鄱陽湖流域典型稻田水量平衡分析

劉方平，汪文超，鄧海龍，才 碩，李 昂

(1.江西省灌溉試驗中心站，江西 南昌 330201； 2.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，湖北 武漢 430072)

在水稻田生態系統中，水分的損失除蒸發、蒸騰外，還存在一定程度的滲漏流失。田間滲漏是水稻水分利用效率的決定因素，也是灌溉水有效利用率低的主要原因[1-4]。滲漏包括深層滲漏和側滲，其中深層滲漏是水分通過根區進入地下水中的垂直運動，側滲是指水分向田埂四周的側向流動。由于田埂特性差異較大，使得側滲比深層滲漏更難以研究[4]。稻田之間存在一定的落差，一些滲漏流失的水分可以在灌區下游或較低田塊重復利用，被稱為回歸水[5]。稻田不僅蒸散發存在尺度效應[6]，回歸水的利用率也存在一定尺度效應[7]，在不同尺度上，回歸水的質量和數量均不同，其內部存在復雜的轉化關系。土質田埂是南方水稻種植中最為普遍的存在形式。在梯田稻作區，稻田中部滲流以垂向為主，靠近田埂部分以側向滲流為主[8-9]。研究田埂側向滲流可以從機理上對稻田側滲導致的回歸水重復利用進行量化。然而，目前針對田埂長期耕作之后物理性質變化以及田埂滲流機理的研究都不多。

稻田水量平衡分析是區域尺度水量平衡分析及跨尺度灌溉定額分析的基礎[10-12]。為了便于控制和觀測，目前田間尺度的水量平衡試驗基本在測坑、測筒及田間小區中開展。這些試驗設施的邊界經過人工防滲處理，田間水分運動基本為垂向，與實際稻田同時存在垂向及側向水分運動差異較大。因此，開展田間尺度水量平衡試驗，研究稻田原位田間水量平衡要素之間的關系顯得非常必要。為此，本研究在鄱陽湖流域贛撫平原灌區選取典型田塊，結合江西省灌溉試驗中心站系列灌溉試驗資料，開展稻田田埂滲流試驗和田間水量平衡分析。

1 研究區概況

本試驗于2016年冬季在鄱陽湖流域贛撫平原灌區內開展。研究區屬于亞熱帶季風氣候區，多年平均降水量1 740 mm，年際降水量變幅為1 100～2 400 mm；多年平均水面蒸發量(E-601型蒸發皿)1 100 mm，年均陸地蒸發量約800 mm；農作物以水稻為主，研究區為江西省重要商品糧基地之一。

2 試驗設計

2.1 田埂滲流試驗

稻田田埂滲流試驗源于雙套環試驗方法。通過調查當地稻田田埂實際情況，選取有代表性田塊進行試驗，田埂上下田塊落差約10 cm，稻田土壤為潴育型黃泥土。在田埂上下田塊緊貼田埂處分別垂直打入鐵框(尺寸為1.5 m×0.8 m×0.3 m)，打入田埂垂向和縱向深度分別為10 cm，且上下框位置對齊，露出田面以上10 cm；在鐵框四周外50 cm處堆筑圍堰，高約10 cm，寬約15 cm，以平衡繞過鐵環向外圍滲水，盡量貼近田間實際情況。在試驗鐵框附近選一平整田塊布置雙套環，雙套環垂直入土35 cm，露出地表15 cm。在上下田塊試驗鐵框周圍布置測井，用土鉆打1m深左右測井，用以觀察田間地下水位。在上框內取一基準面(基準面即水剛剛浸沒整個田面的狀態)，做好標記，用測針記錄實時水位，作為滲流試驗的基準零點。水位采用HOBO壓力式傳感器測定，上下鐵框內各布置1個，另測田間大氣壓布置1個，地下水位測定布置2個，雙套環內布置1個。圖1為試驗裝置示意圖，圖2為田埂滲流示意圖。由圖1可見，左側為高田塊，水位較高，右側為低田塊，水位較低，則水量平衡可用如下公式表示：

ΔW1=Dp1+Se

(1)

ΔW2=Dp2+Se

(2)

式中：ΔW1為左側水深變化；ΔW2為右側水深變化；Dp1為左側垂向滲流；Dp2為右側垂向滲流；Se為田埂滲流量。Dp1、Dp2通過在兩側開展雙套環試驗進行測量。

圖1 試驗裝置示意圖

圖2 田埂滲流示意圖

由于滲流速度很慢，一組試驗需幾天時間，考慮到滲流時間太長試驗過程不好控制，本試驗僅開展30 mm滲流試驗，這與當地間歇灌溉模式灌水上限一致。試驗開始時控制上框內初始水位為30 mm(高于基準面30 mm)，下框內水位高于田面5 mm左右。框外土埂內補充水位至與框內水位齊平。同時，控制雙套環內環水位30 mm，同樣設置基準面。觀察框內水位和雙套環內環水位下降情況，在水位下降至基準面時進行補水。

HOBO壓力式傳感器讀數為大氣壓，包括水面上、上下框內水下、上下田塊地下水水下、雙套環內水下等處大氣壓。水位計讀取大氣壓轉換為水層深度計算公式為

Hu=101.972(Pu-Pa)

(3)

Hd=101.972(Pd-Pa)

(4)

HD=101.972(PD-Pa)

(5)

式中：Hu為上部田塊水層深度；Hd為下部田塊水層深度；HD為雙套環內水層深度；Pu為上部田塊傳感器讀數；Pd為下部田塊傳感器讀數；PD為雙套環內傳感器讀數；Pa為田間傳感器大氣壓讀數。

由于雙套環難以分別測定蒸發和下滲量，故將上下田塊框內蒸發和下滲合計在一起，采用蒸滲速度方法進行計算。上部田塊水層蒸滲速度計算公式為

Vu=(H1-H2)/(t1-t2)

(6)

式中：t1為滲流穩定之后開始測量時間；t2為滲流結束時間；H1為開始測量時水層深度；H2為結束測量時水層深度。本試驗中H1取30 mm，H2取0 mm。下部田塊水層蒸滲速度Vd、雙套環水層蒸滲速度VD均同理可以算出。由于上下田塊和雙套環內水層蒸發量與垂直下滲量相同，根據水量平衡，上部田塊與雙套環蒸滲速度之差即為上部田塊側向滲流速度Vs。

2.2 田間水量平衡試驗

在贛撫平原灌區選取一典型稻田進行田間水量平衡試驗，距江西省灌溉試驗中心站灌溉試驗基地約200 m，距田埂滲流試驗場地約300 m，均為黃泥田，地下水位埋深約為2 m。試驗稻田均種植一季稻，6月27日移栽，9月27日收割，灌溉方式為間歇灌溉，期間對田間灌排水量及日常田間水位進行觀測。試驗區不采用防滲等工程改造措施，并且選取典型田塊與田埂滲流試驗場地上下田塊高差相當。同時，為便于控制和觀測稻田水位，測算稻田需水耗水量，根據SL13—2015《灌溉試驗規范》作物蒸發蒸騰量測定試驗設施要求，在江西省灌溉試驗中心站灌溉試驗基地選取作物需水量有底測坑開展同步灌溉試驗，進行一季稻數據觀測和水量平衡分析。作物需水量測坑占地面積70 m2，設有6個標準測坑，每個測坑的凈面積為4 m2(2 m×2 m)，深度為2.15 m，坑內填土為黃泥土，測坑均有底，并埋設有地下水位觀測井。測坑布置成兩排，在中間設置寬2 m的廊道，廊道內設置供排水裝置，試區采用管道供水和水表計量，排水采用翻斗式自記排水計量。稻田水量平衡計算公式為

P+I-E-Dp-ΔSe-R=ΔW

(7)

式中：P為降水量；I為灌溉水量；E為蒸發蒸騰量；Dp為垂向入滲量；ΔSe為側向滲流量差值；R為田間排水量；ΔW為田間水位變化值。

降水量P采用翻斗式雨量計進行觀測；田間灌溉水量I和排水量R以典型稻田田間水層灌水前后和排水前后田間水位差進行計算，田間水位變化值采用補水法進行測定計算；落干前和補水后田間水位以及灌排水前后水位采用HOBO壓力式傳感器測定；蒸發蒸騰量E采用附近江西省灌溉試驗中心站灌溉試驗基地水稻灌溉試驗小區同期試驗成果(即每日8∶00時采用電測針進行觀測并分析計算得到)，利用作物系數Kc進行計算得到；垂向入滲量Dp利用以上雙套環試驗實測成果。當以上各水量平衡要素確定之后，可求得稻田側向滲流量的差值ΔSe。

3 結果分析

3.1 田埂滲流試驗結果

通過對多次試驗數據進行統計分析，繪制上下田塊及雙套環水位變化趨勢圖，見圖3，并進行回歸分析，畫出趨勢線。從圖3可見，上框水位總體呈下降趨勢，至90 h后接近0，趨勢線估計值與實際值擬合程度較高(R2=0.900 0)，水位波動主要是受期間零星降雨和氣象狀況改變所致。下框水位略呈上升趨勢，說明框內除了本身水面蒸發和垂直下滲的消耗外，還有一定的外來水補充，即上框側向滲流，并且外來水量在一定時間內大于耗水量；但趨勢線與實際值擬合程度不高，這是因為外來水量與耗水量不一致，使水位呈一定幅度波動。雙套環內水位總體呈下降趨勢，趨勢線估計值與實際值擬合程度較高(R2=0.973 7)；但較上框水位變化平緩，這也證明了上框確實存在一定量的側滲。同時，上框和雙套環水位呈直線下降趨勢，趨勢線估計值與實際值擬合程度較高，這也說明在田面低水層情況下(田面覆水30 mm)，田面覆水深度對田間滲漏影響較小，田間滲漏(垂直入滲和側向滲流)保持一個相對平穩狀態。

圖3 滲流試驗水位變化過程

據統計，雙套環內水層蒸滲速度為4.10 mm/d，包括田面水分蒸發和垂直下滲量。上框水層蒸滲速度為8.07 mm/d，較雙套環增加96.8%，明顯大于雙套環內蒸滲速度，表明存在一定程度的側滲。下框水層蒸滲速度為-0.57 mm/d，為負值，表明水層上升，存在外來水量補給。根據以上結果，計算得出田埂側向滲流速度為3.97 mm/d，側向滲流量占稻田蒸滲量達49.2%，而這一部分水將在下田塊或下游區域得以重復利用。根據試驗上框的尺寸，可計算得到單位長度田埂側滲水量為27.83 cm2/d。

3.2 田間水量平衡試驗結果

表1為典型田塊與有底測坑一季稻水量平衡分析結果。從表1可見，典型田塊的灌水量明顯小于有底測坑；典型田塊的有效降雨量比有底測坑少38.9 mm，降低7.6%，主要原因是典型田塊水稻全生育期內灌水相對比較集中，主要集中在高溫期8月份，稻田耗水強度大，灌水間隔時間相對較短，保有水層時間相對較長，一定程度增加了典型田塊田間側滲量，高田塊的側滲和排水在低田塊中得到重復利用。另外，典型田塊的垂直入滲量比有底測坑減少49.0 mm，降低31.4%，其入滲量明顯變小主要原因可能是一季稻種植期間典型田塊地下水位相對較高(約為2 m)，對田間滲漏產生頂托作用所致[9]。典型田塊蒸發蒸騰量與有底測坑基本持平，但排水量相差較大，典型田塊的排水量比有底測坑減少60.3 mm，降低48.4%，其主要原因是一季稻生育期間降雨相對集中，在7月中旬有2次較大強度集中降雨，典型田塊所在區域上下田塊存在一定落差，高田塊水層較淺，低田塊水層相對較深，降雨蓄積雨水量存在一定差異，造成典型田塊平均蓄積雨水量相對增加，排水量減少，而測坑為標準田塊，小區之間相互無側滲、串排現象，致使集中降雨時排水相對較多。在一季稻全生育期內，典型田塊的側向滲流在當地稻田滲漏量中占相當大比例，約為42.8%，占全生育期耗水量的10.9%。

表1 典型田塊和有底測坑一季稻水量平衡分析結果 單位：mm

4 結 語

在鄱陽湖流域贛撫平原灌區開展的田埂滲流試驗表明，田埂側向滲流速度為3.97 mm/d，側向滲流占稻田蒸滲量49.2%，這一部分水將在下田塊或下游區域得以重復利用；上框和雙套環水位呈直線下降趨勢，在田面低水層情況下(田面覆水30 mm)，田面覆水深度對田間滲漏影響較小，田間滲漏(垂直入滲和側向滲流)保持一個相對平穩狀態。田間水量平衡試驗表明，典型地塊的灌水量和排水量明顯小于有底測坑；在一季稻全生育期內，典型田塊的側向滲流在當地稻田滲漏量中占相當大比例，占全生育期耗水量的10.9%。