灌溉制度调控土壤水分深层渗漏的机制及其对农田水循环的影响

《Agricultural Water Management》：Mechanisms by which irrigation regimes influence soil water deep percolation

本研究针对灌溉引发的深层渗漏(DP)制约农业水资源高效利用的关键问题，通过田间试验与HYDRUS-1D模型模拟相结合的方法，系统研究了不同灌溉制度（雨养、单次灌溉、二次灌溉、三次灌溉）下土壤水分分布特征及深层渗漏机制。研究发现灌溉促进土壤剖面稳定入渗通道形成，根层吸水(TP)对灌溉制度的响应比土壤蒸发(ES)更敏感，并首次揭示了深层渗漏系数(K)的动态变化规律（0.19-0.31）及其与根层吸水的互补关系，为优化农田灌溉制度、提高水分利用效率提供了重要理论依据。

　　

农业灌溉消耗了全球90%的淡水资源，而灌溉田间的深层渗漏(Deep Percolation, DP)占灌溉总用水量的20%以上。在华北平原这样的重要农业区，减少农田深层渗漏是提高水资源利用效率、保护淡水资源的关键措施。然而，不同灌溉制度如何影响深层渗漏的内在机制尚不明确，特别是作为农业水文系统耦合关键参数的深层渗漏系数(K)的研究更是匮乏。这限制了通过优化灌溉制度来实现节水增产的目标。

为了揭示这一机制，中国水利水电科学研究院水循环与水资源安全国家重点实验室的研究团队在《Agricultural Water Management》上发表了最新研究成果。他们在2022年3月至2024年3月期间，在华北平原衡水农业试验站开展了为期两年的连续田间试验，结合HYDRUS-1D模型模拟，系统研究了四种不同灌溉制度（雨养RF、单次灌溉SI、二次灌溉DI、三次灌溉TI）下土壤水分分布特征和深层渗漏调控机制。

研究采用了多种关键技术方法，包括在四个试验田布设TDR(时域反射计)设备监测土壤水分含量，使用HYDRUS-1D模型构建土壤水动力学模型，通过van Genuchten-Mualem参数函数求解修正的Richards方程，并基于FAO Penman方法计算参考蒸散量(ET₀)，同时采用Feddes模型模拟根系吸水速率。

3.1. 不同灌溉制度下土壤水分的时空演变特征

研究发现，0-100厘米上层土壤水分对灌溉和降水输入表现出明显的敏感性。灌溉有利于土壤剖面形成稳定的入渗通道，加速水分下渗，导致100厘米以下高含水量区增厚。随着灌溉频率增加，RF、SI、DI和TI试验田200厘米深度范围内的高土壤水分层持续增厚，其中100-200厘米区域效果最显著。土壤水分变异系数(C_v)分析表明，较湿润的土壤能更好地维持稳定的水分条件，为作物生长提供更有利的水分环境。

3.2. 模型校准与验证

研究人员构建了四个试验田的HYDRUS-1D模型，校准期和验证期的RMSE值分别为0.009-0.036和0.012-0.050，表明模拟精度符合要求。基于校准模型计算的农田水分平衡显示，灌溉显著增加了土壤水储量变化，深层渗漏系数K在0.19-0.31之间变化。

3.3. 不同情景下的农田水分平衡

3.3.1. 灌溉频率对深层渗漏系数的影响

在固定灌溉定额75毫米条件下，所有四个试验田的DP都随灌溉频率增加呈抛物线增长，K值也呈现相同趋势。土壤质地显著影响DP，砂粒含量较高的土壤表现出更大的深层渗漏。

3.3.2. 灌溉定额对深层渗漏系数的影响

灌溉定额显著影响DP，相同灌溉频率下，随着灌溉定额增加，DP增加，K值持续上升。研究发现，在75-90毫米灌溉定额范围内采用DI处理最能平衡根层吸水和深层渗漏的关系。

4.1. 根层吸水与深层渗漏的交互响应机制

研究首次提出了单位灌溉增量根层吸水增量(KR)和单位灌溉增量深层渗漏增量(KD)两个指标。结果显示，KR和KD呈现完全相反的变化趋势，存在明显的互补关系。灌溉制度通过调节土壤水分分布，直接影响根层吸水，间接调控K值的波动，形成了灌溉制度控制下根层吸水与K的交互响应机制。

4.2. 模型局限性、实际意义与展望

研究忽略了侧向土壤水流和地下水毛细上升的影响，在坡度明显或地下水位较浅的地区可能产生偏差。基于研究成果，研究人员建议采用"二次灌溉，单次定额75-90毫米"的灌溉制度，总灌溉定额210-240毫米，显著低于当地农民目前采用的灌溉量。

研究结论表明，灌溉制度对深层渗漏系数(0.19-0.31)具有重要影响，深层渗漏系数主要受根层吸水的调控，这与灌溉制度对根层水分胁迫的影响密切相关。通过调节水分胁迫强度，灌溉制度影响根层吸水，进而影响深层渗漏，形成了以深层渗漏系数为表征参数的水分输送过程动态反馈机制。这一发现为优化农田灌溉管理、提高水资源利用效率提供了重要的理论依据和实践指导。