入滲水頭對膜下小管岀流壟溝灌土壤水分運移影響

馬 超，張運鑫，程東娟，王利書，胡浩云，李 菲，張 策

(河北工程大學水利水電學院，河北 邯鄲 056021)

0 引 言

水資源短缺一直都是阻礙我國農業可持續發展的障礙，尤其是在干旱半干旱地區，因此發展新型高效節水灌溉技術尤為重要[1,2]。膜下小管岀流灌溉是近些年來先進的節水灌溉方式之一，不僅具有覆膜保墑、保溫等特點，而且通過空間三維入滲，提高了灌水均勻度和水肥的利用效率，投入低，增產效果好[3,4]。壟溝灌溉技術以復合群體間(套)作技術為載體，將目前旱地農業中的壟溝技術與灌溉農業中的溝灌技術進行有機結合，它是伴隨種植結構調整而產生新型灌水技術，通過溝中灌水側滲實現水分在壟溝間的分配,同時水肥大部分在地面以上的壟上運移，不會對下層土壤造成影響，防止土壤的次生鹽堿化[5-8]。目前，國內外學者對膜下小管岀流和壟溝灌分別進行了大量的研究，但把兩種節水灌溉方式結合在一起的研究少之又少。因此，開展了室內不同入滲水頭的膜下小管岀流壟溝灌入滲試驗，以期研究其土壤水分運移特性，為推廣高效節水灌溉方法提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

為了研究不同入滲水頭膜下小管岀流壟溝灌條件下土壤水的運移、分布規律，在室內利用膜下小管岀流壟溝入滲裝置進行了不同入滲水頭的純水膜下小管岀流入滲試驗。膜下小管岀流入滲裝置由土箱和供水裝置組成，如圖1所示：試驗土箱采用5 mm厚的有機玻璃板制作而成，試驗土箱尺寸為20 cm×25 cm×30 cm，為了便于觀測濕潤鋒的發展過程,將1/2壟溝設置在土箱的一側，如圖1中的A-D-I-J-K-L位置，在壟溝溝底設置小管，管距為15 cm。模擬膜下壟溝滴灌時，將膜下小管岀流的出水口處安裝上滴灌滴頭即可。供水裝置為馬氏瓶，馬氏瓶采用透明的有機玻璃制作而成，瓶身帶有刻度，截面積為30 cm2。

圖1 膜下小管岀流壟溝灌自由入滲裝置Fig.1 The device of indoor infiltration experiments

試驗土壤采用大田0～30 cm的土壤，供試土壤為壤土，經過碾壓、粉碎、風干，過2 mm篩子，土壤初始質量含水率為8.0%，初始含鹽量為2.69 g/kg，飽和導水率為3.235 mm/h，容重為1.3 g/cm3。壟溝頂寬8 cm，深5 cm，入滲水頭設置3個水平，分別為3、4、5 cm，對照為膜下壟溝滴灌(入滲水頭為4 cm)，重復3次，取平均值。

1.2 試驗方法

試驗時將馬氏瓶調整至所需水頭，裝入純水，排氣備用。按圖1所示，按照預定的土壤容重分層(5 cm厚)裝入試驗土箱，每層之間做刮毛處理，共6層，然后根據壟溝大小切出壟溝形狀然后覆膜，通過供水管連接試驗土箱和馬氏瓶，調整馬氏瓶到所需水頭。實驗開始，打開馬氏瓶出水閥門，純水進入壟溝內，模擬膜下小管出流壟溝灌。試驗灌水量為750 mL，試驗過程中由密到疏觀測馬氏瓶水面下降刻度以計算累積入滲量，并描繪以溝底J點為基點的濕潤鋒曲線。試驗結束后，在土壤A-B-E-F剖面沿水平和垂直兩個方向按網格(2.5 cm×2.5 cm×2.5 cm)取土。每個取土點取一個土樣，采用烘干法測定含水率。

2 結果與分析

2.1 入滲水頭對膜下小管岀流壟溝灌累積入滲量的影響

入滲水頭對膜下小管岀流壟溝灌累積入滲量的影響如圖2所示，由圖可知，膜下小管岀流壟溝灌的累積入滲量與膜下壟溝滴灌(CK)存在很大差異，相同時間膜下壟溝滴灌的累積入滲量明顯少于膜下小管岀流，并且入滲時間明顯大于膜下小管岀流。不同入滲水頭的膜下小管岀流壟溝灌累積入滲量隨著時間的增加而逐漸增加。相同入滲時間時，累積入滲量隨著入滲水頭的增加而增加，入滲前期變化不明顯，隨著時間增加變化越來越明顯，尤其當灌水水頭達到5 cm時，由于壟溝內積水較多，與土體表面接觸面積較大，累積入滲量明顯大于其他處理，后期逐漸入滲至750 mL。入滲至750 mL時各處理所用時間為39′20″(CK)、20′03″(3 cm)、17′54″(4 cm)和16′13″(5 cm)，隨著入滲水頭的增加，用時逐漸減少。將累積入滲量與入滲時間用Kostiakov模型進行冪函數擬合，由實測資料可得擬合結果，如表1。

圖2 不同入滲水頭累積入滲量Fig.2 The cumulative infiltration volume

灌溉方式入滲水頭/cm擬合結果膜下壟溝滴灌(CK)4I=18.969t0.9988 R2=0.99853I=131.68t0.6192 R2=0.9924膜下小管岀流壟溝灌4I=142.79t0.6062 R2=0.99125I=153.22t0.5976 R2=0.9809

注：I為累積入滲量，mL；t為入滲時間，min。

2.2 入滲水頭對膜下小管岀流壟溝灌濕潤鋒運移距離的影響

濕潤鋒是指在濕潤帶的末端，土壤含水量突變，與下層干土有明顯的界面，它是體現土壤水分運移特點一個重要的理論根據[9,10]。圖3是不同入滲水頭膜下小管岀流壟溝灌不同時間濕潤鋒運移距離，圖4和圖5分別為不同入滲水頭時(圖4中y軸0～5 cm為溝深)，膜下小管岀流壟溝灌水平濕潤鋒和垂直濕潤鋒運移距離及再分布隨時間變化曲線。從圖中可以看出，在水平和垂直方向，濕潤鋒運移距離均隨時間延長而增大；相同入滲時間，隨著入滲水頭的不斷增加，水平濕潤鋒運移距離不斷增大，但垂直濕潤鋒運移距離逐漸減小，與膜下壟溝滴灌相比，差異都很大，再分布過程中規律與其相似。灌水水頭為5 cm時，水平濕潤鋒運移距離最遠達到了16 cm，與灌水水頭為3 cm時的14.1 cm相比增加了13.48%，而入滲水頭為5 cm時的垂直濕潤鋒運移距離為9.2 cm，與入滲水頭為3 cm時的11.3 cm相比，減少了18.58%，這說明灌水入滲水頭對土體中濕潤鋒的運移有較明顯的影響，而且灌水水頭為5 cm時，水平和垂直濕潤鋒的運移距離與CK相比，分別增加了25.98%和減少29.23%，變化更為明顯。

圖3 不同入滲水頭不同時間濕潤鋒運移距離Fig.3 Wetting front transport distance at different time

圖4 不同入滲水頭水平濕潤鋒運移距離Fig.4 The level of wetting front transport distance

根據實測資料，對不同入滲水頭膜下小管岀流壟溝灌入滲的水平濕潤鋒和垂直濕潤鋒運移及再分布距離與時間之間進行冪函數擬合[11]，擬合情況如表2所示。

圖5 不同入滲水頭垂直濕潤鋒運移距離Fig.5 The vertical of wetting front transport distance 注：圖4、5中，a、b、c、d四條虛線分別是膜下壟溝滴灌和水頭為3、4、5 cm處理的水分入滲過程和水分再分布過程的時間分界線，其前段時間為水分入滲過程，后段時間為水分再分布過程。

灌溉方式入滲水頭/cm水平方向垂直方向膜下壟溝滴灌(CK)4RZ=2.1416t0.4106R2=0.9836Rx=6.2863t0.2281R2=0.98693RZ=3.5733t0.3315R2=0.9262Rx=6.5376t0.219R2=0.9446膜下小管岀流壟溝灌4RZ=4.1422t0.3095R2=0.9433Rx=7.1146t0.1847R2=0.92935RZ=4.0244t0.3336R2=0.9391Rx=6.4093t0.1902R2=0.9518

注:RZ是水平濕潤鋒運移距離；Rx是垂直濕潤鋒運移距離；t是入滲時間。

由表2可知：滴灌CK和小管岀流灌溉相比，雖然濕潤鋒運移距離與入滲時間均呈現良好的冪函數關系，但差異比較大；入滲水頭對水分入滲也有很大影響，入滲水頭越大，水平濕潤鋒運移距離越大，垂直濕潤鋒運移距離卻越小，這可能是因為水分與壟溝的接觸面隨著入滲水頭的增加而增大，相同入滲時間，水平入滲隨之增大，垂直入滲相對減少。

2.3 灌水入滲水頭對膜下小管岀流壟溝灌水分運移的影響

圖6為膜下小管岀流壟溝灌條件下，不同入滲水頭土壤質量含水率等值線圖，由圖6可知，土壤中含水率分布大致為一個半橢球體；在壟溝附近等值線分布較稀疏，在濕潤鋒附近等值線圖分布較密集；土壤含水率隨著距壟溝距離中心的增大而逐漸減小，而且濕潤鋒位置有明顯的干濕交界。

圖6 不同入滲水頭土壤含水量分布等值線圖 Fig.6 Contour map of soil moisture distribution

對比膜下壟溝滴灌和入滲水頭為3、4、5 cm四幅圖可知，膜下壟溝滴灌的濕潤體比其他入滲水頭的深度大、寬度小。隨著入滲水頭的增加，土壤濕潤體的水平濕潤范圍增大，垂直濕潤范圍減小，入滲水頭為5 cm的濕潤體水平濕潤長度比入滲水頭為3 cm的濕潤體增將近14%，而垂直濕潤長度卻減小了將近19%。這說明入滲水頭對水分的水平和垂直入滲影響很大。入滲水頭為3 cm的濕潤體含水率高的部分集中在壟溝垂直方向，而入滲水頭為5 cm的濕潤體含水率分布相對集中在壟溝水平方向。濕潤體內相同位置土壤的含水率隨著入滲水頭的增大而減小，其中各處理與CK的對比，從圖中看出，均變化比較明顯。

不同入滲水頭的土壤含水率的分布情況由其均勻性系數來表示，主要反映土壤濕潤體內的土壤含水率分布的均勻程度以及土壤含水率大小與其平均值的偏差，土壤含水率的均勻性系數采用克里斯琴森公式來計算:

表3是利用克里斯琴森公式計算的不同入滲水頭土壤含水率的均勻性系數。從中可以看出濕潤體的含水率分布均勻度隨著入滲水頭的增加而逐漸減小。這是由于隨著入滲水頭的增大，水與土壤的接觸面積也隨之增大，濕潤體的含水率均勻度也就隨之減小。但都小于膜下壟溝滴灌(CK)，原因是滴灌灌水比較慢，相同灌水量，灌水時間相對較長，所以均勻度較好。

表3 不同入滲水頭土壤含水率均勻系數Tab.3 The soil moisture content uniformity coefficient

3 結 語

(1)相同入滲時間內，隨著入滲水頭的增加，累積入滲量增大，且累積入滲量與入滲時間符合冪函數關系；水平濕潤鋒運移距離隨著入滲水頭的增加而增大，而垂直濕潤鋒運移距離逐漸減小，可能是由于隨著入滲水頭的增大，水與土壤的接觸面積增大，從而導致水平濕潤鋒運移距離相對增加。

(2)不同入滲水頭對土壤水的運移分布影響有相同的地方，表現為：土壤含水率隨著距壟溝距離的增大而減小；但不同的是隨著入滲水頭的增加，土壤中的含水率分布均勻度會相對更好一些。

(3)膜下小管岀流壟溝灌與膜下壟溝滴灌在累積入滲量、濕潤鋒運移距離和土壤含水率分布都存在較大差異，表現為：膜下小管岀流壟溝灌的累積入滲量在相同入滲時間均大于膜下壟溝滴灌；膜下壟溝滴灌的水平濕潤鋒相對小一些，垂直濕潤鋒更大；膜下小管岀流含水率的分布相對靠近表面一些。

綜上所述，膜下小管出流壟溝灌適用于番茄等一些經濟作物，不同的經濟作物根生長情況和需水規律會有所不同。根據作物的根系生長情況，選擇不同的灌水水頭，結合根系需水規律和作物不同生育期的生長需要，為確定適宜的灌水水頭提供一些理論依據。

4 討 論

對于膜下壟溝滴灌條件下的土壤水分運移規律已經研究比較充分，而對于膜下小管岀流灌溉的土壤水分運移規律的研究較少，其與壟溝灌結合在一起更是一種新的思路。

膜下小管出流壟溝灌對水源的要求要比滴灌低。由于其抗堵塞能力強，如果是無大泥沙顆粒的水源，可省略過濾設施，提高能源利用率。還有就是其適用范圍應該很廣，不僅適用于經濟作物灌溉,同時結合少量的田間溝畦工程,也能廣泛地應用于大田農作物的灌溉，也能水肥結合灌溉，提高灌水質量，保證作物需求的正常灌水均勻度。最重要的是其節能，節水，保水效果好，灌溉工作入滲水頭相對比較低，很適合現在的農業灌溉的發展趨勢。

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