干湿循环作用下稻田地下水补给过程变化特征

夏超凡，洪大林，和玉璞，纪仁婧，芮旭倩

（南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程国家重点实验室，南京 210029）

0 引 言

水稻是我国的主要粮食作物，稻田灌溉用水量大[1]，占农业用水量65%以上[2]，稻田灌溉用水的节水潜力巨大，因此，稻田高效水管理技术成为了目前研究的热点问题[3-5]。国内外学者开展了旱田地下水补给变化特征的研究，结果表明，旱田地下水补给过程明显，已成为补充旱作物需水及根系层土壤水消耗的重要来源[6-8]。陈建耀等[9]通过开展大型蒸渗仪试验指出；在地下水浅埋类型地区，地下水补给量对作物蒸散的贡献明显。Soppe 等[10]研究表明，砂性土壤地下水埋深在1.5 m 时，地下水补给量可以占到红花每日耗水量的40.0%。刘战东等[11]研究表明，在地下水位埋深低于0.4 m 时，地下水补水量已基本满足夏玉米耗水量，种植过程中无须灌溉。Kahlowm 等[6]研究表明，当地下水埋深0.5 m 时，地下水补给量完全满足小麦的需水要求。我国稻作区地下水埋深普遍较小，随着稻田高效水管理技术的应用，节水灌溉模式下稻田出现了连续的干湿循环过程，稻田无水层时土壤水分状况与旱田类似，稻田地下水将通过毛管上升作用不断地补充至水稻根系层。然而，以往研究较少关注节水灌溉稻田地下水补给过程，干湿循环作用下稻田地下水补给对于水稻需水及土壤水分布的影响尚不明确。因此，为充分挖掘水稻生产中的节水潜力，科学调控干湿循环中稻田地下水补给过程对水稻需水及土壤水分补充的贡献作用，本文通过定地下水埋深的蒸渗仪试验，研究节水灌溉稻田地下水补给特征及其影响，以期为优化稻田水管理策略提供指导。

1 材料与方法

1.1 试验区简介

本试验在南京水利科学研究院水文水资源与水利工程国家重点实验室昆山排灌试验基地开展（31°15′50″N，120°57′43″E）。试验基地属亚热带南部季风气候区，多年平均气温15.5 ℃，多年平均降雨量1 097.1 mm，多年平均蒸发量1 365.9 mm，多年平均日照时间2 085.9 h，多年平均无霜期234 d。当地习惯稻麦轮作，土壤为潴育型黄泥土，耕层土壤为重壤土，土壤有机质量21.88 g/kg，全氮量1.08 g/kg，全磷量1.35 g/kg，全钾量20.86 g/kg，pH 值6.8，耕层土壤体积质量1.24 g/cm3。试区0～20、0～30 cm 与0～40 cm 深度土壤饱和体积含水率分别为50.0%、48.1%与45.9%。

1.2 试验设计

试验共设置2 个处理，控制灌溉（记为CI，Controlled irrigation）和浅湿灌溉（记为FI，Flooding irrigation），每个处理3 个重复，共计2×3=6 个小区。每个小区面积为0.39 m2（65 cm×60 cm），深度为90 cm，小区底部与外界隔绝。试验时间为2017 年7 月3 日—10 月20 日。

浅湿灌溉与控制灌溉田间水层控制指标如表1、表2 所示[12]。各处理供试水稻品种为南粳46，2017年7 月2 日插秧，每个蒸渗仪小区4 穴，每穴定2～3苗，10 月20 日收割。各处理稻田施肥、用药、植保措施保持一致，均为当地农民习惯。

表1 水稻浅湿灌溉各生育期阶段田间水层控制指标 Table 1 Standing water depth thresholds for flooding irrigation

表2 水稻控制灌溉各生育期阶段根层土壤水分控制指标 Table 2 Soil moisture thresholds in different stages for controlled irrigation

1.3 试验布置

试验在配套稻田渗漏水量、地下水补给量自动测量系统的蒸渗仪中开展（图1）。蒸渗仪小区底部布置有透水管，在透水管远离观测池的一端连接气压调节管（PVC 管）至田表，用以调节蒸渗仪小区透水管处的气压与大气压保持一致。蒸渗仪小区的透水管在通过Y 型过滤管后与布设在观测池中的马氏瓶系统（定位水箱、补水箱）连接。定位水箱溢流口的高程与稻田地下水位保持一致，本研究中依据区域地下水位将定位水箱溢流口固定设置在田面下0.5 m。调节补水箱通气管底端的高程与补水箱溢流口一致，根据马氏瓶的工作原理，当稻田地下水位下降导致定位水箱水位下降后，补水箱将向定位水箱及蒸渗仪小区补水，至稻田地下水位上升至定位水箱溢流口后停止补水过程。降雨或稻田灌溉后，蒸渗仪小区地下水位升高，当超出定位水箱溢流面后，多余水量直接溢出并经由PVC 软管排至自动翻斗计，此部分水量即为稻田渗漏水量，通过自动翻斗计测量；当稻田地下水位降至设定值以下时，根据马氏瓶的工作原理，补水箱通过定位水箱向蒸渗仪小区补水，补水量即为稻田地下水补给量，由布置在补水箱内的水位计测量补水前后的水位差值计算得出补水量。蒸渗仪小区排水通过布置在观测池底部的直流潜水泵抽排至田面。

图1 蒸渗仪小区示意图 Fig.1 Layout of lysimeter

1.4 试验观测方法

控制灌溉小区深度内每10 cm埋设土壤含水率传感器（S-SMD-M005，美国Onset），配套2 个数据采集器（U30-NRC-000-10-S100-000，美国Onset），自动监测稻田的剖面含水率动态变化过程。稻田出现无水层状态时，为方便判断是否需要灌水，利用Trease系统（6050X3，美国SEC）于每天08:00 观测水稻根系层土壤含水率，观测深度根据各个生育阶段的土壤水分控制土层深度来确定。浅湿灌溉稻田每天08:00通过竖尺在固定观测点测量并记录水层读数。灌水时每个蒸渗仪单独灌溉，在达到各自处理要求时停止灌溉，通过量筒记录灌溉水量。利用试验研究基地安装的自动监测气象站（WS-STD1，英国）测定降雨量。利用蒸渗仪补水箱内布置的水位传感器（Odyssey，新西兰）监测补水箱水位变化，计算稻田地下水补给量，水位传感器直接测量精度0.8 mm，通过本试验装置换算后测量精度0.04 mm。利用观测的灌溉水量、渗漏量、降雨量、土壤水分等要素，通过田间水量平衡公式计算水稻蒸发蒸腾量（Evapotranspiration，ET）。

1.5 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2016 整理和计算数据，图表采用Microsoft Excel 2016 和Origin 2017 绘制，应用SPSS Statistics20对数据进行t检验，显著性水平为0.05。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉方式稻季地下水补给变化过程

控制灌溉模式显著改变稻田地下水补给变化过程（图2）。CI 处理稻田地下水补给量受灌水和降雨的影响在稻季不断波动，当稻田干湿循环过程中土壤水分降至一定限度时，稻田地下水补给量在复水后（灌水或降雨）1 d 内出现峰值，稻季共出现16 次峰值，集中在分蘖期、乳熟期和黄熟期。稻季由灌水引起的地下水补给峰值的次数和补给量普遍高于由降雨引起的峰值。FI 处理稻田长期保留薄水层，稻季的大部分时段均以田面水、土壤水入渗补给地下水为主，稻季无明显地下水补给过程发生。

图2 各处理稻田稻季地下水补给强度 Fig.2 Capillary rise rates for different treatment paddy fields

选取典型时段8 月30 日—9 月8 日（水稻移栽后59～68 d），进行灌溉及降雨对控制灌溉稻田地下水补给量的影响分析。8 月30 日—9 月1 日无灌水和降雨，稻田深层土壤水分通过毛管上升作用间接补给表土因蒸发作用造成的水分缺失[13-14]，稻田地下水补给量分别为1.09、1.09、1.91 mm，9 月2 日有微弱降雨0.2 mm，此时稻田地下水补给量为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，表土蒸发强度随之增强[15-16]，蒸发作用加剧了地下水沿毛管向上运移对浅层土壤水分的间接补给作用[17-18]，在表层土壤蒸发增强和毛管力的双重作用下，稻田地下水补给量在9 月3 日出现峰值22.88 mm。9月4 日—5 日无灌水与降雨，稻田地下水补给量较之前大幅下降，分别为1.42 mm 和0.35 mm，9 月6 日降雨6.1 mm，降雨后1 d 内地下水补给量上升至1.74 mm，之后地下水补给量迅速降至0.07 mm。

控制灌溉模式显著增加稻田稻季地下水补给量和地下水补给强度（图2）。CI 处理和FI 处理稻田稻季地下水补给量分别为253.98 mm 和9.33 mm，CI处理稻田地下水补给量较FI 处理显著增加244.65 mm（p<0.05）；地下水补给强度均值分别为2.31 mm/d和0.08 mm/d，CI 处理稻田地下水补给强度是FI 处理的28.9 倍。

2.2 不同灌溉方式稻田地下水补给变化过程

控制灌溉模式显著增加水稻各生育阶段稻田地下水补给量（图3）。水稻分蘖前期、分蘖中期、分蘖后期、拔节前期、拔节后期、抽穗开花期、乳熟期和黄熟期的CI 处理地下水补给量分别是FI 处理的64.5、13.7、27.2、29.2、55.9、59.9、23.9 和32.5 倍。水稻分蘖中后期的晒田和生育末期田面自由落干使得FI 处理稻田地下水补给量有所上升，但仍远小于CI 处理稻田。图中同时期内标注字母相同表示各处理间无显著性差异（p＞0.05）。

2.3 控制灌溉稻田地下水补给对水稻需水的贡献

控制灌溉稻田地下水补给有效补充了水稻需水（表3）。除返青期和黄熟期，CI 处理稻田稻季地下水补给量约占水稻蒸发蒸腾量（Evapotranspiration，ET）的51.1%，地下水补给量成了水稻蒸发蒸腾量的重要来源。水稻分蘖前期和抽穗开花期ET 较小，地下水补给量分别约占ET 的83.9%和68.0%，时段内稻田地下水补给量基本能够满足该生育阶段水稻生长需求。分蘖中期、后期和拔节前期稻田地下水补给量与ET 的占比分别为38.6%、32.5%和27.7%，此阶段正是水稻需水高峰期，地下水补给可以作为水稻需水的有效补充。拔节后期和乳熟期稻田地下水补给量均占ET 的100%，已经能完全满足水稻需水要求，水稻无须额外进行灌溉。

表3 地下水补给量与水稻蒸发蒸腾量 Table 3 Capillary rise and paddy evapotranspiration mm

2.4 控制灌溉稻田地下水补给对土壤水分剖面分布的影响

地下水浅埋深条件下，稻田地下水补给作用直接影响根系层土壤水分的剖面分布特征（图4）。7 月28 日—8 月3 日，CI 处理稻田在灌水和降雨的作用下出现2 次连续的干湿循环过程。7 月28 日灌水39.7 mm 使得0～30 cm 深度土壤含水率达到饱和，之后在水稻蒸发蒸腾作用下呈下降趋势；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，随后随时间进程再次下降。

图4 典型稻田干湿循环中土壤含水率与地下水补给量动态变化图 Fig.4 Capillary rise amount and soil moisture during the typical dry-wet alternation in paddy field

CI 处理稻田干湿循环过程中，0～30 cm 深度土壤含水率受到了降雨和灌水的显著影响，且随干湿循环进程呈下降趋势，而30 cm 深度以下土壤含水率在干湿循环中基本保持稳定。7 月23 日—8 月3 日，稻田地下水补给量累计为48.80 mm，占水稻蒸发蒸腾量（60.70 mm）的80.4%，稻田地下水补给量有效弥补了土壤水分消耗量，使得30 cm 深度以下的土壤含水率保持稳定。而水稻蒸发蒸腾作用主要影响0～30 cm深度的土壤水分，同时地下水通过下层土壤对0～30 cm 深度土壤水分的补给量较小，导致0～30 cm 深度土壤含水率总体呈下降趋势。

3 讨 论

控制灌溉模式下，稻田出现了较为明显的地下水补给过程。CI 处理稻田连续的干湿循环过程使得土壤含水率在较长时段内维持在田间持水率以下，此时稻田土壤水分状态与旱地较为一致，土壤剖面形成单一蒸发型水势分布[19]，在毛细管作用下稻田地下水大量转化为土壤水[14]。国内外学者在旱田水分循环研究中发现旱田存在明显的地下水补给过程，与本试验控制灌溉稻田地下水补给量的驱动机制一致。但受作物种类、灌溉降雨量等条件影响，控制灌溉稻田地下水补给量与旱田地下水补给量存在一定差别。杨玉峥等[20]研究表明，变水位条件下冬小麦全生育期内地下水补给量为266.9 mm，大于本试验CI 处理稻田。这是由于杨玉峥等开展的冬小麦试验中降雨量与灌水量均明显少于本试验CI 处理稻田，加之冬小麦水分管理特点，使得旱田土壤水分在生长季大部分时段内小于田间持水率，有力促进了地下水补给过程，最终使得冬小麦地下水补给量大于本试验CI 处理稻田。

灌水和降雨影响地下水补给过程，当控制灌溉稻田干湿循环过程中土壤水分降至一定限度时，稻田地下水补给量在复水后（灌水或降雨）1 d 内出现峰值。灌水或降雨后表土蒸发强度迅速增强是稻田地下水补给量出现峰值的主要原因。龙桃等[18]将土壤划分为3 个典型剖面层次，地下水通过中层（水分传输层）补给浅层（直接蒸发层）土壤蒸发消耗的水分，刘学智[15]、赵红光[16]、刘战东等[21]等研究均表明灌水或降雨后土壤蒸发强度迅速增大，这种蒸发高峰会维持1 d 至数天，在蒸发的作用下，浅层土壤基质势逐渐降低，深层土壤水分克服重力在基质吸力的作用下沿毛管向上运移[17]，浅层土壤蒸发量越大，地下水通过水分传输层对直接蒸发层的补给量越多[18]，因此稻田地下水补给量在复水后（灌水或降雨）1 d 内会出现峰值。稻季内稻田地下水补给量峰值的大小和次数受复水量和复水时土壤初始含水率影响，复水强度大且土壤初始含水率低时，稻田地下水补给量峰值更高。由于灌水多发生在土壤含水率降至灌水下限时，且一次灌水强度均大于降雨强度，所以稻季由灌水引起的稻田地下水补给峰值的次数和补给量普遍高于降雨引起的峰值。

控制灌溉稻田地下水补给是水稻需水的重要来源，与旱田已有研究结果一致，但控制灌溉稻田地下水补给对作物需水贡献小于旱田。Kahlown 等[6]研究结果表明，地下水埋深0.5 m 时，农田地下水补给量完全满足小麦的需水要求。刘战东等[11]利用地中渗透仪试验，指出在地下水位埋深低于0.4 m 时，地下水补水量已基本满足夏玉米耗水量。本试验中CI 处理稻田地下水补给量与冬小麦地下水补给量接近，小于夏玉米地下水补给量，但水稻的蒸发蒸腾量远大于冬小麦和夏玉米，正是作物需水特征的差异使稻田地下水补给量对水稻需水的调节作用弱于旱田的研究结果。

控制灌溉稻田地下水补给影响作物根区土壤水分变化。稻田地下水在土水势梯度作用下不断向上运动，弥补腾发作用消耗的土壤水分。尤其是在浅地下水埋深条件下，稻田地下水补给显著影响一定深度以下土层的土壤水消耗，使其土壤含水率保持稳定，而表层土壤水分在降雨、灌溉、地下水补给和蒸发蒸腾作用下出现明显波动。该结论与杨建锋等[22]在冬小麦农田的试验结论较为一致，其结果表明旱地地下水补给作用下，50 cm 深度以下的土壤水分保持稳定，0～50 cm 深度土壤水分在腾发作用下不断减小。

由于本试验未隔绝降雨，稻季地下水补给过程受灌水和降雨共同影响，因此无法进一步单独分析灌水或降雨对地下水补给的影响。今后研究中将考虑增加一组隔绝降雨的蒸渗仪小区，对比分析有无降雨条件下地下水补给量的差别，同时应用Hydrus-1d 进行模拟分析，以更好地阐明节水灌溉模式稻田地下水补给特征及其影响因素。

4 结 论

1）控制灌溉模式改变了稻田地下水补给变化过程，显著增加稻季稻田地下水补给量。当稻田干湿循环过程中土壤水分降至一定限度时，稻田地下水补给量在复水后（灌水或降雨）1 d 内出现峰值，稻季共出现16 次峰值，累积稻田地下水补给量为253.98 mm。

2）控制灌溉稻田地下水补给是水稻需水的重要补给源。水稻需水高峰期稻田地下水补给量约占水稻作物需水量的51.1%，且不同生育阶段稻田地下水补给量对于作物需水的调节作用差别较大，水稻分蘖前期、拔节后期和乳熟期稻田地下水补给对于水稻需水的贡献较大。

3）浅地下水埋深条件下，地下水补给作用直接影响水稻根区土壤水分剖面分布特征。控制灌溉处理稻田干湿循环过程中，0～30 cm 深度土壤含水率受到了降雨和灌水的显著影响，且随干湿循环进程呈下降趋势，30 cm 深度以下土壤含水率在稻田地下水补给作用下基本保持稳定。