負壓灌溉條件下土壤水分運移規(guī)律研究

石先德 王巖 曹承岳 靳國玉

摘 要：新型灌水材料——陶土管（Ceramic，USA）配之以先進的負壓調(diào)控技術(shù)，可使土壤水分始終保持最適于作物生長的狀態(tài)，實現(xiàn)節(jié)水、節(jié)能的目標(biāo)。該研究利用試驗研究對負壓灌溉下土壤水分運移規(guī)律進行研究，結(jié)果表明：在陶土管內(nèi)負壓為14 cm時的負壓灌溉系統(tǒng)下，可以實現(xiàn)負壓灌溉。隨著時間推移，土壤濕潤范圍越來越大，土壤含水量逐漸增加，最終達到一個最大土壤含水率值，并可實現(xiàn)自我調(diào)節(jié)。

關(guān)鍵詞：負壓灌溉 土壤水分運動 負壓水頭 陶土管

中圖分類號：S15 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）07（a）-0024-02

負壓灌溉是以土壤動力學(xué)為理論依據(jù)，只要負壓供水水頭不超過一定范圍，即使水源高程低于灌水器進水口高程，灌溉也是完全可行的。土壤質(zhì)地、供水水頭、灌水器及水質(zhì)是影響負壓灌溉土壤運移的主要因素[1-3]。

新型灌水材料——陶土管（Ceramic，USA）配之以先進的負壓調(diào)控技術(shù)，可使土壤水分始終保持最適于作物生長的狀態(tài)，實現(xiàn)節(jié)水、節(jié)能的目標(biāo)。這種新型的陶土管本身含有大量毛細管，但仍具有管狀的特性，具備透水不透氣并能輸水的功能，它與負壓灌溉系統(tǒng)可以組成一套全新的密閉空間系統(tǒng)，理論上可以實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)灌溉。該文主要采用直徑為1 cm的陶土管（Ceramic，USA）在14 cm負壓水頭下，經(jīng)過多天對土壤濕潤峰、土壤含水率以及灌水量的觀測和記錄，通過分析得出陶土管（Ceramic）灌水器對負壓灌溉下土壤水分的運移規(guī)律的影響。

1 材料與研究方法

1.1 試驗材料

該試驗系統(tǒng)由有機玻璃土箱、供水裝置、測壓管以及小水箱組成。有機玻璃箱高20 cm，長寬分別為30 cm×30 cm。在土箱一側(cè)中央距底部10 cm處鉆一直徑1.2 cm的小孔，以便連接陶土管。馬氏瓶用于灌溉供水并控制負壓水頭。室內(nèi)土箱試驗所用土壤采自天津市津南區(qū)葛沽鎮(zhèn)楊岑子村試驗示范區(qū)，土壤容重1.68 g/cm3，飽和含水率22.15%（質(zhì)量百分數(shù)），其土壤理化性質(zhì)見表1。試驗土壤經(jīng)風(fēng)干、碾碎和過2 mm篩后，每5 cm分層裝入土箱。小水箱與馬氏瓶和測壓管通過膠皮管連通，使其液面距陶土管高度為14 cm。測壓管直接與陶土管相接，確保整個裝置密封不透氣。

1.2 試驗設(shè)計

試驗初期，每隔兩個小時觀測一次馬氏瓶水量、測壓管讀數(shù)、土壤水平垂直濕潤峰以及陶土管水平距離0 cm、2 cm、4 cm、6 cm處的土壤含水率、土壤溫度、土壤電導(dǎo)率。12 h之后，每日8：00與20：00各測一次，直到試驗結(jié)束。

2 試驗分析和結(jié)果

2.1 濕潤峰隨時間的變化規(guī)律

2.1.1 水平濕潤峰的變化特征

圖1描述的是當(dāng)陶土管距離水箱液面為14cm時，陶土管周圍土壤水平濕潤峰的變化情況。從圖1中可以看出，在試驗開始階段，土壤并無濕潤峰的形成。隨著灌溉時間的推移，水平濕潤鋒逐漸增大，呈線性規(guī)律增長，其相關(guān)系數(shù)接近于1。這與劉明池[2]和梁錦陶[4]得出的結(jié)果一致。當(dāng)試驗結(jié)束時，水平濕潤峰達到最大。

2.1.2 垂直濕潤峰的變化特征

圖2所描述的是陶土管周圍土壤垂直向下濕潤峰的變化情況。從圖2中可以得出，垂直濕潤峰的變化規(guī)律與水平濕潤峰的大致相似。試驗進行到第五天時，垂直濕潤峰達到土箱底部，達到最大。說明在陶土管內(nèi)負壓為14cm的陶土管負壓灌溉系統(tǒng)下，隨著時間的增加，陶土管周圍土壤的濕潤距離逐漸變大。

2.2 土壤含水率的分布規(guī)律

圖3是試驗中陶土管周圍土壤含水率隨時間變化的曲線圖。分別為陶土管管旁和陶土管水平距離2cm、4cm、6cm處的土壤含水率變化圖。從圖3中可以看出，4處土壤含水率初始值是相同的，之后整體趨勢都是隨時間的推移而增大，而管旁要較2cm處含水率變化速度稍快，2cm處較4cm處的含水率變化速度快，6cm處的含水率變化速度最慢。當(dāng)達到一定時間后，4處含水率在最大值處上下小幅徘徊。分析可得，陶土管負壓灌溉系統(tǒng)下，陶土管旁土壤含水率隨時間的增加而增大，當(dāng)達到一定時間后開始在一定范圍內(nèi)小幅變化，說明了此種灌溉方式具有自我調(diào)控功能，不同于其他灌溉方式。而且越接近陶土管表面的土壤，含水率變化速度越快，越早達到恒定狀態(tài)。

2.3 灌水量變化規(guī)律

試驗觀測時，讀取馬氏瓶水位。馬氏瓶長6cm，寬5cm，根據(jù)每次下降的水位，乘以底面積得出土壤吸收水量。如圖4所示，灌水量隨著時間的推移，呈線性增長。由此可以得出，土壤吸收水量與時間有著較好的相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)接近于1。說明此種陶土管負壓灌溉系統(tǒng)下，陶土管向土壤滲水速度是恒定的。與劉明池[2]得出的結(jié)果是一致的。

3 結(jié)論

當(dāng)今世界水資源匱乏，可利用水資源逐漸減少，而現(xiàn)有的灌溉技術(shù)，如滴灌、噴灌等雖然節(jié)水，但能耗較大，也無法適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)土壤含水量。負壓灌溉技術(shù)可以在不需要提供任何動力的條件下濕潤土壤，滿足作物需水要求，節(jié)水節(jié)能。利用特殊材質(zhì)陶土管的負壓灌溉系統(tǒng)對節(jié)水節(jié)能以及滿足作物需水要求方面更加有利。本文在此基礎(chǔ)上利用試驗研究對負壓灌溉下土壤水分運移規(guī)律進行了探討，分析各項數(shù)據(jù)得出以下結(jié)論：在陶土管內(nèi)負壓為14cm時的負壓灌溉系統(tǒng)下，可以實現(xiàn)負壓灌溉。土壤濕潤范圍越來越大。土壤含水量隨著時間的推移而增加，最終土壤達到一個最大含水率值，并且維持在一個恒定數(shù)值，說明此系統(tǒng)可以實現(xiàn)土壤水分的自我調(diào)節(jié)。

（致謝：感謝天津農(nóng)學(xué)院水利工程學(xué)院試驗教學(xué)中心平臺提供試驗場地，感謝金建華老師和楊奎明老師對試驗提供的幫助。）

參考文獻

[1] 江培福，雷廷武，Vincent F. Bralts，等.土壤質(zhì)地和灌水器材料對負壓灌溉出水流量及土壤水運移的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2006，22（4）：19-22.

[2] 劉明池.負壓自動灌溉水蔬菜栽培系統(tǒng)的建立與應(yīng)用[D].北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院，2001.

[3] 江培福.負壓灌溉技術(shù)原理及其實驗研究[D].北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，2006.

[4] 梁錦濤.負壓灌溉土壤水分運移特征研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2011.