PP棉孔徑對(duì)涌泉根灌入滲特性的影響

郭子悅,代智光,任樂言,萬(wàn)奇霖,朱寄子星,李世紀(jì),任利宇,蔡耀輝

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院,陜西 楊凌 712100;2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 中國(guó)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院,陜西 楊凌 712100;3.河南科技大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院,河南 洛陽(yáng) 471003;4.陜西崇仁水利工程有限公司,陜西 西安 710000;5.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 楊凌 712100;6.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所,陜西 楊凌 712100)

黃土高原地區(qū)土壤干旱,降水時(shí)空分布不均,日間蒸發(fā)量大,導(dǎo)致作物生長(zhǎng)所需水分供求出現(xiàn)矛盾[1],不利于作物生長(zhǎng)發(fā)育,造成作物大面積減產(chǎn),嚴(yán)重制約當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[2]。為提高灌溉水分利用效率,增加作物產(chǎn)量,噴灌、滴灌、微噴灌、涌泉根灌等多種先進(jìn)的節(jié)水灌溉技術(shù)已得到推廣應(yīng)用[3-4]。其中涌泉根灌是采用套管將大流量灌水器與土壤隔離,通過灌水器直接將水肥輸送到作物根區(qū)的灌溉技術(shù),有效避免了地表蒸發(fā)和深層滲漏,提高了作物水分利用效率,極大程度地改善了灌水器堵塞問題,同時(shí)不受地形條件限制,適合在黃土高原地區(qū)大面積推廣[5-6]。

自涌泉根灌技術(shù)提出以來[7],歷經(jīng)十余年,國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)涌泉根灌技術(shù)開展了大量研究,并取得一系列成果。針對(duì)涌泉根灌技術(shù)在田間應(yīng)用效果,Dai等[8-9]對(duì)黃土高原棗樹進(jìn)行了涌泉根灌水氮耦合試驗(yàn),研究表明,涌泉根灌能有效提高棗樹水肥利用效率。李哲等[10]以陜北山地蘋果為研究對(duì)象,建立了涌泉根灌條件下蘋果樹蒸騰蒸發(fā)量關(guān)于葉面積指數(shù)的估算模型,對(duì)陜北山地蘋果涌泉根灌灌溉制度制定提供理論支撐。Hao等[11]對(duì)陜北山地蘋果進(jìn)行調(diào)虧灌溉,分析了蘋果各物候期的耗水規(guī)律和土壤根部含水率對(duì)果樹光合特性,果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)的影響,發(fā)現(xiàn)在蘋果萌芽展葉期和果實(shí)膨大期進(jìn)行調(diào)虧灌溉可穩(wěn)定蘋果產(chǎn)量,提高蘋果品質(zhì)。

以上田間試驗(yàn)的研究結(jié)果均為黃土高原山地果樹灌溉管理提供了理論指導(dǎo),但在實(shí)際應(yīng)用中,由于灌水技術(shù)參數(shù)設(shè)置不合理而降低水分利用效率的問題依然存在。土壤水分入滲能力直接影響灌溉水分的利用效率,因此,明晰涌泉根灌下土壤水分入滲特性,確定合理的灌水技術(shù)參數(shù)至關(guān)重要。近年來,相關(guān)學(xué)者對(duì)涌泉根灌土壤水分入滲特性進(jìn)行了深入研究。汪有科等[12]在黃土坡地利用剖面法研究涌泉根灌不同孔徑、孔深條件下土壤水分運(yùn)移規(guī)律,確定涌泉根灌適宜孔徑深度為30 cm～40 cm,孔洞直徑為6 cm;牛文全等[13]通過室內(nèi)土箱試驗(yàn),研究涌泉根灌條件下土壤初始含水率對(duì)均質(zhì)土壤水分?jǐn)U散的影響,結(jié)果表明初始含水率對(duì)濕潤(rùn)體大小有顯著影響,且隨著土壤含水率增加,各向濕潤(rùn)鋒速度及濕潤(rùn)體內(nèi)水分分布均勻度均不斷增大;劉風(fēng)華等[14]以江西紅壤土為例開展室內(nèi)試驗(yàn),結(jié)果表明土壤初始入滲能力隨容重增加而減小,土壤水分入滲衰減速度隨容重增大而增大;趙新宇等[15]研究了相同灌水量下,灌水流量對(duì)涌泉根灌濕潤(rùn)體的影響,室內(nèi)土壤試驗(yàn)結(jié)果表明灌水流量越大,濕潤(rùn)體形狀越扁平;何振嘉等[16]將黃土高原棗園試驗(yàn)區(qū)原狀土作為觀測(cè)面,研究涌泉根灌濕潤(rùn)體水氮運(yùn)移特征規(guī)律,試驗(yàn)表明涌泉根灌入滲能力與肥液質(zhì)量濃度呈正相關(guān);代智光等[17]通過土壤剖面入滲試驗(yàn),研究灌水器埋深對(duì)涌泉根灌雙點(diǎn)源交匯入滲特性的影響,結(jié)果表明,涌泉根灌條件下,灌水器埋深對(duì)紅壤土水氮運(yùn)移分布有顯著影響,且埋深超過60 cm時(shí),造成氮肥淋失,不利于作物吸收。

上述研究主要集中于灌水技術(shù)參數(shù)和土壤物理參數(shù)等,但涌泉根灌的出流過程是灌水器和套管共同影響的結(jié)果,灌水器材料的選擇對(duì)其水力性有顯著影響[18-19]。目前在實(shí)際的田間應(yīng)用中,涌泉根灌灌水器及配套套管制作材料多為聚丙烯材料,但該材料在田間長(zhǎng)時(shí)間留存是否會(huì)通過降解引起環(huán)境污染的問題尚需明確[20]。已有研究中有學(xué)者將PP棉濾芯作為配套套管,該套管以不易產(chǎn)生二次污染的聚丙烯為材料,通過熱熔方式纏繞而成[21],且壓差穩(wěn)定,不易產(chǎn)生土壤顆粒和根系堵塞,價(jià)格低廉,使用壽命長(zhǎng)。

陳俊英等[22]以室內(nèi)土箱試驗(yàn)為基礎(chǔ),研究PVC和PP棉兩種套管材料對(duì)涌泉根灌土壤入滲濕潤(rùn)體特性的影響,結(jié)果表明灌水后兩種材料所形成的土壤表面濕潤(rùn)半徑均與時(shí)間的自然對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系,并建立了由表面濕潤(rùn)半徑反演最大水平濕潤(rùn)半徑和深度的預(yù)測(cè)模型;劉珂瑤等[23]采用室內(nèi)土箱試驗(yàn),研究將PP棉作為涌泉根灌濾芯時(shí)灌水器流量和套管長(zhǎng)度對(duì)土壤入滲的交互作用,結(jié)果表明灌水器流量為12 L/h、套管長(zhǎng)度為40 cm的配套組合最有利于土壤水分運(yùn)移。

綜上,目前對(duì)涌泉根灌技術(shù)研究主要集中在田間布設(shè)和材料選擇等方面,但關(guān)于不同孔徑PP棉對(duì)涌泉根灌入滲特性的研究未見報(bào)道。本試驗(yàn)選用不同孔徑PP棉作為涌泉根灌套管,研究不同孔徑PP棉對(duì)涌泉根灌出流特性的影響,揭示不同孔徑對(duì)土壤入滲特性的影響機(jī)制,以期為涌泉根灌技術(shù)的應(yīng)用提供指導(dǎo)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

涌泉根灌土壤入滲試驗(yàn)在西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院灌溉水力學(xué)試驗(yàn)大廳進(jìn)行。試驗(yàn)系統(tǒng)由供水裝置、灌水裝置、土箱和土壤水分傳感器4部分組成,如圖1(a)所示。其中供水裝置由水箱、水泵和輸水管道等組成;灌水裝置由灌水器和不同孔徑PP棉套管組成,不同孔徑PP棉微觀結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示,PP棉套管長(zhǎng)度為40 cm,內(nèi)徑為2.8 cm,厚度為1.7 cm。灌水裝置埋置于土箱一角,以模擬實(shí)際大田中1/4的土壤水分入滲情況,進(jìn)水口距土壤表層10 cm[23]。黃土高原地區(qū)矮化密植蘋果樹根系主要集中在0～80 cm土層[24],為較好地確定蘋果根系濕潤(rùn)體區(qū)域,選擇規(guī)格為45 cm×45 cm×75 cm的有機(jī)玻璃土箱,土箱底部與分層土壤中不透水層特征一致[25]。

圖1 試驗(yàn)裝置、灌水器和PP棉套管細(xì)部結(jié)構(gòu)及電鏡掃描示意圖

1.2 供試土壤

供試土壤為田間原狀土,取自陜西省延安市寶塔區(qū)蘋果園距土壤表面0～75 cm處,土壤類型為黃綿土。試驗(yàn)前土壤經(jīng)自然風(fēng)干、碾壓、粉碎后過2 mm篩,按每層10 cm裝入土壤,層間打毛。土壤顆粒組成由馬爾文激光粒度分析儀MS2000測(cè)定,具體結(jié)果見表1,按照國(guó)際制,判定該土壤質(zhì)地為砂壤土。試驗(yàn)過程中用塑料薄膜覆蓋土壤表面,以防止土壤水分蒸發(fā)干擾試驗(yàn)結(jié)果。

表1 供試土壤物理性狀

1.3 觀測(cè)指標(biāo)

試驗(yàn)各處理灌水量相同,灌水量計(jì)算公式如下:

m=γzp(θmax-θmin)

(1)

式中:m為灌水定額,mm;γ為土壤密度,取1.35 g/cm3;z為計(jì)劃濕潤(rùn)層深度,取0.75 m;p為濕潤(rùn)比,取0.35;θmax,θmin為土壤含水率上下限(質(zhì)量百分比),本試驗(yàn)分別取41.08%和1.89%。

經(jīng)計(jì)算,總灌水量為7 L。試驗(yàn)設(shè)置了4個(gè)不同孔徑PP棉(1 μm、10 μm、20 μm和50 μm),試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案見表2。本試驗(yàn)灌水器流量為4 L/h,試驗(yàn)時(shí)模擬大田試驗(yàn)1/4濕潤(rùn)體情況,因此實(shí)際灌水器流量取大田使用流量的1/4進(jìn)行室內(nèi)土箱試驗(yàn),Q=1 L/h。

表2 不同孔徑PP棉試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

入滲開始后,用秒表計(jì)時(shí),定時(shí)觀測(cè)所形成濕潤(rùn)體在豎直向上方向、豎直向下方向和水平方向濕潤(rùn)鋒的變化情況,并按照先密后疏的原則在有機(jī)玻璃外壁描出不同時(shí)刻所對(duì)應(yīng)濕潤(rùn)體的形狀,并用毫米鋼板刻度尺測(cè)量濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離,并利用EM50土壤水分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(Decagon公司,美國(guó))測(cè)定土壤含水率,共設(shè)置12個(gè)土壤水分傳感器(布設(shè)方式見圖1(a)),橫向間距為9 cm,豎向間距為25 cm,每10 min測(cè)定一次。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)采用SPSS 26進(jìn)行分析,采用Origin 2018軟件繪制濕潤(rùn)鋒運(yùn)移圖,Surfer 15軟件繪制土壤水分分布及再分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同孔徑PP棉對(duì)涌泉根灌濕潤(rùn)體形狀的影響

圖2為不同套管孔徑時(shí)水平、豎直向上和豎直向下方向上濕潤(rùn)鋒隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化曲線。由圖2可以看出,不同設(shè)計(jì)方案沿各方向濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離變化趨勢(shì)基本相同,均隨入滲時(shí)間增加而不斷增大,且濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率隨時(shí)間推移表現(xiàn)出不斷減小的趨勢(shì),最終趨于穩(wěn)定。灌水結(jié)束時(shí),各設(shè)計(jì)方案(H1,H2,H3,H4)在水平方向濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離依次為20.0 cm、24.0 cm、31.1 cm、31.4 cm,豎直向上方向濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離依次為12.0 cm、19.4 cm、18.8 cm、21.8 cm,豎直向下方向上濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離均超過土箱邊界。綜合比較各設(shè)計(jì)方案,發(fā)現(xiàn)H4設(shè)計(jì)方案,即套管孔徑為50 μm時(shí),豎直向下方向上的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率最大,在灌水開始100 min后,最先到達(dá)土箱邊界,灌水結(jié)束時(shí)水平方向和豎直向上方向上濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離最大。

圖2 不同PP棉孔徑濕潤(rùn)鋒動(dòng)態(tài)變化

經(jīng)分析,不同設(shè)計(jì)方案在水平、豎直向上和豎直向下方向上所形成濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離均與入滲時(shí)間呈冪函數(shù)關(guān)系,即R(t)=abt,結(jié)果如表3所示。可以看出,各擬合方程的相關(guān)系數(shù)R2均在0.89以上,且均大于0.05顯著性水平對(duì)應(yīng)的臨界相關(guān)系數(shù)(R0.05=0.514),這說明表3各方程能較好地?cái)M合涌泉根灌土壤入滲濕潤(rùn)鋒與入滲時(shí)間的關(guān)系。

灌水結(jié)束后,土壤水分繼續(xù)運(yùn)移,但運(yùn)移的速率遠(yuǎn)小于灌水開始時(shí)的運(yùn)移速率。表4為灌水結(jié)束后24 h后濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移距離,可以看出再分布過程中各方向濕潤(rùn)鋒變化幅度隨套管孔徑的增大而減小,其中H1設(shè)計(jì)方案水平方向和豎直向上方向上濕潤(rùn)鋒的變化幅度分別為34.0%和45.8%,變化幅度最大,H4設(shè)計(jì)方案水平方向和豎直向上方向上濕潤(rùn)鋒的變化幅度分別為14.0%和13.8%,變化幅度最小。

表4 再分布過程中濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離

2.2 不同孔徑PP棉對(duì)濕潤(rùn)體內(nèi)土壤水分分布的影響

圖3為不同套管孔徑下灌水結(jié)束時(shí)沿豎直方向濕潤(rùn)體內(nèi)土壤剖面體積含水率分布圖。觀察圖3可知,受套管埋設(shè)位置和長(zhǎng)度的影響,灌水結(jié)束時(shí),不同孔徑所形成濕潤(rùn)體的高含水率區(qū)均出現(xiàn)于灌水器下方偏右位置,由表5可知,H1設(shè)計(jì)方案最高體積含水率為28.58%,H2設(shè)計(jì)方案最高體積含水率為30.92%,H3設(shè)計(jì)方案最高體積含水率為21.57%,H4設(shè)計(jì)方案最高體積含水率為34.91%。H4設(shè)計(jì)方案所形成濕潤(rùn)體的最高含水率遠(yuǎn)大于其他設(shè)計(jì)方案。

表5 濕潤(rùn)體內(nèi)最高體積含水率 單位:%

圖3 不同設(shè)計(jì)方案灌水結(jié)束時(shí)土壤剖面水分分布圖

觀察濕潤(rùn)體的形狀和土壤水分分布規(guī)律,發(fā)現(xiàn)灌水結(jié)束后各設(shè)計(jì)方案濕潤(rùn)體內(nèi)的含水率等值線分布由內(nèi)到外呈由疏到密分布,即距離灌水器越遠(yuǎn),土壤含水率越小,水勢(shì)梯度越大。H4設(shè)計(jì)方案形成濕潤(rùn)體的高含水率區(qū)域最大,濕潤(rùn)體的體積也越大,且水分分布最均勻,最有利于土壤水分運(yùn)移。

2.3 灌水結(jié)束后不同孔徑PP棉對(duì)濕潤(rùn)體內(nèi)土壤水分再分布的影響

圖4為不同套管孔徑下灌水結(jié)束后24 h時(shí)沿豎直方向濕潤(rùn)體內(nèi)土壤剖面體積含水率分布圖。與灌水結(jié)束時(shí)各設(shè)計(jì)方案的濕潤(rùn)體土壤含水率最大值相比,此時(shí)濕潤(rùn)體土壤含水率的最大值明顯減小,其中H1設(shè)計(jì)方案最高體積含水率變化幅度為11.0%,H2設(shè)計(jì)方案最高體積含水率變化幅度為29.1%,H3設(shè)計(jì)方案最高體積含水率變化幅度為15.0%,H4設(shè)計(jì)方案最高體積含水率變化幅度為20.1%,H2設(shè)計(jì)方案變化幅度最大,H1設(shè)計(jì)方案變化幅度最小。最高體積含水率減小的原因是在重力勢(shì)和土壤水勢(shì)的共同作用下土壤水分由高含水區(qū)域向各個(gè)方向運(yùn)移,使水分分布趨于均勻,同時(shí)濕潤(rùn)體的體積也明顯增大。通過比較得出,灌水結(jié)束24 h后,H4設(shè)計(jì)方案形成濕潤(rùn)體的體積最大,且水分分布最均勻,最有利于土壤水分運(yùn)移。

圖4 不同設(shè)計(jì)方案灌水結(jié)束24 h土壤剖面水分分布圖

3 討 論

土壤濕潤(rùn)體的大小和形狀影響著作物的生長(zhǎng)狀況,對(duì)土壤水分入滲特性的研究是選擇和布置涌泉根灌灌水器的前提與基礎(chǔ)[26]。涌泉根灌條件下,濕潤(rùn)體的位置主要受套管長(zhǎng)度的影響,本研究選擇40 cm的PP 棉套管,所形成的濕潤(rùn)體主要位于土箱底層,水分在土壤底部出現(xiàn)積聚現(xiàn)象。土箱底板類似分層土壤中的不透水層,可以利用該水分積聚現(xiàn)象,將涌泉根灌套管配合分層土壤中的不透水層使用,可以將水分積聚在作物根區(qū)。這與孫浩[27]的研究結(jié)論吻合,下襯阻水板可以調(diào)整土壤濕潤(rùn)體內(nèi)的土壤水分分布,使得土壤水分集中于灌水器附近及其上層土壤,從而降低深層滲漏風(fēng)險(xiǎn),提高灌溉水分利用效率。

入滲初期,水平濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速度大于豎直方向運(yùn)移速度,隨著時(shí)間的推移,豎直濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速度大于水平方向的運(yùn)移速度。這是由于豎直方向由基質(zhì)勢(shì)和重力勢(shì)共同作用,水平方向只由基質(zhì)勢(shì)作為驅(qū)動(dòng)力,隨著灌水時(shí)間推移,重力勢(shì)作用越來越明顯,最終濕潤(rùn)體的形狀為橢球體,這與費(fèi)良軍等[28]對(duì)不同流量下濕潤(rùn)鋒運(yùn)移特性的研究結(jié)果一致。

試驗(yàn)結(jié)果表明四種設(shè)計(jì)方案的濕潤(rùn)體最大水平擴(kuò)散半徑均大于豎直入滲深度。這與何振嘉[29]的研究結(jié)果不同,主要原因是本試驗(yàn)所使用的土箱尺寸限制了濕潤(rùn)鋒在豎直向下方向的運(yùn)移。另外,濕潤(rùn)鋒豎直向上和豎直向下方向上運(yùn)移距離出現(xiàn)差異,這是因?yàn)橄嗤|(zhì)勢(shì)下,重力勢(shì)對(duì)土壤水分運(yùn)移起決定性作用,豎直向上方向上,重力勢(shì)對(duì)土壤中水分運(yùn)移有阻礙作用,豎直向下方向上,重力勢(shì)會(huì)促進(jìn)土壤中水分運(yùn)移。

土壤水分運(yùn)移的驅(qū)動(dòng)力主要來源于基質(zhì)勢(shì)與重力勢(shì)產(chǎn)生的水勢(shì)梯度[30],隨著入滲時(shí)間的延長(zhǎng),濕潤(rùn)鋒不斷向外延伸,濕潤(rùn)體外邊緣的含水率與周圍含水率之間的差值逐漸減小,水勢(shì)梯度隨之降低。這與楊喜蓮等[31]研究結(jié)果一致,因此,濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率會(huì)隨著入滲時(shí)間的增加不斷降低,濕潤(rùn)鋒的各向運(yùn)移距離于入滲時(shí)間存在顯著的乘冪關(guān)系。

何振嘉等[20]通過大田試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),涌泉根灌灌水過程中,在灌水器的配套套管中會(huì)形成一定程度的積水,這與本研究的試驗(yàn)現(xiàn)象保持一致。涌泉根灌水分入滲過程中,當(dāng)供水強(qiáng)度大于土壤水分入滲強(qiáng)度時(shí),會(huì)在套管與土壤接觸界面上產(chǎn)生積水,所形成的入滲水頭會(huì)在入滲界面產(chǎn)生壓力勢(shì),從而增大導(dǎo)水率,加快水分的擴(kuò)散速度[32]。這與劉顯等[33]研究結(jié)果相似,即積水深度的增加,加大了重力勢(shì)及管壁側(cè)面與土壤的接觸面積,從而加快了濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移。

灌水器流量相同時(shí),套管孔徑對(duì)積水深度的影響較小,這是由于積水深度主要受灌水器流量和土壤特性影響。各套管孔徑下的積水深度與入滲歷時(shí)的關(guān)系均呈現(xiàn)迅速變大后趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)。灌水初期,灌水器出口端周圍土壤含水率急速到達(dá)飽和,與周圍土壤形成較大的水勢(shì)梯度,水勢(shì)梯度驅(qū)使土壤水分的運(yùn)移,土壤入滲能力較強(qiáng),因此套管內(nèi)部積水深度較小。隨著入滲的繼續(xù)進(jìn)行,土壤水勢(shì)梯度不斷減小,積水深度不斷增大后趨于平穩(wěn)。這是由于入滲水頭的增加會(huì)使入滲界面的土壤骨架變形,密實(shí)度增加,導(dǎo)水率減小[34],從而使供水強(qiáng)度與土壤入滲能力達(dá)到平衡,積水深度呈現(xiàn)相對(duì)平穩(wěn)的趨勢(shì)。

4 結(jié) 論

本文采用室內(nèi)土箱模擬試驗(yàn),研究了灌水器套管孔徑對(duì)涌泉根灌土壤水分入滲特性的影響,得出以下主要結(jié)論:

(1) 涌泉根灌條件下,水分入滲所形成的濕潤(rùn)體形狀為橢球體,各方向濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離與入滲時(shí)間均符合冪函數(shù)關(guān)系。

(2) 相同灌水條件下,PP棉套管孔徑選用50 μm時(shí),濕潤(rùn)鋒在豎直向下方向上運(yùn)移速率最大,灌水開始80 min后最先到達(dá)土箱邊界,在水平,豎直向上方向上運(yùn)移距離最大,分別為31.4 cm和21.8 cm。

(3) 涌泉根灌入滲過程中,PP棉套管孔徑選用50 μm時(shí),灌水結(jié)束時(shí)所形成濕潤(rùn)體和高含水率區(qū)域最大,再分布24 h后濕潤(rùn)體內(nèi)土壤水分分布最均勻。