肖劍峰,吳夢(mèng)洋,湯樹(shù)海,操信春*
(1.河海大學(xué) 農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院,南京 210098;2.漣水水利科學(xué)研究站,江蘇 淮安 223200)
灌溉措施對(duì)稻田灰水足跡和水分利用效率的影響研究
肖劍峰1,吳夢(mèng)洋1,湯樹(shù)海2,操信春1*
(1.河海大學(xué) 農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院,南京 210098;2.漣水水利科學(xué)研究站,江蘇 淮安 223200)
【目的】揭示稻田水資源利用效用,優(yōu)選高效灌排模式?!痉椒ā客ㄟ^(guò)觀測(cè)淺水勤灌(FSI)、淺濕灌溉(WSI)、控制灌溉(COI)和蓄水控灌(RCI)下稻田水肥遷移過(guò)程,結(jié)合水足跡與用水效率指標(biāo),分析了灌溉措施對(duì)稻田排水、灰水足跡及其水分利用效率的影響?!窘Y(jié)果】受不同灌溉措施的影響,稻田排水量、灰水足跡及其水分利用效率均存在差異。2017—2018年各處理稻田排水量為387.6~593.7 mm,RCI處理最小,而COI處理最多。FSI、WSI、COI、RCI處理下水稻灰水足跡的年均值分別為386.3、420.6、431.2、273.1 mm。藍(lán)水足跡、綠水足跡、灰水足跡的組成比例分別為6.0%~24.0%、31.8%~58.0%、37.0%~54.0%,且RCI處理下綠水足跡最大、藍(lán)水足跡和灰水足跡均最小,其用水結(jié)構(gòu)更符合水稻節(jié)水減污的要求?!窘Y(jié)論】對(duì)比傳統(tǒng)方法和水足跡框架下農(nóng)業(yè)水資源評(píng)價(jià)指標(biāo),將田間排水量及灰水足跡加入稻田水分利用效率評(píng)價(jià)至關(guān)重要,且蓄水控灌為綜合灰水足跡和水分利用效率下的高效灌溉措施。
灰水足跡;用水效率;灌溉措施;節(jié)水減污;水稻
【研究意義】水稻是我國(guó)主要糧食作物之一,種植面積約3 000萬(wàn)hm2,占糧食種植面積的35%左右。由于耐鹽喜濕的生長(zhǎng)特性,淹水灌溉是水稻生產(chǎn)最常用的水分管理方式。然而,肥料的過(guò)量使用和不合理的灌溉排水方式,隨地表排水和地下滲漏產(chǎn)生的水量損失和氮磷淋失不僅降低了稻田水肥利用效率,而且造成嚴(yán)重的面源污染[1-2]。因此,在提升水資源效用的同時(shí)減少環(huán)境負(fù)荷是農(nóng)業(yè)節(jié)水研究發(fā)展的必然趨勢(shì)?!狙芯窟M(jìn)展】改變灌排模式是調(diào)控稻田水肥的主要手段,將節(jié)水灌溉技術(shù)與控制排水相結(jié)合有利于水稻的節(jié)水減污[3-5]。然而,由于污染物和水資源效用的評(píng)價(jià)體系難以融合,導(dǎo)致了在以往的研究中2個(gè)方面難以兼顧。作為水資源利用評(píng)價(jià)的新工具,水足跡可以從水量和水質(zhì)衡量人類(lèi)活動(dòng)對(duì)水資源的消耗。具體到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng),它反映了作物生育期對(duì)水資源的總需求,由藍(lán)水足跡、綠水足跡和灰水足跡3部分組成,其中藍(lán)水足跡、綠水足跡分別為以蒸發(fā)蒸騰形式消耗而不再被重復(fù)利用的灌溉水和有效降水,灰水足跡為稀釋系統(tǒng)排放污染物(如氮)使其達(dá)到環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)所需的水量[6]。它不僅區(qū)分了作物水分來(lái)源的藍(lán)水、綠水屬性,而且還量化了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)水環(huán)境的負(fù)面影響。因此,它可以更全面地體現(xiàn)出作物生長(zhǎng)過(guò)程中廣義水資源和真實(shí)水耗用之間的關(guān)系。由于農(nóng)作物水足跡占全球水足跡的巨大比例,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水足跡核算、評(píng)估及調(diào)控成為水足跡領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和發(fā)展方向。已有研究[7-9]開(kāi)展了不同區(qū)域與空間尺度農(nóng)作物水足跡及其組成的計(jì)算與分析,核算尺度從全球、國(guó)家、流域、省市、灌區(qū)到田間等。這些研究在說(shuō)明進(jìn)行水足跡調(diào)控的必要性同時(shí)也促發(fā)了其應(yīng)用于區(qū)域農(nóng)業(yè)水管理的研究。Wu等[10]結(jié)合中國(guó)糧食水足跡和區(qū)域虛擬水流動(dòng)的評(píng)估,建議將農(nóng)業(yè)水足跡控制作為農(nóng)業(yè)節(jié)水的手段;Wang等[11]、付強(qiáng)等[12]利用作物生產(chǎn)藍(lán)綠水足跡來(lái)評(píng)價(jià)區(qū)域糧食生產(chǎn)用水效率;Le等[13]建立了水足跡框架的灌溉用水可持續(xù)評(píng)價(jià)指標(biāo);Duan等[14]及韓宇平等[15]試圖通過(guò)揭示區(qū)域作物水足跡變異的驅(qū)動(dòng)因子來(lái)為其降低策略提供參考。特別地,剝離作物水足跡內(nèi)涵與傳統(tǒng)評(píng)價(jià)范式難以協(xié)調(diào)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)灌排設(shè)施建設(shè)、水肥高效利用以及糧食安全產(chǎn)出之需求[16-17]。為此,Cao等[18]通過(guò)觀測(cè)田間水肥運(yùn)移過(guò)程對(duì)比分析了作物生產(chǎn)水足跡與傳統(tǒng)水分生產(chǎn)率指標(biāo)的表現(xiàn),并在水足跡框架下建立農(nóng)業(yè)用水效果[19]、廣義水系數(shù)[20]、水資源效率[21]、水足跡效率[22]指標(biāo)以完善區(qū)域農(nóng)業(yè)用水效率評(píng)價(jià)指標(biāo)體系?!厩腥朦c(diǎn)】然而,將水足跡理論應(yīng)用于灌排模式優(yōu)選,以提高稻田水分利用效率的同時(shí)減少環(huán)境污染的研究鮮見(jiàn)報(bào)道?!緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究基于水足跡理論,通過(guò)觀測(cè)稻田排水及其中氮磷淋失質(zhì)量濃度的變化過(guò)程,量化水稻生產(chǎn)灰水足跡并分析不同灌排模式對(duì)稻田水分利用效率的影響,以期為水稻的節(jié)水減污提供理論依據(jù)和實(shí)踐參考。
田間試驗(yàn)于2017—2018年在江蘇省漣水水利科學(xué)研究站(33°50'N,119°16'E)進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)土質(zhì)為沙壤土,0~100 cm土層平均土壤干體積質(zhì)量1.424 g/cm3,田間持水率27.9%,飽和含水率33.04%(質(zhì)量含水率),土壤肥力中等,有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.19%,pH值為6.82。參照當(dāng)?shù)剞r(nóng)藝技術(shù),試驗(yàn)共設(shè)4種灌溉措施:淺水勤灌(FSI)、淺濕灌溉(WSI)、控制灌溉(COI)和蓄水控灌(RCI),各項(xiàng)灌溉措施的田間水深(含水率)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理,每個(gè)處理3次重復(fù)。每個(gè)單元的中間都安裝有1個(gè)微型蒸滲儀(0.5 m×0.5 m×1.0 m)和1個(gè)觀察井(直徑5.0 cm,深度1.2 m)。2017年水稻6月17日移栽,10月19日收割,2018年6月26日移栽,10月12日收割,基肥為碳酸氫銨1 125 kg/hm2,磷肥375 kg/hm2,分蘗期追施尿素225 kg/hm2。
表1 水稻各生育期內(nèi)不同灌溉措施下田間水分控制標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Field moisture control standards of different irrigation measures during rice growing period
注 “mm”表示田面水深單位,“%”表示表層30 cm土層土壤含水率占土壤飽和含水率θs的百分比。
水稻試驗(yàn)08:00測(cè)定,當(dāng)田面有水層時(shí),通過(guò)鋼尺讀取水層深度,遇降水進(jìn)行加測(cè);當(dāng)田面無(wú)水層時(shí),利用埋設(shè)在土壤中0~30 cm的TDR探頭進(jìn)行土壤水分測(cè)定。灌水和排水情況,參照各處理灌排控制標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)土壤水分降至灌水下限時(shí),即灌水至上限,若水層深度超過(guò)最大蓄水深度,則及時(shí)排水至蓄水上限,記錄每次的灌排水時(shí)間和灌排水量。田間蒸騰量用微型蒸滲儀測(cè)量,生育期每3天用小型水泵從觀察井排地下水1次,到生育期末補(bǔ)測(cè)1次,所有排水均取樣進(jìn)行含氮量、含磷量測(cè)試。水樣中總氮測(cè)定采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法(GB 11894—89),銨態(tài)氮測(cè)定采用納氏試劑比色法(GB 7479—87),硝態(tài)氮測(cè)定采用紫外分光光度法(GB 7480—87),總磷測(cè)定采用鉬酸銨分光光度法(GB 11893—89)。水樣采集后盡量2 h內(nèi)測(cè)試分析,若水樣較多時(shí),可放入冰柜于4 ℃低溫保存,24 h內(nèi)處理完畢。產(chǎn)量:在水稻收割前,對(duì)每個(gè)處理進(jìn)行單打單收,自然曬干,測(cè)定水稻的實(shí)際產(chǎn)量。搜集試驗(yàn)區(qū)附近氣象站點(diǎn)資料,包括溫度、濕度、風(fēng)速、太陽(yáng)輻射量、降水量等。如圖1分別為2017—2018年試驗(yàn)區(qū)水稻生育期內(nèi)降水過(guò)程。
圖1 2017—2018年試驗(yàn)區(qū)水稻生育期內(nèi)降水量分布Fig.1 Precipitation of rice growing period in the experimental area from 2017 to 2018
1)作物灰水足跡。水稻生產(chǎn)過(guò)程中形成的面源污染主要是氮、磷引起的,不同成分環(huán)境臨界質(zhì)量濃度不同,所需的稀釋水量也不相同;同一稀釋水能同時(shí)稀釋多種污染物;稀釋新增面源污染所需的水量由所需稀釋水量最大的污染物決定,在數(shù)量上等于該污染物的稀釋水量。田間尺度計(jì)算有別于區(qū)域尺度,當(dāng)某次農(nóng)田排水中面源污染物超過(guò)環(huán)境臨界質(zhì)量濃度,才需淡水稀釋?zhuān)环炊灾?,排水中面源污染物未超過(guò)環(huán)境臨界質(zhì)量濃度,則不需淡水稀釋?zhuān)瑸榇瞬扇∈剑?)進(jìn)行田間尺度面源污染灰水足跡計(jì)算,設(shè)農(nóng)田共排水N次,面源污染物有i種,受納水體的自然本底質(zhì)量濃度指自然條件、無(wú)人為影響下水體中某污染物的質(zhì)量濃度設(shè)為0。
第i種面源污染源灰水足跡為:
式中:GWFi為第i種面源污染源灰水足跡(mm);hq為第q次排水的排水量(mm);為第q次排水第i種污染物的質(zhì)量濃度(g/L);為第i種面源污染物的環(huán)境容許最大質(zhì)量濃度(g/L)。若某次排水中Ciq-Cimax≤0,則該次灰水足跡為0。
面源污染灰水足跡為:
本文選擇TN(總氮)和TP(總磷)2項(xiàng)指標(biāo),參數(shù)最大門(mén)限值參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838—2002)》《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB/T14848—93)》有關(guān)規(guī)定,本次TN最大門(mén)限值為2 mg/L,TP最大門(mén)限值為0.2 mg/L。
單位糧食產(chǎn)量的灰水足跡,也稱作糧食生產(chǎn)灰水足跡,計(jì)算式為:
式中:GWFg為糧食生產(chǎn)灰水足跡(m3/kg);Y為水稻產(chǎn)量(kg/hm2);GWF為灰水足跡(mm)。
2)田間水分利用效率?;谵r(nóng)業(yè)水資源評(píng)價(jià)途徑—“利用量-有效程度-產(chǎn)出能力”,本文依次選取作物水足跡(CWF)、作物水分利用率(WUE)、灌溉水分生產(chǎn)率(IWP)、作物生產(chǎn)水足跡(WFP)和水資源系數(shù)(WRE)等指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)稻田水分利用效率。
以稻田水量平衡為基礎(chǔ),作物水足跡(CWF)反映了作物整個(gè)生育期內(nèi)水分消耗狀況,包括藍(lán)水足跡、綠水足跡和灰水足跡:
式中:CWFblue、CWFgreen分別為藍(lán)水足跡、綠水足跡,二者的和統(tǒng)稱為消耗性水足跡,即作物蒸發(fā)蒸騰量(ET),單位均為mm。
作物生產(chǎn)水足跡(WFP)衡量作物對(duì)水資源的利用效率,用作物產(chǎn)量和作物水足跡比值表示,計(jì)算式為:
式中:WFP為作物生產(chǎn)水足跡(kg/m3);CWF為作物水足跡(mm);10為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)。
作物水分利用效率(WUE)衡量單位水量所獲得的作物產(chǎn)量,用作物產(chǎn)量和蒸發(fā)蒸騰量的比值表示,計(jì)算式為:
式中:WUE表示作物水分利用效率(kg/m3);ET表示全生育期蒸發(fā)蒸騰量(mm);10為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)。
灌溉水分生產(chǎn)率(IWP)是指單位灌溉用水量消耗所能生產(chǎn)的農(nóng)作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)品數(shù)量,計(jì)算式為:
式中:IWP為灌溉水分生產(chǎn)率(kg/m3);ETb為灌溉水蒸發(fā)蒸騰量(mm);IW為從最后一級(jí)渠道進(jìn)入田間的灌溉水量(mm);Uf為田間灌溉水利用系數(shù),由灌區(qū)當(dāng)局提供;10為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)。
水資源系數(shù)(WRE)表征區(qū)域水資源需求總量的有效性,計(jì)算式為:
式中:GWF為作物灰水足跡(mm);ET為全生育期蒸發(fā)蒸騰量(mm);D為田間排水量(mm),由地表排水(Drun)和地下滲漏(Dper)組成。
表2為2017—2018年4種灌溉措施下地表排水及TN、TP質(zhì)量濃度的變化過(guò)程。試驗(yàn)區(qū)2017、2018年水稻生長(zhǎng)期內(nèi)降水量分別為998.0 mm和634.2 mm,其中短期暴雨的次數(shù)分別為5次和3次,其頻率和發(fā)生時(shí)間與地表排水基本吻合。由于2017年試驗(yàn)區(qū)內(nèi)降水相對(duì)頻繁,且降水量較多,各灌溉措施下稻田排水量(地表、地下)均比2018年大,且波動(dòng)幅度更加明顯。
圖2為2017—2018年4種灌溉措施下地下滲漏及其污染物質(zhì)量濃度的變化過(guò)程。各處理中,COI處理下水稻各生育階段蓄水上限均為最小,因此其地表排水量最大,而RCI處理蓄水上限均為最大,其地表排水次數(shù)和排水量均最少,特別是在2018年,整個(gè)生育期內(nèi)沒(méi)有進(jìn)行排水。水稻施肥后,除了少量被植物根系吸收和土壤吸附外,很大一部分游離于田間水層中,因此,排水勢(shì)必會(huì)伴隨著污染物(TN、TP)的淋失。2017年地表排水中TN、TP淋失質(zhì)量濃度變化范圍分別為0.87~7.38、0.01~0.23 mg/L,較2018年明顯減?。?.9~12.7、0.1~0.5 mg/L)。從整個(gè)生育期來(lái)看,地表排水中TN質(zhì)量濃度較TP質(zhì)量濃度大,且早期質(zhì)量濃度明顯高于中后期,這是因?yàn)樗旧缙?,水稻覆蓋度較低,且根系發(fā)育尚不發(fā)達(dá),基肥入田之后,對(duì)肥料中氮磷元素吸收較少,再加上頻繁降水的淋洗,使肥料中大多數(shù)氮磷來(lái)不及被水稻根系吸收就隨田間排水流出[23]。
表2 不同灌溉措施下地表排水量和污染物質(zhì)量濃度Table 2 Observed surface drainage and pollutant concentration for different irrigation measures
圖2 不同灌溉措施下的日地下排水量和污染物質(zhì)量濃度Fig.2 Daily subsurface drainage and pollutant concentration for different irrigation measures
各處理中,COI處理灌水上限、灌水下限和蓄水上限都較低,使得田間水層較薄或沒(méi)有,同時(shí)水層存蓄的時(shí)間較短,因此全生育期內(nèi)其地下滲漏量最小,年均值為267.8 mm,其次是RCI、WSI、FSI處理,年均值依次為304.6、365.4、411.1 mm。同樣地,2017年地下排水中TN、TP淋失質(zhì)量濃度分別在0.41~4.71、0.0~0.2 mg/L之間波動(dòng),較2018年明顯減?。?.01~5.96、0.02~0.2 mg/L),且各處理中RCI處理TN淋失質(zhì)量濃度普遍較高(1.37~5.96 mg/L)。綜合可知,地下滲漏是稻田排水的主要方式,且以TN淋失為主。總體而言,RCI處理排水量最小,年均值僅為387.6 mm,比FSI、WSI、COI處理依次減少34.7%、33.6%、22.0%;RCI處理TN、TP淋失量最小,其次是FSI、WSI、COI處理。
基于灰水足跡的定義,其在一定程度上反映了水體污染物的淋失狀況。表3為2017—2018年4種灌溉措施下由地表排水產(chǎn)生灰水足跡的變化過(guò)程。
表3 2017—2018年由地表排水和化肥浸出造成的灰水足跡Table 3 Grey water footprint (GWF) caused by surface drainage and fertilizer leaching in 2017—2018
2017年水稻生育期內(nèi)產(chǎn)生了大量的地表排水,各灌溉措施下GWFN均較2018年高,但GWFP卻正好相反,這是因?yàn)?017年地表排水中TP的質(zhì)量濃度普遍較低,甚至沒(méi)有達(dá)到磷源污染物的環(huán)境最大容許質(zhì)量濃度(0.2 mg/L)。然而,TN淋失質(zhì)量濃度明顯大于TP,使GWFN所占比例較大(79.6%~97.8%),GWF在年際間的變化規(guī)律和GWFN相同。各處理中,RCI處理地表排水最少,其產(chǎn)生GWF最小,年均值僅為108.2 mm,其次是FSI、WSI、COI處理,依次相差64.5%、70.4%和71.9%。同樣,圖3為2017—2018年4種灌溉措施下由地下排水產(chǎn)生灰水足跡的變化過(guò)程。由圖3可知,2017年FSI、WSI、COI、RCI處理下每日最大地下灰水足跡分別為9.51、7.71、8.36、11.5 mm,由于環(huán)境最大容許質(zhì)量濃度的限制,F(xiàn)SI、WSI、COI、RCI處理地下灰水足跡大于0的天數(shù)分別占整個(gè)生育期的34.1%、11.4%、18.2%和40.9%,而2018年各處理地下灰水足跡日最大峰值較2017年明顯增大(14.86、13.66、10.86、20.26 mm)。綜合以上分析,表4為2017—2018年4種灌溉措施下水稻全生育期作物灰水足跡顯著性分析結(jié)果。由表4可知,2018年稻田地下排水產(chǎn)生的灰水足跡較2017年大,其中WSI處理最為明顯,灰水足跡比2017年增加了634.6%,其次是COI、RCI、FSI處理。各處理中,由于COI、WSI處理地下排水較少,其產(chǎn)生的灰水足跡較小,2 a均值分別為46.5、55.5 mm;RCI處理地下灰水足跡2 a均值最大,與其相比,F(xiàn)SI、WSI、COI處理地下灰水足跡2 a均值分別小50.5%、66.3%和71.8%。但總體而言,2017、2018年水稻灰水足跡變化范圍分別為279.1~409.2、267.1~453.2 mm,且各處理中灰水足跡均呈COI處理gt;WSI處理gt;FSI處理gt;RCI處理的規(guī)律。此外,TN淋失是稻田灰水足跡的主要來(lái)源,地表排水是其主要產(chǎn)生方式,且RCI處理是產(chǎn)生灰水足跡最小的灌溉措施,更有利于減輕水稻生產(chǎn)對(duì)水環(huán)境的污染。
圖3 2017—2018年地下排水灰水足跡Fig.3 Grey water footprint caused by subsurface drainage in 2017—2018
表4 不同灌溉措施下全生育期作物灰水足跡Table 4 Crop grey water footprint under different irrigation measures
注 同列不同小寫(xiě)字母表示處理間差異顯著(plt;0.05),下同。
圖4為2017—2018年4種灌溉措施下水稻生產(chǎn)的作物水足跡組成比例,分析水足跡的組成有助于水資源的分類(lèi)管理,了解其影響因素。由圖4(a)可知,2017年各處理水足跡組成比例波動(dòng)明顯,其中灰水足跡比例均超過(guò)37%,COI處理下更是達(dá)到54.0%,這與其蓄水上限最小、排水量大密不可分,而藍(lán)水足跡比例最小,僅占6.0%~23.0%。各處理中,F(xiàn)SI、WSI、COI處理水足跡的組成成分大小一致,灰水足跡是最主要的,其次是綠水足跡,最后是藍(lán)水足跡,而RCI處理則表現(xiàn)為:綠水足跡gt;灰水足跡gt;藍(lán)水足跡,這是因?yàn)镽CI處理下蓄水上限較大,排水較少,能夠較大可能的將生育期內(nèi)綠水資源存蓄在稻田中。由圖4(b)可知,2018年各處理水足跡組成成分變化規(guī)律與2017年保持一致,藍(lán)水足跡比例仍為最小,但均有小幅度的上升,這是由于2018年降水較少,增加了作物對(duì)灌溉水的需求。綜合以上分析,就水足跡組成而言,藍(lán)水足跡比例最小,僅占6.0%~24.0%,綠水足跡在31.8%~58.0%之間,充分表明降水在水稻生產(chǎn)中的重要程度,而灰水足跡則在37.0%~54.0%之間,說(shuō)明稻田排水中因TN、TP淋失而產(chǎn)生的水污染問(wèn)題不容忽視。
圖4 2017—2018年水稻生產(chǎn)的作物水足跡構(gòu)成Fig.4 Crop water footprint (CWF) composition for rice production in 2017—2018
為探尋田間排水對(duì)稻田水分利用效率的影響,表5為2017—2018年4種灌溉措施對(duì)作物產(chǎn)量和水稻生產(chǎn)用水效率的顯著性分析結(jié)果。由表5可知,水稻產(chǎn)量的變化范圍為7 950.8~9 811.1 kg/hm2,RCI處理下最小,年均值為8 093.8 kg/hm2,其次是FSI處理,年均值為8 619.3 kg/hm2。一般來(lái)說(shuō),作物生長(zhǎng)的關(guān)鍵時(shí)期水分消耗較大,降水常難以滿足田間耗水需求。由于FSI、WSI處理灌水上限和灌水下限均較大,使得稻田內(nèi)經(jīng)常保有一定的水層,因此其蒸發(fā)蒸騰量較RCI、COI處理顯著增加。與年均值最小的RCI處理(449.6 mm)相比,F(xiàn)SI、WSI處理分別增加了16.1%、12.3%?;谵r(nóng)業(yè)水資源評(píng)價(jià)途徑,灌溉措施對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)影響顯著,其中作物水足跡(CWF)在711.0~973.2 mm之間波動(dòng),RCI處理下最小,且比FSI、WSI、COI處理平均減少了21.2%、23.9%和24.2%,這主要與其灰水足跡最小有關(guān);而作物水分利用效率(WUE)變化范圍為1.581~2.087 kg/m3,且COI處理下最大,年均值為2.016 kg/m3,而FSI處理最小,年均值僅為1.651 kg/m3,這是由COI處理下產(chǎn)量較高和蒸發(fā)蒸騰量較低共同決定的。對(duì)于灌溉水分生產(chǎn)率(IWP),其由大到小依次是COI、RCI、WSI、FSI處理,年均值分別為6.657、6.312、4.643、3.788 kg/m3,且RCI、WSI、FSI處理分別比COI處理平均減小5.2%、30.3%、43.1%,這是因?yàn)镃OI、RCI處理下灌水上限和灌水下限均較小,使得生育期內(nèi)灌水較少,從而降低了作物對(duì)灌溉水的消耗。同樣地,灌溉措施對(duì)作物生產(chǎn)水足跡(WFP)影響顯著,由于RCI處理下作物水足跡顯著減小,其年均值(1.134 kg/m3)最大,而FSI處理最小,年均值僅為0.952 kg/m3,二者相差19.1%;而對(duì)于水資源系數(shù)(WRE),RCI處理年均值為0.405,較其他處理顯著增大,其次是FSI、WSI、COI處理,分別比RCI處理降低了14.1%、17.3%、19.3%,這與其排水量和作物水足跡均最小有關(guān)。綜上可知,田間排水及其TN、TP淋失而產(chǎn)生灰水足跡是水稻生長(zhǎng)過(guò)程中水資源消耗的重要內(nèi)容,將其考慮入稻田水分利用效率評(píng)價(jià)至關(guān)重要。
表5 2017—2018年灌溉措施對(duì)大田作物產(chǎn)量和水稻生產(chǎn)用水效率的影響Table 5 Effects of irrigation measures on field crop yield and water use efficiency of rice production in 2017—2018
注 同列不同小寫(xiě)字母表示處理間差異顯著(plt;0.05)。
受污染物淋失量、污染物類(lèi)型、土壤類(lèi)型、作物生長(zhǎng)狀況及田間水分運(yùn)移過(guò)程等因素的影響,水稻生產(chǎn)灰水足跡存在明顯差異。表6為以往有關(guān)水稻生產(chǎn)灰水足跡與本研究結(jié)果對(duì)比。
表6 關(guān)于水稻生產(chǎn)灰水足跡的研究結(jié)果對(duì)比Table 6 Comparison on the grey water footprint of rice production
由表6可知,水稻生產(chǎn)灰水足跡范圍為0.048~5.164 m3/kg,且除Zhuo等[28]和Cao等[18]外,本研究中水稻生產(chǎn)GWFg均較大。氮素是以往最為關(guān)注的稻田污染物。由于各地環(huán)境水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一,污染物最大容許限度也存在差異。Zhuo等[28]在估算灰水足跡時(shí)考慮了動(dòng)物糞便肥料,同時(shí)他們對(duì)最大容許和天然氮質(zhì)量濃度之間的差值進(jìn)行了最為嚴(yán)格的假設(shè)(Cmax-Cnat=0.8 mg/L),而在其他研究多為10 mg/L,因此其GWFg最大;Yoo等[26]同時(shí)量化了水稻生產(chǎn)中氮磷流失的影響,但由于設(shè)定的環(huán)境水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)較低(N:Cmax-Cnat= 40 mg/L、P:Cmax-Cnat=4 mg/L),其所得GWFg反而最??;Chapagain等[25]依據(jù)歐盟硝酸鹽標(biāo)準(zhǔn),設(shè)定“50 mg/L”的允許限度,因此其GWFg也較小。然而,本研究?jī)H關(guān)注TN和TP的淋失,而忽略了殺蟲(chóng)劑、除草劑、重金屬等其他污染物和水體自凈能力的影響,GWFg可能不太準(zhǔn)確。因此,綜合考慮多種污染物的共同影響仍然是精確量化作物生產(chǎn)灰水足跡的重點(diǎn)。此外,由于缺少淋溶率數(shù)據(jù)庫(kù)和田間試驗(yàn)數(shù)據(jù),α=10%是常用的粗略假定值。然而,這可能與實(shí)際情況不一致。為此,Yoo等[26]在估算GWFg時(shí)參考了前人研究中水稻生產(chǎn)的氮磷淋失量(TN:12.9 kg/hm2;TP:1.01 kg/hm2);Cao等[18]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量證實(shí)了水稻生產(chǎn)水足跡評(píng)估在田間試驗(yàn)中的可行性,且發(fā)現(xiàn)氮浸出率僅為6.2%;Wu等[31]基于日尺度下稻田排水中氮濃度變化計(jì)算其淋失量。然而,農(nóng)業(yè)水污染主要是面源污染,結(jié)合相關(guān)水文模型計(jì)算淋失率也可以提高計(jì)算精度。
特別地,Cao等[18]發(fā)現(xiàn)作物灰水足跡受生育期降水影響,且當(dāng)降水量為400~1 000 mm時(shí),水稻灰水足跡在0.63~0.96 m3/kg之間波動(dòng)。雖然施肥量與施肥策略相同,但本研究中計(jì)算所得的GWFg較小,這是因?yàn)楸驹囼?yàn)區(qū)水稻生育期內(nèi)降水量和排水量顯著增加,降低了TN、TP的流失質(zhì)量濃度??梢?jiàn),改變灌排模式將有助于減輕污染物的流失,這在本研究中也得到了驗(yàn)證。然而,本研究參考當(dāng)?shù)剞r(nóng)藝技術(shù)只設(shè)計(jì)了4種常見(jiàn)灌溉措施,最優(yōu)化的灌排模式還有待進(jìn)一步探究。
構(gòu)建合適的指標(biāo)以核算水資源消耗情況是評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)用水效率的一般方法?;谵r(nóng)業(yè)水資源評(píng)價(jià)途徑—“利用量-有效程度-產(chǎn)出能力”,表5中ET、WUE和IWP是以往常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)。根據(jù)本文的研究結(jié)果,高耗水和氮磷污染是限制水稻發(fā)展的重要挑戰(zhàn)。然而,這與稻田排水密切相關(guān)。ET表征作物生產(chǎn)水資源的有效消耗量,卻忽略了排水中氮磷等污染物對(duì)水環(huán)境的負(fù)面影響。降水和灌溉水是作物生產(chǎn)水分消耗的直接來(lái)源,但由于天然降水的機(jī)會(huì)成本相比灌溉水低,減少灌溉水的投入量或提高灌溉水分生產(chǎn)率(IWP)是以往水稻節(jié)水研究的主要途徑[32-34]。雖然,WUE核算了單位廣義水資源消耗的作物產(chǎn)量,但沒(méi)有區(qū)分藍(lán)水、綠水資源屬性和各自發(fā)揮的作用。此外,選擇合理的灌排措施將有助于水稻節(jié)水高產(chǎn),降低氮磷流失污染。然而,由于評(píng)價(jià)指標(biāo)的限制,有關(guān)水稻節(jié)水和減污的研究常是單獨(dú)進(jìn)行[23,35]?;谒阚E的框架,藍(lán)水、綠水足跡對(duì)應(yīng)作物蒸發(fā)蒸騰量(ET)的同時(shí)還表明水稻生育期內(nèi)31.8%~58.0%的水分消耗是來(lái)自降水資源,而灌溉水僅為6.0%~24.0%,且通過(guò)降低藍(lán)水足跡可以減少作物需水量。顯然,這將有助于水資源的分類(lèi)管理。特別地,基于灰水足跡,它不僅衡量了稀釋稻田排水中污染物使其達(dá)到環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)所需的水量,而且通過(guò)降低其在作物水足跡的組成比例就可以反映水稻的減污效果。綜上所述,水足跡理論將稻田氮磷淋失的污染水量統(tǒng)一于作物水分消耗之中,不僅可以更全面地描述水稻生產(chǎn)中廣義水資源與真實(shí)水資源耗用之間的關(guān)系,而且為稻田節(jié)水減污的綜合評(píng)價(jià)提供了便利。
1)地下滲漏是稻田排水的主要方式,TN是水稻生產(chǎn)的主要污染物,且蓄水控灌下排水次數(shù)和排水量均為最少,有利于在節(jié)省田間勞作成本的同時(shí)降低肥料流失的可能性。
2)地表排水是稻田產(chǎn)生灰水足跡的主要途徑,且蓄水控灌下水稻對(duì)水環(huán)境的污染顯著減少。就水足跡組成而言,藍(lán)水足跡、綠水足跡、灰水足跡的組成比例分別為6.0%~24.0%、31.8%~58.0%、37.0%~54.0%,說(shuō)明水稻生產(chǎn)的降水利用和污染問(wèn)題不容忽視。
3)根據(jù)農(nóng)業(yè)水資源評(píng)價(jià)途徑,蓄水控灌下水稻作物水足跡最?。ɡ昧浚Y源系數(shù)(有效程度)和作物生產(chǎn)水足跡(產(chǎn)出能力)均為最高。因此,綜合考慮灰水足跡和水分利用效率下,蓄水控灌是促進(jìn)水稻節(jié)水減污的最優(yōu)灌溉措施。
[1] 馬世浩, 楊丞, 王貴兵, 等. 水稻節(jié)水灌溉技術(shù)模式研究進(jìn)展[J]. 節(jié)水灌溉, 2021(8): 19-24.
MA Shihao, YANG Cheng, WANG Guibing, et al. Research progress of rice water-saving irrigation technology mode[J]. Water Saving Irrigation,2021(8): 19-24.
[2] 王礦, 袁先江, 曹秀清, 等. 深蓄控排條件下稻田土壤水氮變化規(guī)律[J].灌溉排水學(xué)報(bào), 2022, 41(4): 40-48.
WANG Kuang, YUAN Xianjiang, CAO Xiuqing, et al. Variation in paddy soil nitrogen as impacted by combination of deep rainfall storage and controlled drainage[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022,41(4): 40-48.
[3] 韓煥豪, 劉鑫焱, 高蓉, 等. 水稻再生水灌溉下的節(jié)水減排效果[J].節(jié)水灌溉, 2021(12): 43-49.
HAN Huanhao, LIU Xinyan, GAO Rong, et al. Effect of water saving and emission reduction under reclaimed water irrigation of rice[J].Water Saving Irrigation, 2021(12): 43-49.
[4] SHAO G C, WANG M H, YU S G, et al. Potential of controlled irrigation and drainage for reducing nitrogen emission from rice paddies in Southern China[J]. Journal of Chemistry, 2015, 2015: 913 470.
[5] AZIZ O, HUSSAIN S, RIZWAN M, et al. Increasing water productivity,nitrogen economy, and grain yield of rice by water saving irrigation and fertilizer-N management[J]. Environmental Science and Pollution Research International, 2018, 25(17): 16 601-16 615.
[6] HOEKSTRA Arjen Y, CHAPAGAIN Ashok K, ALDAYA Maite M, et al.
水足跡評(píng)價(jià)手冊(cè)[M]. 劉俊國(guó), 曾昭, 趙乾斌, 等, 譯. 北京: 科學(xué)出版社, 2012.
[7]ABABAEI B, RAMEZANI ETEDALI H. Water footprint assessment of main cereals in Iran[J]. Agricultural Water Management, 2017,179: 401-411.
[8] LOVARELLI D, BACENETTI J, FIALA M. Water Footprint of crop productions: A review[J]. Science of the Total Environment, 2016,548/549: 236-251.
[9]張宇, 李云開(kāi), 歐陽(yáng)志云, 等. 華北平原冬小麥-夏玉米生產(chǎn)灰水足跡及其縣域尺度變化特征[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2015, 35(20): 6 647-6 654.
ZHANG Yu, LI Yunkai, OUYANG Zhiyun, et al. The grey water footprint of the winter wheat-summer maize crop rotation system of the North China Plain[J]. Acta Ecologica Sinica, 2015, 35(20): 6 647-6 654.
[10]WU P T, WANG Y B, ZHAO X N, et al. Spatiotemporal variation in water footprint of grain production in China[J]. Frontiers of Agricultural Science and Engineering, 2015, 2(2): 186.
[11]WANG Y B, WU P T, ENGEL B A, et al. Application of water footprint combined with a unified virtual crop pattern to evaluate crop water productivity in grain production in China[J]. Science of the Total Environment, 2014, 497/498: 1-9.
[12]付強(qiáng), 劉燁, 李天霄, 等. 水足跡視角下黑龍江省糧食生產(chǎn)用水分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2017, 48(6): 184-192.
FU Qiang, LIU Ye, LI Tianxiao, et al. Analysis of water utilization in grain production from water footprint perspective in Heilongjiang Province[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(6): 184-192.
[13]LE ROUX B, VAN DER LAAN M, VAHRMEIJER T, et al.Establishing and testing a catchment water footprint framework to inform sustainable irrigation water use for an aquifer under stress[J].Science of the Total Environment, 2017, 599/600: 1 119-1 129.
[14]DUAN P L, QIN L J, WANG Y Q, et al. Spatial pattern characteristics of water footprint for maize production in Northeast China[J]. Journal of the Science of Food and Agriculture, 2016, 96(2): 561-568.
[15]韓宇平, 張嘉彧, 代小平, 等. 灌區(qū)糧食生產(chǎn)水足跡的影響因素研究[J].人民黃河, 2017, 39(2): 42-46.
HAN Yuping, ZHANG Jiayu, DAI Xiaoping, et al. Study on factors impacting water footprint of grain production of irrigation area[J].Yellow River, 2017, 39(2): 42-46.
[16]吳普特, 孫世坤, 王玉寶, 等. 作物生產(chǎn)水足跡量化方法與評(píng)價(jià)研究[J].水利學(xué)報(bào), 2017, 48(6): 651-660, 669.
WU Pute, SUN Shikun, WANG Yubao, et al. Research on the quantification methods for water footprint of crop production[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2017, 48(6): 651-660, 669.
[17]PERRY C. Water footprints: Path to enlightenment, or false trail? [J].Agricultural Water Management, 2014, 134: 119-125.
[18]CAO X C, WU M Y, SHU R, et al. Water footprint assessment for crop production based on field measurements: A case study of irrigated paddy rice in East China[J]. Science of the Total Environment, 2018,610/611: 84-93.
[19]操信春, 任杰, 吳夢(mèng)洋, 等. 基于水足跡的中國(guó)農(nóng)業(yè)用水效果評(píng)價(jià)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2018, 34(5): 1-8.
CAO Xinchun, REN Jie, WU Mengyang, et al. Assessing agricultural water use effect of China based on water footprint framework[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2018,34(5): 1-8.
[20]操信春, 邵光成, 王小軍, 等. 中國(guó)農(nóng)業(yè)廣義水資源利用系數(shù)及時(shí)空格局分析[J]. 水科學(xué)進(jìn)展, 2017, 28(1): 14-21.
CAO Xinchun, SHAO Guangcheng, WANG Xiaojun, et al. Generalized water efficiency and strategic implications for food security and water management: A case study of grain production in China[J]. Advances in Water Science, 2017, 28(1): 14-21.
[21]操信春, 崔思?jí)? 吳夢(mèng)洋, 等. 水足跡框架下稻田水資源利用效率綜合評(píng)價(jià)[J]. 水利學(xué)報(bào), 2020, 51(10): 1 189-1 198.
CAO Xinchun, CUI Simeng, WU Mengyang, et al. Water use efficiency assessment of paddy rice based on the water footprint theory[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2020, 51(10): 1 189-1 198.
[22]CAO X C, SHU R, REN J, et al. Variation and driving mechanism analysis of water footprint efficiency in crop cultivation in China[J].Science of the Total Environment, 2020, 725: 138 537.
[23]彭世彰, 張正良, 羅玉峰, 等. 灌排調(diào)控的稻田排水中氮素濃度變化規(guī)律[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2009, 25(9): 21-26.
PENG Shizhang, ZHANG Zhengliang, LUO Yufeng, et al. Variation of nitrogen concentration in drainage water from paddy fields under controlled irrigation and drainage[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2009, 25(9): 21-26.
[24]BULSINK F, HOEKSTRA A Y, BOOIJ M J. The water footprint of Indonesian provinces related to the consumption of crop products[J].Hydrology and Earth System Sciences, 2010, 14(1): 119-128.
[25]CHAPAGAIN A K, HOEKSTRA A Y. The blue, green and grey water footprint of rice from production and consumption perspectives[J].Ecological Economics, 2011, 70(4): 749-758.
[26]YOO S H, CHOI J Y, LEE S H, et al. Estimating water footprint of paddy rice in Korea[J]. Paddy and Water Environment, 2014, 12(1):43-54.
[27]MEKONNEN M M, HOEKSTRA A Y. Water footprint benchmarks for crop production: A first global assessment[J]. Ecological Indicators,2014, 46: 214-223.
[28]ZHUO L, MEKONNEN M M, HOEKSTRA A Y, et al. Inter- and intra-annual variation of water footprint of crops and blue water scarcity in the Yellow River Basin (1961—2009)[J]. Advances in Water Resources, 2016, 87: 29-41.
[29]徐鵬程, 張興奇. 江蘇省主要農(nóng)作物的生產(chǎn)水足跡研究[J]. 水資源與水工程學(xué)報(bào), 2016, 27(1): 232-237.
XU Pengcheng, ZHANG Xingqi. Study on water footprint of main crops production in Jiangsu Province[J]. Journal of Water Resources and Water Engineering, 2016, 27(1): 232-237.
[30]LI X C, CHEN D, CAO X C, et al. Assessing the components of, and factors influencing, paddy rice water footprint in China[J]. Agricultural Water Management, 2020, 229: 105 939.
[31]WU M Y, CAO X C, GUO X P, et al. Assessment of grey water footprint in paddy rice cultivation: Effects of field water management policies[J]. Journal of Cleaner Production, 2021, 313: 127 876.
[32]劉廣明, 楊勁松, 姜艷, 張秀勇. 基于控制灌溉理論的水稻優(yōu)化灌溉制度研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2005, 21(5): 29-33.
LIU Guangming, YANG Jinsong, JIANG Yan, et al. Optimized rice irrigation schedule based on controlling irrigation theory[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2005, 21(5): 29-33.
[33]劉路廣, 崔遠(yuǎn)來(lái), 吳瑕. 考慮回歸水重復(fù)利用的灌區(qū)用水評(píng)價(jià)指標(biāo)[J].水科學(xué)進(jìn)展, 2013, 24(4): 522-528.
LIU Luguang, CUI Yuanlai, WU Xia. Water use assessment indices under the influence of return flows in irrigation districts[J]. Advances in Water Science, 2013, 24(4): 522-528.
[34]劉路廣, 譚君位, 吳瑕, 等. 鄂北地區(qū)水稻適宜節(jié)水模式與節(jié)水潛力[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2017, 33(4): 169-177.
LIU Luguang, TAN Junwei, WU Xia, et al. Reasonable irrigation mode and water-saving potential for rice in Northern Hubei Province[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2017,33(4): 169-177.
[35]高煥芝, 彭世彰, 茆智, 等. 不同灌排模式稻田排水中氮磷流失規(guī)律[J].節(jié)水灌溉, 2009(9): 1-3, 7.
GAO Huanzhi, PENG Shizhang, MAO Zhi, et al. N and P losses in surface drainage from paddy field under different irrigation and drainage modes[J]. Water Saving Irrigation, 2009(9): 1-3, 7.
Effect of Irrigation on Footprint of Grey Water and Water Use Efficiency of Paddy Fields
XIAO Jianfeng1, WU Mengyang1, TANG Shuhai2, CAO Xinchun1*
(1. College of Agricultural Science and Engineering, Hohai University, Nanjing210098, China;2.Lianshui Water Conservancy Research Institute, Huaian 223200, China)
【Objective】Improving irrigation water use efficiency is important in developing sustainable agriculture.Taking paddy field as an example, this paper investigates how to achieve this goal via irrigation optimization.【Method】The study is based on changes in water and fertilizers measured in 2017—2018 from fields under four different irrigation methods: frequent-shallow irrigation (FSI), wet-shallow irrigation (WSI), controlled irrigation(COI), rain-catching and controlled irrigation (RCI). For each irrigation, we calculate its impact on drainage, grey water footprint (GWF), and water use efficiency combined with grey water footprint (WF).【Result】Drainage from different treatment ranged from 387.6 to 593.7 mm, with RCI and COI draining the least and highest water,respectively. The annual average GWF of FSI, WSI, COI and RCI is 386.3, 420.6, 431.2 and 273.1 mm, respectively.The percentage of blue, green, and gray water in all treatments is in the range of 6.0%~24.0%, 31.8%~58.0%,37.0%~54.0%, respectively, with the RCI giving the greatest green footprint and least blue print.【Conclusion】Comparing traditional method and the proposed WF framework reveals that it is crucial to considering both drainage and GWF in evaluating water use efficiency of the paddy fields. For the four irrigation methods we compare, RCI is most efficient for paddy fields in the region we studied.
grey water footprint; water use efficiency; irrigation measure; water saving and pollution reduction;paddy
肖劍峰, 吳夢(mèng)洋, 湯樹(shù)海, 等. 灌溉措施對(duì)稻田灰水足跡和水分利用效率的影響研究[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2023, 42(2):42-51.
XIAO Jianfeng, WU Mengyang, TANG Shuhai, et al. Effect of Irrigation on Footprint of Grey Water and Water Use Efficiency of Paddy Fields[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(2): 42-51.
S271
A
10.13522/j.cnki.ggps.2022381
1672 - 3317(2023)02 - 0042 - 10
2022-07-12
國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51979074);江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK20221504)
肖劍峰(1997-),男。碩士研究生,主要研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)水土資源高效利用與保護(hù)。E-mail: 201310010011@hhu.edu.cn
操信春(1986-),男。教授,博士生導(dǎo)師,博士,主要研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)水土資源高效利用與保護(hù)。E-mail: caoxinchun@hhu.edu.cn
責(zé)任編輯:白芳芳