虾稻共作灌溉定额确定方法研究

2019-09-24刘路广关洪林潘少斌崔远来杨小伟

农业工程学报 2019年15期

刘路广，吴瑕，关洪林，潘少斌，崔远来，董苇，杨小伟，罗强

虾稻共作灌溉定额确定方法研究

刘路广1,2，吴瑕1,2，关洪林1,2，潘少斌1,2，崔远来3，董苇1,2，杨小伟1,2，罗强3

（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. 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072）

近年来，中国长江中下游流域大面积发展了虾稻共作适水农业，该种养模式改变了田块结构及用水模式，其灌溉定额计算有别于普通农作物且具有一定复杂性，目前还未见相关研究报道。该文在实地调研的基础上，根据虾稻共作田块结构与用水特点，将1个周年划分为水稻非生育期阶段、水稻生育期虾稻分养阶段、水稻生育期虾稻共养阶段3个阶段，基于水量平衡原理，提出虾稻共作灌溉定额确定方法。以湖北省潜江市为例，通过资料搜集和计算参数确定，采用该文提出的计算方法对虾稻共作灌溉定额进行了计算，虾稻共作灌溉定额多年平均12 945 m3/hm2。该研究成果为虾稻共作灌溉定额提供了理论依据，对指导虾稻共作灌溉用水及水资源管理具有重要意义。

灌溉；降雨；蒸发蒸腾；虾稻共作；水量平衡原理；确定方法

0 引言

虾稻共作是将种植业与养殖业有机结合的一种新型生态农业模式，是传统农业与现代科技相结合的产物，具有潜在生态、经济和社会效益[1-4]。由于虾稻共作种养模式稳粮增收成效显著，该种养模式在中国长江中下游流域湖北、湖南、江西、安徽、江苏等省份得到了推广应用[5-7]。根据全国水产技术推广总站2018年发布的中国小龙虾产业发展报告，2017年全国虾稻共作面积达到了567 khm2。目前，国内外在虾稻共作种养技术方面开展了许多研究工作[8-12]，取得了一些研究成果。增产增质方面，虾稻共作可增加农民收入，提高水稻品质[13]，部分研究表明还可促进水稻增产[9-10,14]；土壤肥力方面，可改善土壤结构，有助于保持土壤肥力[14-17]；生物多样性方面，对杂草具有控制作用[18]，显著影响水体浮游植物和土壤微生物结构[19-21]。在科学研究及推广应用过程中，在田块结构设计、水肥管理等种养技术方面总结了大量经验[22-24]。

由于虾稻共作改变了田块结构和用水模式[25-26]，水平衡要素及计算参数发生了变化，进而影响了灌溉定额及其计算方法，与一般农作物灌溉定额计算相比[27-29]，具有一定复杂性。灌溉定额是节约用水和水资源管理的基础性工作[30]，而目前虾稻共作灌溉定额计算方法未见相关研究报道，因此如何计算虾稻共作灌溉定额成为当前亟待解决的问题。根据研究现状及存在问题，开展实地调研，系统科学提出虾稻共作灌溉定额计算方法，对指导虾稻灌溉用水及水资源管理具有重要意义。

1 实地调研虾稻共作模式

2018年3月，对虾稻共作模式发源地湖北省潜江市熊口镇华山虾稻共作基地及农户进行了实地调研，摸清了虾稻共作田块结构（稻田与虾沟尺寸）、龙虾养殖要点、水稻生育期、水层控制标准、水肥管理经验等。虾稻共作一般在稻田四周开挖虾沟，虾沟与稻田平面布置示意图见图1。

注：L1为虾稻共作田块总长度，m；L2为稻田长度，m；B1为虾稻共作田块总宽度，m；B2为稻田宽度，m。

根据虾稻共作模式种养特点，可将1个周年划分为3个阶段：水稻非生育期阶段、水稻生育期虾稻分养阶段、水稻生育期虾稻共养阶段。水稻非生育期阶段指水稻种植前和收割后的一段时期，该阶段小龙虾可在虾沟及稻田内活动；水稻生育期虾稻分养阶段主要是指水稻生长前期和后期（如返青期、分蘖期、乳熟期和黄熟期），小龙虾仅在虾沟内活动；水稻生育期虾稻共养阶段指水稻生长中期（拔节孕穗期和抽穗开花期），小龙虾可在虾沟及稻田内活动。

2 虾稻共作灌溉定额计算方法

2.1 水稻非生育期阶段灌溉定额

水稻非生育期阶段水层控制标准见图2，该阶段虾沟与稻田水体连成一体，因此，将虾沟和稻田作为1个计算单元，根据水量平衡原理，水量平衡方程可概化为

虾,

末

虾,

初

有效

虾

−

（1）

式中0为水稻非生育期阶段灌溉定额，m3/hm2。

注：虾,蓄为水稻非生育期阶段降雨后最大蓄水水位，mm；虾,上为水稻非生育期阶段适宜水层水位上限，mm；虾,下为水稻非生育期阶段适宜水层水位下限，mm。

Note:虾,蓄is max water level after rainfall in non-growth stage of rice, mm;虾,上is upper limit of suitable water level in non-growth stage of rice, mm;虾,下is lower limit of suitable water level in non-growth stage of rice, mm.

图2 水稻非生育期阶段水层控制标准示意图

Fig.2 Water layer control standard in non-growth stage of rice

2.2 水稻生育期虾稻分养阶段灌溉定额

水稻生育期虾稻分养阶段水层控制标准见图3所示。虾沟和稻田分别基于水量平衡原理进行计算。

虾沟水量平衡计算方程可概化为

沟,

末

沟,

初

有效

沟

−

（3）

式中沟,末为该阶段计算时段末虾沟水层水位，mm；沟,初为该阶段计算时段初虾沟水层水位，mm；沟为该阶段该计算时段虾沟灌水定额，mm。

注：h稻,蓄为水稻生育期虾稻分养阶段稻田最大蓄雨水位，mm；h稻,上为水稻生育期虾稻分养阶段稻田适宜水层上限水位，mm；h稻,下为水稻生育期虾稻分养阶段稻田适宜水层下限水位，mm；h沟,蓄为水稻生育期虾稻分养阶段虾沟最大蓄雨水位，mm；h沟,上、B上分别为水稻生育期虾稻分养阶段虾沟适宜水层上限水位及对应宽度，m；h沟,下、B下分别为水稻生育期虾稻分养阶段虾沟适宜水层下限水位及对应宽度，m。

若虾沟水层水位沟,末降至虾沟适宜水层下限水位沟,下，且无降雨，则需进行灌水（补水）至虾沟适宜水层上限水位沟,上。虾沟第次灌水的补水量记为W，第次灌水的灌水定额记为沟,j，第次灌水前的虾沟水层水位沟,末记为沟,j（=1,2,…,，表示该阶段的虾沟灌水总次数）。若虾沟水层水位沟,末大于降雨后虾沟最大蓄水水位沟,蓄，则需进行排水至沟,蓄。第次虾沟补水量j计算公式为

=0.5(

上

下

)(

沟,

上

−

沟,j

)×2(

)×10

-3

（4）

式中1为虾稻共作田块总长度，对于环形虾沟即稻田长度与2倍虾沟宽度之和，m。

稻田水量平衡计算方程可概化为

稻,

末

稻,

初

有效

稻

−ET

−

（5）

式中稻,末为该阶段计算时段末稻田水层水位，mm；稻,初为该阶段计算时段初稻田水层水位，mm；稻为该阶段该计算时段稻田灌水定额，mm；ETC为水稻蒸发蒸腾量，mm。

若稻田水层水位稻,末降至稻田适宜水层下限稻,下，且无降雨，则需进行补水至稻田适宜水层上限稻,上。稻田第次灌水的灌水量记为，第次灌水的灌水定额稻记为稻,k，第次灌水前的稻田水层水位稻,末记为稻,k，其中=1,2,…,（表示该阶段的稻田灌水总次数）。若稻田水层水位稻,末大于降雨后稻田最大蓄水水位稻,蓄，则需进行排水至稻,蓄。第次稻田灌水量W为

=10

-3

稻,k

稻

=10

-3

稻

(

稻,

上

−

稻,k

)

=10

-3

(

稻,

上

−

稻,k

) （6）

式中W为稻田灌水量，m3；稻为稻田面积，m2。

水稻生育期虾稻分养阶段灌溉定额

2.3 水稻生育期虾稻共养阶段灌溉定额

水稻生育期虾稻共养阶段水层控制标准见图4所示。该阶段虾沟和稻田水体连为一体，将虾沟和稻田作为1个计算单元，其水量平衡方程为

式中2为水稻生育期虾稻共养阶段灌溉定额，m3/hm2。

注：虾稻,蓄为水稻生育期虾稻共养阶段稻田最大蓄雨水位，mm；虾稻,上为水稻生育期虾稻共养阶段适宜水层上限水位，mm；虾稻,下为水稻生育期虾稻共养阶段适宜水层下限水位，mm。

Note:虾稻,蓄is max water level after rainfall at crayfish-rice culture stage at growth stage of rice, mm;虾稻,上is upper limit of suitable water level at crayfish-rice culture stage at growth stage of rice, mm;虾稻,下is lower limit of suitable water level at crayfish-rice culture stage at growth stage of rice, mm.

图4 水稻生育期虾稻共养阶段水层控制标准示意图

Fig.4 Water layer control standard of crayfish-rice culture stage at growth stage of rice

2.4 水质换水定额

因水质问题，部分区域在虾稻共作生长期间还需要进行换水，换水定额3可根据水质情况、试验观测及经验值进行取值。

2.5 虾稻共作灌溉定额

将水稻非生育期阶段、水稻生育期虾稻分养阶段、水稻生育期虾稻共养阶段的灌溉定额与水质换水定额相加，得到了虾稻共作灌溉定额（m3/hm2），具体见式（10）。虾稻共作灌溉定额计算方法中均采用水位值，水位为相对于虾沟底部的水位值，控制水层标准也是相对于虾沟底部的水位值。

=0+1+2+3（10）

3 公式应用实例

3.1 研究区概况

据统计，2017年湖北省渔稻综合种养（主要为虾稻共作）面积达到330 khm2，位居全国首位。潜江市为虾稻共作发源地，其虾稻共作面积达到了46.7 khm2以上。本研究以湖北省潜江市为例，根据实地调研与相关技术规程[5]，确定了相关计算参数，并对虾稻共作灌溉定额进行了计算。

3.2 数据来源及计算过程

1）计算单元结构尺寸

稻田四周开挖虾沟，虾稻共作计算单元长度1=260 m，虾稻共作计算单元宽度1=100 m，虾沟宽度4 m，深1.5 m，边坡1:1，虾沟埂高0.5 m。

2）气象资料

本研究收集了潜江气象站1973－2013年共计41 a逐日气象资料，包括水面蒸发量、降雨量、日最高气温、日最低气温、日平均气温、平均相对湿度、日平均风速、日照时数等。

3）水稻蒸发蒸腾量

根据气象资料利用Penman-Monteith公式计算参考作物腾发量ET0，通过作物系数c与参考作物腾发量乘积得到实际作物腾发量ETC。通过实地调研，搜集到了江汉平原区丫角站（1985－2005年）、东风渠站（1960－1967年、1976－2003年）、三湖连江站（1983年、1985－1991年、1993－2003年）试验数据，通过丫角站、东风渠站、三湖连江站试验数据分析得到了江汉平原区水稻作物系数，本研究直接采用该值，具体见表1。

4）稻田与虾沟渗漏量

水稻生育期内稻田渗漏量采用江汉平原区丫角站、东风渠站、三湖连江站试验分析值（试验年份同上）；水稻非生育期虾沟与稻田一直保持有水层，参考中稻返青期稻田渗漏成果。具体见表1。

5）水面蒸发量

由于潜江站仅有小型蒸发皿水面蒸发资料，无大型蒸发皿水面蒸发观测资料，因此采用值法进行转换。值采用天门站点（1997－2001年）率定值0.607。

6）水质换水定额

根据实地调研，水质条件较好的地区不存在水质换水定额，本次计算不考虑水质换水定额。

7）虾稻共作水稻生育期及水层控制标准

根据实地调研，水稻非生育期、水稻孕穗期、抽穗开花期稻田水层与虾沟水层持平；其他生育期虾沟水层低于稻田田埂高度。根据调研成果，确定了不同时期稻田与虾沟水层设置标准。具体见表1。

3.3 结果与分析

根据多年计算结果，统计了不同频率水稻生育虾稻共作灌溉定额、水稻非生育期虾稻灌溉定额、虾稻共作灌溉定额，具体见表2。由表2可知，虾稻共作灌溉定额多年平均为12 945 m3/hm2，明显大于中稻灌溉用水定额；虾稻共作灌溉定额在50%频率、75%频率、85%频率及90%频率下分别为13 185、14 355、14 925和15 285 m3/hm2，不同频率灌溉用水定额相差较小，主要原因是不同频率降雨主要影响水稻灌溉定额。与水稻相比，虾稻灌溉定额较大主要原因包括：1）计算时段为全年，而水稻灌溉定额仅为水稻生育期；2）水稻非生育期水面蒸发量大于土壤蒸发；3）水稻生育期虾稻共养阶段水层较深，孕穗期为实现小龙虾到稻田活动，有一次定额较大的补水；4）水稻收获后虾沟和稻田水层持平需要一次定额较大的补水。

表1 不同时期水稻作物系数、稻田及虾沟渗漏量及水层控制标准

表2 虾稻共作灌溉定额计算成果表

根据湖北省灌溉用水定额标准，江汉平原区水稻灌溉定额多年平均值为4 050 m3/hm2，本研究水稻生育期虾稻共作灌溉定额多年平均值为5 370m3/hm2，主要原因是虾稻共作水稻田水层深度明显增加，导致灌溉定额增加，符合一般规律。根据实地调研，潜江市虾稻共作灌溉定额约为水稻灌溉定额的3倍左右，约12 150 m3/hm2，本虾稻共作灌溉定额为12 945 m3/hm2，计算成果与实地调研较为接近，能够反映虾稻共作用水水平，表明了计算成果的合理性与计算方法的可行性。由于研究区水质条件较好，不存在水质换水定额，本研究未考虑水质换水定额，当水质条件不好，需要进行换水时，还应考虑该部分定额。

4 结论

1）在实地调研基础上，将1个周年划分为水稻非生育期阶段、水稻生育期虾稻分养阶段、水稻生育期虾稻共养阶段3个阶段；根据每个阶段水分控制标准，基于水平衡原理，系统性提出了虾稻共作的计算方法。

2）以湖北省潜江市为例，对计算参数进行了确定，采用本研究提出的方法对潜江市虾稻共作灌溉定额进行了计算，虾稻共作灌溉定额多年平均12 945 m3/hm2。

本研究成果为虾稻共作灌溉定额提供了一种计算方法，对虾稻共作区域水资源配置、农业取水许可等用水管理具有重要指导意义。

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Determination method of irrigation quota of crayfish-rice culture

Liu Luguang1,2, Wu Xia1,2, Guan Honglin1,2, Pan Shaobin1,2, Cui Yuanlai3, Dong Wei1,2, Yang Xiaowei1,2, Luo Qiang3

(1.,430070,; 2.,430070; 3.,,430072,)

In the recent years, areas of crayfish-rice culture are greatly increased in Lower-and-Middle Section of Yangtze River. This farming model has changed the structure of the field and water-use model. The determination model of irrigation quota is different from general crop and more complex. In this study, we established a method to determine irrigation quota of crayfish-rice culture. The study took Qianjiang city of Hubei Province as a case. By investigation in March 2018, we found the crayfish-rice culture in this study area was carried out in fields with crayfish ditch around the paddy field. The culture was divided into 3 stages in a year: crayfish-rice culture at growing stage of rice, crayfish-rice separate culture at growing stage of rice and non-growth stage of rice. During non-growth stage of rice, water body in the paddy field was connected with crayfish ditch. The water layer control model was established based on water balance equation during each stage to calculate irrigation quota. In addition, the quota of water change from poor to good quality was required if the irrigation water quality was poor. Thus, the total irrigation quota of crayfish-rice culture was the sum of irrigation quota at each stage and quota of water change. In 2017, the crayfish-rice culture area reached 46.7 khm2in Qianjiang city. A case study was taken as an example of application of the calculation method in Qianjiang. The field length of crayfish-rice culture was 260 m. The width was 100 m, The width of crayfish ditch was 4 m, its depth was 1.5 m, the slope was 1:1 and the ridge height was 0.5 m. The evaportanspiration of rice was calculated based on Penman-Monteith formula with meteorological data from 3 experimental stations. The other data were from these stations. Due to good water quality, we didn’t consider the water change quota. The crayfish-rice irrigation quota was calculated by the proposed determination method. According to calculation, the annual average irrigation quota of crayfish-rice culture was 12 945 m3/hm2, which was high than irrigation quota of rice. The irrigation quota of crayfish-rice culture at frequency of 50%, 75%, 85% and 90% was 13 185, 14 335, 14 925 and 15 285 m3/hm2, respectively. The irrigation quota was not greatly different among different frequency. According to, the multiyear irrigation quota of rice in this study area was 4 050 m3/hm2. According to this study, the irrigation quota during growing stage of rice was 5 370 m3/hm2, which was higher than the. It was because the irrigation quota in this study included the water for crayfish-rice culture. The investigation on this study showed that the irrigation quota of crayfish-rice culture was about 3 times of that of rice, about 12 150 m3/hm2. It was closer to our study (12 945 m3/hm2). It confirmed the practicability of proposed calculation model. The research provides a calculation method for irrigation quota determination of crayfish-rice culture, and have guiding significance for irrigation and water resources management.

irrigation; precipitation; evapotranspiration; crayfish-rice culture; water balance principle; determination method

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.15.010

S275

1002-6819(2019)-15-0071-06

2019-01-20

2019-07-10

国家重点研发计划课题（2018YFC1508305）；2017年度湖北省水利厅重点科研项目（HBSLKY201710）

刘路广，博士，从事节水灌溉与水资源优化配置研究。Email：wlhllg814704@163.com

刘路广，吴瑕，关洪林，潘少斌，崔远来，董苇，杨小伟，罗强. 虾稻共作灌溉定额确定方法研究[J]. 农业工程学报，2019，35(15)：71－76. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.15.010 http://www.tcsae.org

Liu Luguang, Wu Xia, Guan Honglin, Pan Shaobin, Cui Yuanlai, Dong Wei, Yang Xiaowei, Luo Qiang. Determination method of irrigation quota of crayfish-rice culture[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(15): 71－76. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.15.010 http://www.tcsae.org