不同灌溉模式下内蒙古寒区稻田渗漏试验与模拟研究

胡旭铧，徐 阳，朱福民，肇志强，黄 鹏，奴尔力·阿衣托汗，崔远来，罗玉峰*

（1.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072；
2.内蒙古自治区水利科学研究院，呼和浩特 010060；
3.兴安盟防汛抗旱调度中心，内蒙古 兴安盟 137400；
4.内蒙古扎赉特旗水利局，内蒙古 兴安盟 137600）

近年来，人口快速增长和全球变暖，水稻产量需求提高，水稻种植区域由原来的低纬度地带逐渐向中高纬度扩展。水稻是我国主要粮食作物之一，产量持续增长，呈现“南减北增”种植格局，东北水稻生产在全国份额逐步提高[1-2]。内蒙古东北部水稻品质优，市场需求大，是内蒙古自治区主要水稻产区[3]。随着气候变暖和人民生活需求提高，当地水稻产业发展迅速[4]。兴安盟气候干旱，雨水少，工程节水渠系等尚不完善，深层土壤属砂性质地，深层渗漏严重，水资源利用率低[5]。水稻种植对水资源需求量大，也会对当地水资源利用造成压力[6]。

在水稻田生态系统中，水分损失除蒸发蒸腾外，绝大部分以渗漏形式无效流失[7-8]。灌溉农田的深层渗漏损失是影响农业用水效率主要原因之一。水稻田水分渗漏受气候条件、土壤、作物生长发育阶段以及农业技术措施等因素影响[9]。各地特有的环境条件、土壤特性、耕作措施、水稻品种类型等因素共同作用，形成当地稻田土壤水分平衡规律。土壤质地对渗漏有强烈影响[10]。内蒙古寒区水稻种植区地属薄层土区，土层厚度小于60 cm，土地面积较大，土层以下为深厚的砂砾石层，透水性强，表土层以砂壤土为主，壤土或黏土较少[11]。这类土地保水性差，淹灌模式下渗漏严重。水分渗漏浪费大量水资源，制约水稻生产发展，引起养分淋失，降低土壤肥力，加剧部分地区土壤盐渍化并造成地下水污染，进一步导致淡水资源减少。针对当地稻田渗漏问题，已有学者提出相应控制措施。程满金等提出掺客土、密实土壤和建立隔水层等方法[11]。上述技术可有效减少渗漏量，但增加工作量和投资。吴平在此基础上提出单排单灌、浅水灌溉技术等方法[12]。

针对内蒙古自治区兴安盟环境特点，设计田间试验探究不同灌溉模式下当地水稻种植田间渗漏情况。根据田间试验结果，构建并率定、验证水稻田间水分平衡模型，为后续模拟不同灌溉模式下渗漏量，易于推广实施的水稻灌溉模式提供参考，以期提高水资源利用率，为当地水稻种植发展及扩张提供理论基础。

1.1 试验区概况

在内蒙古自治区东北部、大兴安岭南麓向松嫩平原延伸的过渡地带兴安盟开展田间试验，试验区位于内蒙古自治区兴安盟扎赉特旗巴彦扎拉嘎乡水田村（122°43′E，47°01′N），年平均气温为5.0℃，积温2 100～2 800℃，降水量为433 mm，无霜期105～135 d，属温带大陆性半干旱季风气候区。试验田耕作层土壤为壤土，土壤肥力中等。

1.2 试验处理设计

试验水稻品种选取当地主要种植品种（绥粳18），2021年4月下旬开始在水稻智能浸种催芽温室育秧，试验区人工插秧，3.5叶期开始插秧，秧龄30 d。5月中下旬开始整地、泡田与插秧，泡田定额为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，种植密度25穴·m-2，250 000穴·hm-2。10月9日收割，生育期共133 d。其中分蘖后期晒田，黄熟期自然落干。

采用适宜水稻灌溉技术，减少稻田渗漏量和肥力流失。相关研究发现，因地制宜地采用适合节水灌溉技术，可降低水稻田渗漏量，减少肥料和根系层土壤颗粒流失，有效保持土壤肥力，减少氮素对地下水的污染[13-14]。试验在田间试验小区内进行，重点关注不同灌溉模式下渗漏量差异。试验设计4种灌溉模式：常规淹灌模式（W0）、间歇灌溉模式（W1）、蓄雨型间歇灌溉模式（W2）、无水层灌溉模式（W3）。不同灌溉模式稻田水层控制标准见表1。

表1 各灌溉模式全生育期水层控制标准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水层，之后田间水分到达灌前下限即灌至上限。每个处理设置3个重复，共12个试验小区。每个小区面积均为30 m（25 m×6 m），小区中间采用田埂包裹防渗膜作防渗处理，田埂高0.5 m，田面以下防渗膜包裹深度为0.4 m。

1.3 数据来源及处理

1.3.1 田间水层监测

每日8:00观测田面水层变化量，灌水或排水时加测。水层观测方法包括两种：①在各小区取多点水深，确定基准面，竖直打下一根钢尺，每日8:00读取田间水位数据；
②采用美国ONSET生产的HOBO自计水位计（U20L-04）连续动态观测田间水位。两种方法下获取的水层数据互相校核。

1.3.2 气象要素监测

通过安装在试验小区旁的智能气象站自动记录，记录频率设置为1 h，观测项目包括降雨量、气温、气压、相对湿度、太阳辐射、风速、风向。

1.3.3 田间渗漏监测

田块内放置测渗筒，试验观测期为返青期至黄熟期，开始观测时筒内筒外水位保持一致，每日8:00（间隔3～5 d）观测筒内水位变化，前后观测到测渗筒水位之差即为渗漏量，试验中保持测渗筒中水层深度与田间水层深度持平，避免侧渗。同时每个测渗筒放入HOBO水位计，与观测的渗漏量数据互相校核。

1.4 稻田水量平衡模拟流程

计算水稻蒸发蒸腾量(ETc)，ETc由田间耗水量减去渗漏量获得。以水量平衡方程为基础，根据自动气象站观测的降雨量数据和田间试验观测数据，以此为输入信息，运算水量平衡方程，获得4种灌溉模式下水稻逐日ETc。稻田有水层时适用的水量平衡方程表示为[14]：

式中，Hi为第i天灌溉排水前稻田田间水层深度（mm）；
Hi-1为第i-1天稻田田间水层深度（mm）；
P0i为第i天预报降雨量（mm）；
ETci为第i天水稻蒸发蒸腾量（mm）；
Si为第i天渗漏量（mm）。

通过自动气象站记录的气象数据根据FAO56-Penman-Monteith模型（FAO56-PM模型）计算ET0，联合国粮食及农业组织（FAO）推荐的Penman-Monteith方法理论依据完备，计算误差较小，是应用最广泛的ET0计算方法[15]。该公式表述如下：

式中，ET0为FAO56-PM模型计算得到的ET0值（mm·d-1）；
Rn为地表净辐射（MJ·m-2·d-1）；
G为土壤热通量（MJ·m-2·d-1）；
T为平均气温（℃）；
U2为距地面2 m高处风速（m·s-1）；
es和ea分别为饱和水汽压和实际水汽压（kPa）；
Δ为饱和水汽压曲线斜率（kPa·℃-1）；
γ为湿度计常数（kPa·℃-1）。

根据稻田水量平衡模型及FAO56-PM模型，推求逐日ETc和ET0，从而推求不同生育阶段水稻作物系数Kc，初步建立不同灌溉模式下水稻田水量平衡模型。作物系数Kc为ETc与ET0比值：

根据达西定律，水分渗透速度等于土壤渗透系数与水力梯度乘积，同一块土壤，渗透系数为常数，因此稻田水分渗漏速度是田块水层高度的函数[16]，建立日田间水层hi与渗漏量Si之间关系[17]：

式中，Si为第i天水稻田渗漏量（mm）；
hi为第i天田间水层深度；
a、b为拟合参数。

根据水量平衡方程、初始水层深度及上述各推求要素模拟不同灌溉模式下稻田逐日水层深度变化情况。

1.5 精度验证

根据试验观测数据，利用统计学方法指标评价模拟效果，定量检验模拟值与实测值差异程度。统计指标包括判定系数（R2）、均方根误差（RMSE）和平均绝对误差（MAE）[19-20]：

式中，Xi为第i天模拟值;Yi为第i天实测值;为实测值平均值。

2.1 不同灌溉模式下稻田渗漏量变化特征

4种灌溉模式下，全水稻生育期渗漏量W0模式＞W3模式＞W1模式＞W2模式，分别为533.73、497.71、466.06、448.70 mm。试验期内各灌溉模式下水稻不同生育阶段渗漏量如图1所示，传统淹灌模式W0在返青期、分蘖期和黄熟期渗漏量均最大，分别为43.13、107.02和65.13 mm。其中分蘖期渗漏量差异最大，W0模式分别比W1模式、W2模式、W3模式多渗漏20.98、52.39、53.53 mm。生育前期降雨量较少，W0模式通过灌溉保持较高水位，因此渗漏量较大。W1模式灌水上限和蓄雨上限均较低，田间水位持续较低，渗漏量在各生育阶段均小于W0模式，全生育期渗漏量比W0模式减少67.67 mm。W2模式仅在雨水充沛的拔节孕穗期渗漏量略大于W0模式，达到93.68 mm。W2模式全水稻生育期渗漏量最少，比W0模式减少85.03 mm。W3模式由于后期降雨量较大和田块间测渗的影响，部分雨水汇集到W3模式田块，导致W3模式田块持续保持较高水位，因此渗漏量在抽穗开花期和乳熟期比其他模式大，分别为98.75和162.75 mm，后期试验应加强防侧渗措施，避免类似情况出现。排除测渗影响，间歇和蓄雨型间歇灌溉模式渗漏量明显小于传统淹水灌溉模式。当地采取间歇和蓄雨型间歇灌溉模式可有效降低因深层渗漏而导致的稻田水分损失。

图1 不同灌溉模式渗漏量变化Fig.1 Changes of seepage in different irrigation modes

2.2 水稻作物系数估算

通过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个时期（返青期、分蘖前期、分蘖后期、拔节孕穗期、抽穗开花期、乳熟期、黄熟期）Kc值如图2所示。各灌溉模式下水稻作物系数变化趋势一致，均为生育前期和后期较小，生育中期较大。Kc均在返青期最小，从返青期开始上升，拔节孕穗期达到最大，然后逐渐下降。6个时期Kc平均值依次为0.86、1.22、1.63、1.35、1.30、1.16。其中W0模式下Kc在分蘖期、乳熟期和黄熟期最大，分别达到1.26、1.35、1.25。生育期内W1模式拔节孕穗期Kc值最大，达到1.68。W3模式Kc值整体偏小，返青期仅为0.88。总体看4种不同灌溉模式之间Kc差异小，淹水灌溉W0模式稍大于其他3种灌溉模式。

图2 不同灌溉模式下水稻作物系数估算值Fig.2 Estimated value of rice crop coefficient under different irrigation modes

2.3 稻田水量平衡模拟及精度验证评价

以稻田渗漏量实测值和模拟值之差平方和最小为目标，根据HOBO水位计记录测渗筒逐日水位数据率定不同灌溉模式下稻田渗漏模型。计算得到稻田渗漏模型参数如表2所示。

表2 稻田渗漏模型参数Table 2 Parameters of rice field seepage model

结合稻田水量平衡模型对2021年同期其余田块水层变化情况作模拟，采用R2、RMSE和MAE评价模型精度。

利用自动气象站数据通过FAO56-PM模型计算逐日ET0，将作物系数Kc随水稻生育阶段变化概化为梯形函数，计算各灌溉模式下逐日蒸发蒸腾量。根据试验田观测的田间初始水位、降雨量等数据，结合稻田水量平衡模型计算不同灌溉模式下逐日田间水层深度，对2021年同期其余田块水层变化情况模拟，通过统计检验指标和图形对比验证模型模拟精度，验证效果如表3和图3所示。由表3可知，用于率定模型的率定组R2均在0.85以上，模拟效果良好。其中W1模式R2最高，且RMSE和MAE最小，模拟效果最优。W2模式模拟效果较差。验证组模型R2均达到0.8及以上，W3模式达到0.94，模拟效果最优。RMSE和MAE最小灌溉模式分别是W3和W0模式。4种灌溉模式下R2、RMSE和MAE均表现优良，整体模拟精度较好。由图3可知，4种灌溉模式下验证组田面水层深度模拟值与实测值吻合度均较高。模型可满足扎赉特旗试验区不同灌溉模式下稻田水层变化模拟。

表3 各灌溉模式下田面水层深度模拟效果评价指标Table 3 Statistical indices of simulation effect of water depth under different irrigation modes

图3 不同灌溉模式田面水层深度实测值与模拟值对比Fig.3 Comparison between measured and simulated water depth in different irrigation modes

内蒙古寒区水资源有限且土壤渗漏严重，发展水稻种植对当地水资源利用压力较大，减少稻田渗漏问题亟待解决[21-22]。通过分析田间试验结果得出，试验区每种灌溉模式下渗漏量与田间水位密切相关。田间水层深度越大，水分渗漏速度越快，渗漏损失越大。传统淹水灌溉模式下渗漏量最大，适当降低灌水上限可有效减少渗漏量，这与Singh等研究结果一致[23]。迟道才等和王秋菊等研究发现，适当控水灌溉可提高水稻产量和品质[24-25]。未来可在不影响水稻产量与品质前提下，提出渗漏量最小的水稻灌溉模式，推动当地水稻产业发展。试验区W3模式田块在试验后期测渗明显，导致无水层灌溉模式田块持续保有水层，后期应加强防渗措施，避免类似情况出现。

根据不同灌溉模式下稻田渗漏模型，对田面水层深度进行模拟，实测值与模拟值吻合度较好。本研究默认每日降雨量集中在8:00，模拟逐日渗漏量，后续采用更短时间间隔（如逐小时）进行模拟，可使模型模拟效果更加精确。引入机器学习算法构建稻田渗漏模型也可提高模型精度，进一步推动稻田渗漏研究进展。

本研究通过在兴安盟扎赉特旗开展田间试验，对内蒙古寒区4种灌溉模式下水稻田间渗漏情况分析并作稻田水量平衡模拟验证，得到以下结论：

a.不同灌溉模式对扎赉特旗试验区稻田渗漏量影响不同，淹水灌溉渗漏量最大，间歇灌溉和蓄雨型间歇灌溉可有效减少稻田渗漏对田间水分浪费，蓄雨型间歇灌溉模式减少渗漏量最明显。

b.通过稻田水量平衡模型对稻田水层变化进行模拟和精度验证，率定组和验证组模型R2分别达到0.85和0.80以上，4种灌溉模式下整体模拟精度良好。同时4种灌溉模式下田面水层深度模拟值与实测值吻合度较高，模型可用于不同灌溉模式下扎赉特旗试验区稻田水层变化模拟。