負壓灌溉條件下土壤水分運移規律研究

石先德 王巖 曹承岳 靳國玉

摘 要：新型灌水材料——陶土管（Ceramic，USA）配之以先進的負壓調控技術，可使土壤水分始終保持最適于作物生長的狀態，實現節水、節能的目標。該研究利用試驗研究對負壓灌溉下土壤水分運移規律進行研究，結果表明：在陶土管內負壓為14 cm時的負壓灌溉系統下，可以實現負壓灌溉。隨著時間推移，土壤濕潤范圍越來越大，土壤含水量逐漸增加，最終達到一個最大土壤含水率值，并可實現自我調節。

關鍵詞：負壓灌溉 土壤水分運動 負壓水頭 陶土管

中圖分類號：S15 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）07（a）-0024-02

負壓灌溉是以土壤動力學為理論依據，只要負壓供水水頭不超過一定范圍，即使水源高程低于灌水器進水口高程，灌溉也是完全可行的。土壤質地、供水水頭、灌水器及水質是影響負壓灌溉土壤運移的主要因素[1-3]。

新型灌水材料——陶土管（Ceramic，USA）配之以先進的負壓調控技術，可使土壤水分始終保持最適于作物生長的狀態，實現節水、節能的目標。這種新型的陶土管本身含有大量毛細管，但仍具有管狀的特性，具備透水不透氣并能輸水的功能，它與負壓灌溉系統可以組成一套全新的密閉空間系統，理論上可以實現自動調節灌溉。該文主要采用直徑為1 cm的陶土管（Ceramic，USA）在14 cm負壓水頭下，經過多天對土壤濕潤峰、土壤含水率以及灌水量的觀測和記錄，通過分析得出陶土管（Ceramic）灌水器對負壓灌溉下土壤水分的運移規律的影響。

1 材料與研究方法

1.1 試驗材料

該試驗系統由有機玻璃土箱、供水裝置、測壓管以及小水箱組成。有機玻璃箱高20 cm，長寬分別為30 cm×30 cm。在土箱一側中央距底部10 cm處鉆一直徑1.2 cm的小孔，以便連接陶土管。馬氏瓶用于灌溉供水并控制負壓水頭。室內土箱試驗所用土壤采自天津市津南區葛沽鎮楊岑子村試驗示范區，土壤容重1.68 g/cm3，飽和含水率22.15%（質量百分數），其土壤理化性質見表1。試驗土壤經風干、碾碎和過2 mm篩后，每5 cm分層裝入土箱。小水箱與馬氏瓶和測壓管通過膠皮管連通，使其液面距陶土管高度為14 cm。測壓管直接與陶土管相接，確保整個裝置密封不透氣。

1.2 試驗設計

試驗初期，每隔兩個小時觀測一次馬氏瓶水量、測壓管讀數、土壤水平垂直濕潤峰以及陶土管水平距離0 cm、2 cm、4 cm、6 cm處的土壤含水率、土壤溫度、土壤電導率。12 h之后，每日8：00與20：00各測一次，直到試驗結束。

2 試驗分析和結果

2.1 濕潤峰隨時間的變化規律

2.1.1 水平濕潤峰的變化特征

圖1描述的是當陶土管距離水箱液面為14cm時，陶土管周圍土壤水平濕潤峰的變化情況。從圖1中可以看出，在試驗開始階段，土壤并無濕潤峰的形成。隨著灌溉時間的推移，水平濕潤鋒逐漸增大，呈線性規律增長，其相關系數接近于1。這與劉明池[2]和梁錦陶[4]得出的結果一致。當試驗結束時，水平濕潤峰達到最大。

2.1.2 垂直濕潤峰的變化特征

圖2所描述的是陶土管周圍土壤垂直向下濕潤峰的變化情況。從圖2中可以得出，垂直濕潤峰的變化規律與水平濕潤峰的大致相似。試驗進行到第五天時，垂直濕潤峰達到土箱底部，達到最大。說明在陶土管內負壓為14cm的陶土管負壓灌溉系統下，隨著時間的增加，陶土管周圍土壤的濕潤距離逐漸變大。

2.2 土壤含水率的分布規律

圖3是試驗中陶土管周圍土壤含水率隨時間變化的曲線圖。分別為陶土管管旁和陶土管水平距離2cm、4cm、6cm處的土壤含水率變化圖。從圖3中可以看出，4處土壤含水率初始值是相同的，之后整體趨勢都是隨時間的推移而增大，而管旁要較2cm處含水率變化速度稍快，2cm處較4cm處的含水率變化速度快，6cm處的含水率變化速度最慢。當達到一定時間后，4處含水率在最大值處上下小幅徘徊。分析可得，陶土管負壓灌溉系統下，陶土管旁土壤含水率隨時間的增加而增大，當達到一定時間后開始在一定范圍內小幅變化，說明了此種灌溉方式具有自我調控功能，不同于其他灌溉方式。而且越接近陶土管表面的土壤，含水率變化速度越快，越早達到恒定狀態。

2.3 灌水量變化規律

試驗觀測時，讀取馬氏瓶水位。馬氏瓶長6cm，寬5cm，根據每次下降的水位，乘以底面積得出土壤吸收水量。如圖4所示，灌水量隨著時間的推移，呈線性增長。由此可以得出，土壤吸收水量與時間有著較好的相關關系，其相關系數接近于1。說明此種陶土管負壓灌溉系統下，陶土管向土壤滲水速度是恒定的。與劉明池[2]得出的結果是一致的。

3 結論

當今世界水資源匱乏，可利用水資源逐漸減少，而現有的灌溉技術，如滴灌、噴灌等雖然節水，但能耗較大，也無法適當的調節土壤含水量。負壓灌溉技術可以在不需要提供任何動力的條件下濕潤土壤，滿足作物需水要求，節水節能。利用特殊材質陶土管的負壓灌溉系統對節水節能以及滿足作物需水要求方面更加有利。本文在此基礎上利用試驗研究對負壓灌溉下土壤水分運移規律進行了探討，分析各項數據得出以下結論：在陶土管內負壓為14cm時的負壓灌溉系統下，可以實現負壓灌溉。土壤濕潤范圍越來越大。土壤含水量隨著時間的推移而增加，最終土壤達到一個最大含水率值，并且維持在一個恒定數值，說明此系統可以實現土壤水分的自我調節。

（致謝：感謝天津農學院水利工程學院試驗教學中心平臺提供試驗場地，感謝金建華老師和楊奎明老師對試驗提供的幫助。）

參考文獻

[1] 江培福，雷廷武，Vincent F. Bralts，等.土壤質地和灌水器材料對負壓灌溉出水流量及土壤水運移的影響[J].農業工程學報，2006，22（4）：19-22.

[2] 劉明池.負壓自動灌溉水蔬菜栽培系統的建立與應用[D].北京：中國農業科學院，2001.

[3] 江培福.負壓灌溉技術原理及其實驗研究[D].北京：中國農業大學，2006.

[4] 梁錦濤.負壓灌溉土壤水分運移特征研究[D].太原：太原理工大學，2011.