胡旭鏵，徐 陽，朱福民，肇志強，黃 鵬，奴爾力·阿衣托汗，崔遠(yuǎn)來，羅玉峰*

（1.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，武漢 430072；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)水利科學(xué)研究院，呼和浩特 010060；3.興安盟防汛抗旱調(diào)度中心，內(nèi)蒙古 興安盟 137400；4.內(nèi)蒙古扎賚特旗水利局，內(nèi)蒙古 興安盟 137600）

近年來，人口快速增長和全球變暖，水稻產(chǎn)量需求提高，水稻種植區(qū)域由原來的低緯度地帶逐漸向中高緯度擴(kuò)展。水稻是我國主要糧食作物之一，產(chǎn)量持續(xù)增長，呈現(xiàn)“南減北增”種植格局，東北水稻生產(chǎn)在全國份額逐步提高[1-2]。內(nèi)蒙古東北部水稻品質(zhì)優(yōu)，市場需求大，是內(nèi)蒙古自治區(qū)主要水稻產(chǎn)區(qū)[3]。隨著氣候變暖和人民生活需求提高，當(dāng)?shù)厮井a(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速[4]。興安盟氣候干旱，雨水少，工程節(jié)水渠系等尚不完善，深層土壤屬砂性質(zhì)地，深層滲漏嚴(yán)重，水資源利用率低[5]。水稻種植對水資源需求量大，也會對當(dāng)?shù)厮Y源利用造成壓力[6]。

在水稻田生態(tài)系統(tǒng)中，水分損失除蒸發(fā)蒸騰外，絕大部分以滲漏形式無效流失[7-8]。灌溉農(nóng)田的深層滲漏損失是影響農(nóng)業(yè)用水效率主要原因之一。水稻田水分滲漏受氣候條件、土壤、作物生長發(fā)育階段以及農(nóng)業(yè)技術(shù)措施等因素影響[9]。各地特有的環(huán)境條件、土壤特性、耕作措施、水稻品種類型等因素共同作用，形成當(dāng)?shù)氐咎锿寥浪制胶庖?guī)律。土壤質(zhì)地對滲漏有強烈影響[10]。內(nèi)蒙古寒區(qū)水稻種植區(qū)地屬薄層土區(qū)，土層厚度小于60 cm，土地面積較大，土層以下為深厚的砂礫石層，透水性強，表土層以砂壤土為主，壤土或黏土較少[11]。這類土地保水性差，淹灌模式下滲漏嚴(yán)重。水分滲漏浪費大量水資源，制約水稻生產(chǎn)發(fā)展，引起養(yǎng)分淋失，降低土壤肥力，加劇部分地區(qū)土壤鹽漬化并造成地下水污染，進(jìn)一步導(dǎo)致淡水資源減少。針對當(dāng)?shù)氐咎餄B漏問題，已有學(xué)者提出相應(yīng)控制措施。程滿金等提出摻客土、密實土壤和建立隔水層等方法[11]。上述技術(shù)可有效減少滲漏量，但增加工作量和投資。吳平在此基礎(chǔ)上提出單排單灌、淺水灌溉技術(shù)等方法[12]。

針對內(nèi)蒙古自治區(qū)興安盟環(huán)境特點，設(shè)計田間試驗探究不同灌溉模式下當(dāng)?shù)厮痉N植田間滲漏情況。根據(jù)田間試驗結(jié)果，構(gòu)建并率定、驗證水稻田間水分平衡模型，為后續(xù)模擬不同灌溉模式下滲漏量，易于推廣實施的水稻灌溉模式提供參考，以期提高水資源利用率，為當(dāng)?shù)厮痉N植發(fā)展及擴(kuò)張?zhí)峁├碚摶A(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

在內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部、大興安嶺南麓向松嫩平原延伸的過渡地帶興安盟開展田間試驗，試驗區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)興安盟扎賚特旗巴彥扎拉嘎鄉(xiāng)水田村（122°43′E，47°01′N），年平均氣溫為5.0℃，積溫2 100～2 800℃，降水量為433 mm，無霜期105～135 d，屬溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候區(qū)。試驗田耕作層土壤為壤土，土壤肥力中等。

1.2 試驗處理設(shè)計

試驗水稻品種選取當(dāng)?shù)刂饕N植品種（綏粳18），2021年4月下旬開始在水稻智能浸種催芽溫室育秧，試驗區(qū)人工插秧，3.5葉期開始插秧，秧齡30 d。5月中下旬開始整地、泡田與插秧，泡田定額為900 m3·hm-2。5月30日完成插秧，5株·穴-1，插秧深度2 cm，行距30 cm，株距12 cm，種植密度25穴·m-2，250 000穴·hm-2。10月9日收割，生育期共133 d。其中分蘗后期曬田，黃熟期自然落干。

采用適宜水稻灌溉技術(shù)，減少稻田滲漏量和肥力流失。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，因地制宜地采用適合節(jié)水灌溉技術(shù)，可降低水稻田滲漏量，減少肥料和根系層土壤顆粒流失，有效保持土壤肥力，減少氮素對地下水的污染[13-14]。試驗在田間試驗小區(qū)內(nèi)進(jìn)行，重點關(guān)注不同灌溉模式下滲漏量差異。試驗設(shè)計4種灌溉模式：常規(guī)淹灌模式（W0）、間歇灌溉模式（W1）、蓄雨型間歇灌溉模式（W2）、無水層灌溉模式（W3）。不同灌溉模式稻田水層控制標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 各灌溉模式全生育期水層控制標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Control standard of water layer in the whole rice growth period of each irrigation mode(mm)

插秧后至返青期各灌溉模式均保持30 mm水層，之后田間水分到達(dá)灌前下限即灌至上限。每個處理設(shè)置3個重復(fù)，共12個試驗小區(qū)。每個小區(qū)面積均為30 m（25 m×6 m），小區(qū)中間采用田埂包裹防滲膜作防滲處理，田埂高0.5 m，田面以下防滲膜包裹深度為0.4 m。

1.3 數(shù)據(jù)來源及處理

1.3.1 田間水層監(jiān)測

每日8:00觀測田面水層變化量，灌水或排水時加測。水層觀測方法包括兩種：①在各小區(qū)取多點水深，確定基準(zhǔn)面，豎直打下一根鋼尺，每日8:00讀取田間水位數(shù)據(jù)；②采用美國ONSET生產(chǎn)的HOBO自計水位計（U20L-04）連續(xù)動態(tài)觀測田間水位。兩種方法下獲取的水層數(shù)據(jù)互相校核。

1.3.2 氣象要素監(jiān)測

通過安裝在試驗小區(qū)旁的智能氣象站自動記錄，記錄頻率設(shè)置為1 h，觀測項目包括降雨量、氣溫、氣壓、相對濕度、太陽輻射、風(fēng)速、風(fēng)向。

1.3.3 田間滲漏監(jiān)測

田塊內(nèi)放置測滲筒，試驗觀測期為返青期至黃熟期，開始觀測時筒內(nèi)筒外水位保持一致，每日8:00（間隔3～5 d）觀測筒內(nèi)水位變化，前后觀測到測滲筒水位之差即為滲漏量，試驗中保持測滲筒中水層深度與田間水層深度持平，避免側(cè)滲。同時每個測滲筒放入HOBO水位計，與觀測的滲漏量數(shù)據(jù)互相校核。

1.4 稻田水量平衡模擬流程

計算水稻蒸發(fā)蒸騰量(ETc)，ETc由田間耗水量減去滲漏量獲得。以水量平衡方程為基礎(chǔ)，根據(jù)自動氣象站觀測的降雨量數(shù)據(jù)和田間試驗觀測數(shù)據(jù)，以此為輸入信息，運算水量平衡方程，獲得4種灌溉模式下水稻逐日ETc。稻田有水層時適用的水量平衡方程表示為[14]：

式中，Hi為第i天灌溉排水前稻田田間水層深度（mm）；Hi-1為第i-1天稻田田間水層深度（mm）；P0i為第i天預(yù)報降雨量（mm）；ETci為第i天水稻蒸發(fā)蒸騰量（mm）；Si為第i天滲漏量（mm）。

通過自動氣象站記錄的氣象數(shù)據(jù)根據(jù)FAO56-Penman-Monteith模型（FAO56-PM模型）計算ET0，聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）推薦的Penman-Monteith方法理論依據(jù)完備，計算誤差較小，是應(yīng)用最廣泛的ET0計算方法[15]。該公式表述如下：

式中，ET0為FAO56-PM模型計算得到的ET0值（mm·d-1）；Rn為地表凈輻射（MJ·m-2·d-1）；G為土壤熱通量（MJ·m-2·d-1）；T為平均氣溫（℃）；U2為距地面2 m高處風(fēng)速（m·s-1）；es和ea分別為飽和水汽壓和實際水汽壓（kPa）；Δ為飽和水汽壓曲線斜率（kPa·℃-1）；γ為濕度計常數(shù)（kPa·℃-1）。

根據(jù)稻田水量平衡模型及FAO56-PM模型，推求逐日ETc和ET0，從而推求不同生育階段水稻作物系數(shù)Kc，初步建立不同灌溉模式下水稻田水量平衡模型。作物系數(shù)Kc為ETc與ET0比值：

根據(jù)達(dá)西定律，水分滲透速度等于土壤滲透系數(shù)與水力梯度乘積，同一塊土壤，滲透系數(shù)為常數(shù)，因此稻田水分滲漏速度是田塊水層高度的函數(shù)[16]，建立日田間水層hi與滲漏量Si之間關(guān)系[17]：

式中，Si為第i天水稻田滲漏量（mm）；hi為第i天田間水層深度；a、b為擬合參數(shù)。

根據(jù)水量平衡方程、初始水層深度及上述各推求要素模擬不同灌溉模式下稻田逐日水層深度變化情況。

1.5 精度驗證

根據(jù)試驗觀測數(shù)據(jù)，利用統(tǒng)計學(xué)方法指標(biāo)評價模擬效果，定量檢驗?zāi)M值與實測值差異程度。統(tǒng)計指標(biāo)包括判定系數(shù)（R2）、均方根誤差（RMSE）和平均絕對誤差（MAE）[19-20]：

式中，Xi為第i天模擬值;Yi為第i天實測值;為實測值平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉模式下稻田滲漏量變化特征

4種灌溉模式下，全水稻生育期滲漏量W0模式＞W(wǎng)3模式＞W(wǎng)1模式＞W(wǎng)2模式，分別為533.73、497.71、466.06、448.70 mm。試驗期內(nèi)各灌溉模式下水稻不同生育階段滲漏量如圖1所示，傳統(tǒng)淹灌模式W0在返青期、分蘗期和黃熟期滲漏量均最大，分別為43.13、107.02和65.13 mm。其中分蘗期滲漏量差異最大，W0模式分別比W1模式、W2模式、W3模式多滲漏20.98、52.39、53.53 mm。生育前期降雨量較少，W0模式通過灌溉保持較高水位，因此滲漏量較大。W1模式灌水上限和蓄雨上限均較低，田間水位持續(xù)較低，滲漏量在各生育階段均小于W0模式，全生育期滲漏量比W0模式減少67.67 mm。W2模式僅在雨水充沛的拔節(jié)孕穗期滲漏量略大于W0模式，達(dá)到93.68 mm。W2模式全水稻生育期滲漏量最少，比W0模式減少85.03 mm。W3模式由于后期降雨量較大和田塊間測滲的影響，部分雨水匯集到W3模式田塊，導(dǎo)致W3模式田塊持續(xù)保持較高水位，因此滲漏量在抽穗開花期和乳熟期比其他模式大，分別為98.75和162.75 mm，后期試驗應(yīng)加強防側(cè)滲措施，避免類似情況出現(xiàn)。排除測滲影響，間歇和蓄雨型間歇灌溉模式滲漏量明顯小于傳統(tǒng)淹水灌溉模式。當(dāng)?shù)夭扇￠g歇和蓄雨型間歇灌溉模式可有效降低因深層滲漏而導(dǎo)致的稻田水分損失。

圖1 不同灌溉模式滲漏量變化Fig.1 Changes of seepage in different irrigation modes

2.2 水稻作物系數(shù)估算

通過稻田水量平衡方程及FAO56-PM模型推求得到逐日ETc和ET0，得到不同灌溉模式下6個時期（返青期、分蘗前期、分蘗后期、拔節(jié)孕穗期、抽穗開花期、乳熟期、黃熟期）Kc值如圖2所示。各灌溉模式下水稻作物系數(shù)變化趨勢一致，均為生育前期和后期較小，生育中期較大。Kc均在返青期最小，從返青期開始上升，拔節(jié)孕穗期達(dá)到最大，然后逐漸下降。6個時期Kc平均值依次為0.86、1.22、1.63、1.35、1.30、1.16。其中W0模式下Kc在分蘗期、乳熟期和黃熟期最大，分別達(dá)到1.26、1.35、1.25。生育期內(nèi)W1模式拔節(jié)孕穗期Kc值最大，達(dá)到1.68。W3模式Kc值整體偏小，返青期僅為0.88?？傮w看4種不同灌溉模式之間Kc差異小，淹水灌溉W0模式稍大于其他3種灌溉模式。

圖2 不同灌溉模式下水稻作物系數(shù)估算值Fig.2 Estimated value of rice crop coefficient under different irrigation modes

2.3 稻田水量平衡模擬及精度驗證評價

以稻田滲漏量實測值和模擬值之差平方和最小為目標(biāo)，根據(jù)HOBO水位計記錄測滲筒逐日水位數(shù)據(jù)率定不同灌溉模式下稻田滲漏模型。計算得到稻田滲漏模型參數(shù)如表2所示。

表2 稻田滲漏模型參數(shù)Table 2 Parameters of rice field seepage model

結(jié)合稻田水量平衡模型對2021年同期其余田塊水層變化情況作模擬，采用R2、RMSE和MAE評價模型精度。

利用自動氣象站數(shù)據(jù)通過FAO56-PM模型計算逐日ET0，將作物系數(shù)Kc隨水稻生育階段變化概化為梯形函數(shù)，計算各灌溉模式下逐日蒸發(fā)蒸騰量。根據(jù)試驗田觀測的田間初始水位、降雨量等數(shù)據(jù)，結(jié)合稻田水量平衡模型計算不同灌溉模式下逐日田間水層深度，對2021年同期其余田塊水層變化情況模擬，通過統(tǒng)計檢驗指標(biāo)和圖形對比驗證模型模擬精度，驗證效果如表3和圖3所示。由表3可知，用于率定模型的率定組R2均在0.85以上，模擬效果良好。其中W1模式R2最高，且RMSE和MAE最小，模擬效果最優(yōu)。W2模式模擬效果較差。驗證組模型R2均達(dá)到0.8及以上，W3模式達(dá)到0.94，模擬效果最優(yōu)。RMSE和MAE最小灌溉模式分別是W3和W0模式。4種灌溉模式下R2、RMSE和MAE均表現(xiàn)優(yōu)良，整體模擬精度較好。由圖3可知，4種灌溉模式下驗證組田面水層深度模擬值與實測值吻合度均較高。模型可滿足扎賚特旗試驗區(qū)不同灌溉模式下稻田水層變化模擬。

表3 各灌溉模式下田面水層深度模擬效果評價指標(biāo)Table 3 Statistical indices of simulation effect of water depth under different irrigation modes

圖3 不同灌溉模式田面水層深度實測值與模擬值對比Fig.3 Comparison between measured and simulated water depth in different irrigation modes

3 討 論

內(nèi)蒙古寒區(qū)水資源有限且土壤滲漏嚴(yán)重，發(fā)展水稻種植對當(dāng)?shù)厮Y源利用壓力較大，減少稻田滲漏問題亟待解決[21-22]。通過分析田間試驗結(jié)果得出，試驗區(qū)每種灌溉模式下滲漏量與田間水位密切相關(guān)。田間水層深度越大，水分滲漏速度越快，滲漏損失越大。傳統(tǒng)淹水灌溉模式下滲漏量最大，適當(dāng)降低灌水上限可有效減少滲漏量，這與Singh等研究結(jié)果一致[23]。遲道才等和王秋菊等研究發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)控水灌溉可提高水稻產(chǎn)量和品質(zhì)[24-25]。未來可在不影響水稻產(chǎn)量與品質(zhì)前提下，提出滲漏量最小的水稻灌溉模式，推動當(dāng)?shù)厮井a(chǎn)業(yè)發(fā)展。試驗區(qū)W3模式田塊在試驗后期測滲明顯，導(dǎo)致無水層灌溉模式田塊持續(xù)保有水層，后期應(yīng)加強防滲措施，避免類似情況出現(xiàn)。

根據(jù)不同灌溉模式下稻田滲漏模型，對田面水層深度進(jìn)行模擬，實測值與模擬值吻合度較好。本研究默認(rèn)每日降雨量集中在8:00，模擬逐日滲漏量，后續(xù)采用更短時間間隔（如逐小時）進(jìn)行模擬，可使模型模擬效果更加精確。引入機器學(xué)習(xí)算法構(gòu)建稻田滲漏模型也可提高模型精度，進(jìn)一步推動稻田滲漏研究進(jìn)展。

4 結(jié) 論

本研究通過在興安盟扎賚特旗開展田間試驗，對內(nèi)蒙古寒區(qū)4種灌溉模式下水稻田間滲漏情況分析并作稻田水量平衡模擬驗證，得到以下結(jié)論：

a.不同灌溉模式對扎賚特旗試驗區(qū)稻田滲漏量影響不同，淹水灌溉滲漏量最大，間歇灌溉和蓄雨型間歇灌溉可有效減少稻田滲漏對田間水分浪費，蓄雨型間歇灌溉模式減少滲漏量最明顯。

b.通過稻田水量平衡模型對稻田水層變化進(jìn)行模擬和精度驗證，率定組和驗證組模型R2分別達(dá)到0.85和0.80以上，4種灌溉模式下整體模擬精度良好。同時4種灌溉模式下田面水層深度模擬值與實測值吻合度較高，模型可用于不同灌溉模式下扎賚特旗試驗區(qū)稻田水層變化模擬。