节水灌溉稻田土壤水-地下水转化对干湿交替过程的响应机制与调控

Alternate drying and wetting (AWD) had been observed in paddy fields under water saving irrigation, meanwhile, groundwater depth was generally shallow in rice planting area. Which result in frequent water exchange between soil water and shallow groundwater in paddy fields under water saving irrigation. However, no study has focused on response mechanism and regulation of transformation between soil water and shallow groundwater in paddy fields under water-saving irrigation on AWD. So transformation between soil water and shallow groundwater in paddy fields under water-saving irrigation will be analyzed based on field experiments and model simulation in this study. In addition, the impact of soil profile moisture, soil bulk density, and soil crack on percolation and groundwater capillary rise were studied to reveal the response mechanism of transformation between soil water and shallow groundwater in paddy fields under water-saving irrigation on AWD. Hydrus-1d model will be improved to simulate transformation between soil water and shallow groundwater in paddy fields under water-saving irrigation. Different water regulation and groundwater depth will be set to simulate transformation between soil water and shallow groundwater in paddy fields. The simulation results will be used to obtain efficient regulation of transformation between soil water and shallow groundwater in paddy fields in order to realize high water use efficiency in rice production. The results have important theoretical and practical meaning for enrichment of rice water-saving irrigation theory, improvement of water management in paddy fields.

节水灌溉稻田出现连续的干湿交替过程，同时稻作区地下水埋深普遍较小，使得稻田土壤水与地下水界面的水分交换频繁，节水灌溉稻田土壤水-地下水转化对干湿交替过程的响应机制及调控措施有待深入研究。本项目利用蒸渗仪试验与模型模拟结合的方法，研究节水灌溉稻田土壤水-地下水转化特征，探讨干湿交替过程剖面土壤含水率、土壤容重、土壤裂缝的变化对稻田土壤水入渗及地下水补给过程的影响，揭示节水灌溉稻田土壤水-地下水转化对干湿交替过程的响应机制；考虑节水灌溉干湿交替过程对于稻田水分转化、土壤参数的影响改进Hydrus-1d模型，实现稻田土壤水-地下水转化过程的模拟。开展不同水分调控措施、地下水埋深等情景下稻田土壤水-地下水转化量的模拟，以提高稻田水分利用率为目标，确定稻田土壤水-地下水转化过程的高效调控措施。成果对于丰富水稻节水灌溉理论，进一步优化稻田水管理模式具有重要的理论与现实意义。

节水灌溉稻田出现连续的干湿循环，同时稻作区地下水埋深普遍较小，使得稻田土壤水与地下水的水分交换频繁，稻田土壤水-地下水转化对干湿循环的响应机制及调控有待深入研究。本项目通过蒸渗仪试验与模型模拟结合的研究方法，研究了节水灌溉稻田地下水补给量及土壤水-地下水转化量的变化特征，揭示了干湿循环对稻田土壤水-地下水转化的影响机制，构建了节水灌溉稻田的土壤水-地下水转化过程模型，通过情景模拟分析了水文年型、灌溉及排水方式对稻田土壤水-地下水转化的影响，提出了稻田土壤水-地下水转化过程的高效调控措施。.（1）控制灌溉（控灌）模式下，稻田地下水补给过程显著改变，稻季稻田地下水补给量显著增加，有效补给了水稻需水，并直接影响水稻根区土壤水分变化。控灌稻田在稻季76.2%时段内呈现明显的地下水补给过程，稻田地下水补给量均值为203.6mm，占水稻蒸发蒸腾量的36.2%。稻田干湿循环中，30cm深度以下土壤含水率在稻田地下水补给作用下保持稳定。.（2）控灌稻田土壤水-地下水转化关系总体表现为土壤水入渗地下水，在稻季56.5%时间内以地下水补给土壤水为主导作用，主要出现在水稻分蘖期、抽穗开花期及黄熟期。.（3）稻田干湿循环中土壤含水率的变化是土壤水-地下水转化量的主要影响因素。随着稻田干湿循环中土壤含水率的降低，稻田地下水补给量出现上升趋势，且在复水后1天内出现峰值。稻田干湿循环中土壤水-地下水双向转化大部分时间同时发生，不同阶段的土壤水分变化对土壤水-地下水转化过程的影响存在差别。.（4）控灌稻田的干湿循环降低了稻田表层土壤容重，增加了下层土壤容重，并使得土壤干缩裂缝呈现空间变异性，从而影响了稻田土壤水-地下水转化。.（5）构建了节水灌溉稻田土壤水-地下水转化模型，模拟的稻田土壤含水率与实测值变化过程较吻合，稻田土壤含水率模拟值的RMSE小于0.09，NSE大于0，模拟效果较好。.（6）控灌模式下，灌水下限显著影响稻田渗漏量、土壤水-地下水转化量，对地下水补给量无显著影响；地下水埋深显著影响地下水补给量、土壤水-地下水转化量，对渗漏量无显著影响。.（7）控灌模式下，降低土壤水分阈值并抬升地下水位，可有效增加稻田地下水补给量。.（8）将灌水下限及上限设为50%~100%饱和含水率，能够实现稻田土壤水-地下水转化的高效调控。提高灌水下限后，可通过提升稻田地下水位调控稻田土壤水-地下水转化过程。