水稻茎秆对稻田净灌水量测量值的影响

刘德斌，邹玉田，王小寅

(1.江苏省沿海水利科学研究所，江苏 东台224200； 2.河海大学水利水电学院，南京210098)

稻田净灌水量与渠首毛灌水量是首尾法测算灌溉水有效利用系数(Irrigation water utilization efficiency，IWUE)的2个重要参数，其测量的准确与否将直接关系到IWUE值的测算精度[1]。针对渠首毛灌水量的量测，国内已有大量学者做了相关的研究工作[2-4]，提出了一些简便的方法，而田间净灌水量的测量，目前主要采用《全国农田灌溉水有效利用系数测算分析技术指导细则》(以下简称《细则》)中的直接量测法和观测分析法2种测算方法获得。直接量测法是依据灌溉前后田间计划湿润层中土壤含水率变化，结合灌溉后田面水深计算出稻田净灌水量，此方法对试验条件要求较低，但操作过程繁琐，且田面水深的测算易受水稻茎秆影响；观测分析法是采用先进水量计量设备在进水口处实测，利用田间进出水量差值计算出稻田净灌水量，其操作较为简单，但因参与IWUE测算的样点田块数量众多且分布零散，部分落后地区目前尚未配备先进量水设施，使用时受到一定限制。因此，有必要开展相关研究，将2种稻田净灌水量测算方法各自的优点结合起来，以提升净灌水量的测算精度和测算效率。

本文通过小区试验的方法，对比直接量测法与观测分析法所得净灌水量间的差异，并分析其产生的原因，为稻田净灌水量的快速准确测算提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试区概况

试验区选址在江苏省沿海垦区灌溉试验站的试验田内进行，地理坐标：东经120°21′37.17″，北纬32°48′29.61″。多年平均气温14.5 ℃，降水量1 075.8 mm，无霜期天数220 d。试验地水稻种植史较长，其田间犁底层深度为30～35 cm。试验区土壤为沙壤土，具体理化性状见表1。

表1 试验区土壤(0～35 cm)理化性状

1.2 试验设计

试验区面积0.3 hm2,内设4个试验小区(单行排布)，面积均为60.0 m2(10.0 m ×6.0 m)。试验前将小区内表土整平，为防止相邻小区间灌水时侧渗串流的发生，在小区周围均用PVC塑料薄膜设置隔水堰，堰体上口高于土表20 cm，下口至稻田犁底层。为减少边际效应对试验结果造成影响，在各小区间设置1 m宽隔离行。各试验小区土壤肥力及栽培管理水平保持一致。试验品种为淮稻5号，旱直播方式、浅湿灌溉技术栽培，生长期128 d，种植密度180万株/hm2，重复3次。试验期间历次灌溉前，田面均无水层存在，其净灌水量主要采用湿润灌溉的公式[5]计算而得。主要观测指标及方法如下。

(1)小区净灌水量。同次灌溉下，小区净灌水量有2种测算方法。①直接量测法：以QT表示，根据灌溉前后计划湿润层土壤含水率的变化及田面水层深度的测量值，计算出某次灌溉下小区的净灌水量，其土壤含水率值采用环刀分层取样测定，田面水层深度采用预先布设的水位测针测得，测针精度0.1 mm；②观测分析法：以QB表示，采用潜水泵提取田间农渠水源进行小区灌溉，为便于各小区灌水量准确计量，在潜水泵出水口处安装过滤装置及水表。

(2)偏差系数K。与观测分析法相比，直接量测法所测结果的偏差程度QT/QB表示。

(3)茎面积指数SAI。是指淹没于田面水层中的水稻茎秆(含叶鞘包裹部分)总投影面积占取样植株总占地面积的比值。试验时小区均采用“五点法”随机抽样，每样点选择固定10 株，每5 d定期测量一次，遇灌溉时加测。主要指标有株数、分蘖数、地表3 cm处茎秆(含叶鞘)截面最大长、最大宽，其中茎秆截面长、宽测量时所用工具为数显式螺旋测微器，型号MDC-25MJ。

因水稻根部地表3 cm处圆形茎秆受叶鞘包裹，截面近似于椭圆形状，故茎面积指数SAI计算公式为：

(1)

式中：ρ种为种植密度,株/hm2；Msl为地表3 cm处茎秆截面的最大长度,m；Msw为地表3 cm处茎截面的最大宽度,m；j为抽样测定株数(j=1,…,m)；i为第j株的分蘖数(i=1,…,n)。

2 结果与分析

2.1 2种方法所得净灌水量比较

试验期间小区共计9次提水灌溉，将直接量测法与观测分析法所测得的净灌水量整理得图1。从图1可以看出，2种方法所得净灌水量有着相同的高峰与低谷。就图1而言，第1次和第4～6次存在2个显著的灌溉高峰，这是因为第1次灌溉为稻田泡田期，其耗水量在水稻需水量中占有较大比例；而第4～6次则是处于水稻的拔节-孕穗期，为使水稻高产，此阶段也要有充足的水量供应作保障。

图1 2种测算方法下试验小区历次净灌水量

水稻生育期内的历次净灌水量测算值表现为直接量测法>观测分析法，两者相差1.4%～11.7%；且2种方法所测平行样间的区分效果，随灌水次数的增加而逐渐显著。这是因为，直接量测法所测结果QT是由2部分组成，一部分是将田间计划湿润层浸泡至饱和所需的水量Q浸，另一部分是灌溉后田面水层的持有水量Q持，在计算Q持时，直接采用灌溉后的田面水层深度h持参与，而未考虑水稻茎秆对田面水层的填充作用会导致水面上升，使得h持的测定值较实际偏大，进而影响Q持的测算准确度。

2.2 灌溉时茎面积指数SAI测算

茎面积指数SAI能较好地反映水稻茎秆对田面水层的填充效果。据式⑴可知，SAI与种植密度、茎秆粗细间关系极为密切。将历次灌溉时SAI的计算结果整理，得表2。从表2可以看出，SAI表现出随生育期的延长而增大趋势，并至水稻末次灌溉(乳熟期)时值最大，最大为0.102。SAI在分蘖-拔节期间上升最为明显，由分蘖期的0.025上升为拔节期的0.079，至抽穗-乳熟期时，增长趋缓并逐渐稳定。这是因为，处于分蘖-拔节期的水稻，营养生长处于高峰，茎秆快速增粗、分蘖数显著增加，至生长末期(乳熟期)，水稻茎秆的营养生长基本停止，转变为稻谷生殖生长的缘故所致。

表2 灌溉时试验小区茎面积指数SAI测算成果

2.3 偏差系数K与茎面积指数SAI间关系

将图1中2种净灌水量测量值整理，计算出偏差系数K，与表2中茎面积指数SAI归并，绘制成图2。从图2可以看出，偏差系数K与茎面积指数SAI间呈明显线性关系，其线性方程为：

K=0.997+1.127SAIR=0.996

(2)

图2 偏差系数与茎面积指数(SAI)关系

利用式(2)，对直接量测法所得的结果进行校准，以达到快速且准确的测算效果。

3 成果验证

为检验小区试验成果的合理性与准确性，在江苏省的东台、盐都、大丰、滨海和建湖5县(市、区)共15个小型灌区进行了大田验证试验[6]。试验结束，将直接量测法、观测分析法和公式校准法(采用偏差系数K对直接量测法所测结果进行校准后所得值)3种途径所测大田总净灌溉水量整理，见图3。

图3 各试验灌区大田总净灌水量及偏差系数

从图3(a)可以看出，直接量测法与观测分析法所测得的总净灌溉水量整体趋势一致，且直接量测法略大于观测分析法所测结果；采用偏差系数K对直接量测法所测值进行校准的结果，与观测分析法所测值极为接近；与观测分析法相比，直接量测法所测大田总净灌溉水量整体偏大3.3%～5.8%，而公式校准法则为-1.1%～+1.6%[见图3(b)]；公式校准所测得的灌区总净灌溉水量更接近于观测分析法所得结果，其结果更为合理准确，可减少稻田总净灌水量测算偏差2.3%～6.3%。

4 讨 论

小区试验表明，采用直接量测法所测得稻田净灌水量QT，与观测分析法所测结果间存在较大差异。单次灌溉下，2种方法所测田间净灌水量值会产生1.4%～11.7%的偏差。分析原因是：直接量测法所测结果QT是由田间计划湿润层浸泡至饱和所需的水量Q浸和灌溉后田面水层的持有水量Q持组成，计算Q持时直接采用灌溉后的田面水层深度h持参与，而未考虑水稻茎秆对田面水层填充作用导致水面上升，h持测定值较真实值偏大，进而影响Q持的测算准确度。采用下述式(3)，对直接量测法所测稻田单次净灌溉水量进行校准，可减少稻田总净灌水量的测算偏差2.3%～6.3%，为保证稻田总净灌水量的测算准确度，建议对QT进行校准：

QJ=QT(0.997+1.127SAI)-1

(3)

式中：QJ为田间净灌水量(公式校准法)；QT为田间净灌水量(直接量测法)；SAI为灌溉时田间水稻茎面积指数，采用式(1)计算而得。

5 结 论

(1)采用《细则》中介绍的直接量测法测算稻田净灌水量时，因未考虑植株茎秆对田面水层的填充作用，导致单次田间净灌水量的测算结果较观测分析法偏大1.4%～11.7%，因此，需对《细则》中的直接量测法所测的稻田净灌水量结果进行校准，才能使该方法所测得的结果更加真实可靠。

(2)茎面积指数SAI能较好地反映出生长于田间的水稻茎秆对田面水层的填充效果。SAI总体表现出随生育期的延长而增大的趋势，在分蘖-拔节期间SAI上升最为明显，由分蘖期的0.025上升为拔节期的0.079，至抽穗-乳熟期时，随着水稻茎秆营养生长转化为生殖生长，其上升趋缓并逐渐稳定，至水稻末次灌溉(乳熟期)时值最大为0.102。

(3)偏差系数K与茎面积指数SAI间存在良好的线性关系。利用此关系，对《细则》中介绍的直接量测法所测稻田单次净灌水量测量值进行校准，可减少稻田总净灌水量测算偏差2.3%～6.3%。

[1] 李英能.浅论灌区灌溉水利用系数[J].中国农村水利水电，2003，(7)：23-26.

[2] 杨延春,刘德斌,邹志国.江苏省大型灌区灌溉水有效利用系数测定方法----以东台市堤东灌区为例[J].节水灌溉,2014,(3)：72-74.

[3] 蔡长举,付 杰,刘 浏.水位-流量关系曲线在山区无量水设施渠道水量测量中的运用[J].节水灌溉,2012,(7)：29-30.

[4] 陈强富,刘海巍,袁 园,等.首尾法在小型灌区灌溉水利用系数测算中的应用[J].中国农村水利水电,2013,(3)：73-74，77.

[5] SL13-2015,灌溉试验规范[S].

[6] 俞双恩,于智恒,郭 杰,等.河网区灌溉水利用系数的尺度转换[J].农业工程学报,2015,31(8):147-151.