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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210029）

0 引 言

水稻是我國(guó)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(diǎn)問題[3-5]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了旱田地下水補(bǔ)給變化特征的研究，結(jié)果表明，旱田地下水補(bǔ)給過程明顯，已成為補(bǔ)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(yàn)指出；在地下水淺埋類型地區(qū)，地下水補(bǔ)給量對(duì)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(shí)，地下水補(bǔ)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(shí)，地下水補(bǔ)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(shí)，地下水補(bǔ)給量完全滿足小麥的需水要求。我國(guó)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(shí)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(bǔ)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(bǔ)給過程，干濕循環(huán)作用下稻田地下水補(bǔ)給對(duì)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(bǔ)給過程對(duì)水稻需水及土壤水分補(bǔ)充的貢獻(xiàn)作用，本文通過定地下水埋深的蒸滲儀試驗(yàn)，研究節(jié)水灌溉稻田地下水補(bǔ)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(yàn)區(qū)簡(jiǎn)介

本試驗(yàn)在南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室昆山排灌試驗(yàn)基地開展（31°15′50″N，120°57′43″E）。試驗(yàn)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(shí)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(jī)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(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)置2 個(gè)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(gè)處理3 個(gè)重復(fù)，共計(jì)2×3=6 個(gè)小區(qū)。每個(gè)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(yàn)時(shí)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(gè)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(yàn)布置

試驗(yàn)在配套稻田滲漏水量、地下水補(bǔ)給量自動(dòng)測(cè)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(cè)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(cè)池中的馬氏瓶系統(tǒng)（定位水箱、補(bǔ)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(bǔ)水箱通氣管底端的高程與補(bǔ)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(bǔ)水箱將向定位水箱及蒸滲儀小區(qū)補(bǔ)水，至稻田地下水位上升至定位水箱溢流口后停止補(bǔ)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(dòng)翻斗計(jì)，此部分水量即為稻田滲漏水量，通過自動(dòng)翻斗計(jì)測(cè)量；當(dāng)?shù)咎锏叵滤唤抵猎O(shè)定值以下時(shí)，根據(jù)馬氏瓶的工作原理，補(bǔ)水箱通過定位水箱向蒸滲儀小區(qū)補(bǔ)水，補(bǔ)水量即為稻田地下水補(bǔ)給量，由布置在補(bǔ)水箱內(nèi)的水位計(jì)測(cè)量補(bǔ)水前后的水位差值計(jì)算得出補(bǔ)水量。蒸滲儀小區(qū)排水通過布置在觀測(cè)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(yàn)觀測(cè)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(guó)Onset），配套2 個(gè)數(shù)據(jù)采集器（U30-NRC-000-10-S100-000，美國(guó)Onset），自動(dòng)監(jiān)測(cè)稻田的剖面含水率動(dòng)態(tài)變化過程。稻田出現(xiàn)無水層狀態(tài)時(shí)，為方便判斷是否需要灌水，利用Trease系統(tǒng)（6050X3，美國(guó)SEC）于每天08:00 觀測(cè)水稻根系層土壤含水率，觀測(cè)深度根據(jù)各個(gè)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(cè)點(diǎn)測(cè)量并記錄水層讀數(shù)。灌水時(shí)每個(gè)蒸滲儀單獨(dú)灌溉，在達(dá)到各自處理要求時(shí)停止灌溉，通過量筒記錄灌溉水量。利用試驗(yàn)研究基地安裝的自動(dòng)監(jiān)測(cè)氣象站（WS-STD1，英國(guó)）測(cè)定降雨量。利用蒸滲儀補(bǔ)水箱內(nèi)布置的水位傳感器（Odyssey，新西蘭）監(jiān)測(cè)補(bǔ)水箱水位變化，計(jì)算稻田地下水補(bǔ)給量，水位傳感器直接測(cè)量精度0.8 mm，通過本試驗(yàn)裝置換算后測(cè)量精度0.04 mm。利用觀測(cè)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(jì)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(jì)算數(shù)據(jù)，圖表采用Microsoft Excel 2016 和Origin 2017 繪制，應(yīng)用SPSS Statistics20對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行t檢驗(yàn)，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(bǔ)給變化過程

控制灌溉模式顯著改變稻田地下水補(bǔ)給變化過程（圖2）。CI 處理稻田地下水補(bǔ)給量受灌水和降雨的影響在稻季不斷波動(dòng)，當(dāng)?shù)咎锔蓾裱h(huán)過程中土壤水分降至一定限度時(shí)，稻田地下水補(bǔ)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(bǔ)給峰值的次數(shù)和補(bǔ)給量普遍高于由降雨引起的峰值。FI 處理稻田長(zhǎng)期保留薄水層，稻季的大部分時(shí)段均以田面水、土壤水入滲補(bǔ)給地下水為主，稻季無明顯地下水補(bǔ)給過程發(fā)生。

圖2 各處理稻田稻季地下水補(bǔ)給強(qiáng)度 Fig.2 Capillary rise rates for different treatment paddy fields

選取典型時(shí)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(duì)控制灌溉稻田地下水補(bǔ)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(bǔ)給表土因蒸發(fā)作用造成的水分缺失[13-14]，稻田地下水補(bǔ)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(shí)稻田地下水補(bǔ)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(qiáng)度隨之增強(qiáng)[15-16]，蒸發(fā)作用加劇了地下水沿毛管向上運(yùn)移對(duì)淺層土壤水分的間接補(bǔ)給作用[17-18]，在表層土壤蒸發(fā)增強(qiáng)和毛管力的雙重作用下，稻田地下水補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)給量上升至1.74 mm，之后地下水補(bǔ)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(bǔ)給量和地下水補(bǔ)給強(qiáng)度（圖2）。CI 處理和FI 處理稻田稻季地下水補(bǔ)給量分別為253.98 mm 和9.33 mm，CI處理稻田地下水補(bǔ)給量較FI 處理顯著增加244.65 mm（p<0.05）；地下水補(bǔ)給強(qiáng)度均值分別為2.31 mm/d和0.08 mm/d，CI 處理稻田地下水補(bǔ)給強(qiáng)度是FI 處理的28.9 倍。

2.2 不同灌溉方式稻田地下水補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)給量有所上升，但仍遠(yuǎn)小于CI 處理稻田。圖中同時(shí)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(bǔ)給對(duì)水稻需水的貢獻(xiàn)

控制灌溉稻田地下水補(bǔ)給有效補(bǔ)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(bǔ)給量約占水稻蒸發(fā)蒸騰量（Evapotranspiration，ET）的51.1%，地下水補(bǔ)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(bǔ)給量分別約占ET 的83.9%和68.0%，時(shí)段內(nèi)稻田地下水補(bǔ)給量基本能夠滿足該生育階段水稻生長(zhǎng)需求。分蘗中期、后期和拔節(jié)前期稻田地下水補(bǔ)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(bǔ)給可以作為水稻需水的有效補(bǔ)充。拔節(jié)后期和乳熟期稻田地下水補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)給對(duì)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(bǔ)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(shì)；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(shí)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(bǔ)給量動(dòng)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(shì)，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(bǔ)給量累計(jì)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(bǔ)給量有效彌補(bǔ)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(shí)地下水通過下層土壤對(duì)0～30 cm 深度土壤水分的補(bǔ)給量較小，導(dǎo)致0～30 cm 深度土壤含水率總體呈下降趨勢(shì)。

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(bǔ)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(zhǎng)時(shí)段內(nèi)維持在田間持水率以下，此時(shí)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(shì)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(guó)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(bǔ)給過程，與本試驗(yàn)控制灌溉稻田地下水補(bǔ)給量的驅(qū)動(dòng)機(jī)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(bǔ)給量與旱田地下水補(bǔ)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(bǔ)給量為266.9 mm，大于本試驗(yàn)CI 處理稻田。這是由于楊玉崢等開展的冬小麥試驗(yàn)中降雨量與灌水量均明顯少于本試驗(yàn)CI 處理稻田，加之冬小麥水分管理特點(diǎn)，使得旱田土壤水分在生長(zhǎng)季大部分時(shí)段內(nèi)小于田間持水率，有力促進(jìn)了地下水補(bǔ)給過程，最終使得冬小麥地下水補(bǔ)給量大于本試驗(yàn)CI 處理稻田。

灌水和降雨影響地下水補(bǔ)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(shí)，稻田地下水補(bǔ)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(qiáng)度迅速增強(qiáng)是稻田地下水補(bǔ)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(gè)典型剖面層次，地下水通過中層（水分傳輸層）補(bǔ)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(qiáng)度迅速增大，這種蒸發(fā)高峰會(huì)維持1 d 至數(shù)天，在蒸發(fā)的作用下，淺層土壤基質(zhì)勢(shì)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(yùn)移[17]，淺層土壤蒸發(fā)量越大，地下水通過水分傳輸層對(duì)直接蒸發(fā)層的補(bǔ)給量越多[18]，因此稻田地下水補(bǔ)給量在復(fù)水后（灌水或降雨）1 d 內(nèi)會(huì)出現(xiàn)峰值。稻季內(nèi)稻田地下水補(bǔ)給量峰值的大小和次數(shù)受復(fù)水量和復(fù)水時(shí)土壤初始含水率影響，復(fù)水強(qiáng)度大且土壤初始含水率低時(shí)，稻田地下水補(bǔ)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(shí)，且一次灌水強(qiáng)度均大于降雨強(qiáng)度，所以稻季由灌水引起的稻田地下水補(bǔ)給峰值的次數(shù)和補(bǔ)給量普遍高于降雨引起的峰值。

控制灌溉稻田地下水補(bǔ)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(bǔ)給對(duì)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(shí)，農(nóng)田地下水補(bǔ)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(yàn)，指出在地下水位埋深低于0.4 m 時(shí)，地下水補(bǔ)水量已基本滿足夏玉米耗水量。本試驗(yàn)中CI 處理稻田地下水補(bǔ)給量與冬小麥地下水補(bǔ)給量接近，小于夏玉米地下水補(bǔ)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(bǔ)給量對(duì)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(bǔ)給影響作物根區(qū)土壤水分變化。稻田地下水在土水勢(shì)梯度作用下不斷向上運(yùn)動(dòng)，彌補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)給和蒸發(fā)蒸騰作用下出現(xiàn)明顯波動(dòng)。該結(jié)論與楊建鋒等[22]在冬小麥農(nóng)田的試驗(yàn)結(jié)論較為一致，其結(jié)果表明旱地地下水補(bǔ)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(yàn)未隔絕降雨，稻季地下水補(bǔ)給過程受灌水和降雨共同影響，因此無法進(jìn)一步單獨(dú)分析灌水或降雨對(duì)地下水補(bǔ)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(duì)比分析有無降雨條件下地下水補(bǔ)給量的差別，同時(shí)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(bǔ)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(bǔ)給變化過程，顯著增加稻季稻田地下水補(bǔ)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(shí)，稻田地下水補(bǔ)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(bǔ)給量為253.98 mm。

2）控制灌溉稻田地下水補(bǔ)給是水稻需水的重要補(bǔ)給源。水稻需水高峰期稻田地下水補(bǔ)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(bǔ)給量對(duì)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(bǔ)給對(duì)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(bǔ)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(shì)，30 cm 深度以下土壤含水率在稻田地下水補(bǔ)給作用下基本保持穩(wěn)定。