農田微噴灌有效濕潤層空間土壤含水量均勻性探析

李玉剛

（甘肅洮河土木工程設計咨詢有限公司,甘肅 蘭州 730030）

微噴灌是利用微噴頭將灌溉水均勻地噴灑到灌溉區域的微灌形式，以其霧化程度高、灌水均勻、適應性強等特點被廣泛應用于小麥、大豆、蔬菜、花卉、草坪、果園及扦插育苗等節水灌溉工程[1]。其中，微噴頭是微噴灌系統的核心部件[2-3]。評價微噴灌質量的重要指標之一是噴頭的組合噴灌均勻度[4]，而該指標不能很直觀的反應噴灌土壤水分空間再分布特性[5-8]。因此，本文將以有效濕潤層空間土壤含水量均勻度為對象，進一步對微噴灌土壤水分空間再分布特性進行研究分析，以期為深入研究噴灌質量評價指標提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

選取苗期小麥田作為試驗用地，土壤為壤土，試驗區域地表平整、無雜物。試驗在野外無風條件下進行，選用噴嘴直徑為1.2mm的旋轉微噴頭，額定工作壓力 200kPa，流量 120L/h，噴灑半徑為2.8m。圖1為試驗裝置示意圖，以正方形形式布置2個噴頭，布置間距5.6m。采用精度為0.4級的精密壓力表控制噴頭工作壓力，精度為0.5級的電磁流量計控制流量。以每個噴頭正下方為中心，徑向各布置7個測點，相鄰測點間距0.8m。各測點在地面下 5cm、15cm、25cm、35cm 和 45cm 處埋設 TDR探頭，測定土壤含水量。灌水結束后1h測定各點不同深度的土壤含水量[6]，用以測定土壤中水分再分布后的均勻性。

圖1 試驗裝置示意圖

1.2 計算方法

1.2.1 土壤含水量均勻度系數

不同剖面深度土層土壤含水量均勻系數計算式1進行測算。

式中：CUS——土壤含水量均勻系數，%；

θi——第i個觀測點土壤含水量觀測值，%；

n——觀測點數。

1.2.2 有效濕潤層土壤含水量均勻系數

有效濕潤層土壤含水量均勻系數計算式（2）進行測算。

式中：SU——有效濕潤層土壤含水量均勻系數，%；

CUSi——噴灑面積內第i個深度層的土壤含水量均勻系數，%；

N——噴灑面積內作物根系主要分布區域的土壤含水量測試的分層數目，N=5；

Pi——噴灑面積內第i個深度層土壤含水量均勻系數的權重系數，即作物根系在主要分布區域空間各深度層的分布密度百分比 （以早熟禾草坪為例，5cm、15cm、25cm、35cm 和 45cm 土層根系體積分別占根系總體積的30.2%、26.5%、20.8%、11.4%和 11.1%）；

θij——第i個深度層第j個測試點的土壤含水量測試值；

n——觀測點數。

2 試驗結果分析

2.1 土壤水分空間分布均勻性

各測試點不同深度土層土壤含水量均勻系數在90.3%～98.8%之間變化見表1。其中，各土層土壤含水量均勻系數均表現為測試點7和8最高，測試點1和14較低，各土層土壤含水量均勻系數以噴頭為中心向噴灑邊緣呈遞減趨勢；可見，相鄰噴頭噴灑區域適當重疊能夠提高各層深度土壤含水量均勻性。各測點較高的土壤含水量均勻系數均出現在15～25cm之間，各點5cm和35cm土層的土壤含水量均勻性次之，且除測試點4和11外，其余各點二者均勻系數基本相當，45cm土層的土壤含水量均勻性最低，這與噴灑水分在土壤中經過1h的垂直下滲和水平擴散而獲得再分布直接相關。

圖2進一步展示了各測點不同土層土壤含水量均勻系數變化，由圖可以看出，除測試點1和14外，其余各點土壤含水量均勻系數隨土層深度變化呈單峰曲線，且峰值出現在25cm土層；“邊緣點”1和14從25cm土層起，隨著土層深度的加深，土壤含水量均勻系數大幅下降，在噴灌系統設計中應引起足夠的重視，即旋轉微噴頭噴頭布置間距不應超過0.85R（R為噴頭噴灑半徑）。

2.2 有效濕潤層土壤含水量均勻性

表1 各測試點不同深度土層土壤含水量均勻系數實測值

圖2 各測點不同土層土壤含水量均勻系數變化

圖3 平均土壤含水量均勻系數與有效濕潤層土壤含水量均勻系數關系圖

有效濕潤層土壤含水量均勻系數計算結果見表2，其與平均土壤含水量均勻系數的變化關系如圖3所示。由圖3可以看出，有效濕潤層土壤含水量均勻系數Su變化趨勢基本與平均土壤含水量均勻系數吻合。Su最大值出現在測試點7和8，均達到98%以上；最小值在測試點出現在1、5、10和14，均在95%以下；除測試點4和11外，其余各點有效濕潤層土壤含水量均勻系數均略高于平均土壤含水量均勻系數。可見，有效濕潤層土壤含水量均勻系數更能客觀地反應作物根系區土壤水分空間再分布狀況，這對于節水噴灌工程系統的噴灌質量評價、節水噴灌工程系統優化都具有較大的現實意義。

表2 各測點平均土壤含水量均勻系數與有效濕潤層土壤含水量均勻系數表

3 結論與討論

1）相鄰噴頭噴灑區域適當重疊能夠提高各層深度土壤含水量均勻性，旋轉微噴頭噴頭布置間距不應超過0.85R。

2）旋轉微噴頭的土壤含水量均勻系數較高值出現在15～25cm土層，特別適用于小麥、蔬菜、花卉及人工草坪等淺根作物的灌溉。

3）有效濕潤層土壤含水量均勻系數更能客觀地反應作物根系區土壤水分空間再分布狀況，可較好的用于噴灌質量評價和系統優化。

本文僅對旋轉微噴頭在一般農田壤土的土壤水分空間再分布特性進行研究分析，而針對不同噴頭型式、組合方式在不同土質特點的土壤水分空間再分布特性，還有待于進一步研究。