風(fēng)沙土條件下滴灌灌水定額與深層滲漏量關(guān)系研究

余小青，洪 輝，宋 蕊，馬業(yè)輝，洪 明

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊830052；2.新疆水利工程安全與水災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊830052；3.新疆塔里木河流域干流管理局，新疆庫(kù)爾勒841000；4.新疆塔里木河流域巴音郭楞管理局，新疆庫(kù)爾勒841003）

0 引 言

和田地處塔克拉瑪干沙漠西南緣，人均耕地面積不足0.087 hm2，地均水資源量390 m3∕hm2，水土資源極度匱乏[1,2]，伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，和田地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨的水土資源短缺問(wèn)題將進(jìn)一步加劇。發(fā)展高附加值的設(shè)施農(nóng)業(yè)，成為破解上述難題的關(guān)鍵，同時(shí)也將和田地區(qū)優(yōu)勢(shì)的光熱資源進(jìn)行了有效的利用。在北京市的對(duì)口援建下，和田地區(qū)在沙漠邊緣的和諧新村、團(tuán)結(jié)新村累積建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化大棚9 000 余座，設(shè)施農(nóng)業(yè)已逐漸成為當(dāng)?shù)厝罕娒撠氈赂坏男峦緩健Ｓ捎诖笈飪?nèi)耕作層土壤主要為風(fēng)沙土[3]，其有機(jī)質(zhì)及粘粒含量低，保水保肥性差。再加之當(dāng)?shù)卦O(shè)施農(nóng)業(yè)灌溉管理粗放，導(dǎo)致高投入、低產(chǎn)出的問(wèn)題突出，致使很多群眾“望棚興嘆”，很多新建大棚被閑置，造成了資源的二次浪費(fèi)。研究當(dāng)?shù)仫L(fēng)沙土條件下農(nóng)田的灌水定額與深層滲漏量關(guān)系，提高灌溉水利用效率，減少農(nóng)業(yè)面源污染具有積極的作用，對(duì)當(dāng)?shù)卦O(shè)施農(nóng)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。已有諸多關(guān)于土壤水深層滲漏的研究報(bào)道，任玉忠[4]等人運(yùn)用HYDRUS-1D 模型分析了地面灌條件下棗園的灌水量與深層滲漏量的轉(zhuǎn)化關(guān)系。杜志達(dá)[5]等人采用VADOSE∕W 程序構(gòu)建的一維有限元模型，對(duì)不同灌溉條件下玉米地土壤水分的變化過(guò)程進(jìn)行了模擬，分析了深層滲漏量的發(fā)生規(guī)律。李麗艷[6,7]等人借助土壤深層滲漏記錄儀[8]，研究了灌水定額與土壤深層滲漏的轉(zhuǎn)化關(guān)系，上述研究均為本研究提供了可借鑒的方法。目前有關(guān)和田地區(qū)風(fēng)沙土條件農(nóng)田深層滲漏研究鮮有報(bào)道。本文旨在研究以和田地區(qū)風(fēng)沙土條件下日光溫室蘿卜地為對(duì)象，分析風(fēng)沙土條件下滴灌灌水定額與地面以下60 cm 處深層滲漏的關(guān)系，以期為和田地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)的科學(xué)灌溉提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)于2019年9月至2020年1月在和田地區(qū)和安新村的日光溫室中進(jìn)行。試驗(yàn)點(diǎn)地理坐標(biāo)：北緯37°16′，東經(jīng)79°52′，海拔1 370 m，屬溫帶大陸性氣候，降雨量少、蒸發(fā)量大、氣候干燥。年平均氣溫12.2 ℃、年平均降水量33.5 mm、多年平均降水量33 mm，年潛在蒸發(fā)量為2 600 mm，年總輻射量138.1～151.5 kJ∕cm2，全年日照時(shí)數(shù)2 470～3 000 h，無(wú)霜期210 d 左右[9,10]。土壤田間持水量為15%（質(zhì)量含水率），0～100 cm平均干容重為1.48 g∕cm3，耕作層土壤速效氮、速效磷和速效鉀的含量分別為0.046 g∕kg、0.007 g∕kg 和0. 205 g∕kg，有機(jī)質(zhì)含量1.25%，耕作層土壤pH 值8.12，土壤含鹽量在0.06%～0.09%之間變化，區(qū)域地下水埋深6.0 m 左右，地下水礦化度1.625 g∕L，灌溉水源取自地下水。

1.2 試驗(yàn)材料

供試蘿卜（Raphanus sativus L.）選用當(dāng)?shù)氐闹髟云贩N“雪玉”，試驗(yàn)點(diǎn)土壤均一性良好，試驗(yàn)開始前對(duì)試驗(yàn)點(diǎn)土壤進(jìn)行了篩分，土壤的機(jī)械組成如表1所示，根據(jù)《中國(guó)土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)》（1985年），屬于粗砂。

表1 試驗(yàn)點(diǎn)土壤機(jī)械組成Tab.1 Soil mechanical composition of the experiment site

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)中的蘿卜于2019年9月15日播種，在2020年1月14日收獲。采用起壟穴播、一壟兩行的種植方式，壟頂寬0.4 m，壟距0.8 m，壟高0.15 m，壟長(zhǎng)8 m，株行距0.2 m×0.25 m，整體呈南北向種植。蘿卜的灌溉方式為膜下滴灌，滴灌帶采用單翼邊縫式，鋪設(shè)方式為一行一帶，滴頭間距0.2 m、滴頭流量3.2 L∕h。試驗(yàn)設(shè)置了5 個(gè)灌水定額水平，中水平T3 灌水定額采用《微灌工程技術(shù)規(guī)范》（GB∕T50485-2009）推薦的公式（1）計(jì)算。

灌水定額計(jì)算公式：

式中：m為設(shè)計(jì)灌水定額，mm∕次；z為計(jì)劃土壤濕潤(rùn)深度，cm；p為土壤濕潤(rùn)比，%；W1與W2分別為適宜土壤體積含水率上下限（體積百分比），%；上限取田間持水量，下限在苗期、葉部生長(zhǎng)旺盛期、肉質(zhì)根生長(zhǎng)盛期依次取田間持水量的60%、70%、70%；η為灌溉水利用系數(shù)，滴灌取0.95。

由T3 處理的灌水定額向下遞減20%、40%得到T1、T2 處理的灌水定額，向上遞增20%和40%得到T4、T5 處理的灌水定額。為了減少試驗(yàn)誤差，各處理設(shè)3 個(gè)重復(fù)，共15 個(gè)小區(qū)，各小區(qū)隨機(jī)布置。為了確保蘿卜幼苗的成活率，在發(fā)芽期未做灌溉處理，待進(jìn)入苗期，開始進(jìn)行控水，實(shí)際采用的灌溉制度見表2。蘿卜施肥及其他農(nóng)耕管理措施與當(dāng)?shù)夭宿r(nóng)管理方式相同。

表2 試驗(yàn)處理及采用的灌溉制度Tab.2 Treatment and irrigation program used in experiment

1.4 試驗(yàn)觀測(cè)項(xiàng)目與方法

（1）灌溉水量：在各處理小區(qū)進(jìn)口處安裝機(jī)械旋翼式水表監(jiān)測(cè)控制每次灌水量。

（2）土壤含水量：采用Diviner 2000 在灌水前后測(cè)定各小區(qū)0～80 cm范圍內(nèi)的土壤含水量（見圖1）。

（3）深層滲漏量。原理：本研究采用深層滲漏儀測(cè)定深層滲漏量，該儀器包括三部分：集水坑、集水桶與抽水裝置（見圖2），集水坑采用不透水的塑料薄膜包裹監(jiān)測(cè)土壤，在剖面底部修整成倒梯形狀，使得深層滲漏液能匯流入集水坑的底部，集水坑底部與集水桶的連接處采用透水桶蓋，并在桶蓋上鋪設(shè)石英砂及濾網(wǎng)以防止土壤顆粒進(jìn)入深層滲漏水采集桶，抽液裝置采用兩根導(dǎo)管連接采集桶，一根用于連接大氣平衡氣壓，另外一根用于連接集水瓶與真空泵用來(lái)抽取集水桶里的深層滲漏量。

布設(shè)：張娟[11]等人通過(guò)土壤含水率的變化得出了蘿卜的根系主要活動(dòng)層為0～50 cm。考慮到本文研究土壤為風(fēng)沙土，土壤質(zhì)地疏松，故深層滲漏儀的布設(shè)深度定為地面以下60 cm，即深層滲漏至地面以下60 cm 的土壤水分為深層滲漏量。故依次在5個(gè)處理中各試驗(yàn)小區(qū)中部垂直挖出長(zhǎng)寬深為120 cm×80 cm×60 cm 見方的坑，60 cm 土層以下布設(shè)1 套試驗(yàn)儀器觀測(cè)深層滲漏量。

觀測(cè)：深層滲漏量在每次灌水前用真空泵抽出并采用稱重法測(cè)定。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用EXCEL2010 和Origin8.0 進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理分析與畫圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 各處理灌水前后土壤水分動(dòng)態(tài)

在蘿卜苗期、葉部生長(zhǎng)旺盛期、肉質(zhì)根生長(zhǎng)盛期各選取1次灌水前后的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)（滴灌帶正下方的）分析土壤水分動(dòng)態(tài)（圖3）。由圖3可以發(fā)現(xiàn)，在苗期T1～T5處理灌水影響的土層深度依次為20、30、30、40、40 cm。在葉部生長(zhǎng)旺盛期，灌水后T1～T5 處理明顯影響的土層深度依次為30、40、50、50、60 cm。在肉質(zhì)根生長(zhǎng)盛期，灌水后T1～T5 處理影響的土層深度依次為40、50、60、70、70 cm。表明土壤水分的垂向入滲深度隨著灌水定額的增大而增大。對(duì)60 cm 深度土壤含水率的分析可以看出：在苗期T1、T2 處理60 cm 處土壤含水率基本沒(méi)有變化，T3～T5 處理60 cm 處的土壤含水率有變化，其中T3 處理變化最小。在葉部生長(zhǎng)旺盛期，T1 處理60 cm深度的土壤含水率基本沒(méi)有變化，T2～T5處理60 cm處土壤含水率有變化，其中T2 處理變化最小。在肉質(zhì)根生長(zhǎng)盛期，T1～T5處理60 cm深度的土壤含水率均有變化，其中T1處理變化較小。

2.2 各處理灌水后深層滲漏量隨時(shí)間的變化

在蘿卜苗期、葉部生長(zhǎng)旺盛期、肉質(zhì)根生長(zhǎng)盛期各選擇3次灌水，進(jìn)行灌水后不同時(shí)間的深層滲漏量觀測(cè)，并將3次深層滲漏過(guò)程中不同時(shí)間段的滲漏量取平均值，得到各生育期深層滲漏量隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖4所示。灌水后不同灌水定額處理的深層滲漏量隨時(shí)間變化差異明顯。在苗期，T3、T4、T5處理依次在開始灌水后12、10、8 h出現(xiàn)深層滲漏，過(guò)程持續(xù)時(shí)長(zhǎng)依次為15、20、24 h，峰值出現(xiàn)時(shí)間在開始灌水后14、11.5、11 h。在葉部生長(zhǎng)旺盛期，T2、T3、T4、T5處理依次在開始灌水后8、7、6、4.5 h 出現(xiàn)深層滲漏，持續(xù)時(shí)長(zhǎng)依次為24、28、31、37 h，峰值出現(xiàn)時(shí)間在開始灌水后10、8、6、5 h。在肉質(zhì)根生長(zhǎng)盛期，T1、T2、T3、T4、T5 處理依次在開始灌水后6、5、4、3、1.5 h 出現(xiàn)深層滲漏，持續(xù)時(shí)長(zhǎng)依次為33、42、46、49、52 h，峰值出現(xiàn)時(shí)間在開始灌水后7、6、5、4、2.5 h；表明灌水下滲至60 cm 深度進(jìn)而形成深層滲漏需要一定時(shí)間，深層滲漏量對(duì)灌水定額的響應(yīng)具有滯后性和延遲性，隨著灌水定額的增大，出現(xiàn)深層滲漏量的時(shí)間前移，滯后性減小。深層滲漏量峰值隨灌水定額的增大而增大，且峰值發(fā)生時(shí)間前移，深層滲漏結(jié)束時(shí)間隨著灌水定額的增大而延后。

2.3 各處理全生育期深層滲漏量

試驗(yàn)中蘿卜整個(gè)生育期共灌水25 次。各灌水處理在蘿卜全生育期的深層滲漏量如圖5所示。由圖5（a）可以看出，在苗期T1、T2沒(méi)有深層滲漏量，T3、T4、T5的單次平均深層滲漏量依次為0.5、1.10、1.40 mm。在葉部生長(zhǎng)旺盛期，T1沒(méi)有深層滲漏量，T2、T3、T4、T5 的單次平均深層滲漏量依次為0.94、1.85、2.71、3.97 mm。在肉質(zhì)根生長(zhǎng)盛期T1～T5 的單次平均深層滲漏量依次為2.31、4.99、7.87、13.38、18.22 mm。可以看出灌水定額越大則深層滲漏量越大。整體來(lái)看，苗期T3 處理與葉部生長(zhǎng)旺盛期T2 處理的單次平均深層滲漏量基本處于同一水平，葉部生長(zhǎng)旺盛期T4 處理與肉質(zhì)根生長(zhǎng)盛期T1處理基本處于同一水平。苗期出現(xiàn)深層滲漏量的灌水定額臨界值為8.1 mm∕次，葉部生長(zhǎng)旺盛期出現(xiàn)深層滲漏量的灌水定額臨界值為10.4 mm∕次，產(chǎn)生深層滲漏量的灌水定額有所上升；分析認(rèn)為可能的原因是隨著蘿卜生長(zhǎng)發(fā)育，蘿卜根系產(chǎn)生了一定的固沙保水作用；由于肉質(zhì)根生長(zhǎng)盛期T1到T5都有深層滲漏量，無(wú)法直接得到具體深層滲漏發(fā)生時(shí)灌水定額臨界值，但由于葉部生長(zhǎng)旺盛期T4（15.6 mm∕次）與肉質(zhì)根生長(zhǎng)盛期T1（15.2 mm∕次）二者灌水定額基本相同，且深層滲漏量基本在一個(gè)水平上，故推測(cè)肉質(zhì)根生長(zhǎng)盛期發(fā)生深層滲漏量時(shí)灌水定額臨界值應(yīng)該與葉部生長(zhǎng)盛期變化不大。故肉質(zhì)根生長(zhǎng)盛期深層滲漏量的灌水定額臨界值為10.4 mm∕次。由圖4（b）可以看出，T1～T5 的深層滲漏量分別為26、66.6、110.5、186.2 和254.7 mm，占灌溉定額的比例依次為9.8%、18.7%、24.9%、35.0%、41.0%，表明灌水定額越大，導(dǎo)致全生育期深層滲漏量占灌溉定額的比例越大。

2.4 灌水定額與深層滲漏量的關(guān)系

灌溉為和田地區(qū)日光溫室大棚內(nèi)土壤水分補(bǔ)給的唯一來(lái)源，段良霞[12]指出深層滲漏量與降雨量或灌溉量的關(guān)系可表示為以降雨量或灌溉量為自變量的一次函數(shù)。李麗艷等人[13]研究中也采用了一次函數(shù)來(lái)擬合深層滲漏量與灌水定額的關(guān)系，任玉忠等人[14]的研究中分別采用一次函數(shù)和二次函數(shù)對(duì)地面灌與滴灌條件下紅棗園全生育期的累積深層滲漏量與灌溉定額進(jìn)行擬合。故本文分別采用一次函數(shù)與二次函數(shù)對(duì)深層滲漏量與灌水定額進(jìn)行擬合，探尋二者之間最優(yōu)的擬合函數(shù)關(guān)系。通過(guò)在不同處理灌水定額與地面下60 cm 深度處深層滲漏量相關(guān)性分析，建立了風(fēng)沙土條件下日光溫室蘿卜地深層滲漏量與灌水定額的回歸方程的表達(dá)式如表3所示。

表3 灌水定額與深層滲漏量擬合關(guān)系Tab.3 Fitting relationship between irrigation quota and deep percolation

從回歸方程的相關(guān)指數(shù)來(lái)看，相關(guān)指數(shù)均在0.9 以上，表現(xiàn)出較好的擬合度，且從相關(guān)系數(shù)來(lái)看二次函數(shù)擬合效果明顯優(yōu)于一次函數(shù)擬合。

3 討 論

對(duì)于水資源嚴(yán)重不足的和田地區(qū)而言，減少農(nóng)業(yè)灌溉過(guò)程中的深層滲漏是提高農(nóng)業(yè)水資源利用效率的重要途徑之一。試驗(yàn)中灌水前后土壤含水率隨著土層深度的增加而逐漸減小，灌水定額越大，灌水后影響的土層深度越深，研究結(jié)果與袁寧寧等人[15]的結(jié)果一致，表明灌水定額是影響土壤水分的重要因素。試驗(yàn)中隨著灌水定額的增加深層滲漏量隨之增大，且灌水定額越大深層滲漏發(fā)生的時(shí)間越早，深層滲漏的持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)；深層滲漏速率在產(chǎn)生深層滲漏后快速達(dá)到最大值，然后急劇降低，并且深層滲漏量對(duì)灌水定額的響應(yīng)具有滯后性和延遲性。研究結(jié)果與程一本[16]、吳麗麗[17]、劉玉春[18]等人研究結(jié)果一致，表明灌水定額是影響深層滲漏量的關(guān)鍵因素，灌水定額過(guò)大會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的深層滲漏量。本文得到的灌水定額與深層滲漏量關(guān)系與李麗艷[13]與任玉忠[14]等人的研究結(jié)果存在一定的差異，分析認(rèn)為主要是由于研究的深度及土壤質(zhì)地不同所導(dǎo)致。有研究表明在沙區(qū)農(nóng)田進(jìn)行合理的耕作、灌溉、施肥等措施有助于增加土壤微生物進(jìn)而改善土壤結(jié)構(gòu)，增加生物量、根系碳以及其他有機(jī)物從而明顯加速土壤的發(fā)育過(guò)程[19-22]，也有相關(guān)研究表明灌水均勻度、土壤質(zhì)地、灌水定額和作物根系交錯(cuò)等因素對(duì)深層滲漏有很大影響[23]，這些結(jié)論與本試驗(yàn)中隨作物的生長(zhǎng)，開始發(fā)生深層滲漏的灌水定額臨界點(diǎn)出現(xiàn)隨著生育期的推進(jìn)而略有上升的結(jié)論是一致的。Liwen Zhao 等人[24]關(guān)于甘肅黑河中游地區(qū)玉米地深層滲漏量研究表明深層滲漏量占降雨量和灌溉量之和的20%～30%，本文中T3 處理的深層滲漏量占灌溉定額的24.9%，與上述研究結(jié)果相似。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)區(qū)附近當(dāng)?shù)夭宿r(nóng)的灌溉制度的調(diào)查走訪，秋茬蔬菜灌水定額在800 mm 左右，根據(jù)本文的研究結(jié)果可以推算出深層滲漏量可達(dá)400 mm，深層滲漏量可占到灌溉量的50%，根據(jù)文獻(xiàn)[1]中統(tǒng)計(jì)的和田地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)面積1 873.14 hm2，可以推算出和田地區(qū)僅秋茬蔬菜的深層滲漏損失就高達(dá)7.5×106m3，當(dāng)?shù)氐脑O(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力巨大。從減少深層滲漏損失的角度出發(fā)，和田風(fēng)沙土條件下日光溫室蔬菜凡根系在地面以下60 cm 內(nèi)的作物，以生育前期灌水定額為8.1 mm∕次，生育中后期灌水定額為10.4 mm∕次為宜。

4 結(jié) 論

（1）蘿卜不同生育期各處理的深層滲漏規(guī)律基本一致，深層滲漏與灌水定額呈正相關(guān)關(guān)系；灌水后深層滲漏速率快速達(dá)到最大值，然后急劇下降，深層滲漏量對(duì)灌水定額的響應(yīng)具有滯后性和延遲性。

（2）試驗(yàn)條件下蘿卜各生育期產(chǎn)生深層滲漏的灌水定額臨界值依次為：在苗期8.1 mm∕次，在葉部生長(zhǎng)盛期與肉質(zhì)根生長(zhǎng)盛期10.4 mm∕次。

（3）T1～T5 處理全生育期的深層滲漏量在26.0～254.7 mm 之間變化。

（4）風(fēng)沙土條件下日光溫室蘿卜地深層滲漏量與灌水定額之間的關(guān)系可用以灌水定額為變量的一次與二次函數(shù)進(jìn)行擬合，其中二次函數(shù)擬合效果較優(yōu)。