基于人工降水模擬的不同灌溉方式下土壤水分入滲

萬爽+何俊仕+付玉娟+楊欽

摘要：針對半干旱地區水資源以及灌溉方式問題，通過人工降水模擬結合正交試驗的方法，對不同灌溉方式下土壤水分入滲進行研究，設置了漫灌、溝灌、膜下滴灌3種不同灌溉方式，田間持水率的50%、60%、70% 3種不同土壤初始含水率，10、20、30 mm/h 3種不同降水強度進行正交試驗。結果表明，降水強度對土壤含水率的變化速率影響最大，降水強度越大，土壤含水率的變化值越大，且不同時間影響程度不同；在同一降水強度下，隨著土壤初始含水率的增加，土壤的入滲越慢；不同灌溉方式比較的結果表明，膜下滴灌的膜外入滲最快。研究結果為揭示灌水方式對土壤入滲的影響，為研究土壤水運移和地下水入滲補給提供了參考。

關鍵詞：降水模擬；正交試驗；灌溉方式；土壤水分入滲

中圖分類號： S275

文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）04-0401-04

在半干旱地區由于降水不足，水資源短缺，因此需要充分利用雨水資源，而減少地表徑流、增加降水的入滲率則是提高降水利用率的有效途徑[1]。土壤水是聯系降水、地表水和地下水的重要環節，研究土壤水分與降水之間的關系對解釋降水徑流產生機制，以及土壤水分再分布、土壤水分運移、對地下水的補給研究都有著重要的作用[2]。降水（灌溉水）入滲補給受到很多因素的影響，如植被、土壤性質、土壤前期含水量、降水強度、降水歷時以及地下水埋深等都會影響土壤水的下滲以及下滲率[3-4]。土壤入滲性能對于水資源高效利用、農業灌溉和水文環境等具有重要的意義[5]。

土壤水分入滲是水分在土壤內部分布的一個動態過程，因此，土壤初始含水率的變化必然影響土壤入滲過程。劉汗等研究表明，土壤的入滲性能隨著降水強度和初始含水率的增加而降低[6]；劉目興等研究表明，隨著土壤初始含水率的增大，林地和草地下土壤初始入滲率減小，入滲趨于穩定所需時間縮短，累積入滲量和穩定入滲率增大[7]。吳發啟等研究表明，土壤穩滲速率與降水強度呈冪函數關系，隨著含水率的增加，土壤入滲速率減小；隨著時間的延續，含水率對入滲的影響變小到可以忽略[8]。王國梁等研究表明，不同土地利用方式對土壤含水率有不同的影響[9]。劉宏偉等研究了濕潤地區的土壤水分，并探討了其對降水的相應模式[10]。李裕元等也證明了入滲率與降水歷時也呈冪函數關系[11]。郝芳華等研究表明，土壤水動態與灌溉或降水關系密切[12]。本試驗采用人工降水法研究土壤水入滲變化，通過降水模擬器模擬天然降水[13-15]，為揭示灌水方式對土壤入滲的影響效應、尋求增加和減少降水入滲的臨界控制條件以及為得到土壤水運移和地下水入滲補給的規律提供參考。

本研究采用正交試驗設計，找出最優的水平組合，通過試驗結果分析，了解全面試驗的情況[16]。

1 材料與方法

1.1 試驗實施

試驗設在遼寧省朝陽市建平縣灌溉試驗站，該站位于119°18′36″E、41°47′18″N，建平縣屬于干旱半干旱過渡帶季風性大陸性氣候，全縣多年平均降水量438.3 mm，年內降水變化較大且分布不均，降水多集中在6—8月，多年平均蒸發量為1 850～2 200 mm；多年平均徑流深50～81 mm，多年平均氣溫6.7～10.0 ℃。

本試驗在測坑進行，每個測坑長2.0 m、寬2.5 m、深2.0 m，采用C25鋼筋混凝土整體澆注。測坑之間用8 mm厚的鋼板隔開，并高出地面0.15 m，以防止小區徑流流出及區外徑流流入。測坑內鋪設0.5 m的濾層，中間設出水口，出水口外放置1個直徑0.3 m、高0.4 m測定指標的徑流桶，用以收集徑流。小區上方有遮雨棚可以避免降水對試驗的影響。

1.2 試驗設計

為了研究不同的灌溉方式（裸地漫灌、溝灌、膜下滴灌）、初始含水率、降水強度對水分運動的影響，本試驗設置3個變量，分別為灌溉方式、初始含水率、降水強度。灌溉方式選取裸地漫灌、溝灌、膜下滴灌；初始含水率選取田間持水量（21%）的50%、60%、70%；降水強度選取10、20、30 mm/h。灌溉方式、初始含水率與降水強度各設3個水平，試驗選取3因素3水平正交，試驗因素與水平見表1，試驗分組的具體參數見表2，試驗組示意見圖1。

1.3 儀器與設備

降水模擬系統采用QYJY-5 O 1便攜式野外模擬降水器，它主要由供水系統、降水系統、動力系統3大部分組成。降水模擬器的降水量、雨型、降水強度可通過選定噴頭（大雨、中雨、小雨）調節供水壓力來完成。含水率數據采集采用HOBO U30 NRC數據采集器（10個智能數字通道接口， 15個數據通道，10 A·h蓄電池）Soil Moisture-10HS土壤水分傳感器，5 m纜線。尺寸：160 mm×32 mm×2.0 mm，測量范圍：0～57% 土壤體積含水率，可測鹽土。測量體積1 L。

2 結果與分析

本試驗首先采集降水過程中不同深度、不同位置的土壤含水率，然后選取某一位置、某2個時間點的土壤含水率變化值，求其瞬時土壤含水率變化速率，公式如下：

2.1 土壤含水率變化速率的綜合分析

土壤含水率的變化速率是分析土壤水分運移的重要參數，可確定灌溉方式、土壤初始含水率、降水強度對其影響的主次，對土壤水入滲研究具有重要作用。

由表3可以看出，降水0.5 h時，土壤平均含水率的變化速率極差：降水強度（10.83）>初始含水率（10.19）>灌溉方式（4.90），即降水強度對平均土壤含水率的變化速率影響最大，土壤初始含水率次之，灌溉方式最小；同理可知，降水后降水強度對平均土壤含水率的變化速率影響最大，灌溉方式次之，土壤初始含水率最小。由于降水初期，降水時間較短，土壤含水率的變化相對較快，所以初始含水率的大小對其影響較大；然而由于長時間的降水，土壤含水率基本達到飽和，其變化值相對較小，所以初始含水率對其影響減小，但是3種不同的灌溉方式（漫灌、溝灌、膜下滴灌）改變了土壤下墊面，如膜下滴灌覆膜阻礙了水分的運移。但是不管降水時間的長短，降水強度都是對土壤含水率的變化速率影響最大的因素。

從圖3可以看出（P表示田間持水率，即設置田間持水率的50%、60%、70%分別為0.5 P、0.6 P、0.7 P），漫灌的速率最大，溝灌次之，膜下滴灌最小；初始含水率越小，變化速率越大；降水強度越大，變化速率越大。從圖4可以看出，溝灌的速率最大，漫灌次之，膜下滴灌最小；初始含水率越小，變化速率越大；降水強度越小，變化速率越大。由此可以看出，降水強度在降水初期和后期對其變化速率影響發生了明顯變化，由于降水后期土壤幾乎達到飽和，降水強度越大，飽和越快，所以變化速率越小。

2.2 降水強度對土壤入滲性能的影響

不同處理的土壤含水率變化過程見圖5、圖6、圖7，溝灌測定壟溝處的含水率，膜下滴灌測定膜邊處的含水率，這樣與漫灌進行對比可以盡量減少其他條件所帶來的誤差。在穩定降水強度下及同一灌水方式下，隨著降水強度增大，土壤含水率變化值隨之增大，當時間不斷延續，含水率變化則將達到某一定值。原因在于在降水初期，土壤含水率相對較低，土壤處于不飽和狀態，隨著降水強度不斷增大，土壤吸收水分增多，當土壤達到飽和狀態時，土壤含水率將不再變化；無論是漫灌、溝灌還是膜下滴灌都符合這一規律。

2.3 土壤初始含水率對土壤入滲性能影響

由于降水強度對于土壤入滲影響較大，所以保證降水強度一致，從圖8可以看出，在同一降水強度（30 mm/h）下，A3B1C3（即土壤初始含水率為田間持水率的50%）處理土壤含水率首先達到定值（即飽和含水率），然后A2B2C3處理（即土壤初始含水率為田間持水率的60%）達到定值，最后為A1B3C3處理（即土壤初始含水率為田間持水率的70%），即隨著土壤初始含水率的增加，土壤入滲減慢，這一結論與土壤入滲過程的研究結果是一致的。當土壤初始含水率為10.5% 時，降水1h時達到穩定；當土壤初始含水率為12.6% 時，降水2 h時達到穩定；當土壤初始含水率為14.7% 時，降水3 h后才達到穩定，即隨著土壤初始含水率的增加，由于初始含水率越低，土壤水分下滲越快，所以達到飽和的時間就越快。

2.4 不同灌水方式對土壤含水率的影響

膜下滴灌，初始含水率為14.7%、降水強度為20 mm/h條件下的土壤含水率變化見圖9；膜下滴灌，初始含水率12.6%、降水強度10 mm/h的土壤含水率變化見圖10；膜下滴灌，初始含水率10.5%、降水強度30 mm/h的土壤含水率變化見圖11。從圖中土壤含水率變化的先后順序可以看出：對于膜下滴灌，降水垂直入滲先是膜邊，接著壟溝，最后是膜中，原因在于覆膜狀態下，降水后雨水被薄膜阻礙而匯聚流到膜邊，所以膜邊吸收水分多、入滲快；然后是壟溝部分，這是由于壟溝部分沒有雨水匯集，也沒有薄膜的阻礙作用；最后是膜中部分，由于薄膜覆蓋導致入滲最慢。

溝灌、初始含水率10.5%、降水強度20 mm/h的土壤含水率變化見圖12，溝灌、初始含水率12.6%、降水強度30mm/h的土壤含水率變化見圖13，溝灌、初始含水率14.7%，降水強度10 mm/h的土壤含水率變化見圖14。可以看出，溝灌、溝內中間的降水入滲量較多，壟邊次之，壟上中間最少，主要是由于溝灌起壟，改變了土壤的下墊面，下墊面越低其入滲越快；由于漫灌和溝灌均沒有薄膜覆蓋，3種灌水方式下的降水入滲過程進行對比可知，膜下滴灌的膜外入滲最快，影響深度最大。

3 結論

利用人工降水模擬結合正交試驗，得出了灌溉方式、土壤初始含水率、降水強度對土壤含水率變化速率的影響程度，分析不同灌水方式、土壤初始含水率、降水強度對土壤入滲的影響，得出以下結論：（1）降水強度對土壤含水率的變化速率影響最大，同一灌水方式下，降水強度越大，土壤含水率的變化值越大；（2）不同灌溉方式比較的結果表明，膜下滴灌的膜外入滲最快，主要原因是由于覆膜導致水滴凝聚累積沿膜入滲；（3）在同一降水強度下，隨著土壤初始含水率的增加，土壤的入滲減慢。

本研究尚處于初步試驗階段，今后可進一步考慮田間原位試驗研究，為土壤水運移以及地下水入滲補給研究提供參考。

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