湖北省晚稻灌溉定额计算参数与修订方法研究

2019-07-30刘路广潘少斌陈绪勋王丽红

中国农村水利水电 2019年7期

刘路广，潘少斌，吴瑕，陈绪勋，王丽红

(1. 湖北省水利水电科学研究院，武汉 430070；2. 湖北省节水研究中心，武汉 430070；3. 湖北水利水电职业技术学院，武汉 430070)

0 引言

灌溉定额是实施“总量控制、定额管理”的重要依据，是实现节水灌溉、水资源优化配置、水资源利用、提高灌溉用水效率及效益、农业取水许可管理的基础[1-3]。2003年湖北省颁布了灌溉用水定额标准，但随着节水灌溉技术与农业现代化的发展，作物品种、灌溉模式、灌溉技术以及耕作方式等均发生了变化，灌溉用水定额也会发生相应变化，现行灌溉用水定额标准难以适应当前及今后一个时期的水资源规划设计与用水管理等需求。据统计，湖北省近7年晚稻种植面积基本平稳，平均种植面积为43.67 万hm2，占总耕地面积的12.7%，占作物总播种面积5.42%。晚稻作为湖北省重要的灌溉作物，因此，开展湖北省晚稻灌溉定额修订研究对构建湖北省灌溉定额标准体系、贯彻落实最严格水资源管理制度、促进水资源优化配置、指导水资源规划与管理具有重要意义。

1 晚稻灌溉定额分区与资料搜集

1.1 晚稻灌溉定额分区

灌溉用水定额受作物品种、气候条件、地形条件、灌水方法及技术、土壤质地、农业耕作措施、田间工程及土地平整状况、灌溉管理水平等诸多因素影响[4,5]。部分影响因素具有明显的区域差异性，这亦是灌溉用水定额产生区域差异的主要原因。为合理反映灌溉用水定额区域差异，划分灌溉定额分区时应综合考虑气候条件、地形条件、土壤质地以及灌溉管理水平等因素。湖北省农业区划和干旱分区成果，都将湖北省划分为鄂西北山区、鄂西南山区、鄂北岗地、鄂中丘陵区、鄂东北山丘区、鄂东南山丘区、江汉平原区和鄂东沿江平原区8个分区(图1)，该分区成果能够反映气候条件、地形条件、作物种植等因素区域差异性。为便于成果相衔接，本次湖北省晚稻灌溉用水定额分区采用湖北省农业区划和干旱分区成果。

湖北省晚稻种植主要分布在黄冈市、荆州市、武汉市、咸宁市、黄石市、孝感市、鄂州市、天门市、宜昌市(仅枝江市)、荆门市和仙桃市。从分区上讲，主要涉及江汉平原区、鄂东南山丘区、鄂东沿江平原、鄂东北山丘区、鄂中丘陵区。

图1 湖北省灌溉定额分区图

1.2 资料搜集

本研究共收集了12个灌溉试验站晚稻灌溉试验成果。从分区上讲，鄂中丘陵区3个(团林站、徐家河站、长渠站)、江汉平原区3个(四湖站、三湖连江、金星站)、鄂东北山丘区1个(明山站)、鄂东沿江平原3个(梅川站、古角站、白莲河站)、鄂东南山丘区1个(南川站)、鄂西南山丘1个(望城岗)，灌溉试验资料涵盖了湖北省晚稻种植区域；从试验数据观测年份上讲，主要集中在20世纪80、90年代，试验数据偏旧。为弥补试验资料缺陷，2018年3月对天门市、麻城市、浠水县、通山县等典型县的晚稻种植与灌溉用水情况进行了实地调研，调查了晚稻种植、生育期、水层控制标准及灌溉用水等情况。

2 晚稻灌溉定额计算参数

2.1 晚稻作物系数变化规律分析

(1)不同品种晚稻作物系数变化规律分析。分析了团林站和明山站同一灌溉模式不同品种不同生育期晚稻作物系数变化规律，具体见图2。由图2可知，不同品种晚稻作物系数具有一定差异，晚稻品种因素对作物系数具有一定影响。这主要因为不同品种作物高度、叶面积指数等作物特性不同，进而影响作物需水量和作物系数[6]。团林站不同品种晚稻作物系数差异性并不大，一般抽穗开花期作物系数达到最大[图2(a)]；明山站不同品种晚稻作物系数变化趋势基本一致，但数值之间差异较大[图2(b)]，一方面可能是品种因素导致；另一方面可能是由于华矮15号仅1年灌溉试验数据，缺乏代表性。在对比分析作物品种影响因素时基本消除了灌溉模式因素影响，但由于试验数据年份不同，并未消除气候因素影响。

图2 不同品种晚稻作物系数变化规律

(2)不同灌溉模式晚稻作物系数变化规律分析。分析了团林站和长渠站同一年份同一品种不同灌溉模式不同生育期作物系数变化规律，具体见图3。由图3可知，团林站浅灌适蓄模式各生育期晚稻作物系数基本略高于浅灌模式；长渠站不同灌溉模式各生育期晚稻作物系数相差很小，且无一致性变化规律。总体来讲，不同灌溉模式晚稻作物系数具有一定差异性，但相差并不大。不同灌溉模式，稻田蓄水深度不同，导致稻田保持有水层的天数不同，进而会对株间蒸发量有所影响。但由于不同灌溉模式稻田土壤含水率达到了饱和含水率以上(晒田期除外)，作物基本不会产生水分胁迫，腾发量差异并不大，这亦是不同灌溉模式晚稻作物系数差异较小的主要原因。

图3 不同灌溉模式不同生育期晚稻作物系数

(3)不同分区晚稻作物系数。由于灌溉模式对作物系数影响不大，因此作物系数确定未按灌溉模式进行分类。根据灌溉定额分区及灌溉试验站分布，采用算术平均法确定各分区不同生育期晚稻作物系数。由于晚稻分蘖末期采用晒田措施，而灌溉试验资料并未进行详细划分，根据试验数据成果，分蘖末期(无水层)晚稻作物系数由分蘖末期(有水层)晚稻作物系数乘以0.7折算。不同分区晚稻作物系数计算成果见图4，晚稻作物系数返青期、分蘖末期和黄熟期作物系数相对较小，主要由于返青期作物蒸腾量相对较小；分蘖末期和黄熟期一般采用晒田或落干措施，土壤水分较少，作物腾发量相对较小。孕穗期、抽穗开花期和乳熟期晚稻作物系数相对较大。各分区晚稻作物系数变化趋势基本一致，差异并不大。

图4 各分区不同生育期晚稻作物系数

2.2 不同分区晚稻稻田渗漏量

(1)不同灌溉模式晚稻稻田渗漏量变化规律分析。由团林站晚稻灌溉试验成果可知[图5(a)]，除抽穗期外，其他生育期浅灌深蓄模式日均渗漏量大于浅灌勤灌模式。由梅川站晚稻灌溉试验成果可知[图5(b)]，晚稻本田生育期内浅灌中蓄模式日均渗漏量大于浅灌湿润模式。以上试验成果分析表明，随着蓄水深度的增加，稻田渗漏量呈增加变化趋势，但不同灌溉模式之间稻田渗漏量相差并不大。

图5 不同灌溉模式晚稻日均渗漏量

(2)不同地形晚稻稻田渗漏量变化规律分析。由团林站试验成果可知[图6(a)]，晚稻本田各生育阶段，塝田日均渗漏量高于冲田。选择山区(望岗坡站)、丘陵区(明山站)、平原区(四湖站)3种地形典型代表站进行分析[图6(b)]，晚稻不同生育阶段内日均渗漏量呈现山区>丘陵区>平原区的变化规律。以上试验成果表明，地形对稻田渗漏量具有一定影响，并且表现为山区>丘陵区>平原区。地形因素对稻田渗漏量影响较为明显。

图6 不同地形晚稻日均渗漏量

(3)不同分区晚稻稻田渗漏量。根据稻田渗漏量变化规律分析可知，灌溉模式和地形因素对稻田渗漏量均具有一定影响，而地形因素影响较大。根据地形条件采用灌溉试验资料确定不同分区不同生育期稻田渗漏量。对于节水灌溉模式，如间歇灌溉或“薄浅湿晒”等，可将生育期内稻田土壤含水率低于饱和含水率时渗漏量设置为0进行处理。不同分区稻田渗漏量见表1。鄂东南山丘区灌溉试验站为南川试验站，且仅有1年的晚稻本田生育期渗漏量合计值，资料不足无法直接确定。考虑地形条件与鄂东北山丘区相近，因此采用鄂东北山丘区的稻田渗漏成果。分蘖末期有水层时期内日均渗漏量参考分蘖期，分蘖末期无水层时期的日均渗漏量为0。泡田期日均渗漏量采用返青期日均渗漏量。

表1 不同分区晚稻不同生育期日均渗漏量 mm

2.3 不同分区晚稻泡田期水面蒸发和饱和需水量

当晚稻泡田期有大型蒸发皿水面蒸发观测资料时，直接采用观测值；当无大型蒸发皿观测资料时，则由小型蒸发皿观测值或参考作物腾发量进行转换。典型县晚稻泡田期小型蒸发皿水面蒸发、大型蒸发皿水面蒸发和参考作物腾发量之间关系见图7。

图7 典型县(监利县)小型蒸发皿水面蒸发、大型蒸发皿水面蒸发和参考作物腾发量之间关系

晚稻泡田饱和需水量与泡田前的土壤含水量直接相关，由于晚稻和早稻一般是轮种，晚稻泡田前土壤含水率相对较高，按饱和含水率80%考虑。经折算，晚稻泡田饱和需水量为20 mm。

2.4 生育期及田间水层控制标准

(1)晚稻生育期。晚稻生育期受作物品种、地理位置、气候因子(气温、日照、湿度)等因素影响。根据试验成果和实地调研，人工耕作条件下，一般7 d左右；机械耕作条件下，晚稻泡田期极大缩短，一般1～2 d。晚稻插秧一般在7月底，根据浠水县和通山县调研情况，当地存在不插“八一秧”，即八一之前插秧的说法。晚稻收割一般在10月底，部分年份可能会推迟到11月上旬。晚稻生育期(含泡田期)长度为90～100 d左右。根据试验及实地调研，确定了各分区晚稻生育期，见图8。基本表现为由南至北增加趋势，符合一般规律。为计算方便，避免更多的统计分析工作，不同生育期生长天数每年采用固定值，即多年平均值。

图8 不同分区晚稻生育期

(2)晚稻田间水层控制标准。根据实地调研，浅灌适蓄是目前湖北省大田晚稻灌溉的主要模式。大田晚稻灌溉与试验田存在以下方面的不同：①除水源和灌排条件很好的区域外，农户一般会充分利用降水资源；②随着农村劳动力转移，灌溉次数少也是在农户乐于选择的灌溉模式；③对于水源有保障，且灌溉输水时间短的区域灌溉下限相对较低，而灌溉输水时间长或水源保障不足的区域，则灌溉下限可适当提高。在节水灌溉模式方面，“薄浅湿晒”和“间歇灌溉”相关研究与应用较多[7-10]，由于间歇灌溉具有节水、灌水次数少等优点更容易在大田，特别是灌溉条件较好的地区推广[10]。综上所述，选择浅灌适蓄和间歇灌溉2种模式作为本次晚稻灌溉定额修编采用的灌溉模式。根据地形条件、灌溉试验成果、实地调研、晚稻不同生育阶段需水及耐旱情况，确定了不同分区2种灌溉模式晚稻灌溉水层控制标准，具体见表2和表3。

表2 不同分区晚稻不同生育阶段水层控制标准-浅灌适蓄

表3 不同分区晚稻不同生育阶段水层控制标准-间歇灌溉

注：0～40～60指灌溉下限、灌溉上限和蓄雨上限；灌溉下限90%为土壤含水率占饱和含水率的百分比。

3 晚稻灌溉定额计算与分析

3.1 不同灌溉定额分区晚稻灌溉定额计算分析

根据灌溉定额计算参数与影响因素分析，将湖北省晚稻灌溉定额按照灌溉模式分为浅灌适蓄模式和间歇灌溉模式；同时，由于耕作方式影响晚稻泡田时间及泡田定额，因此按照耕作方式分为人工耕作和机械耕作。灌溉模式与耕作方式进行组合共计4种灌溉定额：人工耕作+浅灌适蓄、机械耕作+浅灌适蓄、人工耕作+间歇灌溉、机械耕作+间歇灌溉。

根据水量平衡，对1973-2013年湖北省各典型县晚稻灌溉定额进行了计算。根据不同分区典型县晚稻灌溉定额，采用算术平均法确定了不同分区不同频率晚稻灌溉定额，具体成果见图9。由图9可知，相同灌溉模式和频率下，机械耕作灌溉定额一般低于人工耕作下的灌溉定额，表明耕作方式进步有利于农业节水；相同耕作方式与频率下，间歇灌溉模式灌溉定额低于浅灌适蓄模式，主要由于间歇灌溉有利于提高降雨利用率。从区域分布上，同一灌溉模式与耕作方式条件下，鄂东南山丘区和鄂东沿江平原的晚稻灌溉定额相对较低，而鄂东北山丘区、鄂中丘陵区和江汉平原区相对较高。

图9 湖北省不同分区不同频率晚稻灌溉定额

3.2 不同分区晚稻灌溉定额合理性分析

(1)与相关试验成果对比分析。选择松滋市和荆门市晚稻灌溉定额计算值分别与金星站和团林站观测值进行对比分析。灌溉定额为本田生育期内灌溉定额，不含泡田定额；计算值采用浅灌适蓄模式，试验值金星站采用浅灌模式，团林站采用浅灌勤灌或浅灌适蓄，灌溉模式相近。剔除试验值中明显奇异值后，对比结果见图10。由图10(a)可知，松滋市晚稻灌溉定额计算值与金星站观测值相差较小，产生差异的主要原因可能是生育期降雨量不同导致。从晚稻灌溉定额多年均值看，金星站观测值为3 060 m3/hm2，松滋市计算值为2 835 m3/hm2，计算值相对偏小，但相对误差为7%，在合理范围内。由图10(b)可知，荆门市晚稻灌溉定额计算值与团林站观测值变化趋势一致，且相差不大。1975-1977年3年的相对误差较大，主要原因可能是降雨量差别较大。从晚稻灌溉定额多年均值看，团林站观测值为3 085 m3/hm2，荆门市计算值为3 082 m3/hm2，计算值与观测值基本相同，这表明了计算参数和计算成果的合理性。

图10 晚稻灌溉定额计算值与观测值对比

(2)与2003年颁布的标准对比分析。与2003年晚稻灌溉定额相比，人工耕作浅灌适蓄条件下，鄂东北山丘区晚稻灌溉定额明显降低，其他分区晚稻灌溉定额升降不一，但升降幅度均不大；机械耕作浅灌适蓄条件下，除江汉平原区多年平均与50%频率、鄂中丘陵区50%频率的晚稻灌溉定额略有提高外，其他分区不同水平年均有一定程度降低，这表明先进耕作方式有利于农业节水；人工耕作间歇灌溉条件下，除江汉平原50%频率晚稻灌溉定额基本未变化外，不同分区不同水平年晚稻灌溉定额基本有一定程度降低，这表明节水灌溉模式节水效果较好；机械耕作间歇灌溉条件下，不同分区不同水平年晚稻灌溉定额均有一定程度降低。本次修订提出不同灌溉模式与耕作方式下的灌溉定额，更能反映湖北省用水水平，具有一定可行性与先进性。

(3)湖北省不同分区晚稻灌溉定额。通过与灌溉试验成果和2003年湖北省灌溉定额标准的对比与分析，晚稻灌溉定额成果是合理的，并具有一定可行性与先进性。用户可根据耕作方式和灌溉模式的不同选择相应的灌溉定额成果。目前，湖北省一般为机械耕作+浅灌适蓄组合模式下的灌溉定额，对于水源条件和灌溉设施条件较好的地区建议推荐采用机械耕作+间歇灌溉条件的灌溉定额。