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Research Progress of Rice Water

花匠小妙招
2024-11-09 05:44

0 引言

水稻是我国主要粮食作物之一，占粮食种植面积的35%左右，我国约有65%的人口以稻米为主食 [1]。同时，水稻也是种植过程中用水量最多的作物[2]。我国水稻生产中最常用的水分管理方式是淹水灌溉，水稻生长的过程需要大量水来保持水层，但通常只有不到一半的水能被水稻消耗利用[3, 4]。稻田灌水量是小麦和玉米等其他作物2~3倍，耗水量极大[5]，稻田灌溉水的水分生产率仅为1 kg/m3[6]。据研究，目前我国西南地区稻田灌溉用水量9 000 m3/hm2以上，北方部分地区由于降雨量小，灌水量更是高达15 000～22 500 m3/hm2，远高于当地水稻实际需要的灌水量[7]，水资源浪费极其严重。而全国有70%左右的耕地干旱缺水，每年仅灌区缺水约300亿m3[8]。由于缺乏有效的节水灌溉技术和管理，很大一部分灌溉用水在田间输水的过程中损失。在一些大型灌溉区域，每生产1 kg稻米要消耗约4～5 m3的水，其中作物生长只需要25%～30%水分，而大部分水通过蒸发和渗漏损失了[9]。

节水灌溉是在正常条件下节水，并且保证农作物高产稳产，通过优化灌水次数和灌水定额，减少灌溉用水总量[10]。2019年我国农业灌溉耗水量2 387.6亿m3，占全国耗水总量的74.6%[6]。随着世界人口的增长，以及城镇和工业的发展，用于农作物灌溉的水资源越来越匮乏，水稻生产的可持续发展和粮食安全已经受到了威胁[11, 12]。“大水大肥”作为传统稻田生产习惯采用的水肥管理模式，不仅造成水资源严重浪费，而且会由于土壤渗漏、地表径流而引起一系列问题[13]。另外，由于水资源在年际间、地区间及年内分布不均，稻米生产受到干旱造成的区域和季节性缺水的威胁，即使在我国雨水较多的南方地区，季节性干旱也是频繁发生，每年受旱面积近700 hm2[14]。并且随着气候的变化，近些年水稻受旱面积有增加的趋势[15]。

因此，发展节水农业，研究水稻高产高效节水灌溉技术模式，是我国一项重大战略需求[16]。随着全球气候变暖，预计将导致水稻种植的灌溉用水需求量增加13%～23%[17]。据估计到2025年，亚洲的水稻灌溉地区将有17~22万hm2面积的水稻将面临物质或经济缺水[18, 19]。中国约有94.2%的稻田适合节水灌溉，通过全面采用节水灌溉，我国稻米产量可能提高5.4%～6.9%，节省22.1%～26.4%的灌溉水[20]。研究节水灌溉技术，以更少的水种植水稻，提高用水效率，从而实现灌溉的可持续性，无论是对于稳定我国水稻生产安全，还是水资源高效利用，都具有重要的意义，是维持农业可持续发展和实现水资源安全目标的重要战略措施和必然选择。自20世纪80年代以来，国内外学者对水稻节水灌溉技术模式进行了研究，提出了很多节水灌溉技术，如“浅湿灌溉、间歇灌溉、控制灌溉、蓄雨灌溉、自动控制灌溉、适雨灌溉、滴灌”等，均取得了显著成效，水稻节水灌溉理论不断丰富和发展。虽然目前我国的节水灌溉技术模式繁多，但缺少系统的比较以及针对不同区域实际田间效果及优缺点的梳理。因此，本文综述了几种常用的水稻节水灌溉技术模式，比较了不同技术模式节水、增产的效果，并分析了它们的优缺点，以期能为发展水稻节水灌溉提供理论基础。

1 水稻节水灌溉技术模式

1.1 “浅、湿、晒”灌溉

“浅、湿、晒”灌溉的研究始于20世纪80年代，也是我国应用时间最久、应用地域最广的节水灌溉模式。广西推广的“薄、浅、湿、晒”、浙江等地推广的“薄露灌溉”和北方地区推广的“浅、湿”灌溉都与其类似，只是田间水分控制标准不同。

“薄、浅、湿、晒”的水分控制标准为：薄水插秧（15~20 mm），浅水返青（20~40 mm），分蘖前期湿润（10 mm），分蘖后期晒田，拔节孕穗期再灌水（10~20 mm），抽穗扬花期保持薄水层（5~15 mm），乳熟期湿润（10 mm），黄熟期湿润、落干。

“浅、湿”灌溉的水分控制标准为：在移栽和返青阶段保持30~50 mm的浅水层，在分蘖初期、拔节和孕穗期以及抽穗扬花期，浅水和湿润交替进行，每次灌水30~50 mm，当水层落干后可重新灌溉；分蘖后期晒田，乳熟期浅、湿、晒交替进行，灌水后水深10~20 mm，当土壤田间持水量降至80%时再次灌溉，黄熟期停止灌溉，自然落干。

“薄露灌溉”的技术要点：“薄”意味着灌溉水层通常应小于15 mm，“露”是指田间表层土壤应暴露于在空气中或阳光下，并且不应长时间浸泡在水中，每次灌水后都要自然落干露田[21, 22]，田间水分控制标准类似于拔节前和黄熟期阶段的“薄、浅、湿、晒”灌溉。研究表明[23-27]，与常规灌溉相比，稻田采用“浅、湿、晒”灌溉技术模式不仅能节约7%~41%的灌溉用水，而且能使水稻产量提高5.5%~20.9%（

表1

）。

表1 不同灌溉技术的节水增产效果

Tab.1 Water saving and yield increasing effects of different irrigation techniques

灌溉技术模式地点年份增产/% 节水/% 参考文献浅湿晒灌溉湖北、贵州、黑龙江、广西 2012-2018 5.5～20.9 7.0～41.0 [23-27] 间歇灌溉广西、黑龙江、江西 2009-2019 -22.6～18.0 25.0～77.8 [20,26,30-36] 控制灌溉黑龙江、江西、浙江 2009-2019 -7.8～16.0 24.0～45.9 [20,24,30,31,38] 蓄雨型灌溉浙江、湖北 2019 11.8～36.9 43.4～87.7 [20,40,41] 适雨灌溉浙江、湖北 2016-2019 2.1～4.4 41.7～81.9 [43-45] 滴灌黑龙江 2015-2018 -8.0～0 41.5～60.0 [46-52]

1.2 间歇灌溉技术

“间歇灌溉”又称为“干湿交替灌溉”，由美国学者于20世纪80年代最先提出。它是按一定周期，阶段性地向水稻田间供水灌溉，通过有无水层控制来构成浅水与湿润反复交替。这种模式在南方地区的湖北、安徽和浙江等省以及北方有采用[21, 28]。其田间水分控制标准如下：在返青期维持30～50 mm的水层，分蘖后期晒田，黄熟期停止灌溉，自然落干即可。根据不同的土壤状况、地下水位、气候条件和生育期，可分别采用重度间歇淹水和轻度间歇淹水。重度间歇淹水每7～9 d灌水一次，每次50～70 mm，田面保持20～40 mm水层，随后自然落干，有水层保持4～5 d，无水层3～4 d，如此反复交替，灌水前土壤含水率不低于田间持水率的85%～90%；轻度间歇淹水每4～6 d灌水一次，每次灌水30～50 mm，使田面保持15～20 mm水层，有水层和无水层各2～3 d，灌水前土壤含水率不低于田间持水率的90%~95%[29]。研究表明[20, 26, 30-34]，与常规灌溉相比，“间歇灌溉”能使稻田灌水减少25%～77.8%，增产4.7%～18%；但也有研究表明，“间歇灌溉”不利于水稻高产，并且重度间歇灌溉会导致减产[35, 36]（

表1

）。

1.3 控制灌溉技术

“控制灌溉”不同地方叫法有差别，如半干旱栽培、控水灌溉、水插旱管等，该技术是20世纪80年代初由河海大学开始试验研究，并于90年代正式提出水稻控制灌溉的概念。“控制灌溉”是基于节水灌溉条件下水稻新的需水规律及水稻在不同生长阶段不同需水量，在发挥水稻自身调节功能和适应性的基础上，遵循适时适量、科学供水原则的灌溉新技术[37]。其技术要点为：只在插秧至水稻返青期建立20～30 mm水层，其他生育阶段灌水后均不建立水层，而是把根层土壤水分作为控制指标，来确定灌水定额和灌水时间。水分控制上限为土壤饱和含水率，下限则取土壤饱和含水率的60%~80%。如遇降雨，稻田可适当蓄水，但蓄水不能超过50 mm，时间不能超过5 d[29]。根据各地区的试验[20, 24, 30, 31, 38]，“控制灌溉”比常规灌溉节水约24%～45.9%，增产约1.8%～16%，但也有报道称“控制灌溉”会导致水稻减产（

表1

）。

1.4 蓄雨型灌溉技术

“蓄雨型灌溉技术”是以充分利用降雨为原则的一项技术，在不影响水稻高产的前提下，尽可能多的积蓄雨水，以提高降雨利用率。在我国湖北、福建等地区研究推广的“少灌多蓄”技术以及安徽、江苏研究的“浅灌深蓄”、“控灌中蓄”等技术都属于这一类型[22]。无降雨时按照其他技术灌溉，降雨时，雨水层可以超过灌溉水层的上限标准。这样不仅减轻了排水负担，而且减少了灌水量。浅蓄一般宜在水稻生长前期和后期进行，雨后田面水深可超出灌溉水层20～30 mm；而中期可多蓄，雨后水深可超出30～50 mm[22, 39]。各地在推广各种节水灌溉技术同时，常常会与“蓄雨型灌溉”相结合，对于节水和利用降雨会有更好的效果。研究表明[20, 40, 41]，与常规灌溉相比，“蓄雨型灌溉”减少了43.4%～87.7%的灌溉量，增产11.8%～36.9%（

表1

）。

1.5 适雨灌溉

“适雨灌溉”是由浙江省水利河口研究院提出的一种水稻灌溉方法，在保证水稻产量的前提下，每次灌水前适度干旱胁迫，降雨时再让水稻适度遭受淹水胁迫，旱涝胁迫交替发生。其具体技术方法按耕作栽培模式又分为平地模式、沟畦模式和秸秆覆盖模式[42]。平地模式田间控水标准为：返青期灌溉下限为土壤饱和含水率，上限为20 mm田面水层，蓄雨上限为田面水深35～50 mm；分蘖前期灌溉下限为土壤负压-20 kPa，土壤饱和含水率为上限，蓄雨上限为田面水深85～100 mm；分蘖后期，灌溉下限为土壤负压-25～-30 kPa，上限也为土壤饱和含水率，蓄雨上限为田面水深130～150 mm；拔节孕穗期灌溉下限为土壤负压-15～-20 kPa，上限为田面水深100～150 mm，蓄雨上限为田面水深180～200 mm；黄熟期，蓄雨上限为田面水深50~80 mm，自然落干[42]。研究表明[43-45]，与常规灌溉相比，“适雨灌溉”下产量增加了2.1%～4.4%，灌溉用水量降低了41.7%～81.9%（

表1

）。

1.6 滴灌技术

“滴灌”又称为微灌，主要通过加压管道、阀门和滴管将水直接灌入根部或土壤表面。水稻“滴灌”技术主要应用于北方干旱地区，南方多雨地区应用较少。滴灌时的滴水量、滴水线深度、滴头间距和额定流量对节水效果有很大影响。在成华伟[46]等人的研究中，采用单翼迷宫式滴灌带，滴头额定流量2.8 L/h左右，全生育期滴水240 m3，节水率达到60%。在PARTHASARATHI[47]等人的研究中，地下灌溉滴头间距为0.8 m，流速为1.0 L/h，是最经济高效的方法，节水27%，并且不会影响产量。除了这些一般的滴灌模式外，近年来，新疆天业有限公司研发出一项高效节水的现代化栽培、灌溉技术——“膜下滴灌”，其最早试验应用于棉花种植，随后进行水稻试验。该技术改变了水稻传统的“水作”种植模式，全生育期无水层、不起垄，是水稻生产中节水效果最明显的技术。水稻滴灌系统由首部枢纽、输送水管网、毛管及控制、量测和保护装置等组成[46]。滴水过程为水经水泵加压进入首部枢纽，经过滤后送到输配水管网然后到干管、支管和毛管，再由毛管上的滴头滴入水稻的耕层，满足水稻对水的需求，并且能节水60%以上[48]。近些年，该技术已经在新疆地区进行了大面积推广。据新疆天业集团的测算，“膜下滴灌”技术能使主要大田作物平均增产30%以上。但有研究表明[49, 50]，与常规灌溉相比，“膜下滴灌”虽然能减少灌溉用水55.1%～64.5%，但水稻产量会降低或持平。另外，现在的国外已经有很多滴灌的自动化控制方面的研究[51]，如BARKUNAN[52]提出一种水稻滴灌自动化系统，该系统采用智能手机采集土壤图像，计算土壤湿度，然后通过GSM模块间歇地将数据传输到微控制器上。微控制器决定灌溉，并将农田的状况发送到农民手机上。其试验研究表明，与常规灌溉和传统滴灌相比，分别节约了41.5%和13%的水。

1.7 自动控制灌溉

我国“自动控制灌溉”是在引进国外技术的基础上发展起来的，起初是在干旱地区的旱地作物示范区应用，技术逐步达到成熟，进而大面积推广应用。但是稻田自动化控制灌溉起步较晚，关于这方面的研究并不多，目前大多还处于理论阶段。将计算机、3S技术、太阳能等现代高新技术应用于灌溉领域，监测农作物土壤墒情和气候等条件，并根据监测结果，采用精确的灌溉设施对作物进行灌溉，是今后水稻节水灌溉技术发展的方向[52-57]。国内方面，邱照宁[53]等提出了一种水稻精准节水灌溉全自动控制系统，通过田间遥测雷达监测水层，然后在通过手机远程遥控抽排水泵，进行灌溉或排水。钱梦清[54]等提出了一种基于ZigBee无线传感网络技术的稻田节水控制灌溉系统，通过传感器来监测土壤墒情，依据水稻生育期需水信息自动控制灌溉和排水，调节田面水深和土壤含水量。国外方面，MASSERONI[55]基于一个自动闸门，由放置在田里的超声波水位传感器控制，传感器持续监测稻田水位，并将信息发送到主控制系统，系统会调节田面水层深度。PRISILLA[56]提出一种基于人工神经网络（ANN）的控制灌溉系统，通过田间传感器监测土壤墒情参数，蒸散模型将参数转换为实际的土壤湿度，ANN控制器将所需水分与实际土壤水分进行比较，并动态做出决策。UDDIN[57]等提出了一种基于可变速率自动微控制器的灌溉系统模型，太阳能作为控制整个系统的动力源。该系统通过传感器监测稻田的水位，并通过多频信号将信息发送给农户，告知灌溉情况，农户可以用手机控制电机灌溉或排水。但总的来说，这些技术并没有经过生产实践验证，其具体效果如何都还有待进一步研究。

2 不同灌溉技术的优缺点对比

“浅湿晒灌溉”与其他几种方法相比，操作较为简单，“浅、湿、干”不同生育阶段交替进行，关键在于对“干”的判断，不同生长期“干”的程度和要求不同，过于干旱会对水稻生长产生不利影响。但实际应用过程中难以确定灌溉定额，灌水时间和灌水量之间的关系难以把握（

表2

），并且与另外几种灌溉技术相比，其节水效果一般。

表2 不同灌溉技术的优缺点比较

Tab.2 Comparison of advantages and disadvantages of different irrigation techniques

灌溉技术模式优点缺点浅湿晒灌溉节水，增加田间生长积温对于田块要求过高，难以确定灌溉定额间歇灌溉灌水速度快、效率高、节水节能操作复杂，推广性差控制灌溉高产高效，节水节能，提高抗逆性工作量大，不同地区灌水指标不一蓄雨型灌溉节水高产，减排省工受天气因素影响较大适雨灌溉提高水肥利用率，减灌减排适用性差，只适用于南方多雨区滴灌便于自动控制，不受地形限制，提高水肥利用率技术复杂，单位面积投资高自动控制灌溉精准灌溉，节水节肥大多还处于理论阶段，缺乏生产实践

“间歇灌溉”有利于提高水稻生长后期的抗旱能力，通过增强土壤的通气性来减少病虫农害的发生，但该技术主要适用于山区丘陵地区，另外增产方面效果不稳定，增产减产均有报道。

“控制灌溉”与其他灌溉技术在操作上有所不同，第一是灌溉依据不同，其他灌溉技术根据水层判断灌溉时间和灌水量，“控制灌溉”则依据土壤含水量是否达到控制标准来判断是否灌溉。第二是灌水程度不同，另外几种灌溉技术属于充分灌溉，“控制灌溉”则属于调亏灌溉，根据不同生育期生理特性，在非需水敏感期人为胁迫，适度干旱，提高水稻的抗逆性，拔节孕穗和抽穗等需水敏感期保证供水，使后期呈现生长补偿效应[58]。但该技术的操作复杂，田间工作量大。

“蓄雨灌溉”一般和其他灌溉技术结合起来使用，比如近年来，南方地区在原来“间歇灌溉”和“薄露灌溉”的基础上提出了“蓄雨间歇灌溉”和“蓄雨薄露灌溉”技术，大大提高降雨利用率，减少了灌水次数，在考虑节水、增效的同时，发挥了减污的作用[59]。但该技术不适用于北方干旱少雨地区。

“适雨灌溉”与“蓄雨灌溉”相似，是一种充分利用降雨的灌溉技术，在降雨后根据作物需要进行灌溉，在东南沿海高降雨区，合理利用降雨情况下，丰水年份水稻实质很少灌溉，大大减少了灌水量和灌水次数。不同的是，“适雨灌溉”一般单独使用，这也使得它的适用性较差，只适用于南方多雨地区。

“滴灌”相对于其他几种灌溉技术来说，最大的优点就是不受地形限制，便于自动化控制，能大大提高水肥利用率，但该技术的单位面积投资成本高，农民难以接受。

综上所述，“蓄雨灌溉”的节水和增产效果最好（

表1

）；“浅湿晒灌溉”的增产效果较好，但节水效果一般；间歇灌溉的增产效果不稳定，但节水效果较好；“适雨灌溉”增产效果一般，但节水效果好。“滴灌”和“控制灌溉”适合在北方稻区推广，“蓄雨型灌溉”技术具有较大的节水和增产潜力，是适合南方稻区的水稻高效节水灌溉技术。

3 展望

我国水稻种植面积大、分布广，水稻节水灌溉技术从20世纪80年代就开始研究和推广，在过去几十年里形成了不同区域特色的水稻节水灌溉技术，很多研究也取得了显著的节水、增产效果。我国对于水稻节水灌溉理论与技术研究，处于与发达国家同步并领先于国际先进水平的地位。尽管如此，但实际应用推广中仍存在一些问题：一是水稻节水灌溉比传统灌溉要求更严格，农民需要花费更多的时间和精力，才有可能达到预期的效益。同时，还缺少灌溉的实用诊断指标，农户无法确定灌溉时期；二是农民节水意识不高。我国水稻种植区主要分布在南方，雨水相对充沛，农民灌溉节水意识薄弱。而且稻农多以散户为主，对节水灌溉技术推广的积极性和关注度不高；三是农业技术推广体系不完善，科研、推广与实际生产脱节，推广工作仅仅停留在表面。此外，只靠政府方面做推广是远远不够的，需要多方面力量参与到推广体系中；四是目前很多水稻节水灌溉技术都只是生产经验的总结，其灌水指标并不统一，有些灌溉技术的节水与增产效果不稳定，增产和减产均有诸多报道，其长期效果如何，是否具有可持续性，都缺乏充分的理论依据。

针对现存问题，建议今后拟重点研究以下几个方面。

（1）建立实用的节水灌溉诊断指标。目前，指导灌溉的指标主要包括土壤指标（土壤含水量、田间持水量、饱和含水量等）、土壤外观（表土颜色、裂缝等）、植株形态（茎叶色、卷叶状况等）和植株生理状态（细胞汁液浓度、渗透势、水势和气孔开度等）[23]。很难以土壤外观形态和植株形态作为指标，准确判断土壤水分状况。以植株生理状态为指标，测定耗时、难度较大。用土壤水势作为指标需要用土壤张力计测定，有一定技术难度，农民难以接受。如何建立一个适用范围广、测定方法简便、诊断准确性高的水稻节水灌溉指标，是一个值得深入研究的问题。

（2）确定科学的技术推广模式。目前缺乏适用于不同气候、不同水土条件的水稻灌溉综合技术集成体系和节水应用模式，这也是致使水稻节水灌溉技术难以推广和发挥整体效益的原因之一。因此，未来有必要将有较强机理性调控指标转化为操作性技术指标，形成具体的技术规范或者操作指南，并将其纳入示范区的先进技术，使技术模式具有更广泛的适用性。

（3）加强对水稻自动化控制灌溉的研究。20世纪70年代以来，美国、澳大利亚等国家相继提出了一些土壤与作物水分监测、预测的理论或方法，美国、以色列等国家利用空间信息技术和计算机模拟技术进行田间管理，也取得了很大进展，并且已经进入田间生产应用阶段。将自动化、计算机信息技术等现代高新技术应用于灌溉领域，基于土壤墒情传感器的自动化灌溉技术应是未来水稻节水灌溉技术的发展趋势，而我国关于这方面的研究还较少。

（4）加强节水灌溉对水文循环和生态系统影响的研究。在全球温室气体排放中，稻田产生的温室气体占有重要分量，而灌溉方式是影响温室气体排放的重要因子。节水灌溉条件下，稻田的生态环境过程会发生很大的变化，而相关的研究才刚刚起步，结论也不一[60]。深入研究节水灌溉可能对稻田产生的环境效应，确定区域节水灌溉的大规模使用是否会影响水文循环要素和格局，对于确定环境友好型的灌溉技术指标，发展低碳农业，控制温室气体排放都具有重要意义。

（5）加强节水灌溉对稻米品质的影响的研究。随着我国社会经济的发展，人民对食物的追求已经迎来了从“吃得饱”向“吃得好”转变，稻米也不例外，现阶段消费者对稻米品质的要求越来越高。但是，水稻节水技术领域的许多研究成果在研发阶段更多地关注节水、增产和增收的效果，却很少关注对稻米的品质。因此，未来在研究水稻节水灌溉的过程中，不应该一味追求节水增产，而牺牲稻米的品质，应以建成高产、高效、高品质的节水灌溉技术为目标。

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