滴灌條件下山區典型土壤水分運移規律分析

吳衛熊，張廷強，何令祖，邵金華

(廣西壯族自治區水利科學研究院，南寧 530023)

廣西山區包括河池、百色、南寧、柳州、來賓、崇左等6個市的30個縣(市、區)，該區域基礎設施落后，群眾生活較為貧困，農民收入低，是典型的“老、少、邊、山、窮”地區。30個縣(市、區)中，國家級扶貧開發重點縣25個、廣西扶貧開發重點縣5個。近年來，廣西大力開展精準扶貧，引進滴灌等灌溉技術，在山區進行了推廣，由于這些技術省工、省時、能實現水肥一體化，不僅能提高作物產量，也能改善作物的品質，深受當地群眾的歡迎。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

試驗裝置包括：高位水池，球閥、壓力表，正方體土箱(長60 cm×寬60 cm×高60 cm)、滴灌管(壁厚0.3 cm、孔間距30 cm、單孔流量2.1 L/h)、PVC-U管、堵頭、烘箱、流量計、天平、秒表、墑情站、薄膜紙、水性筆等，如圖 1所示。

圖1 水分入滲模擬裝置示意圖Fig.1 Diagram of water infiltration device

1.2 供試方法

(1)供試土壤。根據廣西山區土壤類型分布情況，從百色市的田東縣、河池市的大化縣和崇左市的天等縣各取土8 000 kg，測定原狀土密度、土壤飽和含水率、土壤田間持水率、滲透系數等指標。將試驗土壤風干和碾碎后，過2 mm的篩子篩取后供試驗用(見表1)。

表1 試驗土壤基本參數指標Tab.1 Basic parameters of test soil

(2)土樣填筑。將土樣按照每次裝入10 cm，然后用平板壓實土層，確保填筑后的土壤密度與原狀土土壤密度接近，即沙土密度1.55 g/cm3，壤土1.20 g/cm3，黏土1.15 g/cm3裝完土樣后，密封靜置24 h。

在土樣填筑同時在深度10、20、30 cm等3層每層距離滴灌管水平方向20 cm位置埋設EDAS 墑情監測站土壤水分測定儀，便于測定不同時間各位置土壤含水率，設置采集間隔為1 min。

(3)試驗步驟[1,2]。由于只觀測整個濕潤體的一半，用防水膠布在將滴灌管背側中間粘貼到土箱壁，防止水分從箱壁下滲。①填筑土壤，埋設設備；②調整、校核試驗滴灌管試驗工作壓力，確保滴灌管首部壓力為0.1 MPa；③開始試驗觀測。主要觀測指標包括橫向濕潤鋒變化、豎向濕潤鋒變化、滴灌管縱向濕潤鋒變化、不同時間EDAS 墑情監測站土壤水分測定不同深度土壤含水率變化，灌水結束后測定土體內土壤水分分布情況。

濕潤鋒變化通過標記法測定：用畫筆在土箱壁上標定在預定的時間沿著濕潤鋒圖曲線描線。

不同時間EDAS 墑情監測站土壤水分測定儀不同深度土壤含水率變化直接通過電腦讀數。

灌水結束后土體內土壤水分分布情況通過取土烘干法測定：以土箱壁為起點，在豎直方向每隔10 cm取一個樣，在水平方向每個5 cm取一個樣，取樣后通過烘干法測定不同位置土壤質量含水量。

2 試驗結果與分析

2.1 地埋條件下滴灌管在不同土壤的出流量

在工作壓力0.1 MPa條件下，分析滴灌管在地面自由出流和地埋條件下單米的流量。地面自由出流條件下，滴灌管的單米流量為6.17 L/h，地埋黏土、壤土和沙土條件下滴灌管的單米流量分別為4.17、5.92和6.10 L/h，分別為地面自由出流的67.58%、95.05%和98.87%，滴灌管在各土壤出流量關系為：沙土>壤土>黏土。滴灌管在3種土壤下灌水流量差異比較顯著(見表2)。

表2 灌水器地埋出流量 L/(h·m)

2.2 土壤類型對濕潤體形狀的影響

由圖2可知，滴灌管在黏土中地埋20 cm濕潤鋒的形狀基本上為圓形，灌溉時間5.1 h，每米滴灌管流量31.47 L，縱向濕潤深度50.2 cm，橫向濕潤寬度33.6 cm，在運移時間內土壤水分單位時間運移距離大致相等。滴灌管在壤土地埋20 cm的濕潤鋒隨著時間推移，由圓形逐漸變為橢圓形，越往后重力對水分運移的影響越大，橢圓長軸越長，單位時間濕潤鋒運移縱橫距離差距也增大；在壤土內灌溉5 h，每米滴灌管的流量29.59 L，縱向運移深度54 cm，橫向運移寬度31 cm。滴灌管在沙土的濕潤鋒運移形狀為橢圓形，灌溉6 h，每米滴灌管的流量25 L，縱向運移深度53 cm，橫向運移寬度26 cm。

圖2 黏土、壤土和沙土濕潤鋒運移圖(單位：min)Fig.2 Migration map of wetting front in clay、loam and sand soil

2.3 灌水后土壤水分空間分布情況

圖3為灌溉后經墑情站觀測和取土烘干測得的土壤水分的分布情況。黏土、壤土和沙土的初始體積含水率分別為15.8%、10.0%和6.5%。廣西山區黏土、壤土和沙土的土壤中含水率均是從出水孔的位置往四周含水率降低的趨勢，出水孔附近含水率均處在飽和含水率附近的較高水平，在濕潤體邊緣含水率迅速降低。土箱同樣位置黏土的土壤含水率最大，壤土次之，沙土最小。從含水率變化梯度來看，黏土梯度最大，壤土次之，沙土最緩，即黏土的保水性能最強。滴灌管為有壓入滲，水量分布受重力以及水壓力的影響較大。

圖3 黏土、壤土和沙土滴灌土壤水分分布圖Fig.3 Soil water distribution of clay、loam and sand soil

2.4 灌水后各深度土壤水分分布情況

圖4為滴灌管在黏土、壤土、沙土3種土壤下不同深度土壤含水率變化曲線。各深度的土壤含水率均呈拋物線形狀，黏土的最大含水率較高，壤土次之，最后為沙土。黏土、壤土和沙土的土壤最大含水率為52%、45%和34%。黏土最大含水率出現在20 cm深度，其次是30和10 cm處，60 cm含水率最低。壤土各深度的土壤含水率差距不大，但60 cm處的土壤含水率最高。沙土也是60 cm處的土壤含水率最高，地表土壤含水率最低。黏土中重力對水分分布的影響較小，水分分布主要仍然是土壤影響；壤土、沙土水分分布受重力影響較大，土壤水分在出水孔下部積累，往上運移較少。

圖4 黏土、壤土和沙土不同深度含水率變化曲線Fig.4 Variation curves of water content in different depth of clay、loam and sand soil

2.5 濕潤鋒運移距離

圖5為滴灌在黏土、壤土、沙土中的濕潤鋒的運移位置隨時間變化情況圖。以滴水孔所在深度為中心線，往上為向上濕潤，往下為向下濕潤，水平方向為橫向濕潤。濕潤比為縱向濕潤距離與橫向濕潤距離的比值。黏土中濕潤體橫向運移速率大于向下運移速率大于向上運移速率，壤土、沙土中濕潤體向下運移速率大于橫向運移速率大于向上運移速率，向下濕潤比不斷增加，向上濕潤比減小，沙土壤土向下濕潤比灌水后可大于1。

圖5 黏土、壤土和沙土濕潤鋒運移距離Fig.5 Distant of front migration in clay、loam and sand soil

滴灌在黏土中橫向運移最快，其次向下運移，最后為向上運移；在壤土和沙土中向下運移的最快，橫向運移次之，向上運移較慢。在這3種土壤，濕潤速率均隨時間延長而減慢。

3 結 語

(1)滴灌管地埋黏土、壤土和沙土中出流量會有不同程度減小，地埋滴灌管的出流量在地面出流量的67.6%～98.8%。

(2)黏土中滴灌管的濕潤體為圓形，壤土以及沙土中滴灌管的濕潤體為上小下大的橢圓形。

(3)滴灌管在黏土中含水率最高位置是出水孔處，壤土、沙土的最大含水率分別在出水孔往下的5和15 cm處。

(4)設計濕潤深度40 cm時，黏土、壤土和沙土分別需要灌水15.0、14.8和12.5 L；設計濕潤深度50 cm時，黏土、壤土和沙土分別需要灌水24.0、22.0和21.5 L；設計濕潤深度60 cm時，黏土、壤土和沙土分別需要灌水31.0、29.0和25.0 L。

(5)根據各種土壤水分運移規律，提出滴灌管在廣西山區黏土、壤土、沙土的適宜埋深分別為20、15和10 cm，以保證水分保持在根系區，避免地表蒸發和深層滲漏，提高水分利用率。

(6)滴灌應用在山區條播作物時，在黏土、壤土、沙土的滴孔適宜間距應為35、30和25 cm，確保濕透土壤。

[1] 馬金寶，畢建杰，白清俊，等.寬壟溝灌覆膜條件下土壤水分運移初探[J].節水灌溉，2007,(2)：10-13.

[2] 程東娟，雍 芳，侯毅凱，等.注射灌土壤水分運移分布特性試驗研究[J].節水灌溉，2012,(3)：19-24.