不同滴頭流量下土壤水分分布特性研究

王華震　仵峰

摘要 [目的]通過進(jìn)行原狀土的滴灌入滲試驗，研究了不同流量、不同灌水歷時條件下，地表滴灌濕潤體的變化規(guī)律及滴灌結(jié)束時的水分分布規(guī)律。[方法]采用濕潤鋒觀測、suffer軟件繪等值線。[結(jié)果]在滴頭處和距滴頭10 cm處垂直滴灌帶方向水平濕潤鋒在0～180 min內(nèi)呈現(xiàn)冪指數(shù)增長關(guān)系，在180～600 min與時間呈直線關(guān)系；在豎直濕潤鋒方面，隨著滴頭流量的增大，滴頭處和距滴頭10 cm處水平濕潤鋒運(yùn)移距離增大的幅度比豎直方向濕潤鋒運(yùn)移距離增大的幅度要大，并且都呈對數(shù)函數(shù)趨勢；灌水結(jié)束24 h時水分再分布過程中，豎直方向濕潤鋒增大的幅度較水平方向濕潤鋒增大的幅度要大。[結(jié)論]不同流量、不同灌水歷時條件下都會影響濕潤體形態(tài)。

關(guān)鍵詞：滴灌流量；濕潤鋒；濕潤體

中圖分類號：S275.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）08-075-04

近些年來，許多學(xué)者對滴灌條件下水分在土壤中的入滲規(guī)律以及土壤濕潤體的影響因素進(jìn)行了研究。濕潤體的變化與濕潤鋒的運(yùn)移、滴頭流量的不同以及灌水量息息相關(guān)。不同的滴頭流量對濕潤鋒的運(yùn)動有很大的影響。孫海燕等[1]研究表明，滴頭流量對濕潤鋒水平運(yùn)移影響很大，隨著滴頭流量的增加，在滴頭下方會形成一個積水區(qū)。李明思等[2]研究表明，地表積水區(qū)的變化對土壤濕潤鋒水平運(yùn)移有控制作用。在大田滴灌條件下，地表沿滴頭土壤濕潤鋒基本呈圓形分布。在一定灌水量和滴灌流量條件下，土壤垂直濕潤鋒明顯地大于水平濕潤鋒，且隨著灌水量的增加呈線性關(guān)系[3]。王超等[4]通過室內(nèi)試驗，研究了地下滴灌條件下不同滴頭流量不同灌水量對濕潤體特性的影響。結(jié)果表明，濕潤鋒運(yùn)移與滴頭流量的時間變化呈正相關(guān)。灌水量是影響濕潤體的因素之一。張振華等[5]研究表明，濕潤體體積和灌水量之間存在顯著的線性關(guān)系。另外，濕潤體形狀和大小受灌水量的影響比受滴頭流量的影響要大[6]。土壤濕潤體不僅受灌水量的影響，而且受滴頭流量的影響[7]。魏群等[8]研究發(fā)現(xiàn)，地表滴灌入滲濕潤體的水平擴(kuò)散半徑、向下入滲深度均隨流量的增大而增大，且均與入滲時間有顯著的冪函數(shù)關(guān)系。在作物生長方面，滴頭流量的變化對濕潤體大小和形狀的影響很大，進(jìn)而影響作物根系生長和產(chǎn)量[9]。

許多學(xué)者對水分再分布過程進(jìn)行了研究。劉雪芹等[10]研究表明，供水停止后，在土壤水分再分布過程中，土壤濕潤峰面不斷向外部推移，濕潤層土壤含水量開始有所增加，后期濕潤體內(nèi)的土壤含水量普遍降低，高含水區(qū)逐漸下移，最后達(dá)到相對穩(wěn)定。有研究表明，在灌水結(jié)束后，由于土壤水分再分布，同一深度土層上含水率差異逐漸減小；在灌水量相同的條件下，灌水結(jié)束時，滴頭流量小的入滲深度較大，濕潤體內(nèi)土壤平均含水率較低；灌水結(jié)束后，受土壤水分再分配的作用，不同滴頭流量下入滲深度的差異較灌水結(jié)束時有所減小[11]。

目前，人們對滴頭流量和濕潤鋒、灌水量、滴頭流量和濕潤體、水分再分布等之間的關(guān)系做了大量的研究，但較多研究的是在室內(nèi)土箱條件下進(jìn)行的，但對大田滴灌條件下滴頭處地表濕潤鋒的變化、不同流量下濕潤鋒的形狀及濕潤體的水分再分布的研究很少見于報道。實際上，田間土壤存在著很大的變異性。研究和分析田間滴灌不同滴頭流量、滴灌量條件下土壤水分沿縱、橫方向運(yùn)移特性、土壤含水量的分布規(guī)律以及供水結(jié)束后水分的再分布過程，對于合理地確定滴頭間距、毛管間距及作物種植模式等有重要的理論和實際意義。筆者在大田對不同滴頭流量、不同灌水量以及供水結(jié)束后24 h水分的再分布過程的土壤水分運(yùn)移特征進(jìn)行了初步研究，以期為田間滴灌管理提供理論和技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤 試驗于2014年6～8月在華北水利水電大學(xué)農(nóng)水試驗場進(jìn)行。土壤屬于粉壤黏土，為再填土，上下層土質(zhì)均勻，取土層深0～100 cm。供試土壤機(jī)械組成：質(zhì)地粉壤黏土，0.020～2.000 mm 22.22%，0.002～0.020 mm 53.89%，<0.002 mm 23.89%。供試土壤孔隙率38.36%，干容重1.45 g/cm3，田間持水率21.3%，飽和含水率27.23%，初始含水率9.39%。

1.2 試驗布置 場內(nèi)布置滴灌設(shè)施。滴灌帶采用滴頭流量為1.1 L/h，滴頭間距40 cm。在試驗區(qū)內(nèi)挖深1.0 m以及長、寬均為1.6 m的土坑，豎直面作為觀測面，將觀測面修整光滑、平齊，將滴頭布置在距觀測邊緣10～15 cm處。試驗布置見圖1。為研究方便，根據(jù)濕潤體對稱的特性，取濕潤體的一半作為研究對象。

試驗由試驗場灌水裝置、壓力表、Φ16的PE管和3種不同流量的滴管帶組成。試驗采用折疊式滴灌帶的方法設(shè)計3種不同滴頭流量的滴灌帶，設(shè)計流量分別為1.1、2.2和3.3 L/h。由于存在水頭損失，實際觀測的流量值與設(shè)計值存在一些誤差。在測坑中每種設(shè)計流量條件下用4個流量杯復(fù)核設(shè)計流量值，并且驗算其準(zhǔn)確度，從而保證試驗的可靠性。

1.3 試驗方法 在供水開始時，按照先疏后密的原則觀測不同滴頭流量在土壤表面的濕潤距離，用牙簽標(biāo)記濕潤鋒

的位置，用鋼卷尺量測土壤表面濕潤鋒擴(kuò)散的距離。另外，用秒表計時，并且按照60 min的時間間隔在豎直剖面上定時觀測沿滴灌帶方向距離滴頭10 cm處的土壤濕潤體的水平擴(kuò)散

距離和豎直入滲距離，同時在豎直觀測面濕潤鋒上插牙簽（不少于5個），用于觀測每個時間段濕潤鋒的運(yùn)移情況，以滴頭所在位置為坐標(biāo)原點，用鋼卷尺在觀測面測量每個牙簽處的縱橫坐標(biāo)，將坐標(biāo)值輸入Excel中點，繪出濕潤鋒曲線。

在灌水結(jié)束24 h后，用1 cm自制取土管在距離滴頭10 cm的豎直觀測剖面上取土，根據(jù)滴灌形成的濕潤體為旋轉(zhuǎn)對稱體，所以只取一側(cè)。以滴灌帶所在位置為坐標(biāo)原點，在土管水平和豎直方向取土間距為10 cm，按“一字型”排列，一直取到濕潤鋒偏外的位置。取樣后，用烘干法測量土壤含水率。取土位置示意圖如圖2所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 滴頭流量值核定 為了保證灌水的均勻性，試驗采用在測坑中放置3個流量杯，驗證3種設(shè)計流量的準(zhǔn)確度，從而保證試驗的準(zhǔn)確度和說服力。滴頭流量的實測值見表1。經(jīng)計算，滴灌帶灌水均勻度較好，符合試驗要求。

2.2 濕潤鋒水平遷移情況

2.2.1 地表濕潤鋒水平遷移情況。

滴灌入滲的地表濕潤距離是濕潤體的重要特征值。掌握特定土壤條件下不同滴頭流量入滲過程中土壤濕潤體特征值與入滲時間的關(guān)系，對毛管田間布置和作物種植間距具有重要的意義。以2.04 L/h為例，圖3和圖4分別反映流量2.04 L/h滴灌條件下垂直滴頭方向上土壤表層濕潤鋒隨時間的分布規(guī)律以及沿滴灌帶方向距離滴頭10 cm處土壤表層水平濕潤鋒隨時間變化的擴(kuò)散過程。在0～180 min內(nèi)滴頭處和距滴頭10 cm處水平濕潤鋒運(yùn)移速度較快，通過曲線擬合，兩者增長趨勢呈冪指數(shù)函數(shù)方式增長。在供水開始后，前期滴頭處和距滴頭10 cm處最大距離約相差15 cm，隨著時間的延長兩者濕潤距離相差越來越小，在180 min時兩者濕潤距離約相差5 cm。在供水的180～600 min時間內(nèi)，距離滴頭10 cm處的水平濕潤鋒運(yùn)移速率大于垂直滴頭處的水平濕潤鋒運(yùn)移速率，垂直滴頭處的水平濕潤鋒的運(yùn)移距離基本上變化不太明顯，呈平緩的直線趨勢發(fā)展，而距離滴頭10 cm處水平濕潤鋒運(yùn)移規(guī)律呈斜直線型，到600 min時兩者濕潤距離大致相等。

2.2.2 觀測剖面濕潤鋒水平遷移情況。

為防止滴頭滴出的水溢到豎直觀測面上影響試驗結(jié)果，將滴頭放到距豎直觀測面10 cm處，并且觀測濕潤鋒的運(yùn)移情況，但是人們真正關(guān)心的是水分從滴頭位置流出來以后水分的運(yùn)移規(guī)律。這能更好地為人們的田間布置和水分管理提供更準(zhǔn)確的參考數(shù)據(jù)。以1.1和2.04 L/h為例，圖5和圖6分別反映不同滴頭流量因滴頭放置位置的不同濕潤鋒的運(yùn)移情況的變化過程。在水平濕潤鋒分析的情況說明兩者的變化趨勢具有大致相同的運(yùn)動規(guī)律。這與滴頭放在地表的濕潤鋒變化趨勢是相同的。通過分析1.1和2.04 L/h 2種滴頭流量的水平濕潤鋒從整體的變化趨勢用對數(shù)函數(shù)函數(shù)擬合，吻合度都在98%以上。如果把時間段分開說明，那么前期趨勢線呈冪函數(shù)的趨勢發(fā)展，然后呈直線型穩(wěn)定的趨勢。這與地表濕潤鋒變化規(guī)律是相同的。在豎直方向上，1.1 L/h情況下2種滴頭放置位置不同，滴頭流量水分運(yùn)移都呈冪指數(shù)函數(shù)趨勢，隨著流量的增大，2.04 L/h情況下2種滴頭放置位置不同滴頭流量隨時間呈對數(shù)函數(shù)趨勢。分析整理距滴頭10 cm處和換算后的滴頭處濕潤鋒遷移變化過程，結(jié)果表明不同滴頭流量條件下距滴頭10 cm處的水分運(yùn)移規(guī)律和滴頭處的水分運(yùn)移規(guī)律是相似的。

滴灌土壤濕潤體大小由水平和垂直入滲距離確定。掌握濕潤體大小的變化規(guī)律，是正確進(jìn)行滴灌田間布置和水分管理的重要依據(jù)。經(jīng)過6 h且點源入滲，觀測距滴頭10 cm處不同滴頭流量在水平和豎直方向上濕潤鋒的運(yùn)移隨時間變化的規(guī)律，計算且分析出滴頭處的水分隨時間運(yùn)移規(guī)律，對大田滴灌濕潤體的研究提供更準(zhǔn)確的參考依據(jù)（表3），并且對指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有較大的實際意義。

2.3 濕潤體的水分分布變化過程 在滴灌過程中，由于穩(wěn)定的水源供給，濕潤體內(nèi)的土壤含水量普遍較高。當(dāng)?shù)喂嗤Ｖ购?，土壤水分在自身重力、吸力梯度的作用下繼續(xù)向外擴(kuò)散運(yùn)動，也就是土壤水分的再分布。在土壤水分再分布過程中，土壤濕潤鋒面不斷向外推移，通過觀測發(fā)現(xiàn)停止供水24 h后土壤水分?jǐn)U散已極為緩慢，觀測面濕潤鋒幾乎不再擴(kuò)展，形成一個比原來大的濕潤體，水分再分布形成的濕潤體的特征值對指導(dǎo)毛管田間布置和水分管理具有重要的實用性?，F(xiàn)以2.2 L/h形成的濕潤體為例，灌水結(jié)束24 h后水平濕潤鋒距離達(dá)到38 cm，比灌溉停止時增加了6.8 cm，增加幅度為17.9%，垂直深度達(dá)到44 cm，比灌水停止時增加了8.3 cm，增加幅度為18.9%，垂直方向大于水平方向。這是因為在水分再分布過程中，重力勢作用要大于基質(zhì)勢作用，導(dǎo)致垂直方向增大的幅度較水平方向增大的幅度要大。在灌水結(jié)束24 h后，用自制取土管，在規(guī)劃好的木板格內(nèi)取土，并且用烘干法烘干。利用SUFFER軟件，對各個位置的含水率（圖7）分析。

3 結(jié)論

（1）當(dāng)?shù)喂喙┧?～180 min內(nèi)垂直滴頭方向上土壤表層水平濕潤鋒大于沿滴灌帶方向距離滴頭10 cm處土壤表層水平濕潤鋒的運(yùn)移距離，并且呈現(xiàn)冪指數(shù)函數(shù)趨勢，隨著灌水時間的延長，在180～600 min內(nèi)兩者水平濕潤鋒運(yùn)移距離差別并不明顯，兩者呈直線趨勢發(fā)展。

（2）在豎直觀測剖面上，在同一灌水歷時條件下，在水平濕潤鋒方面，隨著滴頭流量的增加，滴頭處和距滴頭10 cm處水平濕潤鋒運(yùn)移距離增大的幅度比豎直方向濕潤鋒運(yùn)移距離增大的幅度要大，并且都呈對數(shù)函數(shù)趨勢；在豎直濕潤鋒方面，1.1 L/h條件下滴頭處和距滴頭10 cm處豎直方向上濕潤鋒呈冪指數(shù)增長，隨著流量的增加，2.04 L/h兩者都呈對數(shù)函數(shù)增長。

（3）在灌水結(jié)束24 h時水分再分布過程中，重力勢的作用要大于基質(zhì)勢的作用，導(dǎo)致豎直方向濕潤鋒增大的幅度較水平方向濕潤鋒增大的幅度要大。

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