單點源入滲土壤水分運移室內試驗

陳志豪 李春光 趙文娟

摘要?通過室內滴灌試驗對滴灌情況下土壤中的水分運移情況進行觀察和含水率變化測定。結果表明，在同一滴頭流量下，滴灌所得水平濕潤鋒X與Y方向上的運移速率一致，且水平濕潤鋒形狀呈圓形分布;在不同滴頭流量下，其水平濕潤鋒在同一方向上的運移速率隨著流量的增加而增大，灌溉結束后的濕潤鋒距離也隨著流量的增大而增大，且濕潤鋒的距離與時間呈冪函數關系;在垂直方向上，滴灌入滲深度隨著流量的增大而增大，不同深度土壤的含水率變化前期與時間呈對數函數關系，隨著水分再擴散過程的進行，含水率整體下降且最終趨于穩定。

關鍵詞?入滲;滴灌;濕潤鋒;水分運移

中圖分類號?S275.6?文獻標識碼?A

文章編號?0517-6611（2019）23-0228-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.23.066

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Indoor Experiment on Water Transport in Soil under Single Point Source Drip Irrigation

CHEN Zhi?hao1，LI Chun?guang2 ，ZHAO Wen?juan1

（1.School of Civil Engineering and Hydraulic Engineering， Ningxia University，Yinchuan，Ningxia 750021;2.School of Civil Engineering， Northern University for Nationalities，Yinchuan，Ningxia 750021）

Abstract?Through indoor drip irrigation experiment ， the water transport in soil under drip irrigation was directly observed and the water content was measured. The results showed that， under the same dripper discharge， the transport velocity of the horizontal wetting front in the X and Y directions was the same， and the shape of the horizontal wetting front was round. Under different dripper discharge，the transport velocity of the horizontal wetting front in the same direction increased with the increasing of dripper discharge， the distance of wetting front after irrigation also increased with the increasing of dripper discharge， and the distance of wetting front had a power function relationship with the time. In the vertical direction， the infiltration depth of drip irrigation increasedwith the increasing of flow rate， and the changes of water content at different depths had a logarithmic function relationship with time in the early stage.With the progress of water rediffusion process， the water content decreased and then tended to be stable.

Key words?Infiltration;Drop irrigation;Wetting front;Water migration

滴灌技術是目前世界上被普遍認為節水能力最高的一種灌溉技術[1]。隨著滴灌技術在國內的大范圍推廣，國內學者對滴灌技術的研究也越來越多，但大多數學者傾向于理論研究或大田試驗研究，雖有部分學者通過很多滴灌試驗，如陳小三等[2]通過地下滴灌試驗對地埋點源滴灌進行直接觀察，并分析了不同流量以及不同時刻濕潤鋒的運移規律及范圍以及水分的再分布等;李道西等[3]在室內有機玻璃土箱中進行地表滴灌試驗，結果發現滴灌所形成的濕潤鋒在很長一段時間內水平濕潤鋒一直大于垂直濕潤鋒，且二者都與時間呈冪函數關系;李斯[4]通過室內滴灌試驗研究了不同流量和不同田間持水率下土壤濕潤體的變化規律[4]。土壤水分作為在土壤中運移的重要物質及載體，對土壤水分運移的研究一直是農業水土中至關重要的一部分[5]，但對滴灌的室內研究仍不能滿足各地復雜的條件。該試驗的目的就是為了能夠與當地復雜的條件相結合，得出更加符合實際田間情況的數據，以此來達到節約水肥、降低病蟲害、提高作物產量等目的[6]，實現高效節水灌溉就是在提高社會生產力[7]。然而，實現高效節水灌溉還有很遠的路要走，需要很多人共同努力才能實現[8]，因此對各種流量下滴灌所得濕潤體的研究對大田種植有著非常重要的意義。

1?材料與方法

1.1?試驗場地與裝置

室內試驗場地為寧夏大學土木與水利工程學院實驗樓，試驗所用土樣采自寧夏回族自治區銀川市北部軍馬場土壤（鹽漬化土壤），海拔高度1 114 m，多年平均降水量為200 mm，試驗所用容器為500 mm×500 mm×500 mm的透明玻璃箱（圖1），馬氏瓶[9]作為滴灌用水水源（馬氏瓶可提供穩定恒壓水源），通過引水管連接恒通量水管（試驗采用輸液管[10]，為方便控制精確灌量，采用醫用輸液管先進行定量觀測固定，再進行滴灌試驗）進行滴灌試驗。

1.2?試驗設計

滴灌中心定在玻璃箱表面中心，在中心點下設置4個水分監測點，垂直向下深度依次為4、8、12、16 cm（圖2），監測點連接電腦，采集不同時刻的含水率數據。含水率采集深度的設定與實際大田作物種植有密切關系。

試驗所用土樣取回后風干，過2 mm篩子，經粒徑分析可知土樣為沙壤土，將土樣按容重1.5 g/cm3裝箱，以備滴灌試驗使用。試驗過程設定4個標定流量進行滴灌，分別為2、4、6、8 L/h。滴灌過程中按照設定的時間間隔進行觀察，測量水平面不同方向濕潤鋒的距離，同時土壤水分傳感器每隔30 s

對垂直方向設定點的含水率進行測量，每種標定流量控制滴灌時間為30 min。

該研究的主要目的是通過試驗研究不同流量條件下滴灌的濕潤體及含水率，然后結合不同作物在不同生長期的有效濕潤體范圍和最佳需水量，確定不同作物的最佳滴灌流量組合，以此達到最終的試驗目的。

2.1?水平方向濕潤鋒

通過室內試驗得到水平面上X與Y 2個方向各個標定流量的濕潤鋒距離（圖3），由4種不同流量情況下的濕潤鋒變化曲線可得出，不同流量下水平面上X與Y方向的濕潤鋒隨著滴灌時間的增長而逐漸增大，且X與Y方向的濕潤鋒變化趨勢大致相同，即水平截面的濕潤鋒形狀可近似看作圓形，但濕潤鋒增長的速率隨著時間的增大卻在逐漸減小，最后大致趨于零，即水平方向濕潤鋒趨于穩定。

由圖4、5可知，在相同滴灌時間，流量越大的滴頭所形成的濕潤鋒距離越大。在2 L/h流量灌溉的情況下，水平濕潤鋒距離與其他流量處理相比偏小，適于種植密度較大的作物（如大豆、玉米等）;其他較大流量下水平濕潤鋒距離較大，則適用于種植密度較小的作物（如葡萄、枸杞等）。從X與Y 2個方向上6和8 L/h流量下濕潤鋒運移情況來看，在滴灌20 min后濕潤鋒圖形開始出現交叉現象，即從作物水平濕潤鋒層面來看，在對作物進行灌溉時，使用6 L/h的流量對作物進行灌溉較使用流量8 L/h對作物進行灌溉更加經濟有效。

對濕潤鋒距離的研究可以對作物進行更加科學的灌溉，找到不同流量的灌溉濕潤鋒距離，結合不同作物的有效灌溉濕潤鋒，確定最合理的灌溉流量，從而達到節約用水、降低種植成本、提高作物產量、實現低投入高回報的目的[6]。

2.2?垂直方向水分運動分布

試驗共設4個含水率變化監測點，收集不同流量下不同位置處的含水率變化，每個流量下不同位置含水率的變化趨勢如圖6所示。

如圖6A所示，在2 L/h的滴灌流量下，12、16 cm深度處幾乎沒有含水率變化是因為流量太小，垂直方向水分運移較淺。從8 cm和4 cm深度處含水率的變化趨勢來看，曲線在40 min左右開始水分的重分布（滴灌時間為30 min，綜合中途對水平濕潤鋒的觀測拍照等的因素影響，最終在傳感器數據上表現時間為40 min），含水率略有降低后趨于穩定。

如圖6B所示，在4 L/h的滴灌流量下，16 cm深度處沒有發現含水率變化是因為流量太小，水分在垂直方向運移較淺。從8 cm和4 cm深度處含水率的變化趨勢來看，曲線在40 min左右開始水分的重分布（滴灌時間為30 min，綜合中途對水平濕潤鋒的觀測拍照等的因素影響，最終在傳感器數據上表現時間為40 min），含水率略有降低后趨于穩定。12 cm深度處在滴灌期間水分未運移到此傳感器所在位置，滴灌結束后在水分的重分布過程中水分運移至此位置，含水率逐漸上升，最終趨于穩定狀態。

如圖6C所示，在6 L/h的滴灌流量下，16 cm深度處未收集到含水率變化數據，這是因為流量太小，垂直方向水分運移較淺。從8 cm和4 cm深度處含水率變化趨勢來看，曲線在40 min左右開始水分的重分布（滴灌時間為30 min，但由于中途對水平濕潤鋒的觀測拍照，最終在傳感器數據上表現時間為40 min），含水率略微降低后趨于穩定。12 cm深度處在滴灌期間水分未運移到此傳感器所在位置，滴灌結束后在水分的重分布過程中水分運移至此位置，含水率逐漸上升，最終趨于穩定狀態。

如圖6D所示，在8 L/h的滴灌流量下，16 cm深度處沒有收集到含水率數據，這是因為流量太小，垂直方向水分運移較淺;從4、8、12 cm深度處含水率的變化趨勢來看，曲線在40 min左右開始水分的重分布（滴灌時間為30 min，但由于中途對水平濕潤鋒的觀測拍照，最終在傳感器數據上表現時間為40 min），含水率略微降低后趨于穩定。

3?結論

（1）滴灌中流量大的土壤中水平濕潤鋒的運移速率比流量小的快，滴灌15 min時8 L/h流量的水平濕潤鋒運移速率分別為流量6、4、2 L/h的1.15倍、1.36倍和3.00倍。

（2）滴灌中流量大的土壤中水平濕潤鋒的距離比流量小的遠，但流量到達某個臨界值就存在濕潤鋒同步變化的情況，如6、8 L/h流量在滴灌20 min后水平濕潤鋒距離相同，隨后同步變化，因此在實際灌溉中需要結合灌溉成本條件選擇最合適的灌溉流量。

（3）滴灌過程中水分能夠滲透的深度與滴灌流量有關，流量越大，入滲深度越深;同一位置處不同流量下含水率的變化趨勢相同，含水率大小與滴灌流量有關。

（4）滴灌結束后存在水分重新分布的現象，整體趨勢為含水率降低然后趨于穩定，濕潤體體積較滴灌結束時變大，含水率分布更加均勻。

參考文獻

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