黏土條件下小管出流灌溉不同灌水量土壤水運移特性研究

馬筱建，楊素苗，石海強，段鵬偉，杜紀壯，秦立者

（1.河北省農林科學院石家莊果樹研究所，河北石家莊 050061；2.河北省農林科學院，河北石家莊 050000）

小管出流是在改善滴灌設施基礎之上發展起來的節水灌溉技術，與滴灌相比，小管出流具有抗堵塞性能強、所需工作壓力較低、灌水均勻、不受地形或壓力變化影響、單位投資較一般微灌系統少等優點。近年來，小管出流在內蒙、新疆、河北、山東等缺水地區的果樹灌溉上已進行較大面積推廣使用。研究表明，小管出流灌溉能大大提高水分利用效率和灌水均勻度。

土壤水分運移能夠對植物根區水分狀況造成一定的影響。對于微灌的水分運移相關研究有很多，如李明思等研究了滴灌點源滴頭流量與土壤濕潤體之間的關系，陳佰鴻等研究了不同滴灌條件下土壤水分分布與運移規律，劉楊研究了滴灌系統設計參數及土壤水分運移規律。目前，微灌水分入滲的研究對象主要是流量小于3 L·h的滴灌，對于流量較大的小管出流水分在土壤中的分布和運移規律的研究較少。

本研究通過室內試驗，模擬了黏土條件下不同灌水量小管出流灌溉的土壤濕潤體變化過程和含水量變化，為黏土條件下制定小管出流灌溉制度提供了理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗設計

試驗地點為河北省農林科學院石家莊果樹研究所果樹根系系統觀測平臺避雨棚內，自制規格（長×寬×高）為80 cm×80 cm×80 cm 的方形無蓋有機玻璃土箱，供試土壤為黏土，經過平鋪、晾曬后，各處土壤含水量要保持一致，之后將土填入玻璃砂箱中，每5 cm 為一層進行夯實，經夯實后的土壤容重為1.43 g·cm。試驗開始時，土壤初始含水率為6.2%，供試土壤田間持水量實測值為27.6%，其余土壤物理特性指標見表1。為保證小管出流的灌溉流速一致，采用的給水裝置為蠕動泵（DIPump550-B146），抽取自來水進行試驗，設置的流速為7.5 L·h，出水口距離土壤表面距離固定為10 cm。試驗共設置3 個灌水量處理，分別為30，40，50 L（對應處理標記為I30，I40，I50），3 個處理的對應灌水時間分別為4，5.33，6.67 h。

表1 供試土壤物理特性

1.2 數據采集及分析方法

灌水試驗采用秒表計時，并實時觀測土壤濕潤鋒橫向運移半徑和垂直入滲深度。由于初始入滲速率較快，隨著時間的推移，運移速率逐漸變慢，需要根據實際濕潤鋒運移軌跡在有機玻璃上描出濕潤體形狀、記錄時間，并用卷尺測量濕潤峰距離。土壤含水率使用烘箱烘干法測定，第24 h 時采用直徑2 cm 的土鉆取土，距離灌水點沿橫向方向每隔10 cm 設置1 個取樣點，每個點處垂直向下每隔5 cm 取土樣。

采用Excel2016 及Golden surfer 8 進行數據處理和繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同灌水量處理的土壤水分運移

試驗開始到結束共分為2 個過程：一是灌水時土壤水分入滲，土壤濕潤體發生運移的過程；二是灌水停止后，由于土壤水勢梯度和基質勢的存在，土壤水分的運動并沒有隨即停止，而是在土壤中進行了再分布的過程。

灌水處理24 h 內，土壤水分的橫向、垂直運移距離如圖1 所示。灌水試驗設置的變量僅是最終灌水量不同，灌水期間不同處理濕潤鋒運移情況基本保持一致。停止灌水時，I30 處理對應的橫向、垂直運移距離分別為32.7，29.57 cm；停止灌水后，受水勢梯度和基質勢影響，土壤濕潤鋒仍在運動，I30 處理濕潤鋒橫向運移距離為6.93 cm，垂直運移距離為7.24 cm。總體上，24 h 內，I30 處理橫向運移距離為39.63 cm，垂直運移距離為36.81 cm。停止灌水時，I40 處理對應的橫向、垂直運移距離分別為37.0，34.9 cm；停止灌水后，濕潤鋒橫向運移距離為5.3 cm，垂直距離為8.8 cm；24 h 內，I40 處理橫向運移距離為42.3 cm，垂直運移距離為43.7 cm。停止灌水時，I50 處理對應的橫向、垂直運移距離分別為41.4，39.7 cm；停止灌水后，濕潤鋒橫向運移距離為7.71 cm，垂直距離為11.13 cm；24 h 內，I50 處理橫向運移距離為49.11 cm，垂直運移距離為50.83 cm。各個處理停止灌水后土壤水分再分布的過程中，垂直運移距離均大于橫向運移距離，說明停止灌水后土壤水分受重力的影響大于受土壤基質勢產生拉力的影響。停止灌水后的橫向運移距離與灌水量無關，垂直運移距離隨著灌水量的增加而增大，因為灌水量越大，單位體積的土壤含水量就越大，重力勢也越大。

圖1 濕潤鋒運移距離隨灌水時間變化情況

由于灌水時與灌水后土壤水分運移是2 個過程，在研究運移距離s（cm）與灌溉時間t（h）的關系時，可將2 個過程中的數據分別進行擬合。灌水過程中，3 個處理基本無差異，可用一條冪函數曲線對入滲過程進行擬合。

停止灌水后，土壤水分再分布的過程，橫向與垂直方向均可以采用對數進函數行擬合。

由表2 可以看出，土壤水分橫向運移和垂直運移的擬合方程決定系數均大于0.95，相關性較好，參數a 和b 均隨著灌水量的增大而增大。

表2 土壤水分運移距離與灌溉時間的擬合參數

2.2 不同灌水量處理土壤含水量變化

試驗選取小管出流正下方水流與土壤接觸位置為原點，用土壤含水率數據繪制等值線圖（圖2），等值線圖對稱分布。由圖2 可知，距離原點越遠等值線分布越密集，土壤水勢梯度逐漸增大，土壤含水率逐漸降低。假定不同水量的入滲范圍邊界為有效入滲范圍，I30 處理中，橫向距離10，20，30，40 cm 處的平均土壤質量含水量為17.31%，16.05%，13.48%，8.17%，垂直距離10，20，30，40 cm 處的平均土壤質量含水量為15.7%，13.95%，11.10%，8.09%；I40 處理中，橫向距離10，20，30，40，50 cm 處的平均土壤質量含水量為15.47%，14.11%，13.37%，11.59%，6.41%，垂直距離10，20，30，40，50 cm 處的平均土壤質量含水量為15.23%，14.30%，13.20%，11.70%，7.02%；I50 處理中，橫向距離10，20，30，40，50 cm 處的平均土壤質量含水量為19.1%，17.57%，16.58%，14.91%，8.63%，垂直距離10，20，30，40，50，60 cm 處的平均土壤質量含水量為18.67%，16.44%，15.39%，14.53%，11.75%，8.16%。從以上數據可以看出，隨著灌水量的增加，小管出流灌溉的下滲和側滲能力都有所增加；有效范圍內，I30 處理土壤水分橫向距離較垂直距離土壤含水率更高，說明其側滲能力高于其下滲能力，而I40 處理和I50 處理土壤水分橫向距離與垂直距離土壤含水率無明顯差異，說明黏土條件下，隨著灌溉水量的增加，土壤水分的下滲能力增加程度大于側滲。

圖2 黏土條件不同灌水量下土壤含水率分布等值線圖

2.3 運移距離與土壤含水量之間的擬合方程

為進一步探究水分運移距離與土壤含水量之間的相關關系，將土壤水分橫向、垂直運移距離與土壤含水量進行擬合，結果近似為一元二次多項式，其擬合方程為：

式中，x 表示離出水點橫向或垂直運移距離（cm）；y表示土壤含水量（%）。擬合結果如表3 所示，不同灌水量的土壤水分橫向、垂直運移距離與土壤含水量之間擬合方程的相關系數均達到了0.95 以上，說明擬合程度較好。

表3 土壤水分與橫向、垂直運移距離的擬合方程式

3 結論與討論

本研究結果表明，小管出流灌水時期，土壤入滲所形成的濕潤鋒運移的橫向和垂直距離隨著時間的變化均能用冪函數較好的擬合，且相關性較高。研究結果與樊曉康、劉顯、費良軍、何振嘉等關于涌泉根灌的研究結果相一致，也與李明思、徐堯權等關于地表滴灌的研究結果相一致。而李耀剛進行涌泉根灌灌水試驗時發現，濕潤鋒垂直運移距離隨時間的變化采用對數函數擬合結果更好，這與本研究結果有所不同。張志剛等進行地表滴灌濕潤鋒研究時發現，橫向運移距離隨時間的變化進行擬合時采用對數函數更適宜。因此，不同地區、不同土壤、不同灌水方式、不同灌水時間所采用的擬合方程會有所差異。

本研究針對土壤水分運移距離與土壤含水量之間關系，得出的擬合方程為一元二次多項式，該項擬合結果與曾辰等的研究結果相一致。土壤水分分布曲線與濕潤峰運移曲線不重合的原因可能是濕潤峰的運移受土壤基質勢梯度與土壤儲水能力的雙重作用影響。

為了方便測定，本研究采用玻璃砂箱填土的方式進行小管出流單點源入滲試驗。由于試驗環境處于相對理想的狀態，實際應用情況與試驗會有所差異，因而具有一定的局限性。

試驗采用玻璃砂箱填土的方式進行了黏土條件下小管出流30，40，50 L 灌水量的入滲試驗，并采用分時段畫線的方式描繪了不同時間段的土壤水分運移軌跡和土壤含水量變化，得出以下結論：

（1）在黏土條件下，不同灌水量對小管出流24 h內的土壤水分橫向和垂直運移有較大影響，土壤水分橫向和垂直運移距離均隨著灌水量的增加而增加，且橫向運移距離略大于垂直運移距離。

（2）土壤水分橫向、垂直運移距離與時間的關系均可采用冪函數進行擬合。停止灌水后，土壤水分再分布過程可采用對數函數進行擬合，且不同灌水量處理的相關系數均高于0.95，擬合程度較好，可以作為經驗公式，為小管出流系統設計提供參考依據。

（3）不論是橫向距離還是垂直距離，離出水口越遠，土壤含水率越小。在黏土條件下，隨著灌水量的增加，小管出流灌溉的下滲和側滲能力都有所增加。灌水30 L 處理側滲能力高于下滲能力；灌水40 L，50 L 處理，側滲能力與下滲能力持平。土壤水分橫向、垂直運移距離與土壤含水量擬合方程近似為一元二次多項式，且擬合程度較好。