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摘要为研究不同灌溉模式降雨利用潜力，以寒地稻作为研究对象，系统分析了灌溉站30年的试验资料，结合同时期降雨数据，分别对有无蓄雨要求的几种灌溉模式进行了理论分析。结果表明，无蓄雨要求时，控制灌溉降雨利用率最低，间歇灌溉较低，常规灌溉较高，而湿润灌溉最高；在相同的蓄雨条件下，控制灌溉降雨利用率最高，湿润灌溉居次，间灌第三，常规灌溉最低。由此可见，控制灌溉的降雨利用潜力最大，其他灌溉模式低于控灌；不同的灌排及蓄雨标准能够对降雨利用率产生较大影响。
关键词寒地稻作；水分利用效率；灌溉模式；降雨利用率
中图分类号S511文献标识码A文章编号0517-6611（2014）22-07526-03
据统计，2014年黑龙江省水稻种植面积达343.4万hm2，年用水量300多亿m3，水稻生产用水量占农业生产用水总量97%。可见，发展水稻节水新技术对水资源利用具有十分重要的现实意义。水稻节水灌溉的前提是充分利用降雨[1]。降雨利用率是指有效降雨量在天然降雨量中所占的比重。关于有效降雨量的定义，水文学与农田水利学中给出了不同的定义。根据水文学的定义，有效降雨量是指能够产生径流的雨量，而根据农田水利学上的定义，其是指能够为作物生长提供水分的雨量[2]。对于有效降雨量的精确计算是计算降雨利用率的基本前提，可以直接为灌区规划设计、运行管理等工作服务，在优化配置区域水资源过程中具有重要的作用[3-4]。
有效降雨量的计算方法有国内专家学者通常采用的经验系数法和国外常见的Hershfield、USDA-SCS[5]、SWBM等。经验系数法根据统计学原理，在试验站长期观察数据的基础上，统计出有效降雨量与降雨量的比值，作为该地区降雨利用率系数。一般认为，当降雨量>50 mm时，属于有效降雨，系数取0.7～0.8；当降雨量为5～50 mm时，属于有效降雨，系数在0.8～1.0；当降雨量<5 mm时，该次降雨是无效降雨，对于农作物水分供应无效[6]。通常作物有效降雨量的大小受植物截留、渗透、排水等因素影响，对于水稻而言，还会受到不同灌溉模式的制约，不同的灌溉模式，其水分管理要求不同，从而影响到天然降雨的有效利用率[7]。笔者以黑龙江省水稻灌溉试验站30年的试验数据为依据，根据土壤水量平衡理论，采用FAO56PM公式计算作物腾发量，对控制灌溉、间歇灌溉、湿润灌溉和常规灌溉4种灌溉模式的天然降水利用率逐一进行分析，得到各自的降雨利用率；同时，通过盆栽对比试验实测每种模式的降雨利用率，以期为合理开发利用水资源提供理论依据。
1资料与方法
1.1资料选取文中所涉及的30年（1978～2008年）的气象资料由中国气象科学共享服务平台提供，水稻灌溉试验资料由黑龙江省水稻灌溉站提供。
1.2土壤水量平衡 SWBM是对农田水文过程的简化模拟，主要因素有降雨、灌溉、渗透、排水、蒸发、土壤水分变化及深层渗透等。据此，可写出Δt时间段内的土壤含水量变化公式：ΔV=R+IR-（I+Q+ET+DP），式中，ΔV为土壤含水量的变化量，R为降雨量，IR为灌溉量，I为植物截留水量，Q为径流量，ET为腾发量，DP为深层渗漏量。其中，R根据气象资料可以查获；I该部分很少，可以忽略；DP基本为一常数；Q为超出灌溉标准后的排水量；ET可由气象资料计算得到；ΔV是未知量[2]。根据降雨量、径流量与渗漏量，可以得到有效降雨量。计算的关键是作物腾发量ET。笔者采用FAO56PM公式[8-9]进行腾发量计算。
1.3FAO56 PenmanMonteith公式需水量数学模型众多研究者经过研究发现不论在干旱还是在湿润地区，PenmanMonteith公式均是最准确的一种计算方法[10-12]。1990年，FAO在意大利召开的蒸发蒸腾量计算专题国际会议推荐用PenmanMonteith公式计算参考作物蒸发蒸腾量。1998年，FAO给出了PenmanMonteith公式的最新修正式，以下简称FAO56 PenmanMonteith公式[8-9]。FAO56 PenmanMonteith公式基本方程为：ET0=0.408Δ（Rn-G）+γ9001T+273u2（es-ea）1Δ+γ（1+0.34u2），式中，ET0为应用PenmanMonteith公式计算的参考作物蒸发蒸腾量，mm/d；T为2 m高处平均气温，℃；Δ为温度-饱和水汽压关系曲线在T处的斜率，kPa/℃；Rn为作物表面净辐射，MJ/（m2·d）；G为土壤热通量，MJ/（m2·d）；γ为湿度表常数，kPa/℃；u2为2 m高处风速，m/s；es为饱和水汽压，kPa；ea为实际水汽压，kPa。FAO56 PenmanMonteith公式基本方程表明，ET0的计算共需8个参数。实际上，FAO56 Penman-Monteith公式参数的计算过程表明，对于固定地点，计算所需的气象数据主要有最高气温、最低气温、相对湿度、风速和日照时数5个参数。温度、湿度、风速和日照时数均是常规的气象资料，容易获取。采用FAO推荐的参考作物系数法计算作物需水量，其计算公式为：ET=kcET0，式中，kc为作物系数，视作物类型而定。
1.4盆栽对比试验项目试验区在黑龙江水稻灌溉试验中心站进行，地理坐标125°44′E、45°63′N，属于典型的寒地黑土分布区。试验采用控制灌溉、间歇灌溉、湿润灌溉3种节水灌溉模式，以常规淹灌为对照，4个处理，3次重复。试验小区面积100 m2，共12个小区，四周加设保护行，其间种植作物为水稻。小区与小区之间采用塑料板与水泥埂作为隔渗材料（埋入地下40 cm），防止发生侧向渗漏。另设桶栽试验与小区试验相配合，各设4个处理，每个处理6次重复，分为设置遮雨棚桶栽与不设置遮雨棚桶栽。测桶采用圆柱形塑料桶，规格50 cm，直径52 cm，面积约0.2 m2。测桶摆放在周围为水田的空地上，形成与大田相似的田间小气候。设置遮雨棚的桶栽试验，其需水量E1全部由灌溉水IR1提供，不设遮雨棚的盆栽水稻其需水量E2由灌溉水IR2和有效降雨量ER组成。试验中，遮雨棚的盆栽水稻需水量E1，即灌溉水量IR1可直接测得，不设遮雨棚的盆栽水稻其灌溉水量IR2可直接测得，二者之差，即（IR1-IR2）为由于遮雨棚的遮雨作用而额外补充的水量，等同于有效雨量ER。根据同期降雨数据可获得实际降雨量R，从而得到不同灌溉模式的天然降水利用率。
小区试验及桶栽试验采用相同的施肥标准。基肥，氮72 kg/hm2、磷72 kg/hm2、钾104 kg/hm2；分蘖肥仅施氮肥54 kg/hm2；穗肥，氮36 kg/hm2、磷18 kg/hm2、钾26 kg/hm2；粒肥仅施氮肥18 kg/hm2。其中，不同灌溉模式的水分管理标准如表1所示。试验时，当测得土壤水分达到下限标准，立即进行灌溉，且只灌水至上限。此时可利用钢尺读出田间水层厚度。期间遇到降雨，必须进行加测。在无水层情况下，可利用土壤水分测定仪测定土壤水分。项目区大田表层土壤20 cm以内的体积饱和含水率54.72%。供试品种为北方绿洲本田生育期108 d。
关键词寒地稻作；水分利用效率；灌溉模式；降雨利用率
中图分类号S511文献标识码A文章编号0517-6611（2014）22-07526-03
据统计，2014年黑龙江省水稻种植面积达343.4万hm2，年用水量300多亿m3，水稻生产用水量占农业生产用水总量97%。可见，发展水稻节水新技术对水资源利用具有十分重要的现实意义。水稻节水灌溉的前提是充分利用降雨[1]。降雨利用率是指有效降雨量在天然降雨量中所占的比重。关于有效降雨量的定义，水文学与农田水利学中给出了不同的定义。根据水文学的定义，有效降雨量是指能够产生径流的雨量，而根据农田水利学上的定义，其是指能够为作物生长提供水分的雨量[2]。对于有效降雨量的精确计算是计算降雨利用率的基本前提，可以直接为灌区规划设计、运行管理等工作服务，在优化配置区域水资源过程中具有重要的作用[3-4]。
有效降雨量的计算方法有国内专家学者通常采用的经验系数法和国外常见的Hershfield、USDA-SCS[5]、SWBM等。经验系数法根据统计学原理，在试验站长期观察数据的基础上，统计出有效降雨量与降雨量的比值，作为该地区降雨利用率系数。一般认为，当降雨量>50 mm时，属于有效降雨，系数取0.7～0.8；当降雨量为5～50 mm时，属于有效降雨，系数在0.8～1.0；当降雨量<5 mm时，该次降雨是无效降雨，对于农作物水分供应无效[6]。通常作物有效降雨量的大小受植物截留、渗透、排水等因素影响，对于水稻而言，还会受到不同灌溉模式的制约，不同的灌溉模式，其水分管理要求不同，从而影响到天然降雨的有效利用率[7]。笔者以黑龙江省水稻灌溉试验站30年的试验数据为依据，根据土壤水量平衡理论，采用FAO56PM公式计算作物腾发量，对控制灌溉、间歇灌溉、湿润灌溉和常规灌溉4种灌溉模式的天然降水利用率逐一进行分析，得到各自的降雨利用率；同时，通过盆栽对比试验实测每种模式的降雨利用率，以期为合理开发利用水资源提供理论依据。
1资料与方法
1.1资料选取文中所涉及的30年（1978～2008年）的气象资料由中国气象科学共享服务平台提供，水稻灌溉试验资料由黑龙江省水稻灌溉站提供。
1.2土壤水量平衡 SWBM是对农田水文过程的简化模拟，主要因素有降雨、灌溉、渗透、排水、蒸发、土壤水分变化及深层渗透等。据此，可写出Δt时间段内的土壤含水量变化公式：ΔV=R+IR-（I+Q+ET+DP），式中，ΔV为土壤含水量的变化量，R为降雨量，IR为灌溉量，I为植物截留水量，Q为径流量，ET为腾发量，DP为深层渗漏量。其中，R根据气象资料可以查获；I该部分很少，可以忽略；DP基本为一常数；Q为超出灌溉标准后的排水量；ET可由气象资料计算得到；ΔV是未知量[2]。根据降雨量、径流量与渗漏量，可以得到有效降雨量。计算的关键是作物腾发量ET。笔者采用FAO56PM公式[8-9]进行腾发量计算。
1.3FAO56 PenmanMonteith公式需水量数学模型众多研究者经过研究发现不论在干旱还是在湿润地区，PenmanMonteith公式均是最准确的一种计算方法[10-12]。1990年，FAO在意大利召开的蒸发蒸腾量计算专题国际会议推荐用PenmanMonteith公式计算参考作物蒸发蒸腾量。1998年，FAO给出了PenmanMonteith公式的最新修正式，以下简称FAO56 PenmanMonteith公式[8-9]。FAO56 PenmanMonteith公式基本方程为：ET0=0.408Δ（Rn-G）+γ9001T+273u2（es-ea）1Δ+γ（1+0.34u2），式中，ET0为应用PenmanMonteith公式计算的参考作物蒸发蒸腾量，mm/d；T为2 m高处平均气温，℃；Δ为温度-饱和水汽压关系曲线在T处的斜率，kPa/℃；Rn为作物表面净辐射，MJ/（m2·d）；G为土壤热通量，MJ/（m2·d）；γ为湿度表常数，kPa/℃；u2为2 m高处风速，m/s；es为饱和水汽压，kPa；ea为实际水汽压，kPa。FAO56 PenmanMonteith公式基本方程表明，ET0的计算共需8个参数。实际上，FAO56 Penman-Monteith公式参数的计算过程表明，对于固定地点，计算所需的气象数据主要有最高气温、最低气温、相对湿度、风速和日照时数5个参数。温度、湿度、风速和日照时数均是常规的气象资料，容易获取。采用FAO推荐的参考作物系数法计算作物需水量，其计算公式为：ET=kcET0，式中，kc为作物系数，视作物类型而定。
1.4盆栽对比试验项目试验区在黑龙江水稻灌溉试验中心站进行，地理坐标125°44′E、45°63′N，属于典型的寒地黑土分布区。试验采用控制灌溉、间歇灌溉、湿润灌溉3种节水灌溉模式，以常规淹灌为对照，4个处理，3次重复。试验小区面积100 m2，共12个小区，四周加设保护行，其间种植作物为水稻。小区与小区之间采用塑料板与水泥埂作为隔渗材料（埋入地下40 cm），防止发生侧向渗漏。另设桶栽试验与小区试验相配合，各设4个处理，每个处理6次重复，分为设置遮雨棚桶栽与不设置遮雨棚桶栽。测桶采用圆柱形塑料桶，规格50 cm，直径52 cm，面积约0.2 m2。测桶摆放在周围为水田的空地上，形成与大田相似的田间小气候。设置遮雨棚的桶栽试验，其需水量E1全部由灌溉水IR1提供，不设遮雨棚的盆栽水稻其需水量E2由灌溉水IR2和有效降雨量ER组成。试验中，遮雨棚的盆栽水稻需水量E1，即灌溉水量IR1可直接测得，不设遮雨棚的盆栽水稻其灌溉水量IR2可直接测得，二者之差，即（IR1-IR2）为由于遮雨棚的遮雨作用而额外补充的水量，等同于有效雨量ER。根据同期降雨数据可获得实际降雨量R，从而得到不同灌溉模式的天然降水利用率。
小区试验及桶栽试验采用相同的施肥标准。基肥，氮72 kg/hm2、磷72 kg/hm2、钾104 kg/hm2；分蘖肥仅施氮肥54 kg/hm2；穗肥，氮36 kg/hm2、磷18 kg/hm2、钾26 kg/hm2；粒肥仅施氮肥18 kg/hm2。其中，不同灌溉模式的水分管理标准如表1所示。试验时，当测得土壤水分达到下限标准，立即进行灌溉，且只灌水至上限。此时可利用钢尺读出田间水层厚度。期间遇到降雨，必须进行加测。在无水层情况下，可利用土壤水分测定仪测定土壤水分。项目区大田表层土壤20 cm以内的体积饱和含水率54.72%。供试品种为北方绿洲本田生育期108 d。