不同溝壟規(guī)格對土壤濕潤峰運(yùn)移規(guī)律的影響

段紅騰，吳發(fā)啟,，向方昕，郝爽敬，湯曉迪

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

起壟微溝滴灌是一種結(jié)合滴灌優(yōu)勢和溝壟種植特點(diǎn)于一體的新型高效節(jié)水灌溉技術(shù)[1],具有減少水分深層滲漏、避免水分蒸散損失、提高作物水分利用效率等特點(diǎn)[2-6],該項(xiàng)灌溉技術(shù)的推廣應(yīng)用備受國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注[7]。滴灌屬于局部濕潤灌溉,而土壤濕潤體的形狀大小又決定作物的生長狀況[8]。因此,研究溝壟滴灌條件下土壤濕潤體的形狀大小、土壤水分運(yùn)移規(guī)律,對制定合理規(guī)范的溝壟滴灌制度具有重要意義。目前眾多學(xué)者針對滴灌條件下土壤水分運(yùn)移進(jìn)行了系統(tǒng)研究,并取得一系列顯著成果[9-13]。Goldberg、王全九等[9,10]分別研究了滴灌條件下土壤水分入滲規(guī)律,結(jié)果表明濕潤體的基本形態(tài)受滴頭流量、灌溉量等灌溉參數(shù)的影響。岳海英等[11]模擬分析不同滴頭流量對濕潤體形態(tài)的影響特征,結(jié)果表明不同流量的濕潤體形態(tài)和灌水量之間均符合冪函數(shù)關(guān)系。鄭園萍等[12]通過室內(nèi)土箱試驗(yàn)?zāi)M研究了多點(diǎn)源條件下砂壤土的水分運(yùn)移特征,提出了在砂壤土滴灌系統(tǒng)中應(yīng)選取大流量滴頭的結(jié)論。然而,土壤濕潤體的形狀不僅受灌水技術(shù)參數(shù)影響,也與溝壟規(guī)格密不可分。上述研究為溝壟滴灌的合理設(shè)計(jì)提供了參考價(jià)值,但大多集中于分析灌水技術(shù)參數(shù)對土壤水分運(yùn)移的影響規(guī)律,溝壟規(guī)格等農(nóng)藝耕作措施方面很少涉及。此外,溝壟滴灌技術(shù)的研究多應(yīng)用于果樹、油菜花、玉米、馬鈴薯等[7,14],枸杞作為青海等內(nèi)陸干旱地區(qū)重要經(jīng)濟(jì)作物,其研究卻較為薄弱[15]。因此,本文以灰棕漠土為基礎(chǔ),通過室內(nèi)土箱模擬試驗(yàn),研究滴灌條件下不同溝壟形態(tài)對土壤濕潤峰運(yùn)移規(guī)律的影響,以期為溝壟滴灌技術(shù)的合理設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤與試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)于西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院水工實(shí)驗(yàn)室開展進(jìn)行。供試土壤選自田間枸杞種植地(青海省海西州德令哈市懷頭他拉鎮(zhèn))0～40 cm耕層土壤。土壤類型為灰棕漠土,質(zhì)地砂壤,其基本物理參數(shù)見表1。土樣經(jīng)風(fēng)干、磨細(xì)、均勻混合后過2 mm孔徑篩后以備試驗(yàn)所需。將處理過篩后的土樣加水配置成設(shè)計(jì)初始含水量(2.15%)。按1.6 g/cm3干密度每5 cm裝入土箱,夯實(shí)且層間打毛。土體表層設(shè)計(jì)成梯形斷面壟溝規(guī)格,用薄膜覆蓋放置24 h,使土壤含水量均勻分配。

表1 土壤基本物理性質(zhì)

試驗(yàn)裝置主要由有機(jī)玻璃土箱及供水裝置構(gòu)成(圖1)。土箱規(guī)格40 cm×20 cm×80 cm,其底部設(shè)置若干排氣孔,以防氣堵。采用馬氏瓶供水,通過調(diào)節(jié)馬氏瓶進(jìn)氣口開度來控制滴頭流量的大小。將滴頭置于土箱1/4棱角處,以實(shí)際濕潤體的1/4作為研究對象。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)共設(shè)2個(gè)影響因素：溝底寬度、溝底坡度。其中溝底寬度3個(gè)水平,分別為7、11、15 cm(將田間溝壟形態(tài)的1/2作為研究對象,因此3種溝底寬度相當(dāng)于14、22、30 cm的實(shí)際寬度)。溝底坡度設(shè)置為3個(gè)梯度,分別為30°、45°、60°。由于枸杞根系的主要分布范圍及水分活躍層大致位于距地表0～40 cm范圍內(nèi)[15],因此選取40 cm土層深度作為試驗(yàn)的計(jì)劃濕潤層。采用完全隨機(jī)試驗(yàn)設(shè)計(jì),共9組試驗(yàn),3次重復(fù)。

濕潤峰的繪畫采用先密后疏原則,灌水開始后每隔10 min用馬克筆在土箱外側(cè)描繪濕潤峰基本形態(tài)特征,待濕潤峰間距明顯變小,隔20 min描繪一次,之后間隔30 min進(jìn)行記錄。以滴頭位置為原點(diǎn),通過刻度尺測量不同時(shí)刻濕潤峰的位置坐標(biāo)。由于選取40 cm土層深度作為計(jì)劃濕潤層,當(dāng)垂直濕潤峰運(yùn)移至35 cm處停止灌水,進(jìn)行濕潤峰形狀大小的描繪,當(dāng)濕潤峰垂直距離到達(dá)40 cm時(shí)試驗(yàn)結(jié)束。為了防止水分蒸發(fā)損失,用塑料薄膜進(jìn)行覆蓋處理。

采用Excel 2016、Origin 8.0、SPASS等軟件進(jìn)行圖表處理及結(jié)果分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 濕潤峰形態(tài)分析

圖2為不同溝底寬度、坡度條件下土壤濕潤峰的運(yùn)移過程。h為入滲深度,L為水平運(yùn)移距離,原點(diǎn)坐標(biāo)為滴頭所在位置。由圖2知：對于不同溝底寬度、溝底坡度的溝壟滴灌而言,在整個(gè)灌水過程中,入滲濕潤峰形態(tài)均大致表現(xiàn)為1/4橢圓狀,且于表層土壤5 cm附近處發(fā)生變形回縮。滴灌開始階段,相同時(shí)間間隔內(nèi)濕潤峰的水平運(yùn)移距離明顯大于垂直入滲深度。這主要是由于灌水初期土壤含水量相對較低,基質(zhì)勢在水分入滲過程中發(fā)揮主要作用。水平方向土壤孔隙較大,土壤水分在運(yùn)移過程中所受阻力小擴(kuò)散速度快。垂直方向土壤孔隙相對較小,水分在運(yùn)移過程中所受阻力相對較大,擴(kuò)散速度緩慢。隨著灌水的繼續(xù)進(jìn)行,土壤含水量上升,基質(zhì)勢減小,水分的入滲過程則由重力勢和基質(zhì)勢共同支配作用,并且在水平方向,土壤水分運(yùn)移受到土壟的阻礙作用。土壤水分垂直運(yùn)移速度逐漸大于水平運(yùn)移速度,最終出現(xiàn)濕潤峰豎直距離大于水平距離的現(xiàn)象。

根據(jù)累計(jì)入滲量及水量平衡原理計(jì)算可得表2。結(jié)合圖2及表2知：溝底寬度、溝底坡度對土壤水分的分布規(guī)律、濕潤體的形狀大小均產(chǎn)生不同程度的影響,且溝底坡度的影響程度相對較大。同一溝底坡度條件下,隨著溝底寬度的增加,水平濕潤峰的運(yùn)移距離變大,垂直濕潤峰到達(dá)計(jì)劃濕潤層所需時(shí)間較長,灌水量增大,灌溉所形成的濕潤面積越大。以上試驗(yàn)現(xiàn)象說明溝底寬度的增大有利于增大表層土壤的濕潤面積,該種溝壟措施更適合于蔬菜類等淺根系作物的溝壟灌溉。同一溝底寬度條件下,隨著溝底坡度的增加,水平濕潤峰的運(yùn)移距離變小,垂直濕潤峰到達(dá)計(jì)劃濕潤層所需時(shí)間變短,灌水量減小,灌溉所形成的濕潤面積越小。因此,針對耐旱等深根系植物可以適當(dāng)增加溝底坡度以達(dá)到縮小表層土壤的濕潤面積,促進(jìn)水分向根系運(yùn)移的目的。

圖2 不同溝底寬度、溝底坡度條件下濕潤峰運(yùn)移過程

表2 不同處理下灌水量與灌水歷時(shí)

2.2 水平濕潤峰隨時(shí)間的變化規(guī)律

同一溝底坡度不同溝底寬度條件下水平濕潤峰隨時(shí)間的變化規(guī)律見圖3。不同溝底寬度、不同溝底坡度條件下水平濕潤距離和時(shí)間的擬合關(guān)系見表3。水平濕潤峰隨時(shí)間的變化規(guī)律滿足冪函數(shù)關(guān)系L=atb。

圖3 水平濕潤峰隨時(shí)間的變化規(guī)律

表3 水平濕潤峰擬合式及相關(guān)系數(shù)

從表3知：隨著溝底寬度和溝底坡度的變化冪函數(shù)指數(shù)b差異性較小,其平均值均為0.35。而冪函數(shù)系數(shù)a隨溝底寬度的增加而增加,隨溝底坡度的增加而減小。這表明水平濕潤峰運(yùn)移距離受溝底寬度和坡度的影響。從圖3可以看出在灌水歷時(shí)相同時(shí),溝底坡度越大,擬合曲線的斜率越小。同一溝底坡度條件下,溝底寬度越大,擬合曲線斜率越大,即水分水平擴(kuò)散距離越大,相同時(shí)間間隔內(nèi)水平運(yùn)移距離越大。以上現(xiàn)象說明同一溝底坡度條件下,增大溝底寬度會(huì)增大土壤的濕潤面積。這是因?yàn)殡S著溝底寬度的增加,灌水時(shí)間延長,水分在基質(zhì)勢的作用下,持續(xù)向水平方向運(yùn)移,而不受土壟的阻擋。當(dāng)水分運(yùn)移至溝底邊緣處,受溝底坡度的影響,坡度越大,水分側(cè)滲說受的阻力越強(qiáng),抑制了水分在水平方向的運(yùn)移。

2.3 垂直濕潤峰隨時(shí)間的變化規(guī)律

由表4知：垂直濕潤峰運(yùn)移距離與灌水歷時(shí)之間存在冪函數(shù)關(guān)系。其中冪函數(shù)指數(shù)b隨溝底坡度和溝底寬度變化差異性不大。而冪函數(shù)系數(shù)a隨溝底寬度的增加而減小,隨溝底坡度的增加而增加。這表明垂直濕潤距離不僅受溝底寬度的影響,也與溝底坡度密切相關(guān)。

表4 垂直濕潤峰擬合式及相關(guān)系數(shù)

圖4給出不同溝底寬度、溝底坡度條件下垂直濕潤距離隨灌水時(shí)間的變化規(guī)律。由圖4知：同一溝底寬度條件下隨著溝底坡度的增加,曲線斜率增大,土壤水分垂直運(yùn)移速度增大。說明增大溝底坡度有利于土壤水分在垂直方向上的運(yùn)移；同一溝底坡度條件下,隨著溝底寬度的增加曲線斜率下降,水分垂直運(yùn)移速度減小。說明增大溝底寬度抑制土壤水分的垂直運(yùn)移。上述試驗(yàn)現(xiàn)象的出現(xiàn)是由于增大溝底坡度,灌溉水分在水平方向的擴(kuò)散阻力變大,而垂直方向上灌溉水在重力勢和基質(zhì)勢的共同作用下運(yùn)移速率得以提升。在同一溝底坡度條件下,溝底寬度增加,水分側(cè)滲距離增加,垂直運(yùn)移相對受到抑制。

圖4 垂直濕潤峰隨時(shí)間的變化規(guī)律

3 討 論

在溝壟栽培種植模式下,確定合理規(guī)范的溝壟規(guī)格尤為重要。因此,根據(jù)目標(biāo)作物根系分布的主要范圍,推斷出土壤濕潤體的最佳濕潤面積及深度,進(jìn)而確定最適的溝壟規(guī)格。在灌水過程中作物不僅可以得到充分灌溉,而且可減少水分深層滲漏,有效提高作物產(chǎn)量,達(dá)到水資源高效利用的目的。

本文研究表明,溝底寬度和溝底坡度在一定程度上都會(huì)影響灌溉水在土壤中的運(yùn)移分布。溝底寬度的增大有利于增大表層土壤的濕潤面積,該種溝壟措施更適合于蔬菜類等淺根系作物的溝壟灌溉。同一溝底寬度條件下,隨著溝底坡度的增加,水平濕潤峰的運(yùn)移距離變小,垂直濕潤峰到達(dá)計(jì)劃濕潤層所需時(shí)間變短,促進(jìn)水分向深根系運(yùn)移。灌水形成的水平、垂直濕潤峰均與時(shí)間滿足冪函數(shù)關(guān)系,因此可以通過函數(shù)關(guān)系來預(yù)測一定灌水時(shí)間內(nèi)土壤水分的運(yùn)移距離。

本試驗(yàn)假設(shè)土壤均質(zhì)且各向同性,僅選取溝底寬度和坡度作為試驗(yàn)要素,沒有考慮土壤其他物理性質(zhì)對灌溉水在土壤中運(yùn)移分布的影響。之后的研究應(yīng)從Hydrus軟件出發(fā),結(jié)合數(shù)學(xué)方法對土壤水分運(yùn)移進(jìn)行模擬研究。

4 結(jié) 論

利用室內(nèi)土箱模擬試驗(yàn),對濕潤峰形態(tài)進(jìn)行觀測,分析了溝底寬度、溝底坡度對土壤水分分布的影響,得出以下結(jié)論。

(1)溝底寬度是影響土壤濕潤體形狀大小的重要因素。同一溝底坡度條件下,溝底寬度越大,灌水到達(dá)計(jì)劃濕潤層時(shí)間越長,灌水量越大,形成的濕潤體體積會(huì)越大。

(2)溝底坡度影響著濕潤體形狀大小。同一溝底寬度條件下,溝底坡度越大,灌水到達(dá)計(jì)劃濕潤層時(shí)間越短,灌水量越小,形成的濕潤體體積越小。

(3)水平、垂直濕潤峰運(yùn)移距離與時(shí)間均滿足冪函數(shù)關(guān)系。冪函數(shù)指數(shù)b與溝底寬度、溝底坡度無明顯函數(shù)關(guān)系。水平濕潤峰冪函數(shù)系數(shù)a隨溝底寬度增加而增加,隨溝底坡度增加而減??；垂直濕潤峰冪函數(shù)系數(shù)a隨溝底寬度增加而減小,隨溝底坡度增加而增加。