不同灌溉制度对黑土区水稻耗水规律影响研究

任 安，黄 彦，王 柏，孙雪梅，于艳梅

(1.黑龙江省农垦科学院农畜产品综合利用研究所，黑龙江 哈尔滨 150036；2.黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080；3.农业农村部东北节水农业重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150080)

黑龙江省2020年供水总量为314.13亿m3，在各业用水量中，农田灌溉用水量最大，为271.48亿m3，占全省总用水量的86.4%；水田灌溉用水占农田灌溉用水量的95%以上。水田为第一用水大户，水田节水灌溉对全省用水总量控制和定额管理意义重大。马来西亚学者 T.S.Lee等[1]运用8种水稻耗水量的计算公式与实测耗水量进行对比研究，研究发现不同计算公式获得的水稻耗水量均呈现一致的规律，最终确定Penman-Monteith是最佳的水稻耗水量的计算方法。巴基斯坦学者S.Ahmad C 等[2]探究水分胁迫条件下灌水模式与作物密度互作模式的水稻产量形成过程，基于试验数据分析了水稻耗水量、产量及其构成要素等指标，结果表明高密度与适宜的灌水模式互作效果较传统栽培方式好。M. A. Rashid C等[3]通过对德国水稻稻灌区试验研究发现，传统淹灌有近一半的灌溉水被无益消耗，对稻作区开展干湿交替灌溉试验，结果显示此灌溉方式在不减产条件下极大地降低了水稻的耗水量。

作物系数-参考作物腾发量法是计算作物需水量最普遍的方法[4]，作物系数作为该方法的重要参数，对它的研究一直备受关注。对于同种作物，如果其品种、耕作方式、农业管理措施、灌溉模式、气象条件等存在差异，作物长势状况不同，蒸发蒸腾量也不同，则作物系数会存在差异[5-6]。Vu 等[7-8]曾采用 FAO-56 分段单值法来研究水稻的作物系数; Shah 等[9]根据作物腾发量和参考作物腾发量的比值来确定水稻作物系数。雷志栋等[10-14]对中国不同地区、不同作物的作物系数确定方法和数值计算进行了大量的研究，并取得了许多成果，同时也证明不同地区、不同生长阶段的水稻作物系数还存在较大差异，应利用实地的试验资料计算各地区、各类作物的作物系数实际值。

水稻为高耗水作物、种植面积大，灌溉水分生产率低，存在工程输水效率低和田间灌水量过大等问题。因此，研究水稻全生育期不同灌溉制度对水稻需水耗水、产量、蒸发蒸腾量以及作物系数的影响规律，对解决黑土粳稻灌区水资源合理配置，灌溉用水供需矛盾，推广精细化灌溉，实现水稻节水增产增效意义重大。为此，本文以不同灌溉方式为基础，采用标准化小区试验研究寒地黑土区水稻耗水规律及作物系数的变化，为寒地黑土区水稻合理选择灌溉方式以及灌溉用水定额制定提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

2018年在位于庆安县和平灌区的庆安灌溉试验站进行灌溉试验研究。庆安灌溉试验站隶属于黑龙江省水利科学研究院，是黑龙江省灌溉试验重点站。该站北邻安邦河及和平灌区安邦河提水渠首工程，东邻哈佳铁路、哈伊公路，临界于第二积温带和第三积温带之间。总面积273.00 hm2，其中，综合性试验楼340 m2、耕地面积15.67 hm2、排水检测池1.010 hm2、气象场及周边占地0.26 hm2、绿化地0.154 hm2、道路0.69 hm2、水域面积0.36 hm2。庆安灌溉试验站多年平均气温为1.69 ℃，年内各月之间气温变化较大，年极端最高气温出现在7月份，达36.7 ℃，极端最低气温出现在1月份，达零下44.9 ℃。多年平均大于或等于10 ℃的积温为2500～2700 ℃，无霜期为128 d左右。全县多年平均降水量为578.5 mm，多年平均蒸发量为764.5 mm。受大陆性季风的影响，春季西南风居多，夏季南风较多，秋季西风为最多，冬季西北风偏多。春季风为最大，占全年风日的70%，平均风速4.6 m/s。土壤基本理化性质为：有机质含量4.14 g/kg，pH值6.40，全氮15.06 g/kg，全磷15.23 g/kg，全钾20.11 g/kg，碱解氮154.36 mg/kg，有效磷25.33 mg/kg和速效钾157.25 mg/kg。

1.2 试验设计

设置水稻节水控制灌溉、浅晒浅灌溉和常规淹水灌溉3个试验处理，每个处理3次重复，共计9个试验处理，即9个试验小区。通过水稻生长动态、水稻蒸发蒸腾量、深层渗漏、田面水层等指标观测，研究确定水稻小尺度耗水特征和规律。供试水稻品种绥粳18，试验小区规格为10 m×10 m，试验小区与其他试验田采用混凝土池埂相隔；每个试验小区采用管道灌溉供水、水表计量灌溉水量，每个试验小区有独立排水口进行排水，不同灌水模式水分试验处理见表1。

表1 不同灌水模式水分试验处理

2 结果与分析

2.1 降雨频率分析

收集庆安县的降雨数据，降雨系列资料(1989—2019年)，依据各年降雨量通过经验频率法确定典型降水分布规律，计算如式(1)：

(1)

式中：p为经验频率；i为降雨样本序列号；n为降雨样本个数。

经计算分析得出庆安县降雨频率25%≤p<50%、50%≤p<75%和75%≤p的降雨区间范围分别为567～623 mm、454～562 mm和342～440 mm；2018年全年降水783.7 mm，在水田灌溉用水时期5月15日—8月31日降雨量累积达到656 mm；5月、6月上旬降雨量较小，水稻生长前期受旱；水稻生育期内的单次最大降雨量达到134 mm，并且集中在7月，7月份总降雨量达到353 mm，8月降雨量较小。2018年试验区频率p<10%、为超丰水年，如图1。

图1 2018年降雨量分布图

2.2 不同灌溉制度对水稻株高的影响

浅晒浅灌溉处理(浅晒浅)、节水控制灌溉处理(控灌)、常规淹水灌溉处理(常灌)的的株高变化趋势一致，各处理之间株高差异性较小，在水稻成熟期，控灌、浅晒浅和常灌处理的株高分别为107.5 cm、107.4 cm和105.7 cm，见图2。

图2 不同灌溉处理株高变化规律

2.3 不同试验处理对水稻产量及构成因素的影响

在不同灌溉管理制度条件下，控灌处理穗粒数最大、常灌处理的穗粒数最小。控灌处理的空壳数最大、常灌处理的空壳数最小，控灌处理的空壳数比常灌处理高11.1%，见图3～图4。

图3 穗粒数变化规律

图4 空壳粒数变化规律

在不同灌溉管理制度条件下，控灌处理有效穗数最多、常灌处理的有效穗数最小。常灌处理和浅晒浅处理的千粒重差异较小，与常灌处理、浅晒浅处理比较，控灌处理的千粒重分别降低了1.68%、1.71%，见图5～图6。

图5 有效穗数变化规律

在不同灌溉管理制度条件下，水稻产量由高到低的顺序依次是常灌、控灌、浅晒浅，控灌处理的产量比常灌低7.1%、比浅晒浅处理高6.4%，见图7。

图7 产量变化规律

2.4 水稻耗水规律

与常规淹灌比较，控制灌溉试验处理的耗水量在返青期、分蘖期、拔节孕穗期、抽穗开花期、乳熟期分别减少了7.80%、21.87%、19.63%、21.17%和19.87%；与常规淹灌比较，浅晒浅灌溉试验处理的耗水量在返青期、分蘖期、拔节孕穗期、抽穗开花期、乳熟期分别减少了5.91%、6.22%、12.83%、4.67%和7.36%，见图8。

控灌、浅晒浅和常灌处理的水稻整个生育期耗水量变化趋势相似，前期小、中期大、后期小。水稻的拔节孕穗期的耗水量大于其他生育期，控制灌溉试验处理、浅晒浅灌溉试验处理和常规淹灌试验处理的拔节孕穗期最大耗水量分别为146 mm、158 mm和181 mm。水稻整个生育期控灌处理水稻耗水量比浅晒浅处理耗水量减少了12.4%、控灌处理水稻耗水量比常灌处理耗水量减少了19.5%。见图8。

图8 水稻不同生育期耗水量变化规律

控制灌溉、浅晒浅灌溉和常规灌溉处理的水稻日耗水强度从分蘖前期到抽穗开花期呈上升趋势，在乳熟期水稻日耗水强度明显减小。在水稻拔节孕穗期，控灌处理水稻日耗水强度比浅晒浅处理和常灌处理分别减少了7.7%和19.6%。控制灌溉、浅晒浅灌溉和常规淹灌水稻日耗水强度最大值出现在拔节孕穗期。控制灌溉试验处理、浅晒浅灌溉试验处理和常规淹灌试验处理的最大日耗水强度分别为7.29 mm/d、7.91 mm/d和9.07 mm/d，见图9。

图9 水稻不同生育期耗水强度变化规律

2.5 作物系数

(1)参考作物蒸发蒸腾量。利用 FAO 推荐的 Penman-Monteith 方法计算参考作物蒸发蒸腾量(ET0)，确定了2018年试验区的参考作物蒸发蒸腾量ET0变化规律，前期气温高、风速大，参考作物蒸发蒸腾量大；7月和8月气温、湿度、光照、风速差异较小，参考作物蒸发蒸腾量变化较平稳，表明温度和风速对ET0影响最大，见图10。

图10 参考作物蒸发蒸腾量ET0

(2)作物系数。通过计算分析确定水稻不同生育期的参考作物蒸发蒸腾量ET0，计算确定水稻返青期、分蘖期、拔节孕穗期、抽穗开花期和乳熟期的作物系数Kc。试验表明控制灌溉处理的作物系数Kc明显小于常规灌溉处理和浅晒浅处理，见表2。

表2 水稻各生育期作物系数统计

2.6 净灌溉用水定额

依据黑龙江省2021年地方标准《用水定额》规定要求，50%水文年条件下水田净灌溉用水定额通用值为410 m3/亩、水田净灌溉用水定额先进值为360 m3/亩。2018年不同灌溉模式条件下水田净灌溉用水定额分别为节水控制灌溉235 m3/亩、浅晒浅灌溉291 m3/亩、常规淹灌308 m3/亩，见图11，节水控制灌溉比常规淹灌亩节水达到23.7%，考虑2018年试验区频率p<10%、为超丰水年，试验得出的水稻田间净灌溉用水定额满足《用水定额》要求。

图11 灌溉用水量对比

3 结 论

(1)确定了不同灌溉制度条件下水稻耗水量与耗水强度变化规律，量化表征了水稻全生育期耗水对灌溉制度的响应，控灌处理水稻耗水量比浅晒浅处理耗水量减少了12.4%、控灌处理水稻耗水量比常灌处理耗水量减少了19.5%。确定了控制灌溉、浅晒浅灌溉和常规灌溉条件下水稻全生育期作物系数数值及其分布规律，为水稻实际耗水量计算提供了重要参数。

(2)在水稻全生育期降雨量为656 mm自然条件，确定了节水控制灌溉比常规淹灌亩节水23.7%，表明节水控制灌溉处理降雨利用量大于常规淹水灌溉，节水效果明显；在丰水年条件下节水控制灌溉、浅晒浅灌溉和常规淹灌的水稻净灌溉用水定额分别为235 m3/亩、291 m3/亩、308 m3/亩，为黑龙江省农业灌溉用水定额中丰水年型的净灌溉用水定额通用值和先进值提供了试验基础数据。