干濕循環(huán)作用下稻田地下水補給過程變化特征

夏超凡，洪大林，和玉璞，紀(jì)仁婧，芮旭倩

（南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程國家重點實驗室，南京 210029）

0 引 言

水稻是我國的主要糧食作物，稻田灌溉用水量大[1]，占農(nóng)業(yè)用水量65%以上[2]，稻田灌溉用水的節(jié)水潛力巨大，因此，稻田高效水管理技術(shù)成為了目前研究的熱點問題[3-5]。國內(nèi)外學(xué)者開展了旱田地下水補給變化特征的研究，結(jié)果表明，旱田地下水補給過程明顯，已成為補充旱作物需水及根系層土壤水消耗的重要來源[6-8]。陳建耀等[9]通過開展大型蒸滲儀試驗指出；在地下水淺埋類型地區(qū)，地下水補給量對作物蒸散的貢獻(xiàn)明顯。Soppe 等[10]研究表明，砂性土壤地下水埋深在1.5 m 時，地下水補給量可以占到紅花每日耗水量的40.0%。劉戰(zhàn)東等[11]研究表明，在地下水位埋深低于0.4 m 時，地下水補水量已基本滿足夏玉米耗水量，種植過程中無須灌溉。Kahlowm 等[6]研究表明，當(dāng)?shù)叵滤裆?.5 m 時，地下水補給量完全滿足小麥的需水要求。我國稻作區(qū)地下水埋深普遍較小，隨著稻田高效水管理技術(shù)的應(yīng)用，節(jié)水灌溉模式下稻田出現(xiàn)了連續(xù)的干濕循環(huán)過程，稻田無水層時土壤水分狀況與旱田類似，稻田地下水將通過毛管上升作用不斷地補充至水稻根系層。然而，以往研究較少關(guān)注節(jié)水灌溉稻田地下水補給過程，干濕循環(huán)作用下稻田地下水補給對于水稻需水及土壤水分布的影響尚不明確。因此，為充分挖掘水稻生產(chǎn)中的節(jié)水潛力，科學(xué)調(diào)控干濕循環(huán)中稻田地下水補給過程對水稻需水及土壤水分補充的貢獻(xiàn)作用，本文通過定地下水埋深的蒸滲儀試驗，研究節(jié)水灌溉稻田地下水補給特征及其影響，以期為優(yōu)化稻田水管理策略提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)簡介

本試驗在南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程國家重點實驗室昆山排灌試驗基地開展（31°15′50″N，120°57′43″E）。試驗基地屬亞熱帶南部季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫15.5 ℃，多年平均降雨量1 097.1 mm，多年平均蒸發(fā)量1 365.9 mm，多年平均日照時間2 085.9 h，多年平均無霜期234 d。當(dāng)?shù)亓?xí)慣稻麥輪作，土壤為潴育型黃泥土，耕層土壤為重壤土，土壤有機質(zhì)量21.88 g/kg，全氮量1.08 g/kg，全磷量1.35 g/kg，全鉀量20.86 g/kg，pH 值6.8，耕層土壤體積質(zhì)量1.24 g/cm3。試區(qū)0～20、0～30 cm 與0～40 cm 深度土壤飽和體積含水率分別為50.0%、48.1%與45.9%。

1.2 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)置2 個處理，控制灌溉（記為CI，Controlled irrigation）和淺濕灌溉（記為FI，F(xiàn)looding irrigation），每個處理3 個重復(fù)，共計2×3=6 個小區(qū)。每個小區(qū)面積為0.39 m2（65 cm×60 cm），深度為90 cm，小區(qū)底部與外界隔絕。試驗時間為2017 年7 月3 日—10 月20 日。

淺濕灌溉與控制灌溉田間水層控制指標(biāo)如表1、表2 所示[12]。各處理供試水稻品種為南粳46，2017年7 月2 日插秧，每個蒸滲儀小區(qū)4 穴，每穴定2～3苗，10 月20 日收割。各處理稻田施肥、用藥、植保措施保持一致，均為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣。

表1 水稻淺濕灌溉各生育期階段田間水層控制指標(biāo) Table 1 Standing water depth thresholds for flooding irrigation

表2 水稻控制灌溉各生育期階段根層土壤水分控制指標(biāo) Table 2 Soil moisture thresholds in different stages for controlled irrigation

1.3 試驗布置

試驗在配套稻田滲漏水量、地下水補給量自動測量系統(tǒng)的蒸滲儀中開展（圖1）。蒸滲儀小區(qū)底部布置有透水管，在透水管遠(yuǎn)離觀測池的一端連接氣壓調(diào)節(jié)管（PVC 管）至田表，用以調(diào)節(jié)蒸滲儀小區(qū)透水管處的氣壓與大氣壓保持一致。蒸滲儀小區(qū)的透水管在通過Y 型過濾管后與布設(shè)在觀測池中的馬氏瓶系統(tǒng)（定位水箱、補水箱）連接。定位水箱溢流口的高程與稻田地下水位保持一致，本研究中依據(jù)區(qū)域地下水位將定位水箱溢流口固定設(shè)置在田面下0.5 m。調(diào)節(jié)補水箱通氣管底端的高程與補水箱溢流口一致，根據(jù)馬氏瓶的工作原理，當(dāng)?shù)咎锏叵滤幌陆祵?dǎo)致定位水箱水位下降后，補水箱將向定位水箱及蒸滲儀小區(qū)補水，至稻田地下水位上升至定位水箱溢流口后停止補水過程。降雨或稻田灌溉后，蒸滲儀小區(qū)地下水位升高，當(dāng)超出定位水箱溢流面后，多余水量直接溢出并經(jīng)由PVC 軟管排至自動翻斗計，此部分水量即為稻田滲漏水量，通過自動翻斗計測量；當(dāng)?shù)咎锏叵滤唤抵猎O(shè)定值以下時，根據(jù)馬氏瓶的工作原理，補水箱通過定位水箱向蒸滲儀小區(qū)補水，補水量即為稻田地下水補給量，由布置在補水箱內(nèi)的水位計測量補水前后的水位差值計算得出補水量。蒸滲儀小區(qū)排水通過布置在觀測池底部的直流潛水泵抽排至田面。

圖1 蒸滲儀小區(qū)示意圖 Fig.1 Layout of lysimeter

1.4 試驗觀測方法

控制灌溉小區(qū)深度內(nèi)每10 cm埋設(shè)土壤含水率傳感器（S-SMD-M005，美國Onset），配套2 個數(shù)據(jù)采集器（U30-NRC-000-10-S100-000，美國Onset），自動監(jiān)測稻田的剖面含水率動態(tài)變化過程。稻田出現(xiàn)無水層狀態(tài)時，為方便判斷是否需要灌水，利用Trease系統(tǒng)（6050X3，美國SEC）于每天08:00 觀測水稻根系層土壤含水率，觀測深度根據(jù)各個生育階段的土壤水分控制土層深度來確定。淺濕灌溉稻田每天08:00通過豎尺在固定觀測點測量并記錄水層讀數(shù)。灌水時每個蒸滲儀單獨灌溉，在達(dá)到各自處理要求時停止灌溉，通過量筒記錄灌溉水量。利用試驗研究基地安裝的自動監(jiān)測氣象站（WS-STD1，英國）測定降雨量。利用蒸滲儀補水箱內(nèi)布置的水位傳感器（Odyssey，新西蘭）監(jiān)測補水箱水位變化，計算稻田地下水補給量，水位傳感器直接測量精度0.8 mm，通過本試驗裝置換算后測量精度0.04 mm。利用觀測的灌溉水量、滲漏量、降雨量、土壤水分等要素，通過田間水量平衡公式計算水稻蒸發(fā)蒸騰量（Evapotranspiration，ET）。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2016 整理和計算數(shù)據(jù)，圖表采用Microsoft Excel 2016 和Origin 2017 繪制，應(yīng)用SPSS Statistics20對數(shù)據(jù)進(jìn)行t檢驗，顯著性水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉方式稻季地下水補給變化過程

控制灌溉模式顯著改變稻田地下水補給變化過程（圖2）。CI 處理稻田地下水補給量受灌水和降雨的影響在稻季不斷波動，當(dāng)?shù)咎锔蓾裱h(huán)過程中土壤水分降至一定限度時，稻田地下水補給量在復(fù)水后（灌水或降雨）1 d 內(nèi)出現(xiàn)峰值，稻季共出現(xiàn)16 次峰值，集中在分蘗期、乳熟期和黃熟期。稻季由灌水引起的地下水補給峰值的次數(shù)和補給量普遍高于由降雨引起的峰值。FI 處理稻田長期保留薄水層，稻季的大部分時段均以田面水、土壤水入滲補給地下水為主，稻季無明顯地下水補給過程發(fā)生。

圖2 各處理稻田稻季地下水補給強度 Fig.2 Capillary rise rates for different treatment paddy fields

選取典型時段8 月30 日—9 月8 日（水稻移栽后59～68 d），進(jìn)行灌溉及降雨對控制灌溉稻田地下水補給量的影響分析。8 月30 日—9 月1 日無灌水和降雨，稻田深層土壤水分通過毛管上升作用間接補給表土因蒸發(fā)作用造成的水分缺失[13-14]，稻田地下水補給量分別為1.09、1.09、1.91 mm，9 月2 日有微弱降雨0.2 mm，此時稻田地下水補給量為1.55 mm，9 月3日在土壤含水率降至灌水下限后稻田，灌水41 mm，表土蒸發(fā)強度隨之增強[15-16]，蒸發(fā)作用加劇了地下水沿毛管向上運移對淺層土壤水分的間接補給作用[17-18]，在表層土壤蒸發(fā)增強和毛管力的雙重作用下，稻田地下水補給量在9 月3 日出現(xiàn)峰值22.88 mm。9月4 日—5 日無灌水與降雨，稻田地下水補給量較之前大幅下降，分別為1.42 mm 和0.35 mm，9 月6 日降雨6.1 mm，降雨后1 d 內(nèi)地下水補給量上升至1.74 mm，之后地下水補給量迅速降至0.07 mm。

控制灌溉模式顯著增加稻田稻季地下水補給量和地下水補給強度（圖2）。CI 處理和FI 處理稻田稻季地下水補給量分別為253.98 mm 和9.33 mm，CI處理稻田地下水補給量較FI 處理顯著增加244.65 mm（p<0.05）；地下水補給強度均值分別為2.31 mm/d和0.08 mm/d，CI 處理稻田地下水補給強度是FI 處理的28.9 倍。

2.2 不同灌溉方式稻田地下水補給變化過程

控制灌溉模式顯著增加水稻各生育階段稻田地下水補給量（圖3）。水稻分蘗前期、分蘗中期、分蘗后期、拔節(jié)前期、拔節(jié)后期、抽穗開花期、乳熟期和黃熟期的CI 處理地下水補給量分別是FI 處理的64.5、13.7、27.2、29.2、55.9、59.9、23.9 和32.5 倍。水稻分蘗中后期的曬田和生育末期田面自由落干使得FI 處理稻田地下水補給量有所上升，但仍遠(yuǎn)小于CI 處理稻田。圖中同時期內(nèi)標(biāo)注字母相同表示各處理間無顯著性差異（p＞0.05）。

2.3 控制灌溉稻田地下水補給對水稻需水的貢獻(xiàn)

控制灌溉稻田地下水補給有效補充了水稻需水（表3）。除返青期和黃熟期，CI 處理稻田稻季地下水補給量約占水稻蒸發(fā)蒸騰量（Evapotranspiration，ET）的51.1%，地下水補給量成了水稻蒸發(fā)蒸騰量的重要來源。水稻分蘗前期和抽穗開花期ET 較小，地下水補給量分別約占ET 的83.9%和68.0%，時段內(nèi)稻田地下水補給量基本能夠滿足該生育階段水稻生長需求。分蘗中期、后期和拔節(jié)前期稻田地下水補給量與ET 的占比分別為38.6%、32.5%和27.7%，此階段正是水稻需水高峰期，地下水補給可以作為水稻需水的有效補充。拔節(jié)后期和乳熟期稻田地下水補給量均占ET 的100%，已經(jīng)能完全滿足水稻需水要求，水稻無須額外進(jìn)行灌溉。

表3 地下水補給量與水稻蒸發(fā)蒸騰量 Table 3 Capillary rise and paddy evapotranspiration mm

2.4 控制灌溉稻田地下水補給對土壤水分剖面分布的影響

地下水淺埋深條件下，稻田地下水補給作用直接影響根系層土壤水分的剖面分布特征（圖4）。7 月28 日—8 月3 日，CI 處理稻田在灌水和降雨的作用下出現(xiàn)2 次連續(xù)的干濕循環(huán)過程。7 月28 日灌水39.7 mm 使得0～30 cm 深度土壤含水率達(dá)到飽和，之后在水稻蒸發(fā)蒸騰作用下呈下降趨勢；7 月30—31 日降雨9.2 mm，使得0～30 cm 深度土壤含水率稍有上升，隨后隨時間進(jìn)程再次下降。

圖4 典型稻田干濕循環(huán)中土壤含水率與地下水補給量動態(tài)變化圖 Fig.4 Capillary rise amount and soil moisture during the typical dry-wet alternation in paddy field

CI 處理稻田干濕循環(huán)過程中，0～30 cm 深度土壤含水率受到了降雨和灌水的顯著影響，且隨干濕循環(huán)進(jìn)程呈下降趨勢，而30 cm 深度以下土壤含水率在干濕循環(huán)中基本保持穩(wěn)定。7 月23 日—8 月3 日，稻田地下水補給量累計為48.80 mm，占水稻蒸發(fā)蒸騰量（60.70 mm）的80.4%，稻田地下水補給量有效彌補了土壤水分消耗量，使得30 cm 深度以下的土壤含水率保持穩(wěn)定。而水稻蒸發(fā)蒸騰作用主要影響0～30 cm深度的土壤水分，同時地下水通過下層土壤對0～30 cm 深度土壤水分的補給量較小，導(dǎo)致0～30 cm 深度土壤含水率總體呈下降趨勢。

3 討 論

控制灌溉模式下，稻田出現(xiàn)了較為明顯的地下水補給過程。CI 處理稻田連續(xù)的干濕循環(huán)過程使得土壤含水率在較長時段內(nèi)維持在田間持水率以下，此時稻田土壤水分狀態(tài)與旱地較為一致，土壤剖面形成單一蒸發(fā)型水勢分布[19]，在毛細(xì)管作用下稻田地下水大量轉(zhuǎn)化為土壤水[14]。國內(nèi)外學(xué)者在旱田水分循環(huán)研究中發(fā)現(xiàn)旱田存在明顯的地下水補給過程，與本試驗控制灌溉稻田地下水補給量的驅(qū)動機制一致。但受作物種類、灌溉降雨量等條件影響，控制灌溉稻田地下水補給量與旱田地下水補給量存在一定差別。楊玉崢等[20]研究表明，變水位條件下冬小麥全生育期內(nèi)地下水補給量為266.9 mm，大于本試驗CI 處理稻田。這是由于楊玉崢等開展的冬小麥試驗中降雨量與灌水量均明顯少于本試驗CI 處理稻田，加之冬小麥水分管理特點，使得旱田土壤水分在生長季大部分時段內(nèi)小于田間持水率，有力促進(jìn)了地下水補給過程，最終使得冬小麥地下水補給量大于本試驗CI 處理稻田。

灌水和降雨影響地下水補給過程，當(dāng)控制灌溉稻田干濕循環(huán)過程中土壤水分降至一定限度時，稻田地下水補給量在復(fù)水后（灌水或降雨）1 d 內(nèi)出現(xiàn)峰值。灌水或降雨后表土蒸發(fā)強度迅速增強是稻田地下水補給量出現(xiàn)峰值的主要原因。龍?zhí)业萚18]將土壤劃分為3 個典型剖面層次，地下水通過中層（水分傳輸層）補給淺層（直接蒸發(fā)層）土壤蒸發(fā)消耗的水分，劉學(xué)智[15]、趙紅光[16]、劉戰(zhàn)東等[21]等研究均表明灌水或降雨后土壤蒸發(fā)強度迅速增大，這種蒸發(fā)高峰會維持1 d 至數(shù)天，在蒸發(fā)的作用下，淺層土壤基質(zhì)勢逐漸降低，深層土壤水分克服重力在基質(zhì)吸力的作用下沿毛管向上運移[17]，淺層土壤蒸發(fā)量越大，地下水通過水分傳輸層對直接蒸發(fā)層的補給量越多[18]，因此稻田地下水補給量在復(fù)水后（灌水或降雨）1 d 內(nèi)會出現(xiàn)峰值。稻季內(nèi)稻田地下水補給量峰值的大小和次數(shù)受復(fù)水量和復(fù)水時土壤初始含水率影響，復(fù)水強度大且土壤初始含水率低時，稻田地下水補給量峰值更高。由于灌水多發(fā)生在土壤含水率降至灌水下限時，且一次灌水強度均大于降雨強度，所以稻季由灌水引起的稻田地下水補給峰值的次數(shù)和補給量普遍高于降雨引起的峰值。

控制灌溉稻田地下水補給是水稻需水的重要來源，與旱田已有研究結(jié)果一致，但控制灌溉稻田地下水補給對作物需水貢獻(xiàn)小于旱田。Kahlown 等[6]研究結(jié)果表明，地下水埋深0.5 m 時，農(nóng)田地下水補給量完全滿足小麥的需水要求。劉戰(zhàn)東等[11]利用地中滲透儀試驗，指出在地下水位埋深低于0.4 m 時，地下水補水量已基本滿足夏玉米耗水量。本試驗中CI 處理稻田地下水補給量與冬小麥地下水補給量接近，小于夏玉米地下水補給量，但水稻的蒸發(fā)蒸騰量遠(yuǎn)大于冬小麥和夏玉米，正是作物需水特征的差異使稻田地下水補給量對水稻需水的調(diào)節(jié)作用弱于旱田的研究結(jié)果。

控制灌溉稻田地下水補給影響作物根區(qū)土壤水分變化。稻田地下水在土水勢梯度作用下不斷向上運動，彌補騰發(fā)作用消耗的土壤水分。尤其是在淺地下水埋深條件下，稻田地下水補給顯著影響一定深度以下土層的土壤水消耗，使其土壤含水率保持穩(wěn)定，而表層土壤水分在降雨、灌溉、地下水補給和蒸發(fā)蒸騰作用下出現(xiàn)明顯波動。該結(jié)論與楊建鋒等[22]在冬小麥農(nóng)田的試驗結(jié)論較為一致，其結(jié)果表明旱地地下水補給作用下，50 cm 深度以下的土壤水分保持穩(wěn)定，0～50 cm 深度土壤水分在騰發(fā)作用下不斷減小。

由于本試驗未隔絕降雨，稻季地下水補給過程受灌水和降雨共同影響，因此無法進(jìn)一步單獨分析灌水或降雨對地下水補給的影響。今后研究中將考慮增加一組隔絕降雨的蒸滲儀小區(qū)，對比分析有無降雨條件下地下水補給量的差別，同時應(yīng)用Hydrus-1d 進(jìn)行模擬分析，以更好地闡明節(jié)水灌溉模式稻田地下水補給特征及其影響因素。

4 結(jié) 論

1）控制灌溉模式改變了稻田地下水補給變化過程，顯著增加稻季稻田地下水補給量。當(dāng)?shù)咎锔蓾裱h(huán)過程中土壤水分降至一定限度時，稻田地下水補給量在復(fù)水后（灌水或降雨）1 d 內(nèi)出現(xiàn)峰值，稻季共出現(xiàn)16 次峰值，累積稻田地下水補給量為253.98 mm。

2）控制灌溉稻田地下水補給是水稻需水的重要補給源。水稻需水高峰期稻田地下水補給量約占水稻作物需水量的51.1%，且不同生育階段稻田地下水補給量對于作物需水的調(diào)節(jié)作用差別較大，水稻分蘗前期、拔節(jié)后期和乳熟期稻田地下水補給對于水稻需水的貢獻(xiàn)較大。

3）淺地下水埋深條件下，地下水補給作用直接影響水稻根區(qū)土壤水分剖面分布特征?？刂乒喔忍幚淼咎锔蓾裱h(huán)過程中，0～30 cm 深度土壤含水率受到了降雨和灌水的顯著影響，且隨干濕循環(huán)進(jìn)程呈下降趨勢，30 cm 深度以下土壤含水率在稻田地下水補給作用下基本保持穩(wěn)定。