间歇灌溉模式不同间歇时间下江淮丘陵区水稻耗水规律及其节水效益研究

张 亮，曹秀清，蒋尚明，王 矿，刘 佳

(安徽省水利部淮河水利委员会水利科学研究院 水利水资源安徽省重点实验室, 合肥 230088)

0 引 言

水稻生育期耗水量，包括水稻需水量与田间损失水量，前者指水稻植株蒸腾与棵间蒸发水量，与水稻品种、种植地及气候等因素有关；后者包括水稻生育期田间渗漏量与排水量，与灌溉制度及田间管理水平等因素有关[1]。通过引入节水灌溉技术，可有效减少水稻生育期内耗水量，提高降雨有效利用率，同时兼具增产和减少农业面源污染的功能[2]。依据不同的土壤类型、地形及气候等条件，国内外学者提出了多种节水灌溉技术，包括“浅、湿、晒”灌溉，间歇灌溉，控制灌溉以及蓄雨型灌溉技术等[3,4]。研究发现，“薄水层-湿润-短暂落干”的循环状态对水稻生长发育及节水较有利，但受限于灌溉定额过小、田间渠系水分损失较大与降雨利用率过低等问题，基于此，间歇灌溉模式因蓄雨空间大、渗漏损失小而逐渐受到重视[5]。早期研究表明，在不降低产量的同时, 间歇灌溉能较大幅度发挥节水效益[6,7]。张祖莲等在湖北省漳河三干渠团林灌溉试验站研究了间歇灌溉下水稻的节水效果，发现该灌溉模式可有效减少不必要的渗漏量，提高降雨利用率，且一定程度上减少了稻田腾发量[8]。除节水外，间歇灌溉模式对水稻增产、病虫防治、土壤有机质保持、抑制温室气体排放均有较好的效果[9-12]。但目前针对间歇灌溉的研究仍处于较初级阶段[4]，为更深入地探索其节水机理与效果，确定水稻生育期各阶段的适宜灌溉间歇时间，需在更多地区、土壤及气候条件下开展相关研究。

江淮丘陵区介于长江与淮河之间，国土面积4.4 万km2，耕地面积136.7 万hm2，属亚热带-暖温带过渡气候区，气候温和，四季分明，雨量适中，光照充足，有利于单季中稻的生长，是重要的水稻集中产区和商品粮基地[13]。该区耕地面积占安徽省总耕地面积的31.8%，但水资源量仅占全省的21.8%，这导致水资源供给严重不足，旱灾频发[14]。尽管面临水资源短缺问题，江淮丘陵区多数区域仍保留传统漫灌的方式，造成水资源严重浪费。因此，本研究拟以江淮丘陵区为例，探讨间歇灌溉模式下不同间歇时间对水稻耗水规律及节水效益的影响，为该区域水稻节水灌溉技术的推广提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2015年6-9月在安徽省试验重点站—肥东农水综合试验站进行，该站位于安徽省合肥市肥东县境内(31.94°N，117.49°E)，地处江淮丘陵区中部，多年平均降雨量约900 mm，且在月、季及年际分布不均，6-9月份降雨量占全年总量的55.3%，多年降雨量极值比介于2.1～2.5[15]。肥东县土壤多为水稻土(马肝土)、黄褐土及黄棕壤[16]，试验区土壤类型以马肝土为主，干容重为1.35 g/cm，有机质、全氮、速效氮、全磷及速效磷含量分别12.7 g/kg、1.31 g/kg、77.0 mg/kg、1.53 g/kg及17.7 mg/kg，pH值为5.7，土壤结构不良且通透性较差，适耕期相对较短。试验站内有24(1～24号)处固定式测坑，分4个区域(1-4号)布置，每个区域含测坑6处，设有活动式雨棚，地下廊道及设备间，每处测坑均配备溢流桶。

1.2 试验设计

试验在水稻测坑中进行，种植水稻品种为两相优 I号，测坑规模为2 m×2 m(长×宽)。采用3号区域内的6组测坑(13～18号)开展水稻试验，雨棚全生育期开启，降雨直接进入测坑内。水稻于5月12日播种，育秧后于6月11日移栽至测坑，试验测坑处理共设4个生育期阶段，包括：分蘖期、拔节期、抽穗开花期及成熟期，具体日期划分见表1。

测坑试验分3个处理组处理：T1处理为对照组，即落干后立即灌水至上限水层；T2处理为短时间歇组，即落干后间隔较短时间灌水；T3处理为长时间歇组，即落干后间隔较长时间灌水。每个处理重复2次，具体试验方案见表2。

表1 2015年6-9月水稻试验生育期阶段划分Tab.1 Growth period division of rice from June to September 2015

1.3 观测项目

(2)土壤含水量测定。在水稻落干处理阶段，田面无水层时，需分层取土测定含水量，土壤含水量采用取土烘干法进行测定。

表2 水稻试验设计方案Tab.2 Experiment design of rice

(3)排水量测定。每次降雨过程后，测坑内超过蓄雨水深的水量通过溢流管流入位于地下室的溢流桶中。溢流桶带有刻度，可测定溢流水量，进一步求得测坑排水量。

(4)气象数据的测定。包括：降雨、蒸发、最高气温、最低气温、日照时数、湿度、风速等。采用试验站自动气象站与周边气象局数据对比确定。

(5)水稻考种数据的测定。包括：株高、穗长、穗粒数、千粒重及产量等数据，各测坑水稻收割后随机取25株测定相关指标。

1.4 相关指标计算

(1)水稻耗水量。根据水量平衡，当田面有水层时，各生育期内水稻耗水量ET为：

ET=h1-h2+P+M-R

(1)

式中：ET为时段内水稻耗水量，mm；h1为内时段初测坑田面水位，mm；h2为内时段末测坑田面水位，mm；P为时段内降雨量，mm；M为时段内测坑灌水量，mm；R为时段内测坑排水量，mm。

当水稻处于落干阶段，田面无水层时，采用土壤含水量推求水稻当日耗水量。

(2)有效降雨量。根据研究目的、条件的不同，有效降雨量Pe有不同定义。这里以天然降雨P中最终进入稻田部分作为有效降雨量。采用水量平衡法推求，见下式：

Pe=P-R

(2)

式中：Pe为时段内有效降雨量，mm；P为时段内降雨量，mm；R为时段内测坑排水量，mm。

(3)降雨利用率。降雨利用率以天然降雨P中有效降雨量Pe所占比重表示，见下式：

η=Pe/P×100%

(3)

式中：η为降雨利用率，%；Pe为时段有效降雨量，mm；P为时段降雨量，mm。

1.5 数据处理

采用SPSS 19.0(Statistical Product and Service Solutions)软件对试验数据进行统计分析。其中，主要采用SPSS中的“单因素方差分析”模块对不同处理组之间各项指标的均值进行差异显著性分析。

2 结果与分析

图1描述了在不同试验方案下水稻生育期内的逐日耗水过程。由图1可知，对照组(T1)在水稻各生育期内的耗水量整体上多于短时间歇组(T2)与长时间歇组(T3)，说明间歇灌溉能显著减少水稻耗水量。对比不同间歇处理组的结果可知，T3组水稻耗水量整体小于T2组，特别在抽穗开花期及成熟期，T3组相对于T2组耗水量显著减小。说明相对于短时间歇组，长时间歇灌溉可进一步降低水稻生育期耗水量，这在抽穗开花期及成熟期更为显著。

图1 不同处理下测坑水稻生育阶段逐日耗水过程Fig.1 Daily water consumption process of rice growing stage in test-pit under different experimental schemes

表3为水稻生育期各阶段耗水量的统计结果，由表3可知，T1组水稻耗水总量最多，达到884.30 mm；T2组次之，为733.07 mm；T3组耗水量最少，仅610.53 mm。从水稻生育期各阶段看，T1组耗水量普遍多于T2、T3组，这与图1结论一致，说明间歇处理可显著减少水稻生育期各阶段耗水量。另一方面，长时间歇组相对短时间歇组可进一步减小水稻耗水量。在分蘖期，T2、T3组耗水量相对T1组降低幅度分别为7.30%与13.55%，其中T3组耗水量较T1组显著降低。而在拔节期T2、T3组耗水量相对T1组降低幅度分别达到28.09%及32.17%，T2、T3组间耗水量差异不显著。在抽穗开花期，间歇灌溉可显著降低水稻耗水量，且长时间歇灌溉模式下水稻耗水量显著低于短时间歇灌溉，T2、T3耗水量较T1组分别减小17.59%及46.30%。在成熟期，T3组耗水量显著低于T1组，说明长时间歇灌溉有利于进一步减小水稻耗水量。总体来说，由于间歇灌溉落干后存在一定的灌水时间间隔，使得稻田渗漏量显著减少，相应耗水量也随之降低。长时间歇灌溉模式下，稻田渗漏量及耗水量的减小相对于短时间歇灌溉更为显著。

表3 不同试验方案下水稻生育期内各阶段耗水量 mm

表4为不同处理下水稻生育期各阶段的有效降雨量及降雨利用率，由表4可知，各试验组主要在分蘖期及拔节期发生溢流。在分蘖期，稻田测坑溢流较多，有效降雨量较小，降雨利用率较低，T1、T2及T3组的降雨利用率依次升高，分别为46.39%，50.88%及53.6%。在拔节期，T1组溢流损失偏多，降雨利用率仅为38.41%，T2组降雨利用率高达97.31%，T3组降雨全部得到利用。在抽穗开花期及成熟期，由于降雨量较小，无溢流产生，各试验组降雨利用率均为100%。从水稻各生育期平均情况看，T1组降雨利用率最小，为53.45%，T2组次之，T3组最高，为71.38%，说明间歇灌溉不仅可以减少水稻耗水量，也可显著提高降雨利用率。由于长时间歇灌溉模式下测坑对雨水的蓄积能力相对于短时间歇灌溉更强，即蓄雨空间更大，故有效降雨量及降雨利用率均为最高。

表5为不同处理下水稻灌溉水量、植株形态及产量等因素的对比情况，由表5可知，T1组水稻生育期灌溉总水量最多，为593.88 mm，T2组次之，为357.58 mm，T3组灌水最少，仅222.72 mm。说明采用间歇灌溉可显著减少生育期内水稻灌溉水量，

而长时间歇灌溉模式下水稻节水效果更显著。同时观察不同处理下水稻的生长形态及产量等指标，由表5可知，T2、T3组水稻株高、千粒重及产量均大于T1组，穗长及穗粒数均小于T1组。T3组较T2组株高、穗长及穗粒数均有减小，而千粒重及产量则对应增大。这说明间歇灌溉在发挥节水效应的同时不会造成减产，一定程度上还能增加产量，对于长时间歇灌溉尤为明显，但植株形态受到落干的影响，特别是穗长及穗粒数受到一定抑制，短时间歇处理下水稻株高最高。

表5 不同试验方案下水稻灌溉水量、植株形态及产量等因素Tab.5 Irrigation water, plant morphological characteristics, yield of rice and other factors under various experimental schemes

整体而言，水稻灌溉水量受耗水量及降雨利用率影响，在间歇灌溉模式下，水稻耗水量的减小与降雨利用率的提升均能显著提高节水效益。长时间歇灌溉相对于短时间歇灌溉，可进一步提升节水效果。从水稻生育期内各阶段来看，间歇灌溉在分蘖期与拔节期通过同时降低水稻耗水量与提高降雨利用率达到节水效果，在抽穗开花期及成熟期则主要通过降低水稻耗水量发挥节水效益。

3 结 论

江淮丘陵区为安徽省重要的水稻生产基地，探索经济节水的灌溉方式可为该区域水稻节水灌溉技术的推广提供科学依据。本研究以安徽省肥东农水综合试验站测坑试验为依托，分析了间歇灌溉模式下不同间歇时间对江淮丘陵区水稻生育期各阶段耗水量、降雨利用率、灌溉水量、植株形态及产量等因素的影响，研究了其节水效益，主要结论如下。

(1)在水稻生育期各阶段，采用间歇灌溉处理有利于降低耗水量，长时间歇灌溉模式可进一步减小水稻耗水量，这在抽穗开花期更为显著。

(2)间歇灌溉一定程度上可减少溢流损失，稻田测坑在长时间歇处理下比短时间歇处理蓄雨空间更大，更能充分利用降雨，其有效降雨量及降雨利用率均最高。

(3)间歇灌溉可有效减少水稻生育期灌溉水量，采用长时间歇灌溉的节水效果普遍更好。采用间歇灌溉模式在节水的同时可增加水稻千粒重及产量，但受落干影响，植株穗长、穗粒数受到一定抑制。

(4)在分蘖期与拔节期，间歇灌溉通过降低水稻耗水量及提高降雨利用率达到节水效果，而在抽穗开花期及成熟期主要通过减小水稻耗水量发挥节水效益。长时间歇组(分蘖期：6 d，拔节期：4 d，抽穗开花期：4 d，成熟期：6 d)在不影响产量的情况下，节水效益最为明显。

(5)水稻各生育期内的生长发育及需水状况受水稻品种、土壤及气候等因素影响，实践中应根据区域实际情况，结合田间试验确定适宜的间歇灌溉时间。