地表滴灌條件下滴灌量對土壤水分入滲、再分布過程的影響

張志剛，李宏，李疆，程平，武鈺，劉幫

（1.新疆農業大學林學與園藝學院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆林業科學院，新疆 烏魯木齊 830000；3.新疆師范大學地理科學與旅游學院，新疆 烏魯木齊 830054）

地表滴灌條件下滴灌量對土壤水分入滲、再分布過程的影響

張志剛1，2，李宏2*，李疆1，程平2，武鈺3，劉幫1

（1.新疆農業大學林學與園藝學院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆林業科學院，新疆 烏魯木齊 830000；3.新疆師范大學地理科學與旅游學院，新疆 烏魯木齊 830054）

在新疆林業科學院棗樹示范基地進行了原位土的單點源滴灌試驗，研究不同滴灌量條件下地表滴灌濕潤體特征值的變化規律。結果表明：滴灌過程中，當滴灌量較小時，濕潤體呈平臥半橢球體分布，隨著滴灌量的增大，濕潤體呈直立半橢球體分布，濕潤體的形狀大小受到滴灌量和土壤質地的影響，濕潤鋒水平運移距離與入滲時間存在顯著的對數函數關系；濕潤體再分布時間為滴灌停止后的12 h內，滴灌過程中土壤含水率以及土壤含水量變化率在滴頭正下方40 cm處達到最大值，滴灌量（Q）≥72 L時，水平再分布距離不再隨著滴灌量增大而增加；土壤質地以及土壤層的分布直接影響到含水量變化率。

滴灌；水分再分布；濕潤體特征值；運移速率；土壤含水量

張志剛， 李宏， 李疆， 程平， 武鈺， 劉幫. 地表滴灌條件下滴灌量對土壤水分入滲、再分布過程的影響［J］. 農業現代化研究，2016， 37（1）: 174-181.

Zhang Z G， Li H， Li J， Cheng P， Wu Y， Liu B. Effects of irrigation amount on soil water infiltration and redistribution under drip irrigation［J］. Research of Agricultural Modernization， 2016， 37（1）: 174-181.

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗地位于新疆阿克蘇地區溫宿縣境內的新疆林業科學院佳木良種試驗站，80°32’ E，41°15’ N，海拔1 103.8 m。試驗站總面積80 hm2，呈長方形，地勢北高南低，西高東低，南北長1 600 m，東西寬650 m，地下水埋深2.8-3.3 m；屬大陸性干旱荒漠氣候，晝夜溫差大；春季較短，多大風降溫天氣，時常有倒春寒現象發生，夏季炎熱而干燥；降水量稀少，四季分配不均，降水量年際變化大，年均降水量65.4 mm，年蒸發量1 883.6 mm；年均氣溫10.1℃，極端最低氣溫-27.4 ℃，年均日照時數2 747.7 h，≥10 ℃積溫2 916.8-3 198.6 ℃，無霜期195 d。

1.2 試驗土壤

試驗站土壤為棕色荒漠土，有機質0.5-4.6 g/kg之間，pH值8.11-9.85，呈弱堿性，土壤厚度約為3 m。取試驗樣地土壤深度為0-160 cm，第一層土壤為壤土層，深度為0-30 cm，第二層是砂土層，深度為30-50 cm，第三層是黏土層，深度為50-80 cm，第四層是砂土層，深度為80-160 cm，土壤理化性質見表1。

表1 試驗地土壤的主要理化性質Table1 The physical and chemical properties of soil

1.3 樣地選擇及布置

在試驗區內選擇紅棗林內一塊比較平整且土壤未經過擾動的田塊作為試驗樣地，并選擇生長良好，無病蟲害、凍害，地徑為5-8 cm的灰棗3株為試驗樣樹，結合果樹種植株行距，每塊試驗用地面積為5 m×5 m，共計3塊樣地（3次重復），對每塊樣地除去表面覆蓋土以及雜物，將表層土壤翻修平整。為避免果園的日常管理對試驗樣地造成影響，在樣地邊緣人工挖掘深度為1.8 m的壕溝，在壕溝內緊貼樣地一側圍上防滲膜，防滲膜高出地面50 cm以上，防止水分的側滲影響試驗結果，然后把壕溝填滿埋實。為防止果園灌水對樣地的沖擊，在樣地外圍（隔離帶外）堆置高度為0.5 m的土隴作為緩沖帶，緩沖帶同樣鋪設防滲膜。

1.4 試驗設備與試驗方法

1.4.1 試驗設備 滴灌試驗設備由ECH20水分測量探頭及多通道數據采集器、供水系統組成。土壤濕潤體含水量采用Decagon公司生產的ECH20土壤水分傳感器和48通道的自動數據采集器進行動態測量。供水系統由自制的恒壓水桶和可更換滴頭組成。試驗過程中由水桶恒壓供水，并通過更換不同流量滴頭來控制流速，進而保證滴灌歷時的一致性。

1.4.2 試驗方法 滴灌試驗于2014年在紅棗生長季（5-9月）進行，每個處理均采用自制壓力設備，設計滴灌歷時為6 h，滴灌水量分別為Q=24 L、48 L、72 L、96 L，重復3次。試驗前，以距樣樹根部10 cm處為原點（滴頭供水點），與樹行垂直挖長2 m、寬0.5 m、深1.8 m的剖面。如圖1所示，在水平方向上，以樣地原點（距樹干10 cm）O點為起點，距離樹干20、40、60、80、100、120、140、160、180 cm布置探頭，探頭埋深距離地面20 cm；在垂直方向上，以O點為頂點，距離地面20、40、60、80、100、120、140、160 cm的深度布置探頭；另外與水平方向成30°、60°夾角再均勻布置兩排探頭，總共布置探頭31個，水分探頭布置好后再將土壤回埋澆水壓實，經過15-20 d的蒸發，待土壤中含水量為0.11-0.14 cm3/cm3時開始進行滴灌試驗。

試驗進行時每隔10 min采集一次數據，試驗完畢后待試驗樣地土壤容積含水量恢復到或接近初始含水量時，即土壤相對含水量為60%-62%（土壤容積含水量約0.11-0.15 cm3/cm3），再進行下一灌溉水量試驗。Decagon公司生產的ECH2O土壤水分傳感器精確度為±0.01 cm3/cm3，因此滴灌過程中某一處灌水前后兩次土壤容積含水率差值為0.02 cm3/cm3時（即該處含水率增加量為0.02 cm3/cm3），則認為濕潤鋒到達了該處；對濕潤鋒運移距離的測量，通過查找監測數據確定出濕潤鋒到達水平、垂直方向各個ECH2O土壤水分傳感器時所對應的入滲時間，且每個灌水梯度重復3次后取其均值作為濕潤鋒運移距離及所對應入滲時間。

圖1 ECH2O水分探頭布置Fig. 1 Layout of the ECH2O moisture probe

1.5 數據分析

采用SPSS 18.0、Excel 2007軟件進行統計分析，數據處理過程中為能夠更清楚的表述研究情況以及克服初始含水量對試驗結果的影響，以下數據分析均采用容積含水量變化率（試驗過程中某時刻土壤含水量-初始含水量），土壤容積含水量變化率均采用容積百分比表達，即對土壤容積含水量變化率進行分析并采用SURFER8.0軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 滴灌量對濕潤鋒形狀和運移過程的影響

圖2為滴灌量分別為24、48、72、96 L，停止灌溉時濕潤鋒的形狀；圖3為滴灌量分別為24、48、72、96 L，停止灌溉12 h后濕潤鋒的形狀。由圖2可知，停止灌溉時，4種滴灌量條件下濕潤鋒呈平臥半橢球體分布，隨著滴灌量的增加，濕潤鋒的分布范圍逐漸增大。停止滴灌后，由于受到水勢梯度的影響，土壤中的水分還會繼續運移，也就是土壤水分的再分布過程。土壤水分再分布過程中，濕潤體的體積不斷向外延伸。試驗發現，當停止灌溉12 h后，土壤中水分運動極為緩慢，濕潤鋒幾乎不再向外延伸。對比圖2、圖3可知，濕潤鋒在原狀土壤運移過程中，受初始含水率與土壤質地的影響，濕潤鋒邊界均呈不規則分布，當Q≥72 L時，濕潤體的水平擴散距離再分布不明顯，主要原因是水分運移過程中基質勢的作用逐漸變小，水平再分布距離逐漸減小，垂直方向上重力勢的作用隨著滴灌量的增加逐漸增大。受到水分再分布的影響，停止灌溉12 h后，濕潤鋒呈直立半橢球體分布，在水勢梯度的影響下，4種不同滴灌量垂直方向上再分布距離較大。

圖2 停止灌溉時不同滴灌量下濕潤鋒的形狀Fig. 2 Wetting front for different drip irrigation amount after irrigation was stopped

圖3 停止灌溉12 h后不同滴灌量下濕潤鋒的形狀Fig. 3 Wetting front for different drip irrigation amount after irrigation was stopped for 12 hours

水平擴散半徑X（t）與垂直入滲距離Z（t）是滴灌入滲過程中濕潤鋒運移的兩個重要的特征值。圖4為不同滴灌量下濕潤鋒水平擴散半徑X（t）和垂直入滲距離Z（t）隨著時間t的變化過程。由圖可知，水平、垂直運移距離均隨滴灌量增加而增大，且滴灌初期，相同滴灌量下，水平擴散距離大于垂直入滲距離，隨著滴灌歷時的延長及滴灌量的增加，垂直入滲距離漸近并超過水平擴散距離，水分垂直入滲持續時間大于水平擴散時間；當入滲時間小于370 min時，水平擴散距離大于垂直入滲距離，隨著滴灌時間的推移和水勢梯度的作用，同一滴灌量條件下，垂直方向上濕潤鋒的運移時間和運移距離均比水平方向上大；當入滲時間持續到370-400 min左右時，土壤中的水分在水平方向上基本停止了運移，垂直方向上入滲時間持續到780-900 min左右時停止運動（包含水分再分布過程）。土壤水分運移主要受到水勢梯度和重力勢作用，滴灌初期水平擴散距離大于垂直入滲距離，此時段水勢梯度起主導作用，隨著灌水歷時、滴灌量的增加，土壤中水分重力勢逐漸增大，水平方向水勢梯度逐漸減小，導致水分在該方向基本停止運移，垂直方向上受到水勢梯度與重力勢的雙重作用，入滲距離以及入滲時間均比水平方向大。滴灌初期，4種滴灌量中除Q=24 L以外，其余3種滴灌量垂直入滲距離差異較小，結合表1、圖2可知，由于滴灌量較小以及受到黏土層的影響，滴灌量為24 L時，垂直入滲距離明顯小于其他3種滴灌量，可見，該滴灌量在該地區僅限于林木幼苗培育的應用。

圖4 濕潤鋒水平、垂直入滲距離變化過程Fig. 4 Change of horizontal and vertical wetting front during infiltration

對水平擴散半徑Y（t）、垂直入滲距離Z（t）與灌水入滲時間t進行擬合（表2），結果為：濕潤鋒水平擴散距離與入滲時間存在顯著的對數函數關系，垂直入滲距離與入滲時間存在顯著的冪函數關系，決定系數（R2）均大于0.96。依據表2擬合的方程可知，當滴灌歷時確定后，可根據不同滴灌量的擬合方程，計算出4種滴灌量在水平、垂直方向的入滲距離。在滴頭流速不變的條件下，表2中水平擴散、垂直入滲距離擬合方程為滴頭的布置間距以及滴灌量的確定提供了理論依據。

表2 不同滴灌量下濕潤鋒運移的擬合方程參數Table2 Fitted coefficient for relationship between wetting front and irrigation amount

2.2 濕潤鋒平均運移速率分析

濕潤鋒運移的平均速率是指某一段時間內，濕潤鋒運移距離的變化量，用Vx（t）表示水平方向濕潤鋒運移平均速率，即Vx（t）=△x/△t，垂直方向的濕潤鋒運移平均速率用Vz（t）表示，即Vz（t）=△z/△t（△x表示某一段時間內水平增加距離、△z表示某一段時間內垂直增加距離、△t表示與濕潤鋒運移相對應的某一段時間）。圖5為垂直、水平方向濕潤鋒運移速率與入滲時間的關系曲線，利用冪函數Vx（t）=rtm，Vz（t）=jtk對二者進行擬合，決定系數R2均在0.96以上；表3為各個滴灌量條件下Vx（t）、Vz（t）與灌水歷時的擬合結果。從圖5中可知，滴灌初期濕潤鋒在水平、垂直方向上的運移速率隨著滴灌量的增加而增大；濕潤鋒的運移速度在灌水初期較快，隨著時間的延長逐漸降低，主要是因為在滴灌初期，土壤的導水性能較好，且水勢梯度作用較強導致平均運移速率較大；同一滴灌量條件下，濕潤鋒垂直方向上的平均運移速率小于水平方向上的平均運移速率，但是持續時間比水平方向上的長。

表3 不同滴灌量條件下濕潤鋒平均運移速率與入滲時間的擬合方程Table3 Fitted coefficient for relationship between average wetting front migration rate and time under different drip irrigation amount

圖5 濕潤鋒平均運移速率與入滲時間的關系Fig. 5 The relationship between mean rate of wetting front transport and infiltration time

圖6 停止灌溉時不同滴灌量土壤含水量變化率等值線圖Fig. 6 Isogram of soil water content change rate for different drip irrigation amounts after irrigation was stopped

2.3 滴灌量對濕潤體容積含水量變化率的影響

用繪圖軟件SURFER8.0對灌溉過程中各個ECH2O水分探頭實測的容積含水量變化率進行繪制，分別繪制出滴灌量為24、48、72、96 L容積含水量等值線圖、停灌12 h后水分再分布后等值線圖，圖6為停止滴灌時不同滴灌量條件下土壤容積含水量等值線。由圖6可知，隨著滴灌量的增大，濕潤體的體積不斷增大，濕潤體含水量也隨之增大，距離滴頭距離越近，含水量等值線越密；當Q≥48 L時，滴頭正下方約40 cm處土壤含水量變化率達到最大，主要是由于灌溉過程中由于受到土壤導水率的限制，滴灌量逐漸增大，導致土壤中的水分不能及時擴散，引起了水分在滴頭下方的土壤中出現了暫時的停留聚集。以距滴點20 cm，深40 cm處為例，當Q=24 L時，該處含水量變化率2%；隨著滴灌量增大到48 L時，該處含水量變化率也隨之增加了7.5%；Q=72 L時，該處含水量又隨之增加了9%，當Q=96 L時該處含水量增加了10%，結合表1可知，該處為砂壤，田間容積持水量較低，滴灌結束時其土壤含水量變化率較大，且土壤中同一位置含水量變化率會隨著滴灌量的增大而增加。

圖7為停止滴灌12 h后不同滴灌量土壤容積含水量再分布后的等值線圖，對比圖6、圖7可知，當Q＜72 L時，土壤水分再分布后水平擴散距離、垂直入滲距離都出現較大的增加幅度，當Q≥72 L時，土壤水分再分布過程中水平方向上水分再分布不明顯，水分再分布后濕潤區域內含水量變化率都不同程度的減小，土壤含水量變化率降低了4%-7%。距離滴點越近，則土壤含水量變化率下降幅度越大，反之下降幅度越小。滴灌停止時，濕潤鋒外緣處土壤含水量在滴灌結束12 h后均增大，且濕潤體增大。停止滴灌12 h內，土壤中的水分由含水量較高處向外延伸，Q≥48 L時，滴頭正下方深40 cm處含水量達到最大，并向周圍擴展且含水量相應降低。滴灌過程中存在再分布的主要原因是：由于入滲終了后，上部土層水分接近飽和，下部土層仍是原來的狀況，水分必然要由上面水勢高的土層繼續向下邊水勢較低的層次運動。在上層水分有所減少的同時，下層水分得到提高，于是接著又向更深土層遷移，對土壤中的水分重新進行了分配。

圖7 停止灌溉12 h后不同滴灌量土壤含水量再分布等值線圖Fig. 7 Isogram of soil water content redistribution for different drip irrigation amounts after irrigation was stopped for 12 hours

3 討論

滴灌過程中濕潤鋒呈半橢圓形分布，濕潤體的大小以及濕潤鋒的平均運移速率均會隨著滴灌總量增加而增大，濕潤鋒水平、垂直運移距離以及平均運移速率均與入滲時間呈冪函數關系［1-3］。本研究表明，滴灌過程中當滴灌量較小時，濕潤體呈平臥半橢球體分布，隨著滴灌量的增大，濕潤體呈直立半橢球體分布；濕潤體的形狀大小受到滴灌量和土壤質地的影響，且濕潤鋒的外緣邊界呈不規則狀態分布，水分在砂壤中的運移速度要比在黏土中快；濕潤鋒水平運移距離與入滲時間呈對數函數關系，決定系數均在0.96以上；同一滴灌量條件下，濕潤鋒垂直方向上的運移速率小于水平方向上的運移速率，但是持續的時間比水平方向上的長。

滴灌停止后，濕潤鋒的尺寸在12-24 h內變化較大，濕潤鋒變化水平、垂直運移距離出現了增加，且濕潤體的含水率相對減小，再分布距離與再分布后濕潤體含水率變化幅度均受到滴灌量與滴灌歷時的影響［1-3］。本研究表明，當Q≥48 L，滴頭正下方約40 cm處土壤含水量變化率達到最大值，當Q＜72 L時，土壤水分再分布后水平擴散、垂直入滲距離都出現較大的增加幅度，Q≥72 L時，土壤水分再分布過程中水平方向上水分再分布不明顯，垂直方向上增加幅度明顯；由于受到試驗區域土壤質地層次性的影響，停止灌溉12 h內土壤中的水分存在再分布過程，12 h后濕潤鋒再分布基本停止，實際應用過程中濕潤體的分布范圍應該以濕潤體再分布后的數據為參考依據。

濕潤體內土壤含水率的分布同時受滴頭流量和灌水量的控制，在離滴頭由近到遠的位置上，土壤含水率由大到小變化［2］。本研究在滴灌過程中通過對土壤含水量變化率的分析，水分再分布后濕潤區域內含水量都不同程度的減小，土壤含水量變化率降低了4%-7%。滴灌停止時濕潤鋒外緣處土壤含水量在滴灌結束12 h后均增大，且濕潤體增大。濕潤體的含水率大小不僅受到滴灌量、滴灌歷時的影響，同時還受到土壤層質地的影響［6-8］，田間原位土壤層對濕潤體含水率以及再分布范圍的影響較大，但是由于不同區域或相同區域不同樣點土壤層分布差異較大，所以田間原位土壤層的分布對滴灌水分運移的影響只能從宏觀角度分析，具體影響程度還有待進一步研究。

4 結論

本文通過田間原位地表滴灌試驗，研究了滴灌量對土壤水分入滲再分布過程的影響，得出以下結論：

1）土壤水分入滲與再分布過程中，濕潤體的形狀由平臥的半橢球體逐漸變為直立的半橢球體，受土壤質地的影響，濕潤鋒邊界呈不規則形態分布；濕潤鋒水平運移距離與入滲時間呈對數函數關系，決定系數均在0.96以上；濕潤鋒平均運移速率受到滴灌量以及土壤質地的雙重影響，由于土壤水分重力勢的主導作用，垂直入滲時間較水平擴散時間長。

2）濕潤體再分布時間為滴灌停止后的12 h內，滴灌過程中以及水分再分布后滴頭正下方40 cm處含水率以及土壤含水量變化率均為最大值；滴灌量（Q）≥72 L時，水平方向濕潤鋒再分布距離不明顯，當滴灌量達到一定水平時，水平再分布距離不再隨著滴灌量增大而增加。土壤質地以及土壤層的分布直接影響到含水量變化率；由于濕潤體存在再分布過程，因此濕潤體再分布停止后的水分運移距離即為濕潤體的最大分布范圍。

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（責任編輯：王育花）

Effects of irrigation amount on soil water infiltration and redistribution under drip irrigation

ZHANG Zhi-gang1，2， LI Hong2*， LI Jiang1， CHENG Ping2， WU Yu3， LIU Bang1
（1. College of Forestry and Horticulture， Xinjiang Agricultural University， Urumqi， Xinjiang 830052， China； 2. Xinjiang Academy of Forestry Sciences， Urumqi， Xinjiang 830000， China； 3. College of Geography Science and Tourism， Xinjiang Normal University， Urumqi， Xinjiang 830054， China）

The objective of the study was to investigate the effects of irrigation amount on characteristic of wetting front in a sand soil at a Jujube demonstration base of Xinjiang Academy of Forestry Sciences. The results show that initial drip irrigation wetting front was lying semi-elliptical when irrigation amount is relatively small. With the increase of drip irrigation amount， the wetting front was erect semi ellipsoid distribution. The wetting front shape and size was affected by irrigation amount and soil texture. A logarithmic function could be used to fit the relationship between wetting front distance and infiltration time. The redistribution time was 12 hours after the end of the drip irrigation. Both soil water content and the change rate of soil water content was maximum at 40 cm depth immediately underneath the dripper. The distance of the horizontal wetting front did not expand with the increase of drip irrigation when irrigation amount was beyond 72 L. Soil texture and distribution of soil layer directly affected the change of water content.

drip irrigation； water redistribution； characteristic value of wetted body； moist ratio； water content of soil

水資源短缺是限制新疆地區可持續發展的主要因素，紅棗作為南疆地區的重要產業，群眾經濟收入的主要來源，其發展在很大程度上受到干旱缺水的制約［1］。滴灌是一種既能有效地提高灌溉水的利用效率，又能減少作物根系層營養物質淋失的節水灌溉技術［2-5］。在正確的系統設計和高水平的田間作物水分管理條件下，滴灌系統能夠適時適量地進行灌溉，在作物的根區創造出適宜的水、肥、氣、熱條件，從而獲得節水、高產、優質的效果［5-6］。

對滴灌條件下水分運移規律及分布特性的研究，是進行正確的滴灌系統設計和高水平的田間作物水分管理的前提和基礎。目前眾多學者對該方面的理論和試驗研究較多，羅錫文等［7］用4種滴速在室內條件下進行了磚紅壤水分入滲試驗研究，測定了不同時刻和不同深度處土壤的含水率，分析了磚紅壤水分遷移特性；張振華等［8］在實驗室內模擬研究了不同滴速、初始含水率和容重條件下，粘壤土點源入滲土壤濕潤體水平擴散半徑和垂直入滲距離的變化規律；王志榮等［9］進行了粗砂土和粉壤土的點源入滲實驗，得出了在不同滴頭流量情況下，滴灌下可以形成非充分供水和地表積水兩種入滲邊界，并對兩種邊界條件特點及其滴頭流量、灌水時間、濕潤鋒、含水率分布等之間的關系進行了分析；朱德蘭等［10］在粉質黏土和重粉質黏土中進行了滴灌條件下土壤水分分布特性研究，并提出不同土壤水分水平擴散和垂直擴散隨時間變化的數學模型。而對沙壤土條件下滴灌研究較少，前人的研究方法主要是通過室內實驗或者室內裝箱實驗來測定滴灌入滲過程中土壤水分運移、分布規律特性以及對外界影響因子進行數值模擬和計算［11］，室內滴灌實驗破壞了土壤的原物理結構，其實驗結果不能有效地指導實踐。前人主要研究滴灌入滲過程濕潤鋒的運移以及土壤水分運動規律，很少涉及到結束滴灌后土壤水分再分布過程研究，而對土壤水分運移規律和結束灌水后土壤水分再分布的綜合研究較少［12-17］。為系統的研究滴灌下土壤水分運移規律、并有效指導實踐，本文針對前人研究的不足，在沙壤土條件下進行田間原位紅棗樹下單點源入滲試驗，通過自動監測土壤中水分在同一滴灌歷時不同滴灌量條件下的運移過程，對比不同滴灌量情況下土壤水分運移規律，系統的揭示了沙壤土下田間原位紅棗樹下滴灌水分運移規律和土壤水分再分布規律，為滴灌系統的設計和運行管理提供理論依據。

Industry of National Public Welfare （Forestry） Scientifi c Research （201304701-2）.

LI Hong， E-mail: hong1962@126.com.

30 April， 2015； Accepted 12 October， 2015

S152.7

A

1000-0275（2016）01-0174-08

10.13872/j.1000-0275.2015.0178

國家林業公益性行業重大專項（201304701-2）。

張志剛（1986-），男，河北衡水人，博士研究生，主要從事節水灌溉、林果栽培方面的研究，E-mail: 648753460@qq.com；通訊作者：李宏（1962-），男，新疆伊犁人，研究員，博士生導師，主要從事森林培育方面的研究，E-mail：hong1962@126.com。

2015-04-30，接受日期：2015-10-12