起壟微溝滴灌土壤水分入滲規(guī)律試驗研究

劉婧然，程東娟，王麗玄，劉斯嘉，鄭欣榮，馬 超

(1.河北工程大學(xué)水利水電學(xué)院，河北 邯鄲 056021；2.南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局河北分局，石家莊 050035)

滴灌是一種新型的現(xiàn)代高效節(jié)水灌溉技術(shù)，在國內(nèi)外已被廣泛應(yīng)用[1,2,4]。其節(jié)水增產(chǎn)效果良好[3]，不足之處在于滴頭易堵塞[2]。起壟栽培技術(shù)可增大受光面積，提高作物光合能力，防止土壤的次生鹽堿化[5-7]。起壟微溝技術(shù)是一種新型的種植技術(shù)[8]，該技術(shù)不僅可以防止滴頭堵塞，還可明顯提高0～40 cm的土壤含水率和作物產(chǎn)量，但目前針對該技術(shù)對土壤水分運動的影響研究較少[9]。因此，本論文研究壟上微溝滴灌條件下土壤水分運動的規(guī)律，對壟上微溝技術(shù)進一步節(jié)水增產(chǎn)有著重要的現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

滴灌條件下土壤水分入滲過程常用Richards方程描述[10]，劉曉英、Goldberg、王全九等人均對滴灌條件下土壤水分運動規(guī)律進行過試驗研究，結(jié)果表明滴頭濕潤范圍主要受滴頭流量、灌水量等方面的影響[11-13]；此外，國內(nèi)外許多學(xué)者對滴灌水分運動模型也進行過研究，如Sen[14]等人。本文采用壟上微溝進行滴灌，對不同坡度的微溝、不同流速的滴頭流量進行土壤水分運動規(guī)律的研究，今后可根據(jù)作物根系分布來選擇適宜的微溝坡度及適合的滴頭流量，更充分地利用土壤水[15]，節(jié)約水資源，也為滴灌系統(tǒng)設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗土壤

試驗土樣采自河北省邯鄲市河北工程大學(xué)水資源高效利用工程技術(shù)研究中心試驗基地。試驗前將土過2 mm篩，土壤的機械組成見表1。按土壤容重1.3 g/cm3分層裝進試驗土箱內(nèi)。

表1 供試土壤機械組成

1.2 試驗設(shè)備、設(shè)計與方法

試驗過程中所用到的設(shè)備主要由土箱和供水裝置構(gòu)成。試驗用土箱采用厚度為5 mm的有機玻璃土箱(25 cm×20 cm×30 cm)，土箱設(shè)有排氣孔。試驗用供水裝置為帶有刻度的馬氏瓶，定水頭供水，通過開關(guān)控制供水量。

試驗土壤按照試驗設(shè)計的8%初始含水率配好，為保證土壤的均勻性，按設(shè)計容重1.3 g/cm3分層裝土。之后，在土壤表面挖微溝，微溝坡度分別為25°、45°和65°。滴頭置于土箱一角[圖1(a)處A點]，滴頭流量分別為0.4、0.6、0.8 L/h。試驗共設(shè)9個處理，3組重復(fù)，各處理方案見表2，各處理灌水量均為75 L。本試驗按實際微溝截取二分之一來進行室內(nèi)試驗，斷面尺寸示意圖如圖1(b)所示。試驗結(jié)束后，在土壤A-B-E-F剖面沿水平和垂直兩個方向按網(wǎng)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。

圖1 起壟微溝滴灌土壤水分入滲示意圖

處理坡度/(°)滴頭流量/(L·h-1)T1T2T3T4T5T6T7T8T92525254545456565650.40.60.80.40.60.80.40.60.8

2 結(jié)果與分析

2.1 微溝滴灌不同滴頭流量對濕潤峰運移距離的影響

在灌水量一定，微溝坡度相同條件下，改變滴頭流量，水平與垂直濕潤鋒隨時間的變化過程如圖2～圖4所示。滴灌初期，不同滴頭流量在水平、垂直方向上的水分入滲速率均較快，且水平、垂直濕潤鋒運移距離差別不大。隨著滴灌時間的延長，水分入滲速率趨于穩(wěn)定。且滴灌初期，濕潤鋒水平運移速率大于垂直運移速率，這與盧俊寰、張志剛[16,17]等人的研究規(guī)律一致。另外，滴灌水量一定，同一坡度情況下，滴灌完成時，濕潤峰在水平和垂直方向上運移距離最短的始終是滴頭流量最大的(0.8 L/h)；運移距離最長的始終是滴頭流量最小的(0.4 L/h)。如圖2～圖4所示，相同坡度下，在水平方向上：T3(13.44 cm)比T1(15.37cm)，T6(12.55 cm)比T4(14.9 cm)，T9(11.45)比T7(13.63)的濕潤鋒運移距離分別約減少12.56%、15.77%、15.99%；在垂直方向上：T3(11.02 cm)比T1(14.8 cm)，T6(10.15 cm)比T4(13.8 cm)，T9(10.3 cm)比T7(13.74 cm)的濕潤鋒運移距離分別約減少25.54%、26.45%、25.04%；可見，滴頭流量的變化對垂直方向上的濕潤鋒運移距離影響比水平方向上要大。濕潤鋒運移距離隨著滴頭流量的減小而增加，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是在灌水量一定的條件下，減少滴頭流量，致使滴灌時間延長，土壤水分入滲時間增加，使水分在重力勢和水力梯度的影響下充分移動。

2.2 微溝滴灌不同坡度對濕潤峰運移距離的影響

在灌水量一定，滴頭流量相同的條件下，改變微溝坡度，濕潤鋒水平與垂直運移變化過程如圖5～圖7所示。滴灌初期，不同坡度水平、垂直方向上土壤水分入滲速率均較快，且水平、垂直濕潤鋒運移距離差別不大。總體上可看出，在水平、垂直方向上的濕潤鋒運移距離大部分為：25°坡度>45°坡度>65°坡度。土壤水分運移距離及入滲速率在滴灌初期隨著坡度的增加而降低，即土壤水分入滲速率與坡度成反比關(guān)系。隨著滴灌時間的延長，在水平、垂直方向上，不同坡度的滴頭入滲速率均下降，在滴灌初期下降較快，之后，入滲速率逐漸緩慢下降。且滴灌初期，土壤水分水平運移速率及運移距離略大于垂直運移速率及運移距離。在垂直及水平方向上，土壤水分入滲速率基本上與坡度成反比。在水平方向上：T7(13.63 cm)比T1(15.37 cm)、T8(12.75 cm)比T2(15.22 cm)、T9(11.45 cm)比T3(13.44cm)的濕潤鋒運移距離分別約減少11.32%、 16.23%、14.81%；在垂直方向上：T7(13.74 cm)比T1(14.8 cm)，T8(12.33 cm)比T2(13.48 cm)，T9(10.3 cm)比T3(11.02 cm)的濕潤鋒運移距離分別約減少7.16%、 8.53%、6.53%；可見，坡度的改變對水平方向上的濕潤鋒運移距離比垂直方向上的影響大。

圖2 25°坡度下微溝滴灌土壤水分入滲關(guān)系圖

圖3 45°坡度下微溝滴灌土壤水分入滲關(guān)系圖

圖4 65°坡度下微溝滴灌土壤水分入滲關(guān)系圖

圖5 滴頭流量為0.4 L/h時不同坡度微溝水分入滲關(guān)系圖

圖7 滴頭流量為0.8 L/h時不同坡度微溝水分入滲關(guān)系圖

2.3 微溝滴灌累積入滲量變化的模型建立

累積入滲量與濕潤峰的變化、入滲率都有著密切的關(guān)系，因此本文利用Origin7.5的函數(shù)擬合功能，在灌水量一定，改變滴頭流量與微溝坡度的條件下對累積入滲量建立了回歸模型。滴灌累積入滲量符合冪函數(shù)形式[18,19]，R2均在0.8左右。線性函數(shù)形式的R2均高于冪函數(shù)形式，因此該研究方式下的累積入滲量與時間關(guān)系更符合線性函數(shù)形式，圖8為線性模擬結(jié)果圖，線性擬合結(jié)果見表3，其中W代表入滲量，τ表示時間。可以看出，在同一坡度下，累積入滲量的線性相關(guān)性最高的均為0.6 L/h的滴頭流量。在25°、45°、65°坡度情況下，累積入滲量與時間的線性相關(guān)性從高到低排列分別為：T2>T1>T3； T5>T6>T4； T8>T7>T9。所有處理中，累積入滲量線性相關(guān)性最高的為T5，最低的為T3。25°、45°、65°坡度下的平均R2依次為0.962 2、0.999 5、 0.981 0。0.4、0.6、0.8 L/h的滴頭流量下平均R2依次為0.997 3、0.999 9、0.945 7。

圖8 累積入滲量線性函數(shù)擬合圖

處理回歸模型R2T1W=8.514 17+2.978 32τ 0.997 9T2W=6.820 63+6.124 57τ0.999 8T3W=17.433 00+1.705 08τ0.888 9T4W=-1.180 25+3.862 84τ0.999 0T5W=14.431 28+6.375 33τ0.999 9T6W=-3.669 33+10.1502 3τ0.999 7T7W=-1.530 24+4.341 9τ0.994 8T8W=-0.911 86+6.9796 8τ0.999 9T9W=13.467 39+1.912 7τ0.948 4

2.4 不同滴頭流量及微溝坡度對土壤含水率的影響

土壤含水率隨著土層厚度的增加，土壤含水率減少，隨著距離滴頭水平距離的增加，土壤含水率減少，這與李森、劉淑慧等人的結(jié)論一致[20]。此外，土壤含水率分布大致為一個半橢球體，微溝附近土壤含水率等值線分布較稀疏，濕潤鋒附近的等值線分布較密集。由土壤剖面含水率等值線分布圖9可以看出：同一灌水量，同一微溝坡度下，滴頭流量越大，土壤含水率等值線圖分布密集區(qū)域在垂直方向上向地表靠近，試驗土壤初始含水量在垂直方向上距離土表距離越近。因為本實驗測試土樣為砂粉土，田間持水量的60%～80%是適宜一般作物的水分條件，所以本論文重點討論砂粉土60%～80%的田間持水量范圍的土壤含水量，分析結(jié)果見表4，總體來說，在同一灌水量，相同坡度條件下，隨著滴頭流量的增加，含水率等值線在水平方向上變化不明顯，但是在垂直方向上的變化較大，且土壤含水率等值線分布密集區(qū)隨著滴頭流量的增加向地表方向移動。在相同滴頭流量，不同坡度情況下，土壤含水率較大值變化明顯，因此本文在不同坡度對比下討論了27%土壤含水率的等值線的變化。可以看出，在同一灌水量和滴頭流量，不同坡度條件下，土壤含水率等值線的分布在垂直方向上的變化小于在水平方向上的變化，在水平方向上，土壤含水率等值線分布密集區(qū)隨著坡度的減小而遠(yuǎn)離滴頭，向后移動。

圖9 T1～T9土壤含水率等值線圖

表4 不同滴灌處理8%及12%含水率等值線圖變化百分比

3 結(jié) 語

本文從4個方面分析了微溝滴灌的入滲規(guī)律，得出的主要結(jié)論有：

(1)滴灌水量一定，同一坡度的情況下，濕潤峰運移距離在水平和垂直方向上隨著滴頭流量的減少而增加。滴頭流量的改變對垂直方向上濕潤鋒運移距離影響較大。

(2)滴灌水量一定，同一滴頭流量的情況下，濕潤鋒運移距離在水平和垂直方向上隨坡度的增加而減少。坡度的改變對水平方向上濕潤鋒運移距離影響較大。

(3)利用Origin7.5建立的線性函數(shù)模型可以較好地模擬砂粉土的累積入滲量與時間的變化規(guī)律，試驗所有處理R2均大于或近似等于0.9。

(4)滴頭流量的大小主要對垂直方向上的土壤含水率產(chǎn)生影響，相同灌水量，相同坡度條件下，滴頭流量越大，土壤含水率等值線分布密集區(qū)域在垂直方向上距離土表越近；微溝坡度主要對水平方向上的土壤含水率產(chǎn)生影響，相同灌水量和滴頭流量，不同坡度條件下，在水平方向上，土壤含水率等值線分布密集區(qū)隨著坡度的減小而后移。