OSID：
高标准农田建设是实现国家粮食生产安全战略的一项重要举措。其中,对排灌系统的提档升级是抵御气象灾害、保证农作物丰产丰收的前提。江苏省以占全国3.8%的耕地面积生产了全国5.5%的粮食,为国家粮食生产做出了积极贡献[1]。省内大面积的平原区广泛实行稻麦轮作的生产模式,高效利用了土地资源以及夏秋季丰富的雨热资源。虽然水稻生长季降雨较多,但降雨过程与水稻耗水过程不同步,每年仍需大量补充灌溉水来满足水稻生长。为了防止涝渍灾害,稻麦轮作农田配套有完整的排水系统,以满足水旱两种作物不同的排水需求。由于冬小麦生长季的排水降渍要求较高,一般据此决定排水沟的设计深度;而在喜水耐淹的水稻生长季,排水沟形成的水力梯度导致了大量排水与污染物输出;这不仅降低了稻田水肥利用效率,而且加重了接纳水体的污染。
目前江苏省稻麦轮作区广泛采用明沟排水,排水沟间距较大,实际排水强度很难满足麦作期的降渍要求。在气象条件的影响下,小麦渍害风险较高[2];尤其是在平原河网地区,初春降雨较多时需要人工疏通田块内部浅沟,及时排除地表积水;这与现代化农业发展相矛盾。在当前江苏省高标准农田建设标准中,要求提高排水强度、控制农田地下水位埋深在田面0.8 m以下[3]。如吉凤鸣等[4]指出,江苏里下河地区高标准农田中末级排水沟需加深至120 cm。这一要求虽然可以减轻麦田渍害,但也加大了稻作期的水肥流失风险[5]。因此,迫切需要通过控制排水的工程措施来缓解排水强度提高带来的不利影响。农田控制排水技术通过在排水出口处加筑控制性建筑物(如闸门或堰),在保留排水系统基本功能的前提下,根据作物生长或田间作业要求适时调整水位,达到减少排水及污染物输出量的目的[6-8];控制排水措施贯彻的按需排水、精准排水的理念是现代农业排水工程应遵循的指导原则。在控制排水条件下,旱作农田适当抬高地下水位后可增加作物对浅层地下水的利用,具有抗旱稳产的效果[9-10];水田则可减小水分流失梯度,提高灌溉水和雨水的利用效率[11-12]。通过水分调控稳定作物产量也是提高氮肥利用率、减少氮素流失的重要途径[13-15]。现有研究成果表明,控制排水可有效减少氮素输出40%左右[8,16-17],因此其在欧美等地区被列为农业面源污染控制的最佳生产管理措施[6,18]。
针对稻田排灌控制措施,彭世彰等[19-20]提出以土壤含水率作为灌溉控制指标,与浅水灌溉模式相比,控制灌溉的水稻需水量平均减少34.6%。高世凯等[21]进行水稻栽培试验时发现,相较于常规控制灌溉,控制排灌条件下灌水量与排水量都明显减少,污染物负荷降低。李铁成等[22]设置不同的灌溉模式进行大田试验,得出控制灌溉模式下减施氮肥能提高氮肥吸收利用率,并达到稳产增产效果。HE等[23]研究发现,控制排水措施对稻田氮素流失的影响显著,施肥后7 d地下排水与氮挥发损失分别减少17.2%和9.3%,联合使用控制排水与灌溉措施可以有效减少氮素损失。俞双恩等[24]在江苏涟水地区开展了2年的控制灌排试验发现,调控措施具有明显的节水减排效果,且轻旱控制灌排效果更佳。鉴于控制灌溉与控制排水之间的互作关系以及气象条件多变的因素,应用模型模拟可以更好地探讨两种控制措施的节水减排潜力。如邹家荣等[25]针对江苏扬州沿运灌区稻麦轮作农田排水系统现状,运用田间水文模型(DRAINMOD)模拟分析了不同排灌控制措施削减稻作期农田排水量的作用;但研究中考虑的排水农沟深度(60 cm)较小,控制排水的减排效果不明显,控制灌溉的减排效果更为显著。
目前江苏省稻麦轮作区排水农沟间距(100～200 m)较大,高标准农田建设中仅通过加深排水沟的方式难以满足农田及时降渍要求。若采用暗管排水技术来提高排水系统的降渍能力,则可大力提高农业机械化、现代化发展水平。陈诚等[26]以江苏扬州沿运灌区为例开展的模拟研究发现,满足研究区水稻收获期机械下田要求保证率为95%的高标准农田需要的暗管排水布局为埋深90～150 cm,间距为18.2～30.9 m。为了探讨稻麦轮作区高标准农田建设中提高农田降渍能力时,排水与氮素输出过程变化以及采取控制排水措施的效果,本文在上述相关研究的基础上,考虑未来暗管排水发展趋势,运用DRAINMOD模型深入分析高标准农田建设背景下,稻麦轮作农田不同排水布局采取控制排水的节水减排效果;结合近年来稻田干湿交替节水灌溉技术的推广,以及传感器技术与智慧农业发展趋势,假定稻田灌溉方法为考虑降雨影响的干湿交替节水型灌溉模式,以便深入探讨控制排水措施的积极作用,以期为稻麦轮作区农业水资源高效利用与水环境保护提供理论参考。
研究区位于江苏省扬州市江都区京杭大运河东侧的沿运灌区,属于北亚热带季风性湿润气候,年平均气温15.6℃,年蒸发量1 009.6 mm;年均降雨量约1 020 mm,其中70%左右的降雨发生在5—9月。研究区地处江淮冲积平原,地势平坦,土壤以粉质砂壤土为主;区内普遍实行水稻-冬小麦轮作制度,以明沟排水为主。试验地点为灌区内农田水利科学研究站(32°33′N,119°30′E)。图1为研究站试验田以及观测点布置情况,大田块尺寸为100 m×100 m,四周为排水沟;大田由中间通过的灌溉渠分开,然后又划分为6块面积相同的长方形田块,即试验田由12小块矩形格田组成。水稻生长期内,在格田内安装水位仪(HOBO U20-001-04 Onset型)记录灌溉前后水位差,无水层灌溉时需通过土壤可排空体积进行估算,进而获得灌溉水量。农田排水量通过在排水口末端设置的三角堰及水位记录仪器监测。此外,试验田内安装了地下水位与水质监测井组,监测井深度分别为30、60、90、120、200 cm;水质取样频率为每14 d一次,监测时段为2021—2022年。水质样品冷藏后运至扬州大学农业水土环境与生态实验室进行检测,水质指标包括氨氮、总氮含量,分别采用纳什试剂分光光度法与碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定。此外,在试验田西侧约100 m处装有全自动气象站(ET107型,Campbell Scientific,美国),实时记录降雨量、气温、气压、相对湿度、风速、太阳辐射等气象参数,记录间隔为15 min。
图1 试验区监测点布置示意图
Fig.1 Layout of monitoring points in experimental area
DRAINMOD是由美国农业部自然资源保护局(NRCS)推荐的一个田间水文预测模型[27-28]。针对地下水位浅埋区,模型通过输入气象、土壤、作物以及排水系统布局等参数,逐日、逐时计算田间水量平衡过程,包括入渗、蒸发蒸腾、地下排水、地表径流以及地下水位埋深等水文要素[29]。国内外应用实践表明,其在作物产量[30-31]、机械收获要求[26]、排水氮素输出[32-33]及土壤脱盐过程[34-36]等方面预测结果都较为准确。本文运用DRAINMOD模型中控制排水和地表灌溉模块来模拟稻田控制排水的节水减排效果。其中,地表灌溉模块首先需要输入灌溉制度(包括灌水率、灌溉时间以及灌溉周期);在既定灌溉日,模型首先检查田间地下水位埋深以及当日降雨量,如果当日地下水位高于设定值,或降雨量大于设定的免灌雨量时,模型取消本次灌溉,自动推迟到下一个灌水周期。这与当前国际上提倡的干湿交替控制灌溉方法接近,可模拟未来传感器技术与自动化水平提高后的一种优化灌溉方式。根据研究区土壤状况以及扬州地区水稻干湿交替灌溉的研究成果,本文模拟稻田水位降至田面以下25 cm时恢复灌溉的情形,并设置降雨量10 mm为推迟灌溉下限。在此基础上,运用控制排水模块进一步探讨排水沟加深后,调整排水出口水位控制排水的减排效果。
图2为控制排水地下水埋深变化过程。需要排水降渍的时段包括水稻收获期与小麦生长季(即10月至次年5月,240 d左右);除水稻晒田期以外,排水需求较小的稻作期(6—9月)采取控制排水的天数约110 d;6月至7月中旬控制水深为20 cm,8月至10月控制水深为30 cm,其余时期为排水沟实际深度。
图2 稻麦轮作农田控制排水地下水埋深变化
Fig.2 Change of groundwater depth of controlled drainage for rice and wheat rotation fields
结合研究区农田排水系统布置及土壤理化性质测定结果,确定DRAINMOD模型主要输入参数,同时参考吉凤鸣等[4]和陈诚等[26]对研究区高标准农田排水系统布局的建议,确定长序列模拟的排水系统设置方案,见表1。
表1 DRAINMOD模型主要输入参数
Tab.1 Main input parameters for DRAINMOD simulations
类别参数数值土壤水分特征曲线吸力水头/cm01910260319953020812810000体积含水率/(cm3·cm-3)0.4440.4300.4090.3220.2730.2560.2140.204地下水位埋深/cm091535457590150土壤排水特性土壤可排空体积/cm00.0940.2441.1571.6363.6204.52912.10潜水上升通量/(cm·h-1)0.60000.58490.20120.05640.04100.02900.00240.0003排水沟间距/m20～120排水沟埋深/cm60、120排水系统设计不透水层深度/cm215排水模数/(cm·d-1)2.5明沟水力半径/cm10农田最大积水深度/cm5控制排水设计日期1月1日—5月31日6月1日—7月19日7月20—31日8月1日—9月30日10月1日—12月31日控制地下水埋深/cm1202012030120
根据试验站2021—2022年农田地下水位动态变化监测数据,输入气象、土壤以及灌溉数据,将DRAINMOD模型预测的同期田间地下水位埋深与实测值比较,以率定模型参数,并验证模型应用的准确性。选取决定系数(Coefficient of determination,R2)、均方根误差(Root mean square error,RMSE)和纳什效率系数(Nash-sutcliffe efficiency coefficient,NSE)作为统计参数来评价DRAINMOD模型预测精度。
因试验田四周为排水沟,农田实际排水强度为两条平行排水沟间距(100 m)的两倍,故取等效排水间距50 m进行模拟。图3为DRAINMOD模型预测的研究站试验田地下水位埋深与实测值比较情况,可见预测值与实测值吻合较好。统计分析显示,模型率定期(2021年)R2为0.90,RMSE为14.37 cm,NSE为0.89;模型验证期(2022年)R2为0.86,RMSE为16.78 cm,NSE为0.84。这表明DRAINMOD模型能够准确地模拟研究区稻麦轮作农田地下水位动态变化过程。
图3 稻麦轮作农田地下水位埋深实测值与DRAINMOD模型预测值比较
Fig.3 DRAINMOD predicted water table depth as compared with measured values in rice and wheat rotation fields
从图3可知,每年11月至次年5月的冬小麦生长季,麦田地下水位埋深普遍大于40 cm,两年时间内有2次降雨事件将地下水位抬升至地表附近,分别为2022年3月27日与2022年12月1日。每年6月至10月为水稻生长季,6月初泡田灌溉将地下水位抬升至地表;除分蘖末期晒田与成熟期收获需加强排水外,稻田地下水位需维持在较高水平。可见,稻作期大量补充灌溉导致水肥流失风险较大。本文监测的2021年与2022年水稻生长期降雨量分别为543.1 mm与319.0 mm,记录的补充灌溉水量分别为920.5 mm与1515.0 mm。2022年灌溉量较大主要是8月高温少雨的原因。所以,有必要采取控制排水措施来降低稻作期灌区“大引大排”的不利影响。
稻田地表与地下水氮素质量浓度监测结果显示,NH3-N总体呈现地表水中质量浓度高、地下水中质量浓度较低的分布规律;稻作期农田地表水氨氮质量浓度均值为4.53 mg/L,受施肥事件影响在全生育期内质量浓度变化幅度较大;深度30～120 cm范围内地下水氨氮质量浓度均值低于3.0 mg/L,说明土壤颗粒与土壤胶体对铵离子吸附作用显著,阻滞了铵离子向深层土壤淋失[37];埋深200 cm的地下水氨氮质量浓度仅为0.44 mg/L。总氮(TN)在不同深度(包括地表)呈相对均匀分布,质量浓度均值为5.0 mg/L左右。在下面的分析中,将地表水中氮素质量浓度及埋深30～120 cm地下水中氮素质量浓度均值分别作为农田地表排水与地下排水中的氮素质量浓度。图4中TD表示传统排水模式,CD表示控制排水模式;D60与D120表示排水沟深60 cm与120 cm;蓝色阴影部分显示排水沟深度D由目前的60 cm加深到120 cm情况下,DRAINMOD模型预测的稻田排水量、氮素(氨氮与总氮)流失以及灌溉需求量随排水间距L的变化情况。由图4a可知,在传统排水模式下,加深排水沟所增加的排水量随着排水间距的增大而减小。对于研究区现有排水间距(L=50 m),加深排水沟后,总排水量预测值由60.6 cm增加到72.2 cm,增加量为11.6 cm,增幅为19.1%;当排水间距缩小为20 m时,模拟排水量由88.1 cm增加到101.6 cm,提高13.5 cm,增幅为15.3%;间距较小时,增幅最高为22.2%,增量最大为14.8 cm;而当间距为120 m时,排水量增幅仅为9.0%,增量最小仅为4.0 cm。说明在间距较大时,加深排水沟对于改善农田降渍效果的影响有限。
图4 DRAINMOD模拟的排水量、灌溉需求量及氮素流失在TD与CD模式下随排水布局的变化曲线
Fig.4 DRAINMOD predicted annual drainage,irrigation requirement and nitrogen losses as affected by drainage layout under traditional and controlled drainage conditions
本文模拟研究采用按需灌溉的精准控制灌溉模式,模型根据土壤水分状况判断是否需要进行灌溉,排水系统布局对于土壤水分的影响决定了补充灌溉量。由图4b可知,模拟灌溉需求量随排水强度变化的规律与排水一致,加深排水沟加大了农田水分流失梯度,稻作期灌溉需求量随之增加,增幅与增量随着排水间距的减小而增大,增幅为9.6%～23.4%,增量为4.0～14.0 cm。
图4c、4d为稻田氮素输出负荷随排水沟深度及间距的变化规律。当排水沟深从60 cm加大到120 cm,排水间距为50 m时,TN输出负荷从31.8 kg/hm2增加到37.9 kg/hm2,NH3-N输出负荷从19.1 kg/hm2增加到21.7 kg/hm2;排水间距缩小至20 m时,TN输出负荷从46.2 kg/hm2增加到53.4 kg/hm2,NH3-N输出负荷从25.6 kg/hm2增加到28.4 kg/hm2。不同排水间距下,TN输出增加量为2.1～7.8 kg/hm2,其增幅与排水量增幅一致;而NH3-N增加量最小为0.8 kg/hm2,最大仅为3.5 kg/hm2,增幅为4.0%～16.8%。说明在研究区降雨规律下,排水间距变化对于氮素输出的影响不大。
图4中红色线条区域显示,控制排水条件下,农田排水量、灌溉需求量和氮素流失量均显著降低。为便于分析,挑选排水间距为20、50、100 m表示高、中、低3种排水强度,削减率见表2。在低排水强度(D=60 cm,L=100 m)时,控制排水将排水量从49.1 cm降低到42.8 cm,降幅仅为12.9%;当前排水沟深度,排水量降幅最高为22.9%,最低为12.0%。而在高排水强度(D=120 cm,L=20 m)时,控制排水可以将排水量从101.6 cm降低到69.9 cm,降幅为31.2%;排水沟加深后,排水量降幅最高为35.3%,最低为19.3%。高强度排水意味着农田降渍保证率较高,即高标准农田建设的目标。因此,控制排水措施可以很好地化解稻麦轮作农田水旱两种作物不同排水需求之间的矛盾,为高标准农田稳产减污提供支撑。
表2 控制排水对排水量、氮素流失量和灌溉量的削减率
Tab.2 Reduction rate of controlled drainage on annual drainage,nitrogen loss and irrigation volume %
排水间距/m排水沟深60cm排水沟深120cm排水量灌溉量NH3-N流失量TN流失量排水量灌溉量NH3-N流失量TN流失量2026.428.722.026.631.235.324.531.35019.121.311.819.232.036.621.632.210012.925.45.613.021.525.39.821.7
由于排水强度的增加会导致灌溉需求量的增加,两者变化量之间存在很好的线性关系(R2=0.97);如图5所示,排水增量与灌溉需求增量基本与1∶1关系线重合。同样,排水增量与NH3-N、TN流失增量呈强相关关系(R2=0.99),其中TN流失增量随排水增量的变化更大(图5)。上述结果表明,通过加深排水沟或缩小排水间距的方法来提高农田降渍能力(即提高排水强度)的同时,将会产生增加排水量、加大灌溉量和氮素流失等负面影响,需要采取控制排水措施进行抑制,适时降低农田排水强度,实现节水减排的目的。
图5 排水增量与灌溉增量、氮素流失增量的关系
Fig.5 Relationship between drainage increment,irrigation increment and nitrogen loss increment
图5中,排水强度变化时,灌溉增量与排水增量变幅近似。由于TN在地表水与地下水中差异较小,控制排水对于灌溉量和TN输出负荷的削减趋势与排水量基本一致,其中TN输出负荷与排水量削减率相同。L为120～20 m,排水沟加深前后,灌溉需求量削减率分别为14.6%～28.5%、22.9%～40.0%。因NH3-N含量随埋深的增加呈现降低趋势,NH3-N输出负荷与排水量变化规律有一定区别。在高排水强度(L=20 m)时,控制排水的NH3-N输出负荷降低到20.0 kg/hm2(D=60 cm)和21.4 kg/hm2(D=120 cm),降幅为22.0%和24.5%;而在低排水强度(L=100 m)时,NH3-N输出负荷降低到15.9 kg/hm2(D=60 cm、120 cm),降幅为5.6%和9.8%;L为120～20 m,排水沟加深前后,NH3-N流失降幅分别为3.4%～22.0%、7.6%～27.2%。说明农田排水能力较差时,排水与氮素输出负荷都不大,变化幅度也较小,但此时渍害会影响作物生长。
上述分析结果说明,针对研究区作物生长排水需求设计的控制排水方案在稻作期减排的效果非常显著;即使在现有排水沟较浅的情况,控制排水也具有较好的节水减排效果。图4中不同间距与不同沟深之间差距较小,说明控制排水可同时削弱排水强度变化对灌溉需求量与氮素输出的影响。因此,高标准农田建设中提高麦作期降渍能力后,采用控制排水措施可有效减少稻作期农田排水,同时节约灌溉用水、减少排水氮素输出。
图6为DRAINMOD模拟的实施控制排水前后,地下排水组成部分的变化情况。由图6可知,传统排水条件下地下排水所占比例随排水间距增加而减少,几乎呈严格的线性关系(R2分别为0.97、0.98);L=20 m时,地下排水占比高达84.5%(D=60 cm)和90.6%(D=120 cm)。加深排水沟后,地下排水强度提高,地下排水占比较浅沟增加5.5～7.7个百分点。从图6可以看出,控制排水对地下排水量的削减非常显著;L=20 m时,地下排水占比分别为75.6%(D=60 cm)和76.4%(D=120 cm);L=50 m时,地下排水占比分别为56.9%和55.2%;L=120 m时,地下排水占比分别为38.8%和35.6%。当L为120～20 m、D=120 cm时,控制排水模式地下排水平均占比为50.7%;较传统排水下D为60、120 cm,地下排水平均占比分别降低16.0、23.2个百分点。可见,控制排水有效缓解了排水深度变化对地下排水量的影响。控制排水措施减少稻作期地下排水量的同时,会一定程度上增加地表排水量。不过,排水总量的显著减少使得污染物输出总量仍呈现下降趋势。
图6 传统排水和控制排水条件下农田地下排水占比变化模拟结果
Fig.6 DRAINMOD predicted changes in proportion of subsurface drainage under traditional and controlled drainage conditions
(1)传统排水条件下,排水沟深度由60 cm加深至120 cm,排水间距为120～20 m时,预测排水量增加4.0～14.8 cm,TN流失增加2.1～7.8 kg/hm2,增幅均为9.0%～22.2%;NH3-N输出负荷增加0.8～3.5 kg/hm2,增幅为4.0%～16.8%;灌溉用水量增加4.0～14.0 cm,增幅为9.6%～23.4%;增量与增幅随排水间距的缩小而增大。
(2)采取控制排水措施后,因地下排水量减少,灌溉用水量与氮素流失量随之减少;模拟结果表明,控制排水的节水减排效果随排水强度增加而增加;L为120～20 m、D=60 cm时,预测排水量和TN输出负荷减少12.0%～22.9%,NH3-N输出负荷减少3.4%～22.0%,灌溉用水量减少14.6%～28.5%。L为120～20 m、D=120 cm时,预测排水量和TN输出负荷减少19.3%～35.3%、NH3-N输出负荷减少7.6%～27.2%、灌溉用水量减少22.9%～40.0%。
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