不同立地類型根灌、滴灌水分擴散規律

劉曉泉，嚴子柱，李得祿，唐衛東，張芝萍

(1.甘肅省古浪縣水務技術推廣中心，甘肅 古浪 733100； 2.甘肅省治沙研究所 甘肅省荒漠化與風沙災害防治重點實驗室----省部共建國家重點實驗室培育基地，蘭州 730070)

水是農業的命脈，也是國民經濟和人類生活的命脈。水資源的占有狀況和利用水平已成為評價一個國家一個地區經濟能否持續發展的重要指標[1]。我國是一個水資源相對貧乏的國家，年平均淡水資源總量為2.8 萬億m3，人均占有水量僅2 300 m3，只相當于世界人均水平的1/4，居世界第109位，是世界上人均占有水資源最貧乏的13個國家之一。農業用水每年虧缺300 億m3,有2 000多萬人口飲水困難[2]。農業用水量在水資源總量中約占65%，浪費現象嚴重。其中灌溉水利用系數僅45%，用水效率低，節水灌溉改造工程僅為30%[3]。因此，加強農業節水灌溉，有效改善水資源短缺現狀，對促進我國農業可持續發展、保護與恢復生態環境具有重要意義[4]。

近年來，我國高效節水灌溉技術取得了很大突破，一些技術含量高、使用效果好、節水率高的高效節水灌溉技術相繼研發成功。但受地區經濟狀況限制和群眾觀念意識約束，高效節水灌溉技術的推廣利用十分不足，高效節水灌溉所占比例仍然相對比較低[5]。目前，我國采用最多、水利用效益最高的節水灌溉是微灌，包括：微噴灌、滴管和滲灌。該技術采用管道輸水，將有壓水通過微灌系統輸送至植物根部土壤，蒸發損失及滲漏相對較小，較漫灌節水50%～70%，較噴灌節水15%～20%，節水率可達80%～90%[6]。而根灌技術是中國科學院寒區旱區環境與工程研究所杜虎林研究員，于2012發明的一項節水專利技術，依托于傳統滴灌設施，采用直插式滲灌滴頭和導水微管將灌溉水直接輸送至植物根系土壤層，實現了灌溉水分低蒸發、甚至無蒸發損失的新型節水灌溉技術[7,8]。它實際是滲灌的一種，俗稱根灌。目前，國內外對滲灌的研究已經相當深入和廣泛，有大量的研究報道[9-24]，內容涉及非常廣泛，但對于根灌節水技術的研究，僅涉及風沙土滴灌和根灌對比研究[4]、沙漠公路防護林帶根灌節水研究[8]、農田根灌與滴灌條件下土壤蒸發[25]這幾個方面。而我們知道，土壤水分入滲是地面水轉化為土壤水的途徑，合理確定土壤水分入滲參數是實施地面灌溉優化灌水的前提條件，也是全面實現農業水資源利用效率的基礎[26]。因此，開展根灌水分在不同立地類型的擴散規律進行研究十分必要。本文采用根灌和滴灌，對民勤沙區生態防護林、生態經濟林和防風固沙林的水分擴散規律進行對比研究，旨在為該區根灌節水技術的推廣應用提供技術支持和倫理指導。

1 材料與方法

1.1 試驗地概括

試驗地設在甘肅省民勤治沙綜合試驗站民勤沙生植物園內，地處巴丹吉林沙漠東南緣和騰格里沙漠交匯地帶，溫帶大陸性極干旱氣候，地理位置E 102°58′，N 38°34′，海拔1 375.3 m，年均氣溫7.6 ℃，極端高溫40.6 ℃，最低氣溫- 28.8 ℃，年均降水量113.2 mm，年均蒸發量2 604.3 mm，干燥度>10，地下水位27 m以下，全年風沙日74.8 d，8級以上大風天氣40.5 d，沙塵暴日數37 d，年均風速2.5 m/s，最大風速20 m/s，全年盛行西北風。日照時數2 833 h，≥ 10 ℃積溫3 248.8 ℃，無霜期164 d。土壤類型主要是風沙土、壤質沙土和灰棕漠土，土壤粒徑組成見表1。土壤有機質含量0.15%～0.8%，含鹽量高，pH值8.0～8.5；0～120 cm層土壤陰、陽離子組成及含量見表2。

表1 不同土壤立地類型粒子構成 %

注：黏粒0.01～2 μm;粉粒2～20 μm；細沙粒20～200 μm;粗沙粒200～2 000 μm。

1.2 試驗材料與方法

參試根灌材料有滴灌配套系統、外鑲式滴頭，根灌滴頭和根灌導水微管(見圖1)等。參試植物有梭梭、沙棗、榆樹和檸條錦雞兒等苗木，參試植物地上、地下部分生物量和根系結構特征見表3。

試驗方法：在試驗區安裝滴灌系統，按根灌、滴灌交替排列方式布置試驗。每種土壤立地類型設置3個試驗小區，每個小區各裝2根滴灌帶和根灌帶，選根灌帶和滴灌帶的中間部位，距供水支管相同位置，以灌溉時間0.5、1.0、1.5 h設置3個處理，重復3次。然后在對應的根灌和滴灌滴頭上用事先稱重的容器接同等時間內滴出的水，用稱重法計算水量，并用挖剖面法，測定根灌和滴灌在不同立地類型土壤中水分的擴散速度。

1.3 數據觀測與處理

數據觀測采用直接觀測法。用鋼卷尺分別測定剖面上含水體的縱軸和橫軸長，并觀察含水體橫截面的形狀，并將測定的數據在Excel軟件中進行分析處理和作圖。

表2 不同土壤立地類型陰、陽粒子含量 mg/g

2 結果與分析

2.1 風沙土根灌、滴灌水分擴散規律

通過風沙土定植梭梭滴灌和根灌試驗，其水分垂直和水平擴散速率結果見圖2、圖3。

從圖2可以看出，根灌在風沙土中水分的擴散規律總體表現為：水平擴散速率>垂直擴散速率，且水分擴散速率與灌溉時間呈負相關對數關系。水平擴散速率與灌水時間存在：y=-15.71 lnx+27.217(R2= 0.999 2)的相關性對數關系；垂直擴散速率與灌水時間存在：y=-15.86 lnx+20.869(R2=0.998 7)的相關性對數關系。從相關系數R2值來看，水平和垂直擴散速率與時間的相關性都達到了極顯著水平。從圖3可以看出，滴灌風沙土水分擴散速率與根灌規律相似，總體也表現為水平擴散速率大于垂直擴散速率，灌溉時間與水分擴散速率呈負相關對數關系。但滴灌水分的水平擴散速率要比垂直擴散速率更大，差異更明顯。水平擴散速率與灌水時間的相關性對數方程為：y=-17.38 lnx+27.81(R2= 0.996 1)；垂直擴散速率與灌水時間的相關性對數方程為：y=-12.35 lnx+14.649(R2=0.929 9)。從相關系數R2值來看，水平擴散速率與時間的相關性都達到了極顯著水平，垂直擴散速率也達到了顯著水平。

圖1 根灌、滴灌試驗材料及方法示意圖

cm

圖2 風沙土根灌水分擴散速率

圖3 風沙土滴灌水分擴散速率

2.2 沙質壤土根灌、滴灌水分擴散規律

沙質壤土實際上是風沙土的改良土壤，比風沙土多了些黏性，比壤土多了些沙性。從剖面的情況來看，沙質壤土的結構和質地都不如風沙土均勻，因此，根灌和滴灌在沙質壤土中的擴散速率情況要復雜一些。通過沙質壤土檉柳和沙棗滴灌和根灌對比觀測，土壤水分垂直和水平擴散速率結果見圖4、圖5。

圖4 沙質壤土根灌水分擴散速率

圖5 沙質壤土滴灌水分擴散速率

從圖4可以看出，根灌沙質壤土水分擴散規律總體也表現為：水平擴散速率>垂直擴散速率，灌溉時間與水分擴散速率呈負相關對數關系。水平擴散速率與灌水時間的相關性對數方程為：y=-26.7 lnx+47.059(R2=0.977 9)；垂直擴散速率與灌水時間的相關性對數方程為：y=-20.2 lnx+23.786(R2=0.938 3)。從R2值來看，水平和垂直擴散速率與時間的相關性都達到了顯著水平。從圖5可以看出，沙質壤土滴灌與根灌的水分擴散速率規律極相近，且水分垂直擴散速率和水平擴散速率也相近，差異不明顯。水平擴散速率與灌水時間的對數方程為：y=-16.74 lnx+29.309(R2= 0.988)；垂直擴散速率與灌水時間的相關性對數方程為：y=-18.68 lnx+28.828(R2=0.996 6)。從相關系數R2值來看，水平和垂直擴散速率與時間的相關性都達到了極顯著水平。

2.3 灰棕漠土根灌、滴灌水分擴散規律

通過灰棕漠土上定植榆樹根灌和滴灌試驗觀測，土壤水分的垂直和水平擴散規律結果見圖6、圖7。

圖6 灰棕漠土根灌水分擴散速率

圖7 灰棕漠土滴灌水分擴散速率

從圖6可以看出，灰棕漠土上根灌水分擴散速率總體表現為：起始至0.5 h，水平和垂直擴散速率基本一致，但隨灌溉時間增加，水平擴散速率逐漸大于垂直擴散速率，且與灌溉時間也呈負相關對數關系。水平擴散速率與灌水時間的對數方程為：y=- 8.199 lnx+24.77(R2=0.947 1)；垂直擴散速率與灌水時間的相關性對數方程為：y=-12.23 lnx+21.384(R2=0.997 5)；從R2值來看，水平和垂直擴散速率與時間的負相關性都達到了顯著水平。從圖7可以看出，灰棕漠土滴灌與根灌的水分擴散速率規律基本一致，且水分垂直擴散速率和水平擴散速率也很接近，垂直擴散速率略大于水平擴散速率。水平擴散速率與灌水時間的對數方程為：y=-21.05 lnx+30.758(R2=0.983)；垂直擴散速率與灌水時間的相關性對數方程為：y=-20.31 lnx+28.942(R2=1)。從相關系數R2值來看，水平和垂直擴散速率與時間的相關性都達到了極顯著水平。

2.4 不同立地類型根灌、滴灌土壤水分擴散規律比較

通過不同立地類型根灌、滴灌對比觀測，土壤水分在垂直和水平方向上的擴散規律見圖8、圖9示。

圖8 不同立地類型根灌滴灌水分垂直擴散速率

圖9 不同立地類型根灌滴灌水分水平擴散速率

從圖8可以看出，不同立地類型根灌、滴灌土壤水分垂直擴散速率變化都各有不同。根灌水分的垂直擴散速率總體為：沙質壤土>風沙土>灰棕漠土，滴灌則總體表現為：灰棕漠土>沙質壤土>風沙土，兩者規律不太相同。特別是灰棕漠土水分的擴散速率，根灌表現為前期小后期大，滴灌則一直較大；而風沙土的水分垂直擴散速率，在滴灌狀態下則表現的相對較小。從圖9可以看出，不同立地類型根灌、滴灌土壤水分水平擴散速率變化也各不相同。根灌在灌溉0～1 h內，水分水平擴散速率總體為：沙質壤土>風沙土>灰棕漠土；在1 h之后，水分擴散速率有所改變，但3種立地類型土壤中的水分擴散規律大致相同。滴灌水分水平擴散速率則總體表現為：灰棕漠土>沙質壤土>風沙土，3者擴散規律相同，且擴散速率差異也不大。

3 結論與討論

風沙土無論根灌還是滴灌，水分水平擴散速率都明顯大于垂直擴散速率，且灌水時間與擴散速率均呈負相關對數關系，相關水平極顯著。風沙土是發育于風成沙性母質的土壤，其主要特征是土壤礦質部分幾乎全由細沙顆粒(直徑在0.25～0.05 mm)組成[7]，因此，質地比較均一。但風沙土大都是由流動性沙粒積聚而成，因此具有層積性，從其垂直剖面可以清楚地看到層積現象。因此，根灌和滴灌水分入滲到風沙土中，滴頭水產生的水勢推動水分向各個方向自由擴散，由于風沙土的層積性，使得水平擴散速率明顯大于垂直擴散速率。

沙質壤土根灌、滴灌水分擴散規律總體也表現為水平擴散速率大于垂直擴散速率，灌溉時間與水分擴散速率呈負相關對數關系，相關性水平顯著。沙質壤土雖含沙量仍相當多，但因亦含有少量粉粒及黏粒，具有土粒間的結合性。因此，沙質壤土的質地均勻度不及風沙土，但由于黏粒數量的增加，土壤孔隙度增大，因此水分的垂直和水平擴散速率仍基本遵守風沙土中水分的擴散規律。但從圖8可以知道，其垂直和水平擴散速率明顯大于風沙土。

灰棕漠土根灌、滴灌水分的擴散規律與風沙土及沙質壤土的水分擴散規律基本一致?；易啬潦敲袂谏硡^常見的土壤類型，其黏性較大，未經改良的灰棕漠土層積性非常明顯，又稱平土，是由于上游水土流失攜帶下來的大量黏粒層積形成的，因此，水分垂直滲透性差。但經過改良的灰棕漠土，都摻入了大量的沙土，使其土壤結構有了很大的改善，土壤理化性質變好，因此滲水性增加，根灌、滴灌的垂直和水平擴散規律與風沙土、沙質壤土有了相似性。

不同立地類型，無論根灌還是滴灌，水分垂直擴散速率均為沙質壤土>風沙土>灰棕漠土，而水平擴散速率則是灰棕漠土>沙質壤土>風沙土，兩者規律相同。風沙土由于質地較細，有明顯的層積性，因此，水分垂直擴散速率小于水平擴散速率；灰棕漠土層積性更強，因此，水平擴散速率更大，垂直擴散性更差；而沙質壤土沒有明顯的層積性，土壤質地也較風沙土和灰棕漠土松散，因此，水分垂直擴散性好于風沙土和灰棕漠土，而水平擴散性則差于兩者。

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