皖东江淮丘陵区不同水文年水稻优化灌溉制度的研究

俞建河，吴永林，丁长荣，盛根成

(1.安徽省天长二峰灌溉试验重点站，安徽 天长 239300；2. 安徽省水利厅，合肥 230022)

0 引 言

研究区位于安徽省滁州市，是全国重要的商品粮生产基地。地势西高东低，是以丘陵、岗地和平原相间的地貌格局；以江淮分水岭为中脊逐渐向淮河、长江2个方向低倾，东南部属于长江流域，西北部属于淮河流域，俗称皖东江淮丘陵区[1]。该区年均降水量为1 035.5 mm，相对较充沛，但水资源时空分布极不均匀，年际间最大与最小比值达3～4，年内则主要集中在汛期，6-9月份的降雨量约占全年的60%，该区降雨量基本能满足旱作物需水要求，小麦和油菜灌水不多，水稻是用水大户[2]，加上该区高耗水作物—水稻种植面积大，区域性缺水和季节性缺水十分严重，水资源对农业生产能力的制约已经成为最主要的“瓶颈”[3]。对皖东江淮丘陵区在不同水文年保证水源条件下的水稻节水灌溉制度及水资源缺乏条件下的优化灌溉制度开展研究，以期为该区缓解水资源供需矛盾，提高水资源利用技术，建设节水型社会提供支撑。

1 不同水文年水稻灌溉定额的确定

1.1 不同水文年降雨量及典型水文年的确定

利用天长市气象局1957-2008年连续52年的降雨资料，采用皮尔逊-Ⅲ型曲线对水稻生育期间(6月上旬-9月中旬)降雨量进行了排频适线，确定P=25%(丰水年)、P=50%(平水年)、P=75%(一般干旱年)和P=95%(特枯年)4个主要频率下的降雨量值。采用典型年法，找与降雨量数值相近年份，确定P=25%、P=50%、P=75%和P=95%的典型年分别为1987年、1985年、1990年和1994年。并将计算得到的各保证率下的水稻生育期间降雨量值按典型年的月、旬进行分配，结果见(表1)。

表1 不同水文年水稻不同生育阶段的降雨量

1.2 参考作物需水量的确定

参考作物需水量(ET0)一直是计算作物需水量的关键，是实时灌溉预报和农田水分管理的主要参数，目前计算方法众多，但目前国内大多采用国际粮农组织FAO56推荐的Penman-Monteith综合法[4]，利用天长市气象局1961-2008年连续48 a的水稻生长期间(6月上旬-9月中旬)逐日气象资料为基础，采用对以水稻生育期为基本时间单元逐日计算出水稻参考作物腾发量(ET0)，将不同水文年内选取3个典型年数据取平均，确定水稻在几个主要保证率(25%、50%、75%、95%)下的不同生育阶段的参考作物需水量(ET0)(表2)。

表2 不同水文年水稻不同生育阶段的参考作物需水量(ET0)

1.3 作物系数的确定

作物系数是计算作物需水量的重要参数，它反映了作物本身的生物学特性、产量水平、土壤耕作条件对作物需水量的影响。作物的需水量采用作物系数法计算求得，即：

ETci=KciET0i

(1)

式中：ETci为第i个生育阶段的作物需水量，mm；Kci为第i个生育阶段的作物系数；ET0i为第i个生育阶段的参考作物需水量，mm。

作物系数受土壤、气候、作物生长状况和管理措施等诸多因素影响，因此确定作物系数的主要方法是通过当地的田间试验，在能够控制或监测进出水量的试验小区内实测某种作物在水分适宜条件下的需水量，从而反求作物系数。根据天长二峰灌溉试验站1981-2007年水稻在适宜水分条件下的各生育阶段实测需水量(ETc)及参考作物需水量(ET0)，计算出水稻不同生育阶段多年平均作物系数(Kc)(表3)。

表3 水稻不同生育阶段的作物系数(Kc)

1.4 水稻需水量的确定

根据不同水文年水稻各生育阶段的参考作物需水量(ET0)和水稻各生育阶段的平均作物系数(Kc)，利用公式(1)计算不同水文年下水稻不同生育阶段的需水量及全生长期需水总量(表4)。

表4 不同水文年水稻各生育阶段的需水量(ETc)

1.5 水稻的设计田间水层控制标准

根据淠史杭灌溉试验总站及天长二峰灌溉试验站1981-2007年多年来水稻多处理的灌溉试验成果，水稻“浅灌、深蓄、间歇”灌溉制度即全生育期(除黄熟期落干外)田间保持浅水层灌溉、如遇降雨，适当深蓄，无水层时间隙3～5 d(表5)，这种灌溉处理水分生产效益(WUE)为最大,比其他处理高2%～13.6%，比水稻浅水勤灌处理灌排次数减少2～5次，节水5.0%～12.5%，降雨利用率提高了6.5%～14.5%。这种灌溉制度充分利用天然降雨，减少灌溉用水量，且产量与充分灌溉无明显差异，很适合本地区推行的一种灌溉制度[5]。

表5 水稻浅灌、深蓄、间歇灌溉制度

1.6 水稻的渗漏量和耗水量的确定

稻田渗漏量是水稻耗水量的一部分，一般跟当地土壤质地、耕作措施、灌溉习惯、生育阶段等有关系。通过天长二峰灌溉试验站(1981-2007)多年的水稻灌溉试验，有水层时，返青期、分蘖期、拔节期、抽穗期、乳熟期和黄熟期日渗漏量为分别为1.0、1.0、1.2、1.4、1.1和1.0 mm，无水层因渗漏量很小，不考虑[6]。按照稻田间水层控制标准、各水文年降雨量和需水量可推算出不同保证率下水稻不同生育期保留水层的天数，得出不同水文年水稻不同生育阶段的渗漏量(表6)。

表6 不同水文年水稻不同生育阶段的渗漏量

水稻耗水量等于水稻需水量与渗漏量之和，根据表5、表6，不同水文年水稻不同生育阶段的耗水量结果见表7。

表7 不同水文年水稻各生育阶段的耗水量

1.7 水稻的灌溉量、排水量和降雨利用率的确定

在确定各生育阶段的适宜水层上、下限和最大允许蓄水深度以及水稻设计代表年的日需水量、渗漏量和设计代表年的降水量之后，便可利用上述公式计算各时段的灌水量和排水量。各次灌水定额之和便是本田期的灌溉量。各生育时段灌溉量用下式计算：

M净=ETc+W渗+ΔW+P降-W排

(2)

式中：M净为作物各生育时段的净灌溉量，mm；ETc为相应时段的作物需水量，mm；W渗为相应时段的作物渗漏量，mm；ΔW为时段内作物根系主要活动层储水的变化量，mm，有水层时，即为前后水层深度之差；P降为时段内降水量，mm；W排为相应时段的排出水量，mm，即为降雨量与有效雨量之差，有效雨量根据水稻的灌溉制度的要求，利用水量平衡方程确定。

通过计算，不同水文年水稻各生育阶段的灌溉需水量、排水量和降雨利用率计算结果见表8。

1.8 水稻不同水文年的净灌溉定额及节水灌溉制度

根据上面计算结果，皖东江淮丘陵区不同水文年水稻的净灌溉定额及节水灌溉制度见表9。

表8 不同水文年水稻各生育阶段的灌溉量、排水量、降雨利用率

注：起始(插秧后)水层深度为30 mm。

表9 皖东江淮丘陵区不同水文年水稻的净灌溉定额及节水灌溉制度

1.9 不同水文年不同供水量下水稻的优化灌溉制度

在上面的分析中，虽然确定了不同水文年下水稻全生育期的净灌溉需水量，但这是在水资源相对较为充足的条件下才能得以供给的数量，如果遇到连年干旱，或者当地的水资源量有限，可供调用的水量可能满足不了农业灌溉水量需求。这种情况下，不可能按作物的需求供水，而只能根据当地各个时期可供水量和需要灌溉的作物面积分配水量进行灌溉，即实施非充分灌溉。在非充分灌溉条件下，作物的减产程度随着不同作物及作物不同生育阶段的缺水程度而异，水分亏缺历时越长，程度越大，对作物产量的影响也越大。因此，研究限额供水的灌溉制度问题，就是要根据作物产量与各阶段耗水量的关系，在弄清作物在不同生长时期缺水减产程度的基础上，对可供水量进行最合理的分配，最终达到单位水量产值最大或区域总产量最大目标。在这种情况下，遵循的一条主要原则就是要灌好作物增产的关键水，使减产损失降到最低限度。

由于采用动态规划方法，可按时间顺序，将某种作物的整个生育期划分为若干个阶段，把作物灌溉制度的优化设计过程看作是一个多阶段决策过程，认为各阶段决策所组成的最优策略可使整个过程的整体效果达到最优。反映水分在不同时期供应量对水稻产量影响的关系模型，目前国内普遍采用Blank、Jenson、Stewart和Singh 4种模型，但天长二峰试验站及多地研究成果表明Jenson模型更优[7-10]，故本文采用天长二峰试验站研究的水稻产量与阶段耗水量的关系(Jenson 模型) ：

Y/Ym=(ET1/ETm1)0.282 6(ET2/ETm2)0.628 4

(ET3/ETm3)0.405 8(ET4/ETm4)0.108 6

(3)

式中:下标1、2、3、4分别代表分蘖期、拔节孕穗期、抽穗开花期和灌浆期；Y和Ym分别为非充分供水和充分供水条件下的作物产量，kg/hm2；ETi和ETmi分别为与Y和Ym相对应的阶段耗水量，mm；i=1,2,…,n为划分的作物生育阶段数；λi为作物第i阶段的缺水敏感指数。

利用动态规划法对水稻灌溉制度进行了分析，提出了皖东江淮丘陵区水稻在不同的水文年下，不同可供水量的条件下的抗旱减灾优化灌溉制度(表10)。

表10 皖东江淮丘陵区不同水文年不同供水量下水稻的优化灌溉制度

2 结 语

(1)依据天长市气象站历年(1957-2008)的气象资料和天长二峰灌溉试验站多年灌溉试验资料，对皖东江淮丘陵区水稻生育期间的降雨量进行了频率分析，确定了不同水文年水稻的参考作物需水量ET0、需水量ETc、作物系数Kc、净灌溉用水量、经济净灌溉定额和节水灌溉制度。

(2)根据天长二峰灌溉试验站多年灌溉试验研究建立的水稻水分生产函数模型，利用水量平衡方程和动态规划法，对皖东江淮丘陵区水稻在不同水文年条件下的有限水量进行了生育期内的最优分配，确定了不同供水量下的优化灌溉制度，这对于指导皖东江淮丘陵区的节水灌溉、发展节水农业具有重要指导意义。

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