再生水灌溉下水稻需水规律及灌溉制度试验研究

韩焕豪，刘鑫焱，高 蓉，顾世祥，崔远来

（1.昆明理工大学现代农业工程学院，昆明650559；2.云南省水利水电勘测设计研究院，昆明650021；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）

0 引言

伴随着国家农业领域水资源供需矛盾的不断加剧，利用再生水部分替代常规水资源开展灌溉的农业生产逐渐获得广泛重视[1-4]，这同当前中国水资源需求量的快速增长相适应[5]。有研究表明，二级处理后的水用于农业灌溉基本可以忽略重金属的影响，在一定程度上可避免灌溉对作物产量、土壤环境的负面影响[6,7]；经处理后的再生水在农作物生产过程中用于灌溉，以实现废水利用的目的被认为是环保可靠的[8]，同时也是降低水资源消耗、减少污染物排放的必然选择[9]。陈黛慈等[10]也通过多种土壤指标测定法分析得出，由于再生水中具有高含量的全氮、有机质等指标，经灌溉后农田土壤有机质含量增加，养分充足，对作物生长具有一定的促进作用[11]。

水稻是我国需水量最多的作物之一，目前国内外研究人员就水稻ETc及其变化规律，开展了较多试验，以提升水稻作物的节水潜力[12,13]。而在运用养殖废水资源进行灌溉农业生产方面，研究者针对再生水灌溉对粮食作物生物学特性影响、有害元素的富集和作物品质等开展了大量试验，但研究对象多以小麦和玉米作物为主[14-19]。孟雷和左强[14]研究发现，污水灌溉会降低冬小麦约31.2%～85.7%的吸水速率，妨碍对土壤水分的吸收利用。查贵峰等[16]研究指出，冬小麦再生水灌溉的耗水规律与清水十分接近，且累积耗水量随灌溉水量的增大而增加，水分利用效率仅与灌水量有关，随灌溉水量的增加而减少。刘洪禄等[17]通过研究再生水灌溉对冬小麦和夏玉米产量及品质的影响，发现产量平均增产6.49%和5.42%，且粗蛋白、可溶性总糖等主要品质指标亦有一定的提升。李康等[18]研究认为再生水灌溉在小麦株高、叶面积、器官干物质积累等方面生长具有一定的促进作用，且到后期效果更明显，进而一定程度的提高小麦的产量（4.79%），籽粒和土壤中重金属含量没有超过国家食品卫生标准。

因此，为了合理地利用再生水进行灌溉，本研究基于试验区洱海流域水稻种植广且养殖业发达[20-22]的现实条件，结合稻田湿地生态系统中水稻生产需水量大的特点，探索水稻再生水灌溉的需水规律，寻求开展再生水灌溉的适宜灌溉制度，为充分利用再生水进行农业灌溉生产，实现水稻作物节水灌溉技术的可持续发展提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在国家农业环境大理观测实验站（东经100°07′43″，北纬25°49′59″，海拔1 975 m）内开展。试验区为典型的低纬度高原季风气候，干湿季节分明，降雨丰沛，降雨主要集中于5-10月，占全年降雨量的85%～95%，年均降雨量为1 078.9 mm；四季温差小，年平均气温为15.1 ℃，最近15年的年平均日照时间为2 439 h。试验区土壤容重为1.14 g/cm3，容积田间持水率为47.2%，容积饱和含水率为55%。土壤为粉砂质壤土，平均粒径为19.26 μm。在田间试验开始时，初始土壤总氮、总磷、总钾、铵态氮及硝酸盐氮含量分别为4.1 g/kg、1.56 g/kg、15.4 g/kg、4.2 mg/kg和5.88 mg/kg。

1.2 试验设计

试验设计淹水灌溉（FI）及间歇灌溉（AWD）2种灌溉模式（具体各生育期水层控制标准如表1所示），3 种施肥方式：F1（全生育期清水灌溉+施全部化肥）、F2（分蘖期、拔节孕穗期再生水灌溉+施部分化肥）及F3（返青期、分蘖期、拔节孕穗期再生水灌溉+施部分化肥），共计5 个处理（FIF1、FIF2、FIF3、AWDF1、AWDF2）。未设置AWDF3 处理的原因是考虑到AWD 模式下返青期灌再生水水量较少，随灌溉带入养分较少，后期仍需施部分化肥，与AWDF2 处理重复。每个处理设置3 个重复，共15 个小区。每个试验小区面积为54 m2（12 m×4.5 m），各小区用高和宽均为40 cm 的田埂隔开，田埂使用埋深40 cm 的塑料薄膜包裹以防止不同试验区水分侧向运移。灌溉使用的清水取自站内沟渠，水源主要来自苍山溪水。

表1 不同灌溉模式下田间水层控制标准 mmTab.1 Field water layer control standards under different irrigation modes

各处理总施氮量均为193 kg/hm2（以纯氮记），施磷（P2O5）、钾（K2O）量均为60 kg/hm²。清水灌溉处理（F1）的氮肥施肥比例为蘖肥∶穗肥=7∶3，磷肥和钾肥在施加蘖肥时一次性全部施入。对于再生水灌溉下的F2和F3处理，钾肥同样于蘖肥施加时一次性施入。氮肥和磷肥的施加量则根据预估的平水年灌溉制度确定，扣除预估的再生水灌溉带入的氮、磷量，即为蘖肥及穗肥所需补充的化肥氮、磷量。于每次试验前到现场化验再生水的氮、磷含量，用以指导与清水的掺混量，多次取样测得再生水含氮量在30 mg/L 左右，含磷量在2 mg/L 左右。施入的化肥中氮肥品种为尿素，磷肥为过磷酸钙，钾肥为硫酸钾。试验采用水稻品种为03鉴44。

1.3 观测内容与方法

试验水量观测要素包括：田间耗水量、渗漏量与ETc。

（1）田间耗水量：稻田插秧灌水后，在各试验区竖直打下一根钢尺，每日8︰00观测田间水层深度，逐日水深变化即为逐日田间耗水量。

（2）渗漏量：在田间安装钢板测渗筒（有盖），每日8︰00用水尺观测测渗筒水深变化，测渗筒每日水深之差即为渗漏量。

（3）ETc：逐日田间耗水量减去逐日田间渗漏量即为逐日ETc。

（4）小时尺度的降雨量及其他气象数据由试验站内自动气象站测定。

（5）测产考种：收获前于每小区调查有效穗数30 蔸，取有代表性的植株5 蔸考种，考察穗长、每穗粒数、每穗空粒数、实粒数、千粒重。收割时每个小区全部收割测产，且各小区单打单收验产。

（6）ET0：采用FAO Penman-Monteith公式[23]计算。

（7）作物系数Kc为作物蒸发蒸腾量ETc与ET0的比值，按下式计算：

式中：ETc为作物蒸发蒸腾量，mm。

（8）灌溉水利用效率按下式计算：

式中：WPI为灌溉水利用效率，kg/m3；Y为稻田产量，kg/hm2；I为稻田全生育期灌水总量，m3/hm2。

1.4 数据分析与处理

采用Excel 2013 和SPSS 20 软件对数据进行统计分析，Origin 2018软件进行绘图处理。

2 结果与分析

2.1 不同处理下水稻ETc及Kc

2.1.1 不同水肥处理下水稻各生育期ETc

不同水肥处理下水稻各生育期ETc变化趋势如图1所示。由图1 可知，不同处理下水稻ETc规律均呈现倒“V”形的趋势：从返青期开始缓慢上升，至拔节孕穗期达到最大值，后逐渐下降，黄熟期下降到最小值。由图1亦可知，分蘖期与拔节孕穗期均为水稻需水高峰期，拔节孕穗期水稻ETc可高达198.6 mm。

图1 不同再生水灌溉处理下各生育期ETc变化Fig.1 Changes of ETc in each growth period under different reclaimed water irrigation treatments

在相同施肥方式下，FI处理的水稻ETc在拔节孕穗期大于AWD，抽穗开花期后差异不明显。在同一灌溉模式下，清水灌溉处理与再生水灌溉处理各生育期ETc的变化差异较大，清水灌溉处理ETc最大出现在分蘖期，而再生水灌溉处理ETc最大的时期为拔节孕穗期，动态变化出现部分后移的趋势。与清水灌溉相比，再生水灌溉使水稻分蘖期ETc略微减少，拔节孕穗期ETc明显增大，表现出使用再生水灌溉整体提高水稻各生育期ETc的趋势。

2.1.2 不同水肥处理下水稻平均ETc及Kc

不同水肥处理下水稻各水量平衡要素如表2所示。各处理中FIF3 处理平均ETc最大，为588 mm，AWDF1 处理平均ETc最小，为533.6 mm。FI 和AWD 下的水稻平均ETc分别为552.4 mm 和533.6 mm，AWD 比FI 平均ETc平均减少18.8 mm，差异较小。不同施肥方式下，FI下清水灌溉F1和再生水灌溉F3处理下的ETc分别为552.4 mm和588.0 mm，清水灌溉比再生水灌溉减少35.6 mm。AWD 下清水灌溉F1 和再生水F2 处理下ETc分别为533.6 mm 和556.6 mm，节水效果不明显。不同再生水灌溉时期下，两个生育期（分蘖期、拔节孕穗期）灌再生水F2 和3 个生育期（返青期、分蘖期和拔节孕穗期）灌再生水F3 处理平均ETc分别为573 mm 和588 mm，两个生育期灌再生水比3个生育期平均减少15 mm，F3处理下ETc略高，ETc表现出随再生水灌溉水量增加而增加的趋势。

表2 不同处理下水稻各水量平衡要素Tab.2 Rice water balance factors under different treatments

不同处理下水稻各生育期Kc变化趋势如图2所示。由图2可知，各处理水稻Kc的变化规律与各生育期ETc规律保持一致，拔节孕穗期达到峰值，随后开始下降。再生水灌溉条件下Kc在不同生育期均比清水灌溉条件下的大，Kc最大为FIF3处理下的1.21，最小为AWDF1 处理下的0.66。而从水稻全生育期看，AWD和FI的Kc平均分别为0.98和0.95，差异较小。

图2 不同再生水灌溉处理下水稻各生育期Kc变化Fig.2 Changes of Kc in rice growth stages under different reclaimed water irrigation treatments

2.2 不同处理下水稻产量及其构成

不同处理下水稻产量及其构成要素如表3所示。由表3 可知，不同处理间产量构成各要素不存在显著性差异。理论产量与实际产量间存在偏差，且均小于实际产量，这可能由理论测产与实际测产过程中的不可避免的误差造成，如：实际测产取样无法做到完全平均的宏观观测水稻产量导致理论与实际的差异或随再生水灌溉带入的养分对土壤具有未被观测探究到的正向作用等原因。

由表3 可知，不同处理对水稻产量均有不定的增产效果，在不同灌溉模式下，AWD 的水稻穗长、有效穗较FI 处理下略小，但其千粒重和结实率较大，最终综合产量平均较FI 提高2%。对于不同施化肥量而言，F1、F2和F3处理平均产量分别为10.23、10.51 和9.88 t/hm2，F2 处理平均较F1 增产3%。显然，与清水灌溉相比，再生水水体中富含一定的营养成分，相较于常规清水灌溉来说，使用富含易于作物生长的营养元素的再生水进行灌溉具有增加土壤有机质含量、微生物活性及改良土壤理化性质等作用，对于水稻产量的影响具有一定的正面作用[24-26]。而同为再生水灌溉处理的F3 千粒重较小、产量偏低，可能是在水稻生长初期进行再生水灌溉易出现再生水浓度过高抑制水稻生长等问题。

表3 不同灌水施肥方式处理下产量构成要素Tab.3 Yield components under different irrigation and fertilization methods

2.3 不同处理下灌溉水利用效率

不同处理下灌溉水利用效率如表4所示，灌溉水利用效率均值为4.54 kg/m3，最高为AWDF2 处理下的6.36 kg/m3，最低为FIF1处理，为3.13 kg/m3。相同施肥方式下，AWD下的水稻灌溉水利用效率比FI 下平均增加2.83 kg/m3，提高了45.6%，灌溉水利用效率提高显著。相同灌溉模式下，再生水灌溉比清水灌溉下的灌溉水利用效率平均增加了0.68 kg/m3，节约清水资源可达22%。其中3 个生育期再生水灌溉处理的FIF3 处理灌溉水利用效率比两个生育期再生水灌溉处理的FIF2 处理增加0.43 kg/m3，灌溉水利用效率提高了约75%。可见，将再生水运用到水稻灌溉生产替代清水灌溉既保证了产量，节水效果亦提升显著。

表4 不同再生水灌溉处理下灌溉水利用效率Tab.4 Irrigation water use efficiency under different reclaimed water irrigation treatments

2.4 不同水文年水稻再生水灌溉制度

2.4.1 再生水灌溉条件下水稻实测灌溉制度

再生水灌溉FIF2、FIF3、AWDF2 处理下的水稻小区试验实际测灌溉制度如表5所示。由表5 可知，灌溉模式FI 与AWD 灌水定额差异较大，AWD 与FI 相比，减少了2 次灌水，再生水水量差为117.3 mm，再生水利用效率可达38.17%；返青期灌再生水的处理FIF3 与返青期不灌再生水的处理FIF2 相比，灌水次数相同，但灌水定额减少42.7 mm。FIF2、AWDF2和FIF3 处理的再生水灌溉量分别为252.7、155.0 和264.6 mm，灌水次数分别为5次、3次和6次。

表5 实测水稻再生水灌溉制度Tab.5 Measured rice reclaimed water irrigation system

2.4.2 再生水灌溉条件下不同水文年灌溉制度推求

根据本试验的研究结果，水稻再生水灌溉处理中AWDF2处理产量最高、节水效果最好，是本试验处理中的最优处理，考虑到过量及过高浓度再生水灌溉可能会对水稻生长发育及农田生态环境带来一系列未知影响，以本文研究结果的最优处理AWDF2 的再生水灌溉水量及再生水基础氮浓度为再生水灌溉的阈值（灌再生水量≤155 mm，再生水总氮浓度≤30 mg/L），推算各典型年水稻再生水间歇灌溉灌溉制度。若典型年分蘖期及拔节孕穗期所需灌水量大于155 mm，则补灌清水以保证水稻的正常生理水分需求；若所灌水量小于155 mm，则按制定的灌溉制度进行灌水，并进一步补施化肥。

所推算的各典型水文年的再生水灌溉制度如表6所示，具体推算以试验地区1970-2014年45年的气象资料为依据，对历年稻季降雨统计资料进行排频分析，得出不同水文年频率的逐月降水量资料并选取出典型年依次为：丰水年1985年（P=25%）、平水年1980年（P=50%）、枯水年1977年（P=75%）、特旱年1981年（P=90%），并以此为依据计算不同生育期降水量，而后根据水量平衡进行计算，探求出不同水文年的灌溉制度，以后生产可根据制定的灌溉制度进行，以实现节约再生水资源高效生产。

表6 不同典型水文年水稻AWD下再生水灌溉制度Tab.6 Irrigation schedule of reclaimed water under rice AWD indifferent typical hydrological years

考虑到FI 为试验地区水稻传统种植模式，经综合比较本试验再生水灌溉FIF2 和FIF3 处理的各项指标，发现FIF3 处理在节水能力等方面优于FIF2 处理，且产量相差不大，故以本次研究结果中的FIF3 处理的再生水灌溉量及其浓度为阈值（灌再生水量≤265 mm，再生水总氮浓度≤30 mg/L），推算各典型年水稻再生水淹水灌溉灌溉制度，推算结果如表7所示。

结合表6 和表7 可知，推求得丰水年和平水年FI 与AWD模式下的灌溉制度大致相同：丰水年仅需用再生水灌溉即可满足水稻生产，灌溉定额均为100 mm，对灌溉依赖程度较低；平水年灌溉定额为200 mm，其中清水水量为50 mm。枯水年下AWD 和FI 模式下的灌溉定额分别为280 mm 和380 mm，灌溉清水使用量分别占灌溉定额的35.7%和39.4%，节约清水达15%；特旱年AWD 和FI 模式下的灌溉定额分别为250 mm 和360 mm，灌溉清水使用量分别占灌溉定额的40%和41.7%，节约清水占比5%。

表7 不同典型水文年水稻FI下再生水灌溉制度Tab.7 Irrigation schedule of reclaimed water under rice FI in different typical hydrological years

可见，丰水年和平水年灌溉需清水水量极少，对再生水资源利用效率也最高，而枯水年和特旱年AWD 下灌溉定额较FI 处理明显小，清水水量占比总灌溉水量比例小，AWD 模式普遍具有良好的节约清水资源效果。与上述平均ETc及实际灌溉制度相比，节水效果表现较好的一致性。因此，在该流域推行间歇灌溉取代传统淹水灌溉无论清水资源还是再生水资源节水效果均较显著，根据探求的灌溉制度在适宜的灌水时间开展水稻再生水灌溉生产，可为发展水稻生产节水灌溉技术提供新思路，缓解区域灌溉水资源紧张问题。

3 结论

本文通过对再生水灌溉条件下水稻需水规律及灌溉制度进行研究，得到了以下主要结论：

（1）使用再生水灌溉会整体提高水稻各生育期ETc。与清水灌溉处理相比，再生水灌溉条件下水稻ETc峰值由清水灌溉下的分蘖期后移至拔节孕穗期。平均ETc表现出随再生水灌溉水量增加而增加的趋向，F2 方式对再生水的利用效率最高，适当时期进行再生水灌溉可节约清水资源，亦使得对再生水的利用率达到最高。从水稻全生育期看，AWD 和FI 的Kc平均分别为0.98和0.95，差异较小，再生水灌溉条件下不同生育期均比清水灌溉大。（2）在不同灌溉模式下，AWD 最终综合产量平均较FI 大提高2%。清水与再生水灌溉处理对构成水稻产量的各要素不存在显著差异，而再生水因其中含有的养分具有一定的增产效应。水稻返青期不宜进行再生水灌溉。（3）丰水年和平水年份对清水资源的依赖程度低，枯水年和特旱年AWD 下灌溉定额明显小于FI。不同灌水模式下，丰水年再生水灌溉定额均为100 mm，平水年均为200 mm，枯水年AWD 和FI模式下分别为280 mm 和380 mm，特旱年AWD和FI模式下灌溉定额分别为250 mm和360 mm。