不同年型控灌中蓄稻田水分变化特征分析研究

张 璞刘增进任 亮

(1.华北水利水电大学，河南郑州 450011；2.水利部综合事业局，北京 100053)

不同年型控灌中蓄稻田水分变化特征分析研究

张 璞1刘增进1任 亮2

(1.华北水利水电大学，河南郑州 450011；2.水利部综合事业局，北京 100053)

控灌中蓄是在控制灌溉(排水)技术和蓄雨型节水灌溉技术的基础上，依据南方地区稻植期雨量多而发展起来的一种节水灌溉制度。本文从不同年型稻田各水分要素在田间的分布和变化情况入手，通过比较控灌中蓄和常规灌溉模式下有效降雨量、灌溉用水量、水稻需水量、田间耗水量、稻田排水量之间的差异，掌握不同年型水稻生育期田间水分分布和变化规律。通过对水稻不同年型田间灌溉以及对降雨的利用情况进行分析，比较水稻控灌中蓄和常规灌排模式下水稻需水量之间的差异，探索水分利用效率之间差异的根源，阐明控灌中蓄生态节水灌溉模式的节水机理，旨在为节水灌溉技术下土壤水分管理和调控提供依据。

控灌中蓄；稻田水分；特征；分析

1 概 述

控灌中蓄是在控制灌溉（排水）技术和蓄雨型节水灌溉技术的基础上，依据南方地区稻植期雨量多而发展起来的一种节水灌溉制度。该模式根据水稻各生育期需水特点，以稻田蓄水水层和根层土壤含水率作为灌排控制指标，确定灌（排）水时间和灌（排）水定额。灌水时土壤水分控制上限为饱和含水率，下限则视水稻不同生育阶段，分别取土壤饱和含水率的60%～80%。若有降雨，视水稻生育阶段的不同，蓄雨上限分别取50～70mm，最大限度地提高降雨的有效利用率，从而达到节约灌溉用水的目的。

本文从不同年型稻田各水分要素在田间的分布和变化情况入手，通过比较控灌中蓄和常规灌溉模式下有效降雨量、灌溉用水量、水稻需水量、田间耗水量、稻田排水量之间的差异，明确各相关水量要素在农田水分中所占比例，掌握不同年型水稻生育期田间水分分布和变化规律。通过对水稻不同年型田间灌溉以及对降雨的利用情况进行分析，比较水稻控灌中蓄和常规灌排模式下水稻需水量之间的差异，并探索水分利用效率之间差异的根源，进而阐明控灌中蓄生态节水灌溉模式的节水机理，旨在为节水灌溉技术下土壤水分管理和调控提供依据。

2 试验区概况

田间试验区位于南京江宁区横溪镇丘陵地区，该区属亚热带季风湿润区，日照充沛，全年平均蒸发量1473mm，年平均降雨天数117天，年平均降雨量1106.50mm，主要集中于6月下旬至7月上旬的梅雨季节。年平均气温15.7℃，平均最大湿度81%，最大风速19.8m/s，无霜期237天。

试验区土壤是黄棕壤，质地黏重。取稻田0～60cm土壤分析土壤理化性质，结果如下：pH值5.87，有机质含量21.7g/kg，土壤容重1.35g/cm3，土壤田间持水率28.0%（重量含水率），饱和土壤含水率53.0%（重量含水率），总氮含量1.3g/kg，碱解氮含量86.5mg/kg，总磷含量0.36g/kg，速效磷含量25.3mg/kg。

3 试验设计

田间试验在水稻品种、育秧、移栽、密度、植保、用肥等技术措施以及基础地力相同的条件下，设计常规淹灌（CVI）和控灌中蓄（CMI）2种不同的灌排制度为主处理（田间水分控制指标见表1），设有机无机肥配施（CF）、单施化肥（FO）、无肥处理（NF）3种施肥水平作为副处理，每个处理设3个重复，共计18个处理小区，试区面积10m2（2m× 5m），四周设高30cm、宽30cm的砖砌混凝土隔埂，并在试区的四周向地下铺设60cm深的不透水塑料薄膜作为隔离层。各小区均安装有60cm直径蒸渗仪、观测井（长60cm、宽30cm、深80cm）、竖尺等设施，用于田间水位监测。试验区安装水泵，各小区进水方式为明渠灌溉，渠道设计为矩形，设计流量为0.02m3/s。通过预埋在田间的PVC管道（直径为20cm）进行排水，PVC管之后依次接渐缩管、截止阀、水表，每个小区单独设置水表，对排水进行记录和精确控制。

表1 两种灌溉制度下水稻各生育阶段根层土壤水分控制指标

试验种植水稻为台湾高雄139粳稻，采用大棚育苗、大田插秧移栽方式种植，种植密度80万苗/hm2。稻田有机肥和无机肥配施比例为4∶6。基肥施用复合肥，总养分不小于45%，三种营养元素比例为N∶P2O5∶K2O=15∶13∶17。追肥施用尿素，氮素含量为42%。有机肥料选择鸡粪，氮、磷、钾含量分别为1.8%、1.6%、0.9%，有机质含量为28%（各年度稻田施肥时间与施肥量见表2）。整个水稻生育期统一实施病虫害治理、灌水、施肥等农艺措施，病虫害主要防治对象为螟虫、蚰虫和稻飞虱。

表2 水稻全生育期农艺措施

4 测定项目与方法

4.1 有关指标测定

气象指标：试验区基础气象观测资料从当地自动气象站获得，主要指标包括风速、风向、空气温度、湿度、降雨量、蒸发量、太阳辐射、日照时数等，其数据为日值数据。

土壤含水率：在水稻各生育阶段内，各处理小区稻田根层土壤含水率采用土壤水分速测仪测定，降雨及灌水后加测。

田间水层：当由于灌溉或降雨存在田间水层时，通过竖尺测定田间水位，记录读数并计算田间地表水层变化，测定时间为每天10：00左右。降雨及灌水前后加测。

田间渗漏：根据稻田水量平衡，田间渗漏值通过蒸渗仪水位与田间水位差值获得。

灌排水量：灌溉水量通过流量与灌溉时间乘积获得；排水量通过各处理小区排水开始和结束时的水表读数差获得。

测产考种：主要测定项目有有效穗数、每穗粒数、千粒重、作物产量等，理论产量依据公式计算，实际产量按各处理小区单打单收测算。

4.2 降雨有效利用率

通过式（1），结合经验，当降雨量小于5mm时，r为0；当降雨量介于5～50mm时，r为1；当降雨量大于50mm时，r为0.7；分别计算各降雨水平下的田间有效降雨量，各阶段有效降雨量之和为生育期内总有效降雨量。稻田有效降雨量与总降雨量之比为降雨利用率（RUE）。

式中 Re——有效降雨量，mm；

R——天然降雨量，mm；

r——降雨有效利用系数。

4.3 灌溉水分利用效率

灌溉水分利用效率（WUEi）指总灌溉水量所产生的效率，由式（2）计算：

式中 Y——水稻实际产量，kg/hm2；

Ei——总灌溉水量，m3/hm2。

4.4 作物水分利用效率

作物水分利用效率（WUE）指由总灌溉水量和有效降雨量所产生的效率，按式（3）计算：

式中 Y——水稻实际产量，kg/hm2；

E——总供水量，m3hm2。

4.5 数据处理与分析

数据整理通过Microsoft Excel 2015完成，相关统计分析采用SPSS19.0软件进行。

5 结果分析

5.1 不同年型水稻全生育期降雨量和灌溉用水量分析

通过对不同年型水稻各生育期降雨量和灌水量（见表3）比较分析发现，2013年和2015年水稻全生育期降雨总量分别为488mm和463mm，远低于2014年降雨量778mm。2013年降雨主要集中在水稻分蘖期和拔节孕穗期，二者降雨总量为388mm，占生育期总降雨量的80%，其中分蘖期降雨最多，占总降雨量的48%，乳熟期则未发生降雨；2014年各生育期降雨则较为均匀，抽穗开花期和乳熟期降雨量分别占总降雨量的27%和13%；2015年水稻分蘖期降雨量占生育期总降雨量的52%，抽穗开花期降雨量次之，拔节孕穗期降雨量最小，可见不同年型稻田降雨量在各生育期的差异较大。

表3 不同年型水稻各生育期降雨量和灌水量

通过对不同年型水稻灌溉次数和灌水量分析发现，2014年两种灌溉模式下水稻总灌溉次数相近，总灌水量差别不大，灌水主要集中在抽穗开花期，控灌中蓄和常规灌溉模式下该生育阶段灌水量分别占总灌水量的41%和42%；而2013年和2015年两种灌溉模式则相差较大，控灌中蓄分别比常规灌溉减少灌溉次数9次和8次，减少灌水量270mm和210mm。控灌中蓄分别比常规灌溉总灌水量减少47%和43%，且在分蘖期和拔节孕穗期呈显著性差异，这主要是因为此时水稻处于营养生长旺盛阶段，对水分的需求敏感。2013年两种灌溉模式均在水稻分蘖期灌水量最大，分别占生育全期灌水量的30%和37%；2015年控灌中蓄模式下最大灌水量在拔节孕穗期，占总灌水量的36%，分蘖期次之，而常规灌溉模式下最大灌水量在分蘖期，占总灌水量的37%，拔节孕穗期次之。整体来看，2013年水稻分蘖期和拔节孕穗期灌水量较大，控灌中蓄和常规灌溉模式下两个生育期灌水量总和分别占全年灌水量的50%和63%；2014年灌水量最大在抽穗开花期，控灌中蓄和常规灌溉模式下灌水量分别占全生育期灌水量的41%和42%；2015年和2013年相似，同样在水稻分蘖期和拔节孕穗期灌水量较大，控灌中蓄和常规灌溉模式下两个生育阶段总灌水量分别占全生育期灌水量的64%和67%。由此可见，不同年份水稻灌水量不同，灌水量在各生育阶段内的分布有一定差异，这可能与当年降雨分布有一定关系。

5.2 不同年型水稻需水量分析

水稻需水量即腾发量，是植株蒸腾和棵间蒸发之和。2013年和2015年水稻抽穗开花期需水量最大，拔节孕穗期需水量次之；控灌中蓄模式下需水量分别占全生育期的31%和30%，常规灌溉模式下均占全生育期的33%；2014年除返青期和乳熟期需水量较小外，其余生育阶段水稻需水量相差不大，其中拔节孕穗期水稻需水量最大，控灌中蓄和常规灌溉分别占生育全期总需水量的29%和31%。2013年、2014年、2015年控灌中蓄模式下水稻全生育期需水量分别比常规灌溉低127mm、61mm、77mm，即16%、9%、10%（见表4）。控灌中蓄模式下水稻需水量有不同程度减少，在水分胁迫的同时加强了对降雨利用，使水稻处于胁迫与非胁迫交替状态，有利于根系生长，同时抑制了植株无效分蘖的形成，而这种差异主要体现在生育后期。

表4 不同年型水稻各生育期需水量和日需水强度

分析水稻各生育阶段日需水强度发现，2013年整个生育期抽穗开花期最大，拔节孕穗期次之，返青期最小，其中控灌中蓄模式下最大日需水强度比常规灌溉模式下低2.33mm/d；2014年和2015年控灌中蓄模式下全生育期水稻日需水强度分别比常规灌溉模式下低9%和10%，水稻拔节孕穗期日需水强度最大，分蘖期次之，乳熟期需水强度最小，且控灌中蓄模式下最大日需水强度分别比常规灌溉模式下低0.86mm/d和1.0mm/d。

5.3 不同年型水稻田间耗水量分析

分析不同灌溉模式下水稻各生育阶段腾发量变化发现，返青期时由于气温较低，水稻植株较小，棵间蒸发和植株蒸腾较小，此时两种灌溉模式稻田土壤水均为饱和状态，田间渗漏相差不大，水稻腾发量和耗水量均为整个生育周期内最小；分蘖前期为水稻生长关键时期，植株需水量逐渐增大，伴随气温的升高，耗水量也逐渐增大，至分孽后期由于晒田等因素，稻田水分减少，腾发量略有下降，而渗漏量则明显下降；拔节孕穗期进入水稻的生殖生长时期，同时太阳辐射和气温达到整个生育期内最好状态，此时植株蒸腾和耗水更大，至抽穗开花期达到最大；此后乳熟期时由于水稻植株生长的减慢及气温的降低，腾发量和耗水量降至较低水平，而随着灌溉水量的减少，田间渗漏量也下降（见表5）。

表5 不同年型水稻各生育期腾发量和耗水量单位：mm

2013年水稻全生育期内腾发量控灌中蓄比常规灌溉模式下减少16%，灌溉模式对生育全期总腾发量的影响显著；2014年控灌中蓄处理下水稻全生育期内腾发量比常规灌溉模式下减少9%，耗水量变化趋势与腾发量一致，控灌中蓄处理下水稻耗水量比常规灌溉处理减少10%；2015年灌溉模式对腾发量和耗水量的影响均显著，控灌中蓄处理下水稻腾发量比常规灌溉模式下减少10%，控灌中蓄处理下水稻耗水量减少11%，因此，控灌中蓄处理能够有效利用降雨，减少腾发量和耗水量，减少田间渗漏，提高水分利用效率。

5.4 不同年型稻田排水量分析

2014年由于降雨较多，稻田排水量和排水次数明显高于2013年和2015年；2014年常规灌溉与控灌中蓄排水次数分别为3次和4次，2013年和2015年两种灌溉模式下均发生两次排水；2013年、2014年、2015年控灌中蓄比常规灌溉分别减少排水量19%、33%和31%（见表6）。

表6 不同年型稻田排水量单位：mm

续表

由表6可知，田间排水主要发生于返青期、拔节孕穗期和抽穗开花期，不同年型排水量和排水次数略有差异，这与当年降雨分布和土壤水分调控有一定内在联系。对比发现，不同年份常规灌溉模式下排水量均高于控灌中蓄模式下稻田排水量，因此，在相同的降雨条件下，控灌中蓄能够存蓄较多雨水，在较低灌水量的条件下保证水稻生长需要，提高降雨利用率。同时考虑到稻田排水给环境带来的影响，控灌中蓄节水灌溉模式能有效减少稻田污染物的排出，具有较好的生态环境效益。

5.5 控灌中蓄条件下稻田水分利用效率

控灌中蓄较常规灌溉降雨利用率有大幅度提高，2013年、2014年和2015年分别提高2.6倍、3.5倍和1.7倍，这种降雨利用率的提高主要通过增加田间蓄雨量、减少稻田渗漏量和田间地表径流量来实现。控灌中蓄稻田有效降雨量分别比常规灌溉高155.5%、247.9%、67.8%（见表7）。控灌中蓄灌溉水分利用效率较常规灌溉均有较大幅度提高，其中2013年和2015年控灌中蓄模式下灌溉水分利用效率约为常规灌溉模式下的2倍，灌溉模式对灌溉水分利用效率的影响显著。因此，控灌中蓄模式灌溉水的利用效率明显提高，这种利用率的提高保证了水稻在相对较少灌溉水量的条件下不降低产量。同样，2013年和2015年控灌中蓄模式下作物水分利用效率分别比常规灌溉模式高40%和41%，而2014年则低18%，因此，控灌中蓄模式下高效利用水分主要体现在降雨相对不充足的年型。

表7 不同灌溉模式下水分利用效率

6 结 语

控灌中蓄模式下水稻总灌溉次数和总灌水量均小于常规灌溉模式，2014年两种灌溉模式下差异较小，2013年和2015年差异显著，具体表现为控灌中蓄分别比常规灌溉减少灌溉次数9次和8次，减少灌水量270mm和210mm，在分蘖期和拔节孕穗期差异显著。2014年稻田排水量和排水次数明显高于2013年和2015年，常规灌溉与控灌中蓄排水量分别为300mm和200mm，排水次数分别为3次和4次。其中常规灌溉模式下排水量均高于控灌中蓄模式下稻田排水量。

［1］ 何生兵，邵孝侯，袁定炜，等.水稻生态节水技术理论研究与探讨［J］.江苏农业科学，2006（6）：425-429.

［2］ 何生兵.水稻生态节水灌溉模式研究［D］.南京：河海大学，2007.

［3］ 吴七斤，邵孝侯，邱桠柳，等.水稻三种灌排模式的节水增产和改善土壤肥力效果比较分析［J］.中国农机化学报，2015，36（6）：319-322.

［4］ 郭元裕.农田水利学［M］.3版.北京：中国水利水电出版社，1997：29-33.

Analytical Study on Characteristics of Moisture Changes in Different Types of Paddy Fields with Water-catching and Controllable Irrigation

ZHANG Pu1，LIU Zengjin1，REN Liang2
（1.North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450011，China；2.Bureau of Comprehensive Development Ministry of Water resoureces，Beijing 100053，China）

Water-catching and controllable irrigation is a mechanism on water saving and irrigation evolved in accordance with big raindrop during paddy plantion season in the southern area on the basis of controlling irrigation(drainage) technology and rainfall conservation type water-saving irrigation technique.Starting from distribution and changes of varying moisture elements in different types of paddy fields,this article gets hold of moisture distribution and changing rules during growing period of different paddies by contrasting valid effective rainfall,irrigation water capacity,paddy water demand, field water consumption and discharge volume in paddy fields.By analyzing irrigation on different types of paddy fields and use of raindrops,it compares the difference between water-catching and controllable irrigation and paddy demand water under routine irrigation model,digs into sources giving rise to variation among efficiency of water use and spells out water-saving mechanism of water-catching and controllable irrigation model for the purpose of providing basis for management and control of soil moisture under water-saving irrigation technology.

water-catching and controllable irrigation;moisture in paddy field;traits;analysis

S275

A

1673-8241（2016）12-0057-07

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.12.015