微潤交替灌溉下土壤水分運移特征研究

郭英姿，申麗霞，尹玉娟，張春一

(1.太原理工大學 水利科學與工程學院，太原 030024；2.山西水務工程建設監理有限公司，太原 030024)

微潤灌溉技術(Moistube Irrigation,MI)是一種新型節水技術，灌水器由新型高分子半透膜制成，具有納米孔隙，分布范圍10～900 nm，分布密度為104/cm2。微潤灌溉以連續、微量、精準的方式向作物根系進行供水，向土壤中供水與植株對水分的吸收同步進行[1]。由半透膜制成的微潤管根據膜內外水勢調節出水量，因此微潤灌溉技術可根據土壤含水量以及植物需水量自動調節供水量，減少灌水冗余，提高水分利用率。交替灌溉技術(Alternative Irrigation)是人為控制根系活動層的土壤在垂直剖面或水平面的某個區域交替處于干燥或濕潤狀態，這種灌溉方式既可以減少棵間蒸發損失及灌溉用水量，也可提高根系對水分和養分的利用率，在不犧牲作物的光合產物積累的情況下節約灌溉用水[2]。

對于微潤灌溉下土壤水分運移特征，薛萬來與牛文全等[3-5]等人進行了一系列的室內土箱模擬試驗，以探究微潤灌溉下埋深、壓力水頭以及礦化度對土壤水分運移的影響。研究表明：累計入滲量與濕潤鋒運移距離皆與壓力水頭呈正相關，與微潤管埋深呈負相關；礦化度對濕潤體形狀影響小，對濕潤鋒運移距離影響大。魏鎮華[6]將微潤交替灌溉應用于大棚番茄種植，設置微潤管間距40 cm，微潤管埋深15 cm，分析不同交替周期對番茄耗水和產量的影響，試驗表明，在微潤交替灌溉下，番茄根系分布于0～30 cm土層，根區土壤的干濕狀態交替刺激了番茄根系吸收的補償效應以提高根系的吸水吸水能力，在不減少產量的情況下，減少了灌溉用水。目前，還未有對微潤交替灌溉下土壤水分運移情況的研究。本試驗將微潤灌溉與交替灌溉相結合，利用室內土箱試驗，研究微潤交替灌溉下不同微潤管間距對土壤水分運移情況的影響，以期為微潤交替灌溉的發展提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗土質

供試土壤取自山西省太原市尖草坪區芮城村。土樣經曬干、碾壓、均勻混合后，用2 mm孔徑篩進行篩選后即為試驗用土樣。用MS 2000型激光分析粒度儀對土樣進行測定，沙粒(2.00～0.02 mm)、粉粒(0.02～0.002 mm)、黏粒(<0. 002 mm)所占比例分別為41.06 %、35.78 %、23.16 %，依據國際制土壤質地劃分標準，土壤類型為黏壤土。控制土壤容重1.3 g/cm3，初始含水率為1.38%。

1.2 試驗裝置

試驗裝置由2個馬氏瓶、土箱、2條供水管道構成(見圖1)。土箱為亞克力制成，尺寸為100 cm×40 cm×40 cm(長×寬×高)，土箱兩側距地面高20 cm處各打有2個對稱圓孔，圓孔孔徑18 mm，用于安裝微潤管。供水管道為2根φ16黑色PE管與2根微潤管，微潤管一端連接PE管道，微潤管與PE管道交接處設有閥門，另一端用堵頭封閉。馬氏瓶內徑100 mm，瓶身標有刻度，配有細玻璃管與橡膠塞，玻璃管與大氣相連，因此玻璃管下方液面保持在大氣壓強，玻璃管下方液面至微潤管安置的水平高度之間垂直距離即為試驗所用壓力水頭。

圖1 試驗裝置

1.3 試驗方法

試驗為室內試驗。土樣按每層5 cm分層進行填裝，每層土樣振搗至設計容重(1.3 g/cm3)后進行層間打毛，使土壤各層間之間充分接觸。裝土至20 cm時進行微潤管安裝，2根微潤管距土箱中線距離相同。微潤管安裝結束后，繼續裝土至設計微潤管埋深處。試驗開始時，開啟閥門①，保持閥門②閉合，僅通過①管進行灌水，4 d后關閉閥門①，開啟閥門②，僅通過②管進行供水，8 d后試驗結束，關閉閥門②。試驗具體設計見表1。

表1 試驗設計

試驗開始后對馬氏瓶刻度、濕潤體形態、濕潤鋒運移距離、土壤含水率進行測量。開啟閥門后0～12 h內，每隔2 h觀測一次馬氏瓶刻度，24～36 h，每隔4 h觀測一次，48 h后每隔6 h觀測一次。馬氏瓶刻度直接于馬氏瓶上讀取，并計算灌水量。在土箱側面描繪土壤濕潤體形態，對土箱側面所描繪的濕潤體進行拍攝，錄入Auto CAD中，用樣條曲線法進行描繪。以微潤管中心處為原點，T1、T2將水平指向土框長邊方向記為X1，T3將水平指向土箱中線方向記為X2，垂直向上方向記為Y1，垂直向下方向記為Y2，使用直尺測量濕潤鋒運移距離。T1處理將距土箱長邊一側10、20、30 cm處設為1、2、3區，T2處理將距土箱長邊一側15、20、25 cm處設為1、2、3區，T3處理將距土箱長邊一側10、20、30 cm處設為1、2、3區，每過24 h，在土箱3個區域垂直取土，取土深度為0～30 cm，采用烘干法測量土壤含水率。

2 結果與分析

2.1 累計入滲量

將累計入滲量繪制于圖2。由圖2可知，在微潤灌溉下，累積入滲量與入滲時間呈線性增加關系。T1處理，②管函數線段在①管下方，當②管開啟時，①管所形成濕潤體已擴散至②管圓心處，因此②管圓心處土壤含水率已高于初始含水率，在這種情況下，②管累計入滲量減少。這與陳松明[7]對黃土坡坡地土壤水分運動的試驗研究結果相近，當土壤初始含水量很低時，濕潤鋒的運移主要受控于基質勢梯度的大小，而基質勢隨含水率的升高而降低，因此初始含水率越高，累積入滲量越小。但與張俊[8]等人進行的試驗結果不同，在使用土婁土的情況下，累計入滲量隨初始含水率的增大而增大。薛萬來[9]等人認為，土壤含水率較低的情況下，濕潤體邊緣的水力梯度較大，促進水分入滲，但土壤含水率較低也會加劇土壤團聚體土遇水后的崩解擠壓，造成土壤空隙堵塞，使水分滲入遇到阻力，在不同的試驗中，2種情況各不相同，因此各試驗中初始含水率對水分入滲情況的影響有所差異。T2處理，②管函數線段略低于①管，在開啟②管2 d后，2條微潤管所形成的土壤濕潤體部分出現重合，但對水分入滲未造成太大影響。T3處理，①管與②管累計入滲量函數相同，2條微潤管的水分入滲情況互不影響。

圖2 累計入滲量

2.2 土壤濕潤體形態

將土箱側面顯示濕潤體形狀描繪于圖3。在本試驗各處理中，未開啟②管時，土壤濕潤體橫斷面為以①管為圓心的不斷向外擴展的近似圓形，開啟②管后，3個處理所形成的土壤濕潤體開始不同。T1處理閉合閥門①，開啟閥門②后，以②管為圓心形成與①管為圓心的濕潤體橫斷面相交的半圓形，隨著灌水時間延長，土壤濕潤體橫斷面形狀逐漸接近橢圓形，土壤濕潤體為沿微潤管連續分布的橢圓柱體。T2處理所形成的濕潤體斷面見圖3(b)，開啟②管后，②管所形成的圓形濕潤鋒斷面與①管形成的濕潤鋒斷面交匯，形成以2根微潤管為圓心的相交圓形。T3處理所形成的濕潤體斷面見圖3(c)，濕潤鋒斷面為2個以微潤管中心為圓心的部分圓形，2個土壤濕潤體互不影響，獨立形成。

圖3 土壤濕潤體形狀

2.3 濕潤鋒運移距離

謝香文[10]等人的試驗說明，與傳統滴灌所形成的上小下大的土壤濕潤體不同，單管進行的微潤灌溉所形成的土壤濕潤體橫斷面形狀為以微潤管為圓心的圓，而濕潤體則是一個沿微潤管連續分布的圓柱體，微潤灌濕潤體可以用濕潤半徑的變化來進行描述。對于微潤灌溉所形成的濕潤體，水平2個方向濕潤鋒運移情況近似，因此對水平方向濕潤鋒運移情況只觀測一側變化。各處理下①管、②管所形成的濕潤鋒運移距離與時間t的關系近似于冪函數關系，即X1=atb、X2=atb、Y1=atb、Y2=atb。a為入滲系數，為第1次測量時濕潤鋒距原點距離；b為入滲指數。擬合結果見表2、表3、表4。

表2 T1處理濕潤鋒運移距離與時間關系擬合結果

表3 T2處理濕潤鋒運移距離與時間關系擬合結果

表4 T3處理濕潤鋒運移距離與時間關系擬合結果

在重力作用下，垂直向下方向濕潤鋒運移距離大于垂直向上方向濕潤鋒運移距離。T1處理，在對灌水管道進行交替時，②管所形成的濕潤體已到達①管中心處，而后各方向濕潤鋒隨②管進行灌水緩慢向外移動，因此①管與②管入滲系數差別很大，又因②管開啟時②管周邊含水率已高于初始含水率，所以濕潤鋒運移緩慢。T2處理，①管與②管所形成的濕潤體在前期沒有影響，a相近。T3處理2條微潤管所形成的濕潤體獨立存在，函數相似。

2.4 土壤含水率

將土框內不同區域土壤含水率變化繪制于圖4。由圖4可知，在T1處理中，①管開啟后，1區土壤含水率小幅度上升，2區土壤含水率大幅度上升，3區還未受到灌水影響；開啟②管后，1區土壤含水率在7 d到達最高值，而后稍有回落，2區土壤含水率繼續上升，3區土壤含水率開始上升并超過1區土壤含水率。T2處理中，①管開啟后，1區土壤含水率大幅增加，2區與3區土壤含水率基本沒有變化，②管開啟后，1區土壤含水率在7 d到達最高值，而后開始回落，2區進入土壤濕潤區內，土壤含水率大幅度增加，3區土壤含水率逐步增加最終與1區土壤含水率持平。T3處理中，如圖4(c)所示，土箱中部區域即2區并未進入土壤濕潤區內，土壤含水率沒有變化，1區與3區土壤濕潤體無相互影響，土壤含水率在開啟微潤管后變化相似，1區在7 d到達最高點，而后回落。

微潤交替灌溉致力于在使用微潤灌溉技術的情況下，通過交替灌溉使植株根系部分土壤交替處于干旱與濕潤2種狀態，從而刺激植株根系補償效應，提高根系吸水能力。T1處理在累積入滲量最少的情況下，令濕潤體范圍內土壤含水率皆處于較高水平，但未形成干濕交替。T2、T3處理在①管停止供水后2 d后土壤含水率到達最大值，而后回落，可以在1區、3區形成土壤干濕交替狀態，但T2處理2區土壤含水率持續上升，T3處理2區土壤含水率一直保持在較低水平。綜合各處理不同區域土壤含水率，T2處理，即20 cm微潤管間距最適宜應用于微潤交替灌溉。

圖4 土壤含水率變化

3 結 論

通過進行室內試驗，在1 m壓力水頭、10 cm微潤管埋深條件下，對不同微潤管間距下累計入滲量、土壤含水率、土壤濕潤體形態及土壤濕潤鋒運移距離進行觀測，可得出以下結論。

(1)10、20、30 cm微潤管鋪設間距下2管總入滲量分別為6.69、8.95、7.93 L，10 cm微潤管間距時總入滲量最低，2條微潤管間區域含水率適宜，在大田種植中利于節約灌溉用水，適用于密植植物種植。

(2)20 cm微潤管鋪設間距可在1區、3區形成土壤干、濕交替狀態，且2條微潤管中間區域土壤含水率保持在適宜水平，可應用于主根較為發達的雙子葉植株，30 cm微潤管鋪設間距可在1區、3區形成土壤干、濕交替狀態，但2條微潤管中間區域土壤含水率較低，可應用于根系發達、側根發生多，有一定耐寒能力的茄果類植株。

(3)10 cm微潤管間距下2條微潤管形成的濕潤體為沿微潤管連續分布的橢圓柱體，20 cm微潤管間距形成的濕潤體為沿微潤管連續分布的2個部分重合的圓柱體，30 cm微潤管間距形成的濕潤體為沿微潤管連續分布的2個獨立形成的部分圓柱體。

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[1] 周夢娜，全天惠，石 懿．納米孔半透膜微潤灌溉技術研究[J]．溫室園藝，2017，37(7)：16-19．

[2] 康紹忠．控制性交替灌溉----一種新的農田節水調控思路[J]．干旱地區農業研究，1997，15(1)：1-6．

[3] 薛萬來．壓力水頭對微潤灌土壤水分運動特性影響的試驗研究[J]．灌溉排水學報，2013，32(6)：7-10．

[4] 牛文全．埋深與壓力對微潤灌濕潤體水分運移的影響[J]．農業機械學報，2013，44(12)：128-133．

[5] 牛文全，薛萬來．礦化度對微潤灌土壤入滲特性的影響[J]．農業機械學報，2014，45(4)：163-172．

[6] 魏鎮華．交替控水條件下微潤灌溉對番茄耗水和產量的影響[J]．灌溉排水學報，2014，33(4/5)：139-143．

[7] 陳松明．黃土區坡地土壤水分運動與轉化試驗研究[D]．陜西楊凌：西北農林科技大學，2003．

[8] 張 俊．初始含水率對微潤灌溉線源入滲特征的影響[J]．排灌機械學報，2014，32(1)：72-79．

[9] 薛萬來．微潤灌溉土壤濕潤體運移模型研究[J]．水土保持學報，2014，28(4)：49-54．

[10] 謝香文．地埋微潤管入滲試驗研究[J]．新疆農業科學，2014，51(12)：2 201-2 205．