(jié)田面水深和土壤含水量。國外方面，MASSERONI[55]基于一個自動閘門，由放置在田里的超聲波水位傳感器控制，傳感器持續(xù)監(jiān)測稻田水位，并將信息發(fā)送到主控制系統(tǒng)，系統(tǒng)會調節(jié)田面水層深度。PRISILLA[56]提出一種基于人工神經網(wǎng)絡（ANN）的控制灌溉系統(tǒng)，通過田間傳感器監(jiān)測土壤墑情參數(shù)，蒸散模型將參數(shù)轉換為實際的土壤濕度，ANN 控制器將所需水分與實際土壤水分進行比較，并動態(tài)做出決策。UDDIN[57]等提出了一種基于可變速率自動微控制器的灌溉系統(tǒng)模型，太陽能作為控制整個系統(tǒng)的動力源。該系統(tǒng)通過傳感器監(jiān)測稻田的水位，并通過多頻信號將信息發(fā)送給農戶，告知灌溉情況，農戶可以用手機控制電機灌溉或排水。但總的來說，這些技術并沒有經過生產實踐驗證，其具體效果如何都還有待進一步研究。

2 不同灌溉技術的優(yōu)缺點對比

“淺濕曬灌溉”與其他幾種方法相比，操作較為簡單，“淺、濕、干”不同生育階段交替進行，關鍵在于對“干”的判斷，不同生長期“干”的程度和要求不同，過于干旱會對水稻生長產生不利影響。但實際應用過程中難以確定灌溉定額，灌水時間和灌水量之間的關系難以把握（表2），并且與另外幾種灌溉技術相比，其節(jié)水效果一般。

“間歇灌溉”有利于提高水稻生長后期的抗旱能力，通過增強土壤的通氣性來減少病蟲農害的發(fā)生，但該技術主要適用于山區(qū)丘陵地區(qū)，另外增產方面效果不穩(wěn)定，增產減產均有報道。

“控制灌溉”與其他灌溉技術在操作上有所不同，第一是灌溉依據(jù)不同，其他灌溉技術根據(jù)水層判斷灌溉時間和灌水量，“控制灌溉”則依據(jù)土壤含水量是否達到控制標準來判斷是否灌溉。第二是灌水程度不同，另外幾種灌溉技術屬于充分灌溉，“控制灌溉”則屬于調虧灌溉，根據(jù)不同生育期生理特性，在非需水敏感期人為脅迫，適度干旱，提高水稻的抗逆性，拔節(jié)孕穗和抽穗等需水敏感期保證供水，使后期呈現(xiàn)生長補償效應[58]。但該技術的操作復雜，田間工作量大。

“蓄雨灌溉”一般和其他灌溉技術結合起來使用，比如近年來，南方地區(qū)在原來“間歇灌溉”和“薄露灌溉”的基礎上提出了“蓄雨間歇灌溉”和“蓄雨薄露灌溉”技術，大大提高降雨利用率，減少了灌水次數(shù)，在考慮節(jié)水、增效的同時，發(fā)揮了減污的作用[59]。但該技術不適用于北方干旱少雨地區(qū)。

“適雨灌溉”與“蓄雨灌溉”相似，是一種充分利用降雨的灌溉技術，在降雨后根據(jù)作物需要進行灌溉，在東南沿海高降雨區(qū)，合理利用降雨情況下，豐水年份水稻實質很少灌溉，大大減少了灌水量和灌水次數(shù)。不同的是，“適雨灌溉”一般單獨使用，這也使得它的適用性較差，只適用于南方多雨地區(qū)。

“滴灌”相對于其他幾種灌溉技術來說，最大的優(yōu)點就是不受地形限制，便于自動化控制，能大大提高水肥利用率，但該技術的單位面積投資成本高，農民難以接受。

綜上所述，“蓄雨灌溉”的節(jié)水和增產效果最好（表1）；“淺濕曬灌溉”的增產效果較好，但節(jié)水效果一般；間歇灌溉的增產效果不穩(wěn)定，但節(jié)水效果較好；“適雨灌溉”增產效果一般，但節(jié)水效果好?！暗喂唷焙汀翱刂乒喔取边m合在北方稻區(qū)推廣，“蓄雨型灌溉”技術具有較大的節(jié)水和增產潛力，是適合南方稻區(qū)的水稻高效節(jié)水灌溉技術。

3 展望

我國水稻種植面積大、分布廣，水稻節(jié)水灌溉技術從20世紀80年代就開始研究和推廣，在過去幾十年里形成了不同區(qū)域特色的水稻節(jié)水灌溉技術，很多研究也取得了顯著的節(jié)水、增產效果。我國對于水稻節(jié)水灌溉理論與技術研究，處于與發(fā)達國家同步并領先于國際先進水平的地位。盡管如此，但實際應用推廣中仍存在一些問題：一是水稻節(jié)水灌溉比傳統(tǒng)灌溉要求更嚴格，農民需要花費更多的時間和精力，才有可能達到預期的效益。同時，還缺少灌溉的實用診斷指標，農戶無法確定灌溉時期；二是農民節(jié)水意識不高。我國水稻種植區(qū)主要分布在南方，雨水相對充沛，農民灌溉節(jié)水意識薄弱。而且稻農多以散戶為主，對節(jié)水灌溉技術推廣的積極性和關注度不高；三是農業(yè)技術推廣體系不完善，科研、推廣與實際生產脫節(jié)，推廣工作僅僅停留在表面。此外，只靠政府方面做推廣是遠遠不夠的，需要多方面力量參與到推廣體系中；四是目前很多水稻節(jié)水灌溉技術都只是生產經驗的總結，其灌水指標并不統(tǒng)一，有些灌溉技術的節(jié)水與增產效果不穩(wěn)定，增產和減產均有諸多報道，其長期效果如何，是否具有可持續(xù)性，都缺乏充分的理論依據(jù)。

針對現(xiàn)存問題，建議今后擬重點研究以下幾個方面。

（1）建立實用的節(jié)水灌溉診斷指標。目前，指導灌溉的指標主要包括土壤指標（土壤含水量、田間持水量、飽和含水量等）、土壤外觀（表土顏色、裂縫等）、植株形態(tài)（莖葉色、卷葉狀況等）和植株生理狀態(tài)（細胞汁液濃度、滲透勢、水勢和氣孔開度等）[23]。很難以土壤外觀形態(tài)和植株形態(tài)作為指標，準確判斷土壤水分狀況。以植株生理狀態(tài)為指標，測定耗時、難度較大。用土壤水勢作為指標需要用土壤張力計測定，有一定技術難度，農民難以接受。如何建立一個適用范圍廣、測定方法簡便、診斷準確性高的水稻節(jié)水灌溉指標，是一個值得深入研究的問題。

（2）確定科學的技術推廣模式。目前缺乏適用于不同氣候、不同水土條件的水稻灌溉綜合技術集成體系和節(jié)水應用模式，這也是致使水稻節(jié)水灌溉技術難以推廣和發(fā)揮整體效益的原因之一。因此，未來有必要將有較強機理性調控指標轉化為操作性技術指標，形成具體的技術規(guī)范或者操作指南，并將其納入示范區(qū)的先進技術，使技術模式具有更廣泛的適用性。

（3）加強對水稻自動化控制灌溉的研究。20世紀70年代以來，美國、澳大利亞等國家相繼提出了一些土壤與作物水分監(jiān)測、預測的理論或方法，美國、以色列等國家利用空間信息技術和計算機模擬技術進行田間管理，也取得了很大進展，并且已經進入田間生產應用階段。將自動化、計算機信息技術等現(xiàn)代高新技術應用于灌溉領域，基于土壤墑情傳感器的自動化灌溉技術應是未來水稻節(jié)水灌溉技術的發(fā)展趨勢，而我國關于這方面的研究還較少。

（4）加強節(jié)水灌溉對水文循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)影響的研究。在全球溫室氣體排放中，稻田產生的溫室氣體占有重要分量，而灌溉方式是影響溫室氣體排放的重要因子。節(jié)水灌溉條件下，稻田的生態(tài)環(huán)境過程會發(fā)生很大的變化，而相關的研究才剛剛起步，結論也不一[60]。深入研究節(jié)水灌溉可能對稻田產生的環(huán)境效應，確定區(qū)域節(jié)水灌溉的大規(guī)模使用是否會影響水文循環(huán)要素和格局，對于確定環(huán)境友好型的灌溉技術指標，發(fā)展低碳農業(yè)，控制溫室氣體排放都具有重要意義。

（5）加強節(jié)水灌溉對稻米品質的影響的研究。隨著我國社會經濟的發(fā)展，人民對食物的追求已經迎來了從“吃得飽”向“吃得好”轉變，稻米也不例外，現(xiàn)階段消費者對稻米品質的要求越來越高。但是，水稻節(jié)水技術領域的許多研究成果在研發(fā)階段更多地關注節(jié)水、增產和增收的效果，卻很少關注對稻米的品質。因此，未來在研究水稻節(jié)水灌溉的過程中，不應該一味追求節(jié)水增產，而犧牲稻米的品質，應以建成高產、高效、高品質的節(jié)水灌溉技術為目標。