基于降水频率分析的旱直播水稻滴灌灌溉制度研究

摘要：为了推动旱直播水稻滴灌技术的大面积推广，选择位于吉林省中部地区的岔路河水田试验基地进行灌溉制度试验，分析旱直播水稻滴灌条件下耗水规律与耗水强度，首次制定适于吉林省自然条件下旱直播水稻滴灌灌溉制度。结果表明：旱直播水稻耗水规律大致相同，表现为前期较少、中期增加、后期又逐渐减少的“单峰式”变化规律，最大值出现在分蘖期；耗水强度呈先增强后减弱的“单峰式”变化规律，抽穗开花期为旱直播水稻的需水关键期。制定旱直播水稻滴灌优化灌溉制度，丰水年灌水6次，1次灌水时间2 h，灌水定额135 m³/hm²，灌溉定额810 m³/hm²；平水年灌7次，1次灌水时间2～3 h，灌水定额135～225m³/hm²，灌溉定额1 305 m³/hm²；枯水年灌11次，1次灌水时间2～3 h，灌水定额135～225 m³/hm²，灌溉定额2 295 m³/hm²；特枯水年灌12次，1次灌水时间2～3 h，灌水定额135～225 m³/hm²，灌溉定额2 340 m³/hm²。与常规水稻淹灌相比，不同的水文年型下的旱直播水稻滴灌栽培节水率均达到70%以上，节水效果显著，节水潜力巨大，适合在吉林省水田区尤其是水资源供需矛盾问题突出地区进行适度推广。

关键词：旱直播水稻；耗水规律；降水频率；优化灌溉制度

中图分类号：S274.1 文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2024）18-0075-07

收稿日期：2023-12-04

基金项目：吉林省科技发展计划项目（编号：20200402007NC）。

作者简介：司昌亮（1988—），男，黑龙江人，硕士，工程师，从事水利水电工程及节水灌溉研究。E-mail：scl88927105@163.com。

通信作者：尚学灵，研究员，从事农田水利研究。E-mail：sky.sxl@163.com。

中国是世界上最大的稻米生产国之一^［1］，其稻米产量对全球粮食安全具有深远的影响。值得注意的是，水稻在其种植过程中需要耗费大量的水资源，是农业耗水最多的谷物类作物，占农业用水量的60%^［2］。传统的水稻种植以人工育苗移栽为主，该种植模式劳动强度大，需水量高^［3］。相比传统的插秧淹灌种植模式，旱直播水稻种植模式能节省人力资源和农业用水，便于机械化种植，提高作业效率，具有高效节水特性，可缓解我国水资源紧缺问题，提高水稻生产率^［4～7］。旱直播水稻可分为旱种旱管和旱种水管2种技术模式。相较于水稻旱播水管模式，水稻旱播旱管可在充分利用降雨的情况下，通过关键生育期灌水措施提高稻米产量和水分生产效率^［8-11］。不同水分管理方式对旱直播水稻产量存在显著影响，旱管模式下节约灌水量50%左右，产量降低 7%～16%^［12］。随着直播稻的大力推广与应用，我国河南、河北、黑龙江、宁夏等地直播面积也在不断扩大，其中宁夏水稻直播面积已达到水稻种植面积的 95%，吉林省也有部分地区开始尝试进行旱直播水稻种植^［13-16］。但随着旱直播水稻种植面积的不断扩大，实际生产中灌溉制度缺失、水肥脱节等问题严重制约着旱直播水稻技术的大面积推广。

本研究根据吉林省的自然气候条件，以控制灌溉为基础，在岔路河灌溉试验站进行旱直播水稻滴灌种植灌溉制度试验，分析滴灌条件下旱直播水稻耗水量及耗水强度的变化规律，探究旱直播水稻滴灌条件下产量变化特征，探求降水频率分布特征，确定不同灌溉保证率下旱直播水稻种植典型年，求解滴灌灌溉水力参数，并首次制定适于吉林省中部地区旱直播水稻滴灌栽培的优化灌溉制度，既可实现稳产增效，又可节约大量水资源，使有限的水资源合理再分配，保障水资源的可持续利用，对于水生态环境和粮食安全建设具有重要的现实意义^［17-19］。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

岔路河灌溉试验站位于吉林省永吉县岔路河镇，地处吉林省中东部松嫩平原向长白山区过渡地带，四季分明，大陆性季风气候，多年平均蒸发量1 316 mm，多年平均降水量为673 mm，平均风速3.1 m/s，年平均气温4.4 ℃，平均年积温2 704 ℃，多年平均日照时数2 445 h，年平均无霜期145 d，最大冻土层深度1.5 m。岔路河灌溉试验站试验区土壤理化性质为：

容重 1.26 g/m³、pH值7.4、田间持水量24.6%、有机质含量15.21 g/kg、碱解氮含量62.42 mg/kg、有效磷含量18.21 mg/kg、速效钾含量143.27 mg/kg。

1.2 方案设计

以岔路河灌溉试验站2021年灌溉制度试验数据为研究对象。试验选择在基地的测桶试验区（具备遮雨棚）内进行，采用滴灌进行补充灌溉，采取不利用雨水、完全依靠灌溉的策略。

参考《灌溉试验规范》（SL 13—2015），旱直播水稻生育阶段划分为7个阶段：发芽出苗期、苗期、分蘖期、拔节孕穗期、抽穗开花期、乳熟期和黄熟期^［20］。本试验选择7个生育期中对水分较为敏感的5个生育期（苗期、分蘖期、拔节孕穗期、抽穗开花期、乳熟期）进行土壤水分控制，其余2个生育期（发芽出苗期、黄熟期）不处理。不同土壤水分控制下限标准确定不同的灌水定额，试验采用5因素4水平均匀试验设计，其中5因素选择苗期、分蘖期、拔节孕穗期、抽穗开花期、乳熟期，4水平为4种土壤水分下限控制水平，即田间持水量的100％、90％、80％、70％，上限为田间持水量（表1）。

1.3 试验区设计

本试验在测桶内进行，测桶直径0.6 m，高0.9 m，测桶内的土壤为水田耕作土壤原状回填。每个测桶均单灌单排，单独计量，定量定时灌溉，灌溉水为井水，采用张力计及剖面土壤水分测量仪（TRIME）指导灌溉。

旱直播水稻采用旱种旱管模式，按照1管4行（宽窄行）种植模式（行距10、20、10 cm，穴距10～20 cm），于5月1日在测桶内人工播种，5月26日左右出苗，10月7日收割。播种后观测逐日土壤墒情、土壤温度、作物长势，记录每次灌水量。

氮肥、磷肥、钾肥用量按 N∶P₂O₅∶K₂O=2∶1∶1比例施用，全生育期施 N 180 kg/hm²、P₂O₅90 kg/hm²、K₂O 90 kg/hm²。磷肥一次性作基肥施用，氮肥按基肥∶分蘖肥∶调节肥∶穗肥=4∶3∶1∶2比例施用，钾肥按照基肥∶穗肥=6∶4 比例施用，均采用滴施的方式进行。病虫草害防治采用统一管理方式。

1.4 数据处理

利用WPS 2021、DPS、SPSS数据分析软件进行分析。

2 结果与分析

2.1 旱直播水稻滴灌条件下全生育期耗水量与耗水强度分析

旱直播水稻种植全程采用旱作模式，不建立水层，不存在泡田期。故在进行旱直播水稻耗水量分析计算时，以旱田耗水量计算公式为依据，求得旱直播水稻滴灌条件下分生育阶段耗水量，进而更加精准地分析旱直播水稻全生育期耗水情况。其耗水量计算公式为：

ET_1-2=10∑ni=1γ_iH_i（W_i1-W_i2）+M+P+K-C。（1）

式中：ET_1-2为阶段耗水量，mm；i为土壤层次数号数；n为土壤层次总数目；γ_i为第i层土壤干容重，g/cm³；H_i为第i层土壤的厚度，cm；W_i1为第i层土壤在时段初的含水量（干土重的百分率）；W_i2为第i层土壤在时段末的含水量（干土重的百分率）；M为时段内的灌水量，mm；P为时段内的有效降水量，mm；K为时段内的地下水补给量，mm；C为时段内的排水量（地表排水与下层排水之和），mm。

灌溉期间地下水位埋深在10 m以下，所以地下水的补给量在计算作物耗水量时不予考虑，即K=0。试验区采用滴灌技术，定点定时定量地灌水，不会产生深层渗漏和地表排水，所以不予考虑时段内排水量，即C=0；一般将5 mm以下的降水称为无效降水，计算时不考虑，故公式变为：

ET_1-2=10∑ni=1γ_iH_i（W_i1-W_i2）+M+P。（2）

由表2可知，各处理下旱直播水稻耗水规律大致相同，均表现为前期较少、中期增加、后期又逐渐减少的“单峰式”变化规律，最大值出现在分蘖期，最小值出现在黄熟期。其中，发芽出苗期—苗期的耗水量为10.55～55.85 mm，这段时期水稻没有叶片或叶片较小，蒸发蒸腾主要以棵间蒸发为主；分蘖期的耗水量为131.62～153.86 mm，这段时期水稻叶片增加并逐渐覆盖地表，蒸发蒸腾由棵间蒸发为主转为叶片蒸腾为主；拔节孕穗期—抽穗开花期的耗水量为82.34～148.73 mm，这一时期水稻叶片发达，已基本覆盖田面，水稻生长茂盛，是水稻生育期中最重要的时期，蒸发蒸腾主要以叶片蒸腾为主；乳熟—黄熟期阶段耗水量为5.99～70.13 mm，这一时期水稻生长进入成熟时期，叶片蒸腾减少，棵间蒸发也减少，水稻耗水量也随之减少。

因KZ1处理的分生育阶段土壤水分以田间持水量作为控制水平，故可将此处理的耗水量作为旱直播水稻实际耗水量，并以此进行耗水强度（图1）及灌溉制度研究。

由图1可知，随着水稻生育期的推进，旱直播水稻实际耗水强度呈先增强后减弱的“单峰式”规律变化，抽穗开花期最高，发芽出苗期最低。故可确定抽穗开花期为旱直播水稻的需水关键期。

2.2 旱直播水稻产量差异性分析

由表3可知，与充分灌溉相比，旱直播条件下各处理均存在不同程度的减产。其中，KZ9处理减产最为严重，减产率32.28%；其次为KZ12处理，减产率32.05%；KZ10处理减产率最小，仅为0.08%。

由表3还可知，旱直播水稻滴灌灌溉可实现水稻稳产，但也对各生育期的土壤水分提出了严格要求。若水稻各生育期的土壤水分控制不严格，不能及时、有效地进行补充灌溉，水稻需水无法得到及时满足时，水稻减产的概率较大，且减产幅度亦较大。故亟需制定合理、有效的旱直播水稻滴灌灌溉制度，以保证旱直播水稻滴灌灌溉的有效运行与推广。

2.3 旱直播水稻滴灌条件下灌水定额分析

根据根系生长状况，可将灌水定额按4个阶段进行划分，即发芽出苗期、苗期—分蘖期、拔节孕穗期—抽穗开花期、乳熟期—黄熟期，并根据这4个阶段的相应参数（表4）计算灌水定额。

参照《微灌工程技术标准》（GB/T 50485—2020）^［21］和《半干旱地区玉米膜下滴灌工程规划设计规程》（DB 22/T 2642—2017）^［22］计算旱直播水稻滴灌水力参数，确定灌水定额。

由表5可知，旱直播水稻滴灌条件下发芽出苗期、苗期—分蘖期、拔节孕穗期—抽穗开花期、乳熟期—黄熟期的毛灌水定额分别为67.20、131.70、213.33、220.00 m³/hm²，各阶段一次灌水延续时间分别为0.81、1.58、2.56、2.64 h。

2.4 旱直播水稻设计代表年的确定

运用吉林市永吉县气象站连续30年（1990—2019年）的降水量资料成果为典型数据，利用降水频率分布曲线统计分析，分别求得25%、50%、75%、90%灌溉保证率下的吉林市（5—10月）水稻全生育期降水量为762.33、636.17、548.41、497.05 mm。

经计算，吉林市2015、2008、2014、2000年5月1日至10月7日（已覆盖旱直播水稻全生育期）降水量分别为729.00、637.00、556.20、479.40 mm，分别与各灌溉保证率下降水量最为接近，因此将2015、2008、2014、2000年分别选定为灌溉保证率25%、50%、75%、90%的典型年。

2.5 旱直播水稻有效降水量、灌溉定额和灌水次数的确定

根据典型年降水量推导有效降水量，则2015、2008、2014、2000年的有效降水量分别为579.60、509.60、444.96、383.52 mm。

依据求得的旱直播水稻分生育阶段耗水量、毛灌水定额、有效降水量，求得不同灌溉保证率下旱直播水稻滴灌全生育期内的灌溉定额与灌水次数。

由表6可知，在耗水量相同的情况下，随着灌溉保证率从25%增加到90%，旱直播水稻的灌水次数逐渐增加，依次为6、7、11、12次，90%灌溉保证率下的灌水次数比25%灌溉保证率下多6次，增加100%。

2.6 旱直播水稻优化灌溉制度的制定

结合“2.1”节、“2.2”节、“2.3”节研究结果，制定旱直播水稻滴灌条件下的灌溉制度。

为了便于实际操作，对制定的旱直播水稻灌溉制度（表7）进行取整、精简、优化，优化后的旱直播水稻滴灌灌溉制度更利于旱直播水稻滴灌技术的大面推广。

由表8可知，旱直播水稻滴灌条件下丰水年灌水6次，1次灌水2 h，灌水定额135 m³/hm²，灌溉定额810 m³/hm²；平水年灌水7次，1次灌水2～3 h，灌水定额135～225 m³/hm²，灌溉定额1 305 m³/hm²；枯水年灌水11次，1次灌水2～3 h，灌水定额135～225 m³/hm²，灌溉定额2 295 m³/hm²；特枯水年灌水12次，1次灌水2～3 h，灌水定额135～225 m³/hm²，灌溉定额2 340 m³/hm²。

2.7 旱直播水稻节水能力分析

依据制定的旱直播水稻滴灌灌溉定额，将50%、75%灌溉保证率下灌溉定额与吉林省地方标准《用水定额》（DB 22/T 389—2019）中吉林市常规水稻灌溉定额进行对比，结果见表9。

由表9可知，50%灌溉保证率下旱直播水稻滴灌种植较常规水稻节约灌溉水量6 295 m³/hm²，节水率82.83%；75%灌溉保证率下节约灌溉水量5 505 m³/hm²，节水率70.58%。可见，旱直播水稻滴灌种植节水效果极为明显，节水潜力巨大。

3 讨论

本试验以吉林省自然条件下种植的旱直播水稻为对象，利用岔路河灌溉试验站2021年灌溉制度试验数据，采取不利用雨水、完全灌溉策略，制定了适于吉林省中部地区旱直播水稻滴灌优化灌溉制度，为旱直播水稻滴灌栽培技术在吉林省的示范和推广提供重要的理论基础依据和数据支撑，对吉林省稻作节水具有重大的战略意义。

旱直播水稻滴灌栽培技术是将旱直播技术与滴灌技术有机结合，通过滴灌系统将水肥药精准地输送到水稻的根部，提高水分、养分的利用效率，同时避免大水漫灌带来的水资源浪费，是一种新型的水稻种植技术，具有节水、高效、方便等优点。本研究结果显示：

（1）与常规水稻淹灌相比，旱直播水稻节水效果极为明显，田间节水率达70%以上。

（2）与常规水稻淹灌相比，旱直播水稻根系更长、更粗、更壮，分布范围更广，活力更强，且呈现白根多、黑根少的现象。

（3）旱直播水稻滴灌栽培不建立水层，具有良好的促控作用，能降低田间湿度，抑制杂草生长，提高透光率和通风，不利于病菌存活。

（4）旱直播水稻滴灌栽培可有效提高水分和养分的利用率，减轻施用的农药和肥料下渗流失，缓解面源污染。

（5）旱直播水稻滴灌栽培技术采用滴灌系统进行水肥管理，减少了人工干预和劳动强度。

综上，随着水资源的日益短缺，旱直播水稻滴灌种植相比于常规水稻淹灌种植优点显著，具有较好的经济、社会、生态效益，故建议在以高效节水灌溉为前提的条件下，在水田区适度推广旱直播水稻滴灌栽培技术，以缓解水田区水资源供需矛盾问题，有效促进农业的可持续发展。

4 结论

在不同水分处理下，旱直播水稻耗水规律大致相同，均表现为前期较少、中期增加、后期又逐渐减少的“单峰式”变化规律，最大值出现在分蘖期，最小值出现在黄熟期。

旱直播水稻实际耗水强度呈先增强后减弱的“单峰式”变化规律，抽穗开花期为旱直播水稻的需水关键期。

为了便于实际操作，利用降水频率分布曲线统计分析，求得旱直播水稻不同生育阶段的耗水量、毛灌水定额、有效降水量等水力参数，制定旱直播水稻滴灌优化灌溉制度，即：丰水年灌水6次，1次灌水时间2 h，灌水定额135 m³/hm²，灌溉定额810 m³/hm²；平水年灌水7次，1次灌水时间2～3 h，灌水定额135～225 mm³/hm²，灌溉定额1 305 m³/hm²；枯水年灌水11次，1次灌水时间2～3 h，灌水定额135～225 m³/hm²，灌溉定额2 295 m³/hm²；特枯水年灌水12次，1次灌水时间2～3 h，灌水定额135～225 m³/hm²，灌溉定额2 340 m³/hm²。

与常规水稻淹灌相比，50%灌溉保证率下旱直播水稻滴灌种植节约灌溉水量6 295 m³/hm²，节水率82.83%，75%灌溉保证率下节约灌溉水量5 505 m³/hm²，节水率70.58%，节水效果明显，节水潜力巨大，可见在水田区适度推广旱直播水稻滴灌栽培技术能有效缓解水田区水资源供需矛盾。

参考文献：

［1］轧宗杰，卢树昌，侯 琨. 水稻旱直播栽培发展现状、问题及应用前景［J］. 作物杂志，2020（2）：9-15.

［2］杨晓龙，王 彪，汪本福，等. 不同水分管理方式对旱直播水稻产量和稻米品质的影响［J］. 中国水稻科学，2023，37（3）：285-294.

［3］孙 琪，耿艳秋，金 峰，等. 播期对直播水稻产量、花后各器官干物质和氮素积累及转运的影响［J］. 作物杂志，2020（5）：119-126.

［4］徐令旗，郭晓红，吕艳东，等. 旱直播对水稻穗部性状、产量和经济效益的影响［J］. 干旱地区农业研究，2021，39（5）：186-192.

［5］马 竞，裴晓峰. 水稻旱直播技术要点及效益分析［J］. 农业科技与装备，2023（2）：44-45.

［6］魏永霞，曹晓强，冀俊超，等. 不同灌溉方式下旱直播水稻光合特性与干物质积累动态［J］. 农业机械学报，2021，52（10）：358-368.

［7］张 亮. 保墒旱直播不同种植方式对水稻生长发育及品质的影响［D］. 银川：宁夏大学，2020：1-5.

［8］余 灿，王直华，张家亮，等. 水稻半期旱作的节水效果及其对产量和品质的影响［J］. 华中农业大学学报，2009，28（2）：136-140.

［9］Liu H Y，Hussain S，Zheng M M，et al. Dry direct-seeded rice as an alternative to transplanted-flooded rice in Central China［J］. Agronomy for Sustainable Development，2015，35（1）：285-294.

［10］黄 健，朱 安，汪 浩，等. 不同直播栽培方式对水稻产量及其构成的影响［J］. 江苏农业科学，2021，48（16）：67-73.

［11］李夏雯，卢树昌. 调理剂对旱直播稻土壤物理性状、氮素吸收与迁移的影响［J］. 江苏农业科学，2022，50（22）：216-222.

［12］刘宏岩. 旱直播水稻在不同水分管理下高产高效的生理基础研究［D］. 武汉：华中农业大学，2017：1-16.

［13］陈 丽，贺 奇，王兴盛，等. 不同直播栽培方式对水稻产量及其构成的影响［J］. 东北农业科学，2021，46（3）：10-14.

［14］唐志强，张丽颖，何 娜，等. 机械旱直播对水稻生育进程、光合特性及产量的影响［J］. 作物杂志，2021（5）：87-94.

［15］徐莹莹，刘玉涛，王宇先，等. 黑龙江省西部地区水稻旱直播氮肥施用量与播种密度研究［J］. 黑龙江农业科学，2020（11）：28-30.

［16］宋 军，韩 健，刘 莹，等. 水稻旱直播节水性能评价及效益分析［J］. 辽宁农业科学，2021（2）：80-81.

［17］范 纯，刘丽丽，袁俊玲. 长岗灌区水稻节水控制灌溉精准管理模式的研究与实践［J］. 黑龙江水利科技，2019，47（2）：27-31.

［18］康思远. 寒地水稻控制灌溉技术分区综合模式应用研究［D］. 哈尔滨：东北农业大学，2018：1-11.

［19］王喜华. 吉林省水稻节水灌溉与水分管理的技术与模式研究［D］. 长春：吉林大学，2012：14-21.

［20］ 中华人民共和国水利部.灌溉试验规范：SL 13—2015［S］. 北京：中国水利水电出版社，2015.

［21］中华人民共和国住房和城乡建设部. 微灌工程技术标准：GB/T 50485—2020［S］. 北京：中国计划出版社，2020.

［22］吉林省质量技术监督局. 半干旱地区玉米膜下滴灌工程规划设计规程：DB22/T 2642—2017［S］. 长春：吉林省质量技术监督局，2017.