基于ORYZA_V3模型的水稻节水灌溉模式研究----以赣抚平原灌区为例

余乾安，李亚龙，韩焕豪，崔远来

(1.武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072；2.长江水利委员会长江科学院，湖北 武汉 430010)

开展田间试验是研究水稻节水灌溉模式的重要手段。然而，开展多年的田间试验往往费时费力，且不同年份气象条件有所差异，同一种灌溉模式并不一定适用于所有的水文年型。因此，为了克服田间试验的不足，探求不同水文年型适宜的灌溉模式，提高试验结果的代表性，需要进行不同水文年型、不同灌溉模式下的水稻生长模拟。

ORYZA模型是由国际水稻研究所和荷兰瓦赫宁根大学联合开发的水稻生长模型，能模拟潜在条件、水限制条件、氮限制条件下水稻的生长发育。ORYZA模型目前已更新至ORYZA_V3版本[1]，并已被广泛应用于水稻生长的研究之中[2-5]。A.M. Radanielson等[2]使用ORYZA_V3模型模拟盐害地区水稻生长，各项指标相关系数达0.86～0.99；Yuan等[3]使用ORYZA_V3模型模拟华中地区水稻生长，各项指标NRMSE基本在25%以内；刘路广等[6]应用ORYZA_V3模型模拟不同灌溉模式下的鄂北地区水稻生长情况，提出返青期保持水层，黄熟期自然落干，拔节孕穗及乳熟期可中度受旱，分蘖及抽穗开花期轻度受旱的适宜灌溉模式。然而，基于ORYZA模型的不同水文年型、不同灌溉模式下的水稻生长模拟的研究鲜有报道。

以赣抚平原灌区田间试验数据为基础对ORYZA_V3模型进行率定与验证。使用ORYZA_V3模型模拟长系列气象条件不同灌溉模式下试验区早晚稻生长，分析不同水文年型不同灌溉模式下早晚稻产量、灌溉定额、灌水次数、腾发量、降雨利用率及水分生产率等指标。以期提出适宜于试验区早晚稻的节水灌溉模式，为试验区灌溉水管理决策提供依据。

1 材料与方法

1.1 田间试验

江西省灌溉试验中心站(以下简称试验站)位于赣抚平原灌区，东经116°00′，北纬28°26′，高程22.60 m。试验站处于亚热带季风气候带，气候温暖，降雨丰富，日照充足，年平均日照为1 575.5 h，年均降雨量为1 685.2 mm，年平均气温为17.7 ℃，蒸发量为943 mm[7]。

试验于2012、2013年在田间小区中开展，每个小区面积为75 m2。试验设置了传统淹灌W0、节水灌溉W12种灌溉模式。不同灌溉模式的田间水层控制标准详见文献[8]。施氮肥制度为两次施肥(基肥50%，分蘖肥50%)，施氮肥量为180 kg/hm2，为当地农民常用的施肥方式。

1.2 ORYZA模型率定与验证

ORYZA_V3模型的率定与验证工作介绍如下：

(1)模型参数率定：使用2012年试验站气象资料运行ORYZA_V3模型，并使用2012年实测干物质量及产量数据对模拟结果进行评价，对部分模型参数进行率定[9-10]。模型需要率定的参数主要与试验区环境、气候有关，包括：营养生长期、光敏感周期、幼穗分化期、灌浆期发育速率(DVRJ、DVRI、DVRP、DVRR)，叶、茎、穗的干物质分配系数(FLV、FST、FSO)，死叶系数(DRLV)，最大叶面积相对增长率(RGRLMX)等。

(2)模型有效性评价：使用2013年试验数据对模型进行验证。对率定期及验证期的模拟结果与试验实测结果做统计分析。统计分析选用的指标为相对误差。

1.3 不同灌溉模式设置

早晚稻分蘖后期进行晒田，不进行灌水。生育期内其余阶段根据耕作层灌前土壤含水率占饱和含水率的百分比设置轻度干旱W2、中度干旱W3、重度干旱W43种节水灌溉模式，分别表示灌前土壤含水率下限占饱和含水率的85%、75%、65%。3种节水灌溉模式在返青、分蘖前、分蘖后、拔节孕穗、抽穗开花、乳熟期、黄熟期灌水上限分别为20、30、0、30、30、30、0 mm，雨后蓄水上限分别为30、50、0、60、60、50、0 mm。另外，设置传统淹灌模式W0作对照，灌水上限在返青、分蘖前、分蘖后、拔节孕穗、抽穗开花、乳熟期、黄熟期分别为30、50、0、50、50、50、0 mm，雨后蓄水上限分别为40、50、0、70、70、50、0 mm。

4种灌溉模式下施氮肥量均为180 kg/hm2，其中基肥50%，分蘖肥50%。

对4种灌溉模式对应的情景进行长系列(1961-2016)模拟，并根据早稻及晚稻生育期内的累计降雨量分别进行排频，选出早稻及晚稻生育期内的丰、平、枯水年组，并计算不同水文年组生育期内的平均累积降雨量(表1)。统计4种灌溉模式在不同水文年的产量、灌溉定额、灌水次数、腾发量、降雨利用率，水分生产率，分析不同灌溉模式下早晚稻的生长情况。

表1 早稻及晚稻生育期内不同水文年组Tab.1 Different hydrological year groups in the growth period of early and late season rice

2 结果与分析

2.1 ORYZA模型率定与验证

选取2012年早晚稻干物质量、产量等数据对模型进行率定，并选用2013年相应数据对模型进行验证。验证期早晚稻干物质量模拟结果见图1(限于篇幅2012年率定期略)。率定期及验证期早晚稻产量实测与模拟值对比结果如表2所示。由图1与表2可知，虽然早晚稻验证期茎干物质量、穗干物质量部分实测点偏离模拟曲线较多，但总干物质量、绿叶干物质量模拟效果较好，早晚稻率定及验证期产量模拟值的相对与实测值的误差均在5%以内。故可认为，模型对试验区早晚稻干物质量、产量模拟效果良好，且模拟得到的产量数据具有较高精确性，可使用率定后的模型进行不同灌溉模式下试验区早晚稻生长的长系列模拟。

图1 早稻与晚稻干物质量模拟结果(验证期2013年)Fig.1 Dry matter production simulation results of early rice and late rice(verification period)

表2 早稻产量实测值与模拟值对比Tab.2 Comparison of measured and simulated values of yield of early and late season rice

2.2 不同灌溉模式下水稻产量变化分析

开展不同灌溉模式下的产量逐年模拟，统计不同水文年组不同灌溉模式下早晚稻产量结果，并计算早晚稻节水灌溉模式相对于传统淹灌模式的增产率(表3)。

由表3可知，同一水文年组，早晚稻节水灌溉模式相对于传统淹灌模式W0均可提高产量，在一定范围内降低灌前水分下限可提高水稻产量。主要是因为节水灌溉下干湿交替的田间水分状况有利于氮素的吸收，分析节水灌溉模式相对传统淹灌模式总氮吸收量的变化率(表4)，可以发现节水灌溉模式下早稻总氮吸收量在丰、平、枯水年相对淹灌模式分别增加1.0%～1.7%、0.2%～2.2%、0.3%～1.7%，晚稻分别增加1.1%～3.5%、1.6%～3.4%、2.3%～3.5% 。当灌前水分下限降低到一定水平后，增产率下降。主要是因为，适当的水分胁迫能促进水稻根系生长，使水稻吸收较多的水分和养分，促使水稻增产[11]。若水分胁迫时间过长，则会影响水稻的正常生理活动，甚至产生不可逆的损害，使产量下降[6]。早稻不同节水灌溉模式下丰、平、枯水年组增产率分别为1.3%～2.1%、0.4%～2.6%、0.4%～1.6%，晚稻相应的增产率分别为1.7%～2.7%、0.8%～3.2%、1.1%～1.9%。从增产的角度，赣抚平原灌区早稻生育期降雨多，在丰、平水年宜采用重度干旱的节水灌溉模式W4，在枯水年宜采用中度干旱的节水灌溉模式W3；晚稻生育期降雨较少，在丰、平水年宜采用中度干旱的节水灌溉模式W3，在枯水年宜采用轻度干旱的节水灌溉模式W2。使用推荐的节水灌溉模式，早稻在丰、平、枯水年能分别增产2.1%、2.6%、1.6%；晚稻能分别增产2.7%、3.2%、1.9%。

表3 不同灌溉模式下早晚稻产量模拟值对比Tab.3 Comparison of early and late season rice yields under different irrigation modes

表4 节水灌溉模式相对传统淹灌模式下总氮吸收量变化率 %Tab.4 Rate of change of total nitrogen uptake in water-saving irrigation modes compared to traditional irrigation mode

2.3 不同灌溉模式下水稻灌溉定额与灌水次数分析

统计不同水文年组不同灌溉模式下早晚稻的灌溉定额及其节水率(表5)。由表5可知，同一灌溉模式下早晚稻丰水年组灌溉定额最小，枯水年组灌溉定额最大。同一水文年组，早晚稻节水灌溉模式下的灌溉定额均显著低于传统淹灌模式，且随灌前水分下限的下降而减少。早稻不同节水灌溉模式下丰、平、枯水年组节水率分别为25.2%～38.4%、42.3%～48.8%、38.0%～56.2%，晚稻相应的节水率分别为30.2%～45.4%、21.8%～41.5%、15.7%～38.0%。从节水的角度，在保证产量的前提下，早稻由于生育期降雨多，宜采用较干旱的节水灌溉模式，晚稻由于生育期降雨少且干旱，宜采用干旱程度较轻的节水灌溉模式。早稻在丰、平水年采用W4模式，枯水年采用W3模式能分别节水38.4%、48.8%、47.4%。晚稻在丰、平水年采用W3模式，枯水年采用W2模式能分别节水37.6%、27.9%、15.7%。

表5 不同灌溉模式下早晚稻灌溉定额模拟值对比 mmTab.5 Comparison of early and late season rice irrigation quota under different irrigation modes

统计不同水文年组不同灌溉模式下早晚稻的灌水次数及其变化率(表6)。由表6可知，同一灌溉模式下，早晚稻在丰水年全生育期内灌水次数最少，枯水年灌水次数最多。同一水文年组下，早晚稻节水灌溉模式的灌水次数均低于传统淹灌模式，且随灌前水分下限下降而减少。早稻不同节水灌溉模式下灌水次数与传统淹灌相比在丰、平、枯水年组分别减少47.6%～66.7%、58.1%～71.0%、48.4%～71.0%，晚稻灌水次数相应减少40.4%～65.4%、32.2%～62.7%、24.3%～58.6%。灌水次数的减少在当前农村劳动力短缺的情况下有利于减少田间水分管理的工作压力。从减少灌水次数的角度，在保证产量的前提下，早晚稻宜采用较干旱的节水灌溉模式。

表6 不同灌溉模式下早晚稻灌水次数模拟值对比Tab.6 Comparison of early and late season rice irrigation times under differentirrigation modes

2.4 不同灌溉模式下水稻腾发量分析

统计不同水文年组不同灌溉模式下早晚稻的腾发量及其变化率(表7)。由表7可知，同一灌溉模式下，早晚稻丰水年腾发量水平最低，枯水年腾发量水平最高。主要是因为丰水年水稻生育期内降雨多且日照少，使腾发量水平较低。同一水文年组下，早晚稻节水灌溉模式的腾发量均较传统淹灌模式低。主要是因为节水灌溉模式降低灌前水分下限提高了土壤蓄积雨水的能力，减少了田面水层存在的时间，一定程度上降低了蒸发量。另一方面适当的水分胁迫抑制了水稻蒸腾作用，降低了蒸腾量。早稻不同节水灌溉模式下腾发量相对于传统淹灌模式在丰、平、枯水年组分别减少0.9%～1.6%、1.6%～3.0%、4.3%～6.3%，晚稻腾发量相应减少5.2%～9.9%、6.0%～14.1%、5.0%～17.7。从降低腾发量的角度，在保证产量的前提下，赣抚平原灌区早晚稻宜采用较干旱的节水灌溉模式。

表7 不同灌溉模式下早晚稻腾发量模拟值对比Tab.7 Comparison of early and late season rice evapotranspiration under different irrigation modes

2.5 不同灌溉模式下降雨利用率比较

统计不同水文年组不同灌溉模式下早晚稻生育期内累积降雨量与排水量，根据水量平衡法[12]计算早晚稻的降雨利用率(见表8)。由表8可知，同一灌溉模式下早晚稻枯水年降雨利用率最高，丰水年降雨利用率最低。同一水文年组下，早晚稻节水灌溉模式的降雨利用率基本较传统淹灌模式高。主要是因为节水灌溉模式增大了水稻田的蓄雨深度，减少了田面排水。早稻不同节水灌溉模式降雨利用率相对于传统淹灌模式在丰、平、枯水年分别提升0.8%～2.4%、7.5%～10.4%、6.6%～13.7%，晚稻降雨利用率分别提升9.0%～11.3%、3.2%～6.4%、3.7%～6.3%。从提高降雨利用率的角度，早晚稻宜采用节水灌溉模式，并参考产量、腾发量等指标确定节水灌溉模式适宜的干旱程度。

2.6 不同灌溉模式下水分生产率比较

根据不同水文年组不同灌溉模式下早晚稻产量、腾发量计算作物蒸发蒸腾量水分生产率(以下简称水分生产率)(见表9)。由表9可知，同一水文年组下，早晚稻节水灌溉模式下水分生产率较传统淹灌模式高。早稻不同节水灌溉模式下水分生产率相对于传统淹灌模式在丰、平、枯水年组分别增加2.3%～3.8%、2.1%～5.8%、5.0%～7.5%，晚稻相应增加5.6%～12.8%、8.0%～17.3%、7.3%～21.5%。从提高水分生产率的角度，在保证产量的前提下，赣抚平原灌区早晚稻宜采用较干旱的节水灌溉模式。

3 结 论

选用江西灌溉试验中心站2012年与2013年的试验资料对ORYZA_V3模型进行率定与验证。结果显示ORYZA_V3模型能较好的模拟试验区不同灌溉模式下的早晚稻生长。

表8 不同灌溉模式下早晚稻降雨利用率模拟值对比 %Tab.8 Comparison of early andlate season rice rainfall utilization under different irrigation modes

表9 不同灌溉模式下早晚稻水分生产率模拟值对比Tab.9 Comparison of early andlate season rice r water productivity under different irrigation modes

开展不同灌溉模式下试验区早晚稻的逐年模拟，并统计不同水文年组早晚稻的产量、灌溉定额、灌水次数、腾发量、降雨利用率、水分生产率指标。结果显示，在一定范围内降低灌前水分下限能提高早晚稻的产量。当灌前水分下限降低到一定水平后，因长时间的水分胁迫，早晚稻增产率将有所下降。降低灌前水分下限，能降低腾发量，降低灌溉定额，减少灌水次数，提高降雨利用率与水分生产率。

从节水增产的角度，推荐试验区早稻在丰、平水年采用重度干旱的节水灌溉模式W4，枯水年采用中度干旱的节水灌溉模式W3。与传统淹灌模式W0相比在丰、平、枯水年能分别增产2.1%、2.6%、1.6%，节水38.4%、48.8%、47.4%。推荐试验区晚稻在丰、平水年采用中度干旱的节水灌溉模式W3，枯水年采用轻度干旱的节水灌溉模式W2。与传统淹灌模式W0相比在丰、平、枯水年能分别增产2.7%、3.2%、1.9%,节水37.6%、27.9%、15.7%。