入滲水頭對(duì)膜下小管岀流壟溝灌土壤水分運(yùn)移影響

馬 超，張運(yùn)鑫，程?hào)|娟，王利書，胡浩云，李 菲，張 策

(河北工程大學(xué)水利水電學(xué)院，河北 邯鄲 056021)

0 引 言

水資源短缺一直都是阻礙我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的障礙，尤其是在干旱半干旱地區(qū)，因此發(fā)展新型高效節(jié)水灌溉技術(shù)尤為重要[1,2]。膜下小管岀流灌溉是近些年來先進(jìn)的節(jié)水灌溉方式之一，不僅具有覆膜保墑、保溫等特點(diǎn)，而且通過空間三維入滲，提高了灌水均勻度和水肥的利用效率，投入低，增產(chǎn)效果好[3,4]。壟溝灌溉技術(shù)以復(fù)合群體間(套)作技術(shù)為載體，將目前旱地農(nóng)業(yè)中的壟溝技術(shù)與灌溉農(nóng)業(yè)中的溝灌技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，它是伴隨種植結(jié)構(gòu)調(diào)整而產(chǎn)生新型灌水技術(shù)，通過溝中灌水側(cè)滲實(shí)現(xiàn)水分在壟溝間的分配,同時(shí)水肥大部分在地面以上的壟上運(yùn)移，不會(huì)對(duì)下層土壤造成影響，防止土壤的次生鹽堿化[5-8]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)膜下小管岀流和壟溝灌分別進(jìn)行了大量的研究，但把兩種節(jié)水灌溉方式結(jié)合在一起的研究少之又少。因此，開展了室內(nèi)不同入滲水頭的膜下小管岀流壟溝灌入滲試驗(yàn)，以期研究其土壤水分運(yùn)移特性，為推廣高效節(jié)水灌溉方法提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

為了研究不同入滲水頭膜下小管岀流壟溝灌條件下土壤水的運(yùn)移、分布規(guī)律，在室內(nèi)利用膜下小管岀流壟溝入滲裝置進(jìn)行了不同入滲水頭的純水膜下小管岀流入滲試驗(yàn)。膜下小管岀流入滲裝置由土箱和供水裝置組成，如圖1所示：試驗(yàn)土箱采用5 mm厚的有機(jī)玻璃板制作而成，試驗(yàn)土箱尺寸為20 cm×25 cm×30 cm，為了便于觀測(cè)濕潤(rùn)鋒的發(fā)展過程,將1/2壟溝設(shè)置在土箱的一側(cè)，如圖1中的A-D-I-J-K-L位置，在壟溝溝底設(shè)置小管，管距為15 cm。模擬膜下壟溝滴灌時(shí)，將膜下小管岀流的出水口處安裝上滴灌滴頭即可。供水裝置為馬氏瓶，馬氏瓶采用透明的有機(jī)玻璃制作而成，瓶身帶有刻度，截面積為30 cm2。

圖1 膜下小管岀流壟溝灌自由入滲裝置Fig.1 The device of indoor infiltration experiments

試驗(yàn)土壤采用大田0～30 cm的土壤，供試土壤為壤土，經(jīng)過碾壓、粉碎、風(fēng)干，過2 mm篩子，土壤初始質(zhì)量含水率為8.0%，初始含鹽量為2.69 g/kg，飽和導(dǎo)水率為3.235 mm/h，容重為1.3 g/cm3。壟溝頂寬8 cm，深5 cm，入滲水頭設(shè)置3個(gè)水平，分別為3、4、5 cm，對(duì)照為膜下壟溝滴灌(入滲水頭為4 cm)，重復(fù)3次，取平均值。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)時(shí)將馬氏瓶調(diào)整至所需水頭，裝入純水，排氣備用。按圖1所示，按照預(yù)定的土壤容重分層(5 cm厚)裝入試驗(yàn)土箱，每層之間做刮毛處理，共6層，然后根據(jù)壟溝大小切出壟溝形狀然后覆膜，通過供水管連接試驗(yàn)土箱和馬氏瓶，調(diào)整馬氏瓶到所需水頭。實(shí)驗(yàn)開始，打開馬氏瓶出水閥門，純水進(jìn)入壟溝內(nèi)，模擬膜下小管出流壟溝灌。試驗(yàn)灌水量為750 mL，試驗(yàn)過程中由密到疏觀測(cè)馬氏瓶水面下降刻度以計(jì)算累積入滲量，并描繪以溝底J點(diǎn)為基點(diǎn)的濕潤(rùn)鋒曲線。試驗(yàn)結(jié)束后，在土壤A-B-E-F剖面沿水平和垂直兩個(gè)方向按網(wǎng)格(2.5 cm×2.5 cm×2.5 cm)取土。每個(gè)取土點(diǎn)取一個(gè)土樣，采用烘干法測(cè)定含水率。

2 結(jié)果與分析

2.1 入滲水頭對(duì)膜下小管岀流壟溝灌累積入滲量的影響

入滲水頭對(duì)膜下小管岀流壟溝灌累積入滲量的影響如圖2所示，由圖可知，膜下小管岀流壟溝灌的累積入滲量與膜下壟溝滴灌(CK)存在很大差異，相同時(shí)間膜下壟溝滴灌的累積入滲量明顯少于膜下小管岀流，并且入滲時(shí)間明顯大于膜下小管岀流。不同入滲水頭的膜下小管岀流壟溝灌累積入滲量隨著時(shí)間的增加而逐漸增加。相同入滲時(shí)間時(shí)，累積入滲量隨著入滲水頭的增加而增加，入滲前期變化不明顯，隨著時(shí)間增加變化越來越明顯，尤其當(dāng)灌水水頭達(dá)到5 cm時(shí)，由于壟溝內(nèi)積水較多，與土體表面接觸面積較大，累積入滲量明顯大于其他處理，后期逐漸入滲至750 mL。入滲至750 mL時(shí)各處理所用時(shí)間為39′20″(CK)、20′03″(3 cm)、17′54″(4 cm)和16′13″(5 cm)，隨著入滲水頭的增加，用時(shí)逐漸減少。將累積入滲量與入滲時(shí)間用Kostiakov模型進(jìn)行冪函數(shù)擬合，由實(shí)測(cè)資料可得擬合結(jié)果，如表1。

圖2 不同入滲水頭累積入滲量Fig.2 The cumulative infiltration volume

灌溉方式入滲水頭/cm擬合結(jié)果膜下壟溝滴灌(CK)4I=18.969t0.9988 R2=0.99853I=131.68t0.6192 R2=0.9924膜下小管岀流壟溝灌4I=142.79t0.6062 R2=0.99125I=153.22t0.5976 R2=0.9809

注：I為累積入滲量，mL；t為入滲時(shí)間，min。

2.2 入滲水頭對(duì)膜下小管岀流壟溝灌濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離的影響

濕潤(rùn)鋒是指在濕潤(rùn)帶的末端，土壤含水量突變，與下層干土有明顯的界面，它是體現(xiàn)土壤水分運(yùn)移特點(diǎn)一個(gè)重要的理論根據(jù)[9,10]。圖3是不同入滲水頭膜下小管岀流壟溝灌不同時(shí)間濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離，圖4和圖5分別為不同入滲水頭時(shí)(圖4中y軸0～5 cm為溝深)，膜下小管岀流壟溝灌水平濕潤(rùn)鋒和垂直濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離及再分布隨時(shí)間變化曲線。從圖中可以看出，在水平和垂直方向，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離均隨時(shí)間延長(zhǎng)而增大；相同入滲時(shí)間，隨著入滲水頭的不斷增加，水平濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離不斷增大，但垂直濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離逐漸減小，與膜下壟溝滴灌相比，差異都很大，再分布過程中規(guī)律與其相似。灌水水頭為5 cm時(shí)，水平濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離最遠(yuǎn)達(dá)到了16 cm，與灌水水頭為3 cm時(shí)的14.1 cm相比增加了13.48%，而入滲水頭為5 cm時(shí)的垂直濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離為9.2 cm，與入滲水頭為3 cm時(shí)的11.3 cm相比，減少了18.58%，這說明灌水入滲水頭對(duì)土體中濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移有較明顯的影響，而且灌水水頭為5 cm時(shí)，水平和垂直濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移距離與CK相比，分別增加了25.98%和減少29.23%，變化更為明顯。

圖3 不同入滲水頭不同時(shí)間濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離Fig.3 Wetting front transport distance at different time

圖4 不同入滲水頭水平濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離Fig.4 The level of wetting front transport distance

根據(jù)實(shí)測(cè)資料，對(duì)不同入滲水頭膜下小管岀流壟溝灌入滲的水平濕潤(rùn)鋒和垂直濕潤(rùn)鋒運(yùn)移及再分布距離與時(shí)間之間進(jìn)行冪函數(shù)擬合[11]，擬合情況如表2所示。

圖5 不同入滲水頭垂直濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離Fig.5 The vertical of wetting front transport distance 注：圖4、5中，a、b、c、d四條虛線分別是膜下壟溝滴灌和水頭為3、4、5 cm處理的水分入滲過程和水分再分布過程的時(shí)間分界線，其前段時(shí)間為水分入滲過程，后段時(shí)間為水分再分布過程。

灌溉方式入滲水頭/cm水平方向垂直方向膜下壟溝滴灌(CK)4RZ=2.1416t0.4106R2=0.9836Rx=6.2863t0.2281R2=0.98693RZ=3.5733t0.3315R2=0.9262Rx=6.5376t0.219R2=0.9446膜下小管岀流壟溝灌4RZ=4.1422t0.3095R2=0.9433Rx=7.1146t0.1847R2=0.92935RZ=4.0244t0.3336R2=0.9391Rx=6.4093t0.1902R2=0.9518

注:RZ是水平濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離；Rx是垂直濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離；t是入滲時(shí)間。

由表2可知：滴灌CK和小管岀流灌溉相比，雖然濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離與入滲時(shí)間均呈現(xiàn)良好的冪函數(shù)關(guān)系，但差異比較大；入滲水頭對(duì)水分入滲也有很大影響，入滲水頭越大，水平濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離越大，垂直濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離卻越小，這可能是因?yàn)樗峙c壟溝的接觸面隨著入滲水頭的增加而增大，相同入滲時(shí)間，水平入滲隨之增大，垂直入滲相對(duì)減少。

2.3 灌水入滲水頭對(duì)膜下小管岀流壟溝灌水分運(yùn)移的影響

圖6為膜下小管岀流壟溝灌條件下，不同入滲水頭土壤質(zhì)量含水率等值線圖，由圖6可知，土壤中含水率分布大致為一個(gè)半橢球體；在壟溝附近等值線分布較稀疏，在濕潤(rùn)鋒附近等值線圖分布較密集；土壤含水率隨著距壟溝距離中心的增大而逐漸減小，而且濕潤(rùn)鋒位置有明顯的干濕交界。

圖6 不同入滲水頭土壤含水量分布等值線圖 Fig.6 Contour map of soil moisture distribution

對(duì)比膜下壟溝滴灌和入滲水頭為3、4、5 cm四幅圖可知，膜下壟溝滴灌的濕潤(rùn)體比其他入滲水頭的深度大、寬度小。隨著入滲水頭的增加，土壤濕潤(rùn)體的水平濕潤(rùn)范圍增大，垂直濕潤(rùn)范圍減小，入滲水頭為5 cm的濕潤(rùn)體水平濕潤(rùn)長(zhǎng)度比入滲水頭為3 cm的濕潤(rùn)體增將近14%，而垂直濕潤(rùn)長(zhǎng)度卻減小了將近19%。這說明入滲水頭對(duì)水分的水平和垂直入滲影響很大。入滲水頭為3 cm的濕潤(rùn)體含水率高的部分集中在壟溝垂直方向，而入滲水頭為5 cm的濕潤(rùn)體含水率分布相對(duì)集中在壟溝水平方向。濕潤(rùn)體內(nèi)相同位置土壤的含水率隨著入滲水頭的增大而減小，其中各處理與CK的對(duì)比，從圖中看出，均變化比較明顯。

不同入滲水頭的土壤含水率的分布情況由其均勻性系數(shù)來表示，主要反映土壤濕潤(rùn)體內(nèi)的土壤含水率分布的均勻程度以及土壤含水率大小與其平均值的偏差，土壤含水率的均勻性系數(shù)采用克里斯琴森公式來計(jì)算:

表3是利用克里斯琴森公式計(jì)算的不同入滲水頭土壤含水率的均勻性系數(shù)。從中可以看出濕潤(rùn)體的含水率分布均勻度隨著入滲水頭的增加而逐漸減小。這是由于隨著入滲水頭的增大，水與土壤的接觸面積也隨之增大，濕潤(rùn)體的含水率均勻度也就隨之減小。但都小于膜下壟溝滴灌(CK)，原因是滴灌灌水比較慢，相同灌水量，灌水時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，所以均勻度較好。

表3 不同入滲水頭土壤含水率均勻系數(shù)Tab.3 The soil moisture content uniformity coefficient

3 結(jié) 語

(1)相同入滲時(shí)間內(nèi)，隨著入滲水頭的增加，累積入滲量增大，且累積入滲量與入滲時(shí)間符合冪函數(shù)關(guān)系；水平濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離隨著入滲水頭的增加而增大，而垂直濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離逐漸減小，可能是由于隨著入滲水頭的增大，水與土壤的接觸面積增大，從而導(dǎo)致水平濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離相對(duì)增加。

(2)不同入滲水頭對(duì)土壤水的運(yùn)移分布影響有相同的地方，表現(xiàn)為：土壤含水率隨著距壟溝距離的增大而減??；但不同的是隨著入滲水頭的增加，土壤中的含水率分布均勻度會(huì)相對(duì)更好一些。

(3)膜下小管岀流壟溝灌與膜下壟溝滴灌在累積入滲量、濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離和土壤含水率分布都存在較大差異，表現(xiàn)為：膜下小管岀流壟溝灌的累積入滲量在相同入滲時(shí)間均大于膜下壟溝滴灌；膜下壟溝滴灌的水平濕潤(rùn)鋒相對(duì)小一些，垂直濕潤(rùn)鋒更大；膜下小管岀流含水率的分布相對(duì)靠近表面一些。

綜上所述，膜下小管出流壟溝灌適用于番茄等一些經(jīng)濟(jì)作物，不同的經(jīng)濟(jì)作物根生長(zhǎng)情況和需水規(guī)律會(huì)有所不同。根據(jù)作物的根系生長(zhǎng)情況，選擇不同的灌水水頭，結(jié)合根系需水規(guī)律和作物不同生育期的生長(zhǎng)需要，為確定適宜的灌水水頭提供一些理論依據(jù)。

4 討 論

對(duì)于膜下壟溝滴灌條件下的土壤水分運(yùn)移規(guī)律已經(jīng)研究比較充分，而對(duì)于膜下小管岀流灌溉的土壤水分運(yùn)移規(guī)律的研究較少，其與壟溝灌結(jié)合在一起更是一種新的思路。

膜下小管出流壟溝灌對(duì)水源的要求要比滴灌低。由于其抗堵塞能力強(qiáng)，如果是無大泥沙顆粒的水源，可省略過濾設(shè)施，提高能源利用率。還有就是其適用范圍應(yīng)該很廣，不僅適用于經(jīng)濟(jì)作物灌溉,同時(shí)結(jié)合少量的田間溝畦工程,也能廣泛地應(yīng)用于大田農(nóng)作物的灌溉，也能水肥結(jié)合灌溉，提高灌水質(zhì)量，保證作物需求的正常灌水均勻度。最重要的是其節(jié)能，節(jié)水，保水效果好，灌溉工作入滲水頭相對(duì)比較低，很適合現(xiàn)在的農(nóng)業(yè)灌溉的發(fā)展趨勢(shì)。

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