基于不同滴灌帶鋪設模式下濕潤鋒運移情況的研究

摘" " 要：為研究不同滴灌帶鋪設模式下滴灌帶首尾兩端水平濕潤半徑和垂直濕潤半徑隨灌溉時間推移的變化規律，確定棉花滴灌灌水最優時間，選取兩種滴灌帶鋪設模式，研究滴灌帶首尾兩端在灌溉開始后2、4、6、8 h內土壤濕潤鋒的運移情況。結果表明：一膜二帶和一膜三帶鋪設模式濕潤鋒達到根系附近所需時間分別為8、6 h，首端濕潤鋒運移速率要比尾端濕潤鋒運移速率快，一膜三帶濕潤鋒運移速率比一膜二帶快;兩種模式灌水量相近時，一膜三帶模式更加節省時間;相比一膜二帶模式，一膜三帶首尾兩端濕潤鋒的形狀更相近，并且達到根系要求所花時間更接近。綜合當地條件，棉花滴灌推薦使用一膜三帶鋪設模式，灌水延續時間為6～8 h。

關鍵詞：棉花;滴灌帶;濕潤鋒;水分運移

中圖分類號：S152.7" " " " "文獻標識碼：A" " " " " DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2024.12.008

Research on the Transport of Wetting Fronts under Different Drip Irrigation Tapes Laying Modes

KADIERJIANG Mijiti1，YISHAKE Tuoheti2， ABUDOUKAYIMU Abulimiti3，GAO Yuanyong1，YANG Xinxin1，XILINAYI Duolaiti1

（1. Xinjiang Vocational University，Urumqi，Xinjiang" 830013， China; 2. Shaya County Water Management Station， Shaya， Xinjiang 842200， China; 3. Xinjiang Zhongnong Zhishui Technology Company Limited， Changji， Xinjiang 831100， China）

Abstract： In order to study the variation of horizontal and vertical wetting radii at the beginning and end of drip irrigation tapes under different drip irrigation tapes laying modes with the passage of irrigation time， and to determine the optimal time for cotton drip irrigation， this research selected two drip irrigation tapes laying modes to study the movement of soil wetting fronts at the beginning and end of drip irrigation tapes within 2， 4， 6 and 8 hours after the start of irrigation. The results showed that the time required for the wetting fronts to reach the vicinity of the root system in the one film two tapes and one film three tapes laying modes was 8 and 6 hours， respectively. The transport rate of the wetting fronts at the beginning was faster than that at the end， and the transport rate of the wetting fronts in the one film three tapes was faster than that in the one film two tapes laying mode. When the irrigation amount of the two modes was similar， the one film three tapes mode was more time-saving. Compared to the one film two tapes mode， the shape of the wetting fronts at the beginning and end of the one film three tapes mode was more similar， and the time required to meet the root system requirements was similar. Considering the local conditions， it is recommended to use a one film three tapes laying mode and a 6-8 h irrigation duration for cotton drip irrigation.

Key words： cotton;drip irrigation tapes;wetting fronts;water transport

新疆是典型的干旱、半干旱地區，并且水資源空間、時間上分布不均勻，新疆總面積為166.04×104 km2，全疆多年平均水資源總量為809.04×108 m3。據統計，2021年新疆總供水量與用水量均為571.4×108 m3，其中生產用水量為540.8×108 m3。在生產用水量中，第一產業用水量為526.78×108 m3，其中灌溉用水量為522.8×108 m3，占99.24%，超全國平均水平約30%。農業生產完全依靠灌溉，灌溉水資源短缺是制約新疆農業發展的主要因素[1-2]。因此，大力發展節水灌溉既是形勢的要求，也是新疆可持續發展的需要。滴灌是一種局部灌溉方式，對干旱地區節水起到了推動作用，獲得了許多學者的關注。按照作物需水情況，調節作物耗水與根際土壤水分運移的關系，減少或排除深層滲漏或土壤水分虧缺情況，制定科學灌溉制度是提高水分利用效率的重要途徑[3]。滴灌條件下水平運移半徑與垂直運移半徑因土壤性質等存在差異性[4-5]。研究表明，滴頭流量與擴散半徑存在較好的函數關系，并且擴散半徑隨著滴頭流量的增加而增加，但是滴頭流量過大時，積水現象會較早出現[6-7]。研究發現，土壤水平濕潤半徑和垂直濕潤半徑隨著土壤容重的增加而減少[8-10]。滴灌條件下土壤水分的水平和垂直濕潤半徑隨著初始土壤含水率的增加而增加[11-13]。但是之前學者的研究多集中于室內點源滴灌，對不同滴灌帶鋪設模式下灌水時間研究甚少，因而灌水時間的確定缺乏科學依據。本研究結合棉田兩種滴灌帶鋪設模式，對土壤水分運移規律進行模擬和研究，為棉田灌溉制度的優化提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本試驗于2021年7月1日—2021年9月10日在新疆呼圖壁縣大豐鎮紅柳塘村棉花示范田（44.18°32′ N，86.58°71′ E）進行，種植面積66.67 hm2。試驗區棉花地土壤檢測深度為0～50 cm，砂壤土，土壤平均容重為1.45 g·cm-3，地下水埋深大于15.5 m。當地多年平均降雨量及無霜期分別為167 mm和180 d，區域平均氣溫為6.7 ℃，屬于半荒漠干旱性氣候。

1.2 試驗設計

本試驗采用機采棉種植模式，田間塑料薄膜、滴灌帶鋪設與播種同時進行。即種植模式為1膜6行，棉花種植行距為（10+66+10+66+10） cm、株距為10 cm，留苗密度為21萬株·hm-2，其滴灌帶鋪設方式如圖1所示。試驗田滴灌系統支管鋪設長度為60 m，單邊滴灌帶鋪設長度為50 m，每組試驗時間為8 h。滴灌帶管徑為16 mm，滴頭流量為2.2 L·h-1，系統首部工作壓力為0.16 Mpa、同時單邊開啟6個支管，支管進水壓力為0.06 Mpa、支管滴頭間距0.3 m，滴灌帶滴頭工作壓力為0.05 Mpa。試驗選用當地常用的一膜二帶（滴灌帶間距為0.76 m）和一膜三帶（滴灌帶間距為0.66 m）兩種鋪設模式，選取A、B、C 3個灌水小區，在支管離首尾兩端5 m處和中間處，分別選取3條滴灌帶，將離滴灌帶首段和尾端5 m處的滴頭作為觀測對象，觀測其水平和垂直方向濕潤鋒與灌水時間的變化情況。試驗小區和觀測點詳細的布置如圖2所示。

1.3 田間試驗方法

本試驗在一膜二帶和一膜三帶兩種鋪設模式下進行。當系統首部出水壓力、支管進水壓力和滴頭工作壓力均達到設計值時，在選定的滴灌帶首端和尾端滴頭處進行濕潤鋒水平擴散、垂直方向濕潤深度與灌水延續時間的觀測試驗。試驗中，以選定滴頭為中心，對滴頭正下方土壤剖面進行垂直開挖，觀測土壤剖面濕潤半徑和濕潤深度隨時間變化的情況。當灌水時間增加到2" h時，以滴頭為中心，挖寬度為20" cm、深度為15 cm的土壤剖面，采集瞬時濕潤鋒水平和垂直擴散數據。當灌水時間分別延續到4、6、8 h時，在距前次開挖剖面5個滴頭處，使用相同方法進行數據采集。當灌水時間增加到8 h時，停止觀測試驗。

2 結果與分析

2.1 一膜二帶模式下棉花濕潤鋒隨時間變化的情況

在相同工作條件下，同一條滴灌帶首端滴頭下方水平和垂直方向濕潤數據在不同時間段的分布情況見表1。灌水延續時間分別為0、2 h時，濕潤半徑大于首段濕潤深度;灌水延續時間為4、6、8 h時，水平濕潤半徑等于或水平濕潤深度。同一條滴灌帶尾端滴頭下方水平和垂直方向濕潤數據在不同時間段的分布情況：滴灌帶尾端濕潤半徑在灌水延續時間內始終小于濕潤深度，灌水時間延續到8 h時，首段濕潤半徑與濕潤深度分別為37、41 cm，尾端濕潤半徑與深潤深度為33、38 cm。

2.2 一膜三帶模式下棉花濕潤鋒隨時間變化的情況

如表2所示，一膜三帶模式下灌水時間為6 h時，滴灌帶首端和尾端濕潤深度大于濕潤半徑。灌水時間延續到8 h時，滴灌帶首段濕潤半徑與濕潤深度值一致，均為50 cm，滴灌帶尾端濕潤半徑始終大于濕潤深度。灌水時間延續到8 h時，濕潤半徑與濕潤深度分別為50、48 cm。

由首尾兩端濕潤鋒在0～6 h的分布情況可知，一膜二帶和一膜三帶滴灌濕潤鋒分布情況基本一致。滴灌過程中，由土壤基質勢驅動水分水平方向運移，而垂直運移的水分主要受到基質勢和重力勢的驅動，從而出現了水平濕潤鋒小于垂直濕潤鋒的結果。由于滴灌帶壓力損失及土壤初始含水率差異，首尾兩端在濕潤鋒存在差異。一膜三帶鋪設模式下灌溉時間達到6 h時，滴灌帶首端水平濕潤半徑和垂直濕潤半徑分別為34.5、38 cm，尾端水平濕潤半徑和垂直濕潤半徑分別為32、37 cm。當灌溉時間達到8 h時，滴灌帶首尾兩端的水平濕潤半徑和垂直濕潤半徑都接近50 cm。

2.3 一膜二帶和一膜三帶模式下棉花濕潤鋒隨時間變化模擬

如表3所示，一膜二帶和一膜三帶鋪設模式下灌水延續時間分別為0、2、4、6、8 h時，不同觀測點的水平濕潤半徑和垂直濕潤深度隨時間變化的規律呈多項式函數關系，函數公式為Y=aX2+bX-C。另外，濕潤半徑、濕潤深度與滴灌時間之間存在顯著的相關性，所得模型能代表一膜二帶和一膜三帶鋪設條件下灌水延續時間分別為2、4、6、8 h的濕潤鋒運移過程。

2.4 一膜二帶和一膜三帶模式下濕潤鋒運移速度變化規律

如圖3所示，隨著灌水進程的推進，濕潤半徑的擴散速率同步增加，土壤含水率有所提高，有利于土壤中水分的擴散。對不同觀測點濕潤鋒運移的多項式函數求導，得出各觀測點濕潤鋒速率隨時間變化的函數，函數公式為Y′=2aX+b。灌水延續時間為0 h時，常數取值為0。

一膜二帶鋪設模式下首端水平運移速率大于尾端濕潤速率，首端和尾端水平濕潤速率小于垂直方向濕潤速率，首端水平濕潤速率高于尾端水平濕潤速率。一膜三帶模鋪設模式下灌水4 h前，首端水平濕潤速率略大于尾端濕潤速率;灌水4 h后，首端和尾端之間的水平運移速率和垂直運移速率相差不大，首尾段水平濕潤速率接近或略小于垂直方向濕潤速率。與一膜二帶模式相比，在相對應觀測點上，一膜三帶的水平濕潤速率和垂直濕潤速率更大。一膜三帶模式下首尾兩端濕潤鋒運移速率更加接近，首尾兩端得到的濕潤體體積更加接近。

2.5 一膜二帶和一膜三帶模式下最優灌水時間的確定

由棉花根系分布情況可知，苗期根系布滿耕層，主根入土垂直深度達到35 cm;生育期大量根系分布在0～60 cm土層深度。一膜二帶和一膜三帶模式下灌溉時間和灌水量如表4所示。一膜二帶鋪設模式下滴灌帶首尾兩端滴頭水平方向灌水時間分別為7.11、8.09 h，垂直方向灌水時間為7.85、6.62 h，二者所需灌水量相差甚小。一膜三帶鋪設模式下滴灌帶首尾兩端滴頭水平方向灌水時間分別為5.53、5.62 h，垂直方向灌水時間為6.62、6.45 h。相比一膜二帶模式，一膜三帶模式的首尾兩端達到根系需水要求所花時間更短，首尾兩端所用時間的差異更小。

3 討論與結論

3.1 討論

滴灌是最高效的節水灌溉方式，目前在新疆得到廣泛應用。滴灌通過灌水器將灌溉水輸送到田間作物根際區域，以局部濕潤的方式在作物根層土壤區域形成濕潤區域及濕潤鋒，濕潤區域及特征通過棉花對水分吸收影響棉花產量及水分利用效率[14-18]。土壤水分滲入是濕潤體內水分轉化與產生騰發的動態變化過程[19-21]，受質地影響較大。砂質土壤條件下棉花滴灌灌水流量等因素對土壤濕潤鋒運移影響較顯著，尤其在濕潤鋒垂直方向運移情況影響較大[22-23]。因此，明確棉花土壤濕潤鋒及水分運移特性，對于科學設計微灌系統和提高水分利用效率具有重要意義。

研究不同滴灌帶鋪設條件下合理灌水延續時間具有重要意義。滴灌屬于地面點源滴灌，其中重要的參數是濕潤鋒水平運移半徑和垂直運移半徑。不同灌水量和滴頭流量下土壤水分下滲規律不同，導致濕潤鋒形成及變化過程具有獨特性，最終使土壤濕潤特征具有差異性[22-23]。滴灌棉花濕潤體隨時間變化，并且呈多項式函數關系。從棉花生育期根系發達情況來看，苗期根系布滿耕層，主根垂直入土深度達到35 cm，花期主根系入土深度達到123 cm，大量或主要根系分布在0～60 cm土層，棉花52.4%、65.8%和73.3%以上的根系量主要分布在離地表20、30、40 cm深度，80.6%以上的根量集中在棉花植株兩側0～15 cm土壤剖面內[24-25]。

3.2 結論

（1）在相同滴灌工作壓力及滴頭流量情況下，滴灌帶首端土壤濕潤鋒運移速率要高于滴灌帶尾端，一膜三帶鋪設模式下濕潤鋒運移速率要大于一膜二帶鋪設模式，并且隨著灌水進程的推進，土壤水分擴散速率加快。一膜二帶模式下灌水8 h后，濕潤鋒濕潤半徑和濕潤深度均接近40 cm。一膜三帶模式下灌水6 h后，濕潤鋒濕潤半徑和濕潤深度均接近40 cm;灌水時間延續到8 h后，滴頭下方垂直濕潤距離達到50 cm，地表出現積水情況。

（2）砂質土壤條件下棉花滴灌滴頭垂直方向濕潤鋒深度或垂直下滲距離相比水平方向大。本研究結果顯示，一膜二帶與一膜三帶鋪設模式下分布在濕潤體區域的棉花主要根系層或80%以上根系所需灌水延續時間分別為6、8 h。由此看出，2種鋪設模式下灌水量相近時，一膜三帶模式更加節省時間。相比一膜二帶模式，一膜三帶首、尾兩端濕潤鋒的分布及所需時間更接近。

（3）隨著灌水進程的推進，濕潤半徑的擴散速率同步增加。土壤含水率有所提高，有利于土壤中水分的擴散。不同觀測點水平濕潤半徑和垂直濕潤深度隨時間變化的規律呈多項式函數關系，函數公式為Y=aX2+bX-C。

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基金項目：新疆科技發展計劃項目（2022LQ04001）;揚州市重點研發計劃（產業前瞻與關鍵核心技術）項目（YZ2023004）;江蘇省科技計劃專項資金（重點研發計劃現代農業）項目（BE2023340）

作者簡介：卡地爾江·米吉提（1985—），男，新疆伽師人，講師，碩士，主要從事水資源高效利用技術與理論研究。

通訊作者簡介：阿布都卡依木·阿布力米提（1990—），男，新疆葉城人，高級工程師，碩士，主要從事灌溉自動化理論和技術研究。