地表滴灌條件下滴頭流量對(duì)土壤水分入滲—再分布過(guò)程的影響

張志剛，李　宏，李　疆，程　平，劉　幫，李長(zhǎng)城

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園藝學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830052； 2.新疆林業(yè)科學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830000)

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地表滴灌條件下滴頭流量對(duì)土壤水分入滲—再分布過(guò)程的影響

張志剛1,2，李宏2，李疆1，程平2，劉幫1，李長(zhǎng)城1

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園藝學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830052； 2.新疆林業(yè)科學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830000)

摘要：在新疆林業(yè)科學(xué)院棗樹(shù)示范基地進(jìn)行了原狀土的樹(shù)下單點(diǎn)源滴灌試驗(yàn)，研究砂壤土在不同滴頭流量條件下(滴頭流量分別為8、12、16 L·h(-1))地表滴灌濕潤(rùn)體特征值的變化規(guī)律。結(jié)果表明：① 停止灌溉時(shí)濕潤(rùn)鋒呈平臥半橢球體分布，隨著滴頭流量的增加濕潤(rùn)鋒的分布范圍逐漸增大，停止灌溉后12 h內(nèi)各滴頭流量下土壤中的水分運(yùn)移均存在再分布過(guò)程，水分再分布后濕潤(rùn)鋒呈直立半橢球體分布，濕潤(rùn)體的形狀大小受到滴頭流量及灌溉總量的影響，濕潤(rùn)鋒水平、垂直運(yùn)移距離與入滲時(shí)間存在顯著的冪函數(shù)關(guān)系，決定系數(shù)(R2)均大于0.95；② 滴灌初期濕潤(rùn)鋒在水平、垂直方向上的運(yùn)移速率隨著滴頭流量的增加而增大，隨著灌水歷時(shí)的延長(zhǎng)逐漸降低，滴頭流量越大入滲距離比也就越大，并且隨著灌溉時(shí)間的推移入滲距離比值逐漸減小，三種滴頭流量下入滲距離比由最初的2～2.27逐漸減小到0.8～0.97；③ 隨著滴頭流量的增大濕潤(rùn)體的體積不斷增大，濕潤(rùn)體含水量也隨之增大，距離滴頭越近含水量等值線越密，外圍含水量等值線較稀疏，滴頭正下方約40 cm處土壤含水量增加值達(dá)到最大，再分布后含水量等值線變?yōu)橄∈?，水平擴(kuò)散半徑增加值較小，垂直方向再分布距離較大。

關(guān)鍵詞：滴灌；水分再分布；濕潤(rùn)體特征值；運(yùn)移速率；土壤含水量

水資源短缺是限制新疆地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的主要因素，紅棗作為南疆地區(qū)的重要產(chǎn)業(yè)，群眾經(jīng)濟(jì)收入的主要來(lái)源，其發(fā)展在很大程度上受到干旱缺水的制約[1-2]。滴灌是一種既能有效地提高水分利用效率，又能減少作物根系層營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)淋失的節(jié)水灌溉技術(shù)[1]。在正確的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和高水平的田間作物水分管理?xiàng)l件下，滴灌系統(tǒng)能夠適時(shí)適量地進(jìn)行灌溉，在作物的根區(qū)創(chuàng)造出適宜的水、肥、氣、熱條件，從而獲得節(jié)水、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的效果[2-3]。

對(duì)滴灌條件下水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律及分布特性的研究，是進(jìn)行正確滴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)和高水平田間作物水分管理的前提和基礎(chǔ)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)該方面的理論和試驗(yàn)研究較多[1-13]。通常研究方法主要是通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和野外試驗(yàn)，對(duì)滴灌入滲過(guò)程中土壤水分運(yùn)移、分布規(guī)律以及外界影響因子進(jìn)行數(shù)值模擬和計(jì)算，最經(jīng)典的方法是以Richards方程為基礎(chǔ)進(jìn)行的點(diǎn)源入滲數(shù)值模擬，部分學(xué)者通過(guò)室內(nèi)裝箱實(shí)驗(yàn)測(cè)定滴灌水分運(yùn)移規(guī)律及分布特性，該種方法破壞了土壤的原物理結(jié)構(gòu)，故實(shí)驗(yàn)結(jié)果不能有效地指導(dǎo)實(shí)踐，并且主要研究滴灌入滲過(guò)程濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移以及土壤水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律，或者單純的研究土壤水分再分布過(guò)程，很少同時(shí)涉及到以上兩方面的研究[1-9]。本文通過(guò)紅棗樹(shù)下單點(diǎn)源入滲試驗(yàn)，自動(dòng)監(jiān)測(cè)不同滴頭流量條件下水分在土壤中的運(yùn)移過(guò)程，對(duì)比不同滴頭流量情況下土壤水分運(yùn)移規(guī)律，為滴灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地位于新疆阿克蘇地區(qū)溫宿縣境內(nèi)的新疆林業(yè)科學(xué)院佳木良種試驗(yàn)站，E80°32′，N41°15′，海拔1 103.8 m。試驗(yàn)站總面積80 hm2，呈長(zhǎng)方形，地勢(shì)北高南低，西高東低，南北長(zhǎng)1 600 m，東西寬650 m，地下水埋深2.8～3.3 m；屬大陸性干旱荒漠氣候，晝夜溫差大；春季較短，多大風(fēng)降溫天氣，時(shí)常有倒春寒現(xiàn)象發(fā)生，夏季炎熱而干燥；降水量稀少，四季分配不均，降水量年際變化大，年均降水量65.4 mm，年蒸發(fā)量1 883.6 mm；年均氣溫10.1℃，極端最低溫-27.4℃，年均日照時(shí)數(shù)2 747.7 h，≥10℃積溫2 916.8℃～3 198.6℃，無(wú)霜期195 d[14-16]。

1.2試驗(yàn)土壤

試驗(yàn)站的土壤為棕色荒漠土，有機(jī)質(zhì)0.5～4.6 g·kg-1之間，pH值8.11～9.85，呈弱堿性，土壤厚度約為3 m。取試驗(yàn)樣地土壤深度為0～160 cm，第一層土壤為壤土層，深度為0～30 cm，第二層是砂土層，深度為30～50 cm，第三層是黏土層，深度為50～80 cm，第四層是砂土層，深度為80～160 cm，土壤理化性質(zhì)見(jiàn)表1[17-18]。

表1　試驗(yàn)地土壤的主要理化性質(zhì)

1.3樣地選擇及布置

在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)選擇紅棗林內(nèi)一塊比較平整且土壤未經(jīng)過(guò)擾動(dòng)的田塊作為試驗(yàn)樣地，結(jié)合果樹(shù)種植株行距，試驗(yàn)用地面積為10 m×10 m，除去表面覆蓋土以及雜物，將表層土壤翻修平整，樣樹(shù)選擇地徑3～4 cm，樹(shù)高1.8～2 m，冠幅1.5 m×2 m，樹(shù)勢(shì)良好無(wú)病蟲(chóng)害的灰棗樹(shù)各三棵。為避免果園的日常管理對(duì)試驗(yàn)樣地造成影響，在樣地邊緣人工挖掘深度為1.8 m的壕溝，在壕溝內(nèi)緊貼樣地一側(cè)圍上防滲膜，防滲膜高出地面50 cm以上，防止大田灌溉后水分側(cè)滲對(duì)試驗(yàn)樣地的影響，然后把壕溝填滿埋實(shí)。避免果園灌水對(duì)樣地的沖擊，在樣地外圍(隔離帶外)堆置高度為0.5 m的土隴作為緩沖帶，緩沖帶同樣鋪設(shè)防滲膜。

1.4試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)方法

1.4.1試驗(yàn)設(shè)備滴灌試驗(yàn)設(shè)備由ECH20水分測(cè)量探頭及多通道數(shù)據(jù)采集器、供水系統(tǒng)組成。土壤濕潤(rùn)體含水量采用Decagon公司生產(chǎn)的ECH20土壤水分傳感器和48通道的自動(dòng)數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量。供水系統(tǒng)由自制恒壓水桶和常規(guī)滴頭組成，試驗(yàn)過(guò)程中水桶提供恒壓供水，考慮到南疆地區(qū)紅棗對(duì)水分的需求特性，本次試驗(yàn)通過(guò)選取常規(guī)使用的8、12、16 L·h-1三個(gè)不同滴頭流量，并通過(guò)更換不同的滴頭來(lái)控制流量大小。

1.4.2試驗(yàn)方法滴灌試驗(yàn)于2014年在紅棗生長(zhǎng)季(5—9月)進(jìn)行，試驗(yàn)采用自制壓力設(shè)備，設(shè)計(jì)滴灌歷時(shí)為6 h，實(shí)際滴頭流量分別為q=8、12、16 L·h-1的試驗(yàn)梯度。每灌水梯度試驗(yàn)重復(fù)3次。以距樣樹(shù)根部10 cm處為原點(diǎn)(滴頭供水點(diǎn))，與樹(shù)行垂直挖長(zhǎng)2 m、寬0.5 m、深1.8 m的剖面，將ECH2O水分探頭插入沒(méi)有經(jīng)過(guò)擾動(dòng)的土壤剖面，水分探頭布置好后再將土壤回埋澆水壓實(shí)。在水平方向上，以樣地原點(diǎn)(距樹(shù)干10 cm)O點(diǎn)為起點(diǎn)，距離O點(diǎn)20、40、60、80、100、120、140、160、180 cm布置探頭，探頭埋深距離地面20 cm；在垂直方向上，以O(shè)點(diǎn)為頂點(diǎn)，距離地表20、40、60、80、100、120、140、160 cm的深度布置探頭。另外與水平方向成30°、60°夾角再均勻布置兩排探頭，總共布置探頭31個(gè)(圖1)。試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)每隔10 min采集一次數(shù)據(jù)，試驗(yàn)完畢后待試驗(yàn)樣地土壤容積含水量恢復(fù)到或接近初始含水量時(shí)，即土壤相對(duì)含水量為60%～62%(土壤容積含水量約11%～15%)，再進(jìn)行下一灌溉水量試驗(yàn)。Decagon公司生產(chǎn)的ECH2O土壤水分傳感器精確度為±1%，因此滴灌過(guò)程中某一處灌水前后兩次土壤容積含水量差值為2%時(shí)(即該處含水量增加量為2%)，則認(rèn)為濕潤(rùn)鋒到達(dá)了該處；對(duì)濕潤(rùn)鋒垂直運(yùn)移距離的測(cè)量，通過(guò)查找監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)確定出濕潤(rùn)鋒到達(dá)垂直方向各個(gè)ECH2O土壤水分傳感器時(shí)所對(duì)應(yīng)的入滲時(shí)間，且每個(gè)灌水梯度重復(fù)3次取其均值作為濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離及所對(duì)應(yīng)入滲時(shí)間。

圖1ECH2O水分探頭布置

Fig.1ECH2O moisture probe layout

1.5數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 18.0、Excel 2007軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，數(shù)據(jù)處理過(guò)程中為克服初始含水量對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，以下數(shù)據(jù)分析均采用凈增加含水量(試驗(yàn)過(guò)程中某時(shí)刻土壤含水量-初始含水量)，即土壤含水量增加值進(jìn)行分析并采用SURFER8.0軟件進(jìn)行繪圖。

2結(jié)果與分析

2.1滴頭流量對(duì)濕潤(rùn)鋒形狀和運(yùn)移過(guò)程的影響

圖2為滴頭流量分別為8、12、16 L·h-1時(shí)停止灌溉時(shí)濕潤(rùn)鋒的形狀；圖3為滴頭流量分別為8、12、16 L·h-1時(shí)停止灌溉12 h后濕潤(rùn)鋒的形狀。由圖2可知，當(dāng)停止灌溉時(shí)3種滴頭流量條件下濕潤(rùn)鋒呈平臥半橢球體分布，隨著滴頭流量的增加濕潤(rùn)鋒的分布范圍逐漸增大，滴灌過(guò)程中水分運(yùn)移由于受到土壤質(zhì)地以及初始含水量的影響，濕潤(rùn)鋒邊界呈不規(guī)則分布；水平方向上水分運(yùn)移過(guò)程中當(dāng)q≥12 L·h-1時(shí)，基質(zhì)勢(shì)的作用逐漸變小，水平運(yùn)移距離逐漸減小，垂直方向上重力勢(shì)的作用隨著灌溉量的增加逐漸增大。停止滴灌后由于受到水勢(shì)梯度和重力勢(shì)的影響土壤中的水分還會(huì)繼續(xù)運(yùn)移一段時(shí)間，即土壤水分的再分布過(guò)程。土壤水分再分布過(guò)程中，濕潤(rùn)鋒不斷向外延伸，試驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)當(dāng)停止灌溉12 h后土壤中水分延伸極為緩慢，濕潤(rùn)鋒幾乎不再向外延伸。對(duì)比圖2、3可知，停止灌溉后12 h內(nèi)各滴頭流量條件下，土壤中水分運(yùn)移均存在再分布過(guò)程，水分再分布后濕潤(rùn)鋒呈直立半橢球體分布，水平擴(kuò)散半徑增加較小，垂直入滲距離增加較大，且隨著滴頭流量增加而增大，可見(jiàn)水分再分布過(guò)程中主要受到水勢(shì)梯度與重力勢(shì)作用的影響。

圖2停灌時(shí)不同滴頭流量下濕潤(rùn)鋒的形狀

Fig.2Pattern of the wetting body for different drip

discharges with no irrigation

水平擴(kuò)散半徑X(t)與垂直入滲距離Z(t)是滴灌入滲過(guò)程中濕潤(rùn)鋒運(yùn)移的兩個(gè)重要的特征值。圖4為不同滴頭流量下濕潤(rùn)鋒水平擴(kuò)散半徑X(t)和垂直入滲距離Z(t)隨著時(shí)間t的變化過(guò)程。由圖4可知，滴灌初期，同一滴頭流量條件下，水平擴(kuò)散半徑大于垂直入滲距離，隨著滴灌歷時(shí)的延長(zhǎng)，垂直入滲距離漸近并超過(guò)水平擴(kuò)散半徑，主要是由于灌溉初期土壤基質(zhì)勢(shì)起到主導(dǎo)作用，濕潤(rùn)鋒在水平方向上運(yùn)移距離大于垂直入滲距離，隨著灌水量的增加，土壤中水分重力勢(shì)作用以及水勢(shì)梯度力增強(qiáng)，導(dǎo)致水分在水平方向上基本停止運(yùn)移，垂直入滲距離逐漸增加且在800～1000 min時(shí)停止運(yùn)移(包含水分再分布過(guò)程)；垂直入滲距離隨著滴頭流量增加而增大，由圖4中水平擴(kuò)散半徑與入滲時(shí)間的關(guān)系可知，三種滴頭在滴灌過(guò)程中水平擴(kuò)散半徑達(dá)到相同距離時(shí)，所需要的入滲時(shí)間隨著滴頭流量的增加逐漸減小，可見(jiàn)水平擴(kuò)散過(guò)程中滴頭流量直接影響到水平擴(kuò)散半徑的大??；由垂直入滲距離與入滲時(shí)間關(guān)系可知，滴灌初期三種滴頭垂直入滲距離差異較小，可見(jiàn)滴灌初期由于灌溉量較小重力勢(shì)作用與水勢(shì)梯度表現(xiàn)不明顯，灌水量的大小直接影響到水分再分布過(guò)程中垂直入滲增加的距離。

圖3　停灌后12 h內(nèi)不同滴頭流量下濕潤(rùn)鋒的形狀

圖4濕潤(rùn)鋒水平、垂直入滲距離變化過(guò)程

Fig.4Changes in horizontal wetting front and vertical

wetting front during infiltration

對(duì)水平擴(kuò)散半徑X(t)、垂直入滲距離Z(t)與入滲時(shí)間t進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如表2，從表2中可以得出濕潤(rùn)鋒水平、垂直運(yùn)移距離與入滲時(shí)間存在顯著的冪函數(shù)關(guān)系，決定系數(shù)(R2)均大于0.95。由表2擬合的方程可知，根據(jù)不同的灌水時(shí)間可以計(jì)算出3種滴頭流量在水平、垂直方向的入滲距離。在滴頭流量不變的條件下，結(jié)合不同果樹(shù)的根系分布特點(diǎn)，水平擴(kuò)散、垂直入滲距離擬合方程可為滴頭的布置間距以及滴灌總量的確定提供依據(jù)。

表2　不同滴頭流量下濕潤(rùn)鋒運(yùn)移的擬合方程參數(shù)

注：長(zhǎng)度單位(cm)，對(duì)應(yīng)入滲時(shí)間t單位(min)。

Note: The unit of length is “cm” and that of time is minute.

2.2濕潤(rùn)鋒平均運(yùn)移速率分析

濕潤(rùn)鋒運(yùn)移的平均速率是指某一段時(shí)間內(nèi)，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離的變化量，用Vx(t)表示水平方向濕潤(rùn)鋒運(yùn)移平均速率，即Vx(t)=Δx/Δt，垂直方向的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移平均速率用Vz(t)表示，即Vz(t)=Δz/Δt(Δx表示某一段時(shí)間內(nèi)水平增加距離、Δz表示某一段時(shí)間內(nèi)垂直增加距離、Δt表示與濕潤(rùn)鋒運(yùn)移相對(duì)應(yīng)的某一段時(shí)間)。圖5為垂直、水平方向濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率與入滲時(shí)間的關(guān)系曲線，利用冪函數(shù)Vx(t)=rtm，Vz(t)=jtk對(duì)二者進(jìn)行擬合，決定系數(shù)R2均在0.96以上；表3為各個(gè)滴頭流量條件下Vx(t)、Vz(t)與灌水歷時(shí)的擬合結(jié)果。從圖5中可知，滴灌初期濕潤(rùn)鋒在水平、垂直方向上的運(yùn)移速率隨著滴頭流量的增加而增大；濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移速度在灌水初期較快，隨著灌水歷時(shí)的延長(zhǎng)逐漸降低；以水分入滲時(shí)間達(dá)到120 min時(shí)為例，滴頭流量分別為8、12、16 L·h-1時(shí)，水平方向上水分平均擴(kuò)散速率分別為0.27、0.296、0.324 cm·min-1，垂直方向上水分平均入滲速率分別為0.254、0.28、0.298 cm·min-1，可見(jiàn)灌水初期同一滴頭流量條件下濕潤(rùn)鋒垂直方向上的運(yùn)移速率小于水平方向上的運(yùn)移速率，但是持續(xù)的入滲時(shí)間較水平方向上的長(zhǎng)。根據(jù)不同滴頭流量條件下濕潤(rùn)鋒平均運(yùn)移速率與入滲時(shí)間的關(guān)系結(jié)合不同植物的根系分布特征對(duì)制定合理的灌溉歷時(shí)具有理論指導(dǎo)意義。

2.3濕潤(rùn)鋒的入滲距離比值分析

水平擴(kuò)散半徑和垂直入滲距離的比值我們通常稱(chēng)為濕潤(rùn)鋒入滲距離比(X為水平擴(kuò)散半徑，Z為垂直入滲距離)，研究滴灌條件下不同滴頭流量的濕潤(rùn)鋒入滲距離比特征值有利于結(jié)合不同植物根系的分布特征，制定合理灌溉計(jì)劃以及指導(dǎo)滴頭間距的布置。圖6為三種滴頭入滲距離比與入滲時(shí)間的關(guān)系，由該圖可知，入滲距離比與入滲時(shí)間存在冪函數(shù)關(guān)系，可以用公式X/Z=Atu表示，擬合結(jié)果見(jiàn)表4，R2均在0.98以上。由圖6可知，滴灌初期滴頭流量越大入滲距離比也就越大，并且隨著灌溉時(shí)間的推移入滲距離比值逐漸減小，滴頭流量為8 L·h-1時(shí)，入滲距離比值由最初的2減小到停止運(yùn)移后的0.97；滴頭流量為12 L·h-1時(shí)，入滲距離比值由最初的2.13減小到停止運(yùn)移后的0.89；滴頭流量為16 L·h-1時(shí)，入滲距離比值由最初的2.27減小到停止運(yùn)移后的0.8。結(jié)合圖4可知，當(dāng)入滲時(shí)間持續(xù)到250 min后水分運(yùn)移在水平方向上的增加距離逐漸減小，入滲距離比值逐漸降低，并且其變化規(guī)律逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榈晤^流量越小，入滲距離比越大，主要原因是在灌溉初期土壤中含水量較低，土壤水分運(yùn)移過(guò)程中基質(zhì)勢(shì)起主導(dǎo)作用，此時(shí)以水平擴(kuò)散為主，隨著灌溉量的增加滴頭正下方土壤中含水量逐漸飽和，隨之產(chǎn)生的重力勢(shì)與水勢(shì)梯度作用也逐漸增大，此時(shí)逐漸以垂直入滲為主，因此，出現(xiàn)入滲距離比值逐漸隨著滴頭流量的增加而減小的現(xiàn)象。

圖5　濕潤(rùn)鋒平均運(yùn)移速率與入滲時(shí)間的關(guān)系

圖6　入滲距離比與入滲時(shí)間的關(guān)系

注：平均運(yùn)移速率單位(cm·min-1)，對(duì)應(yīng)入滲時(shí)間t單位(min)。

Note: The unit of average migration rate is “cm·min-1” and that of time is minute.

表4　入滲距離比與入滲時(shí)間的關(guān)系的擬合參數(shù)

注：對(duì)應(yīng)入滲時(shí)間t單位(min)。

Note: The unit of time is minute.

2.4滴頭流量對(duì)濕潤(rùn)體容積含水量的影響

用繪圖軟件SURFER8.0對(duì)灌溉過(guò)程中各個(gè)ECH2O水分探頭實(shí)測(cè)的容積含水量增加值進(jìn)行繪制，分別繪制出滴頭流量為8、12、16 L·h-1容積含水量等值線圖、停灌12 h后水分再分布后等值線圖，圖7為停止滴灌時(shí)不同滴頭流量條件下土壤容積含水量等值線。由圖7可知，隨著滴頭流量的增大濕潤(rùn)體的體積不斷增大，濕潤(rùn)體含水量也隨之增大；距離滴頭越近含水量等值線越密，滴頭正下方約40 cm處土壤含水量增加值達(dá)到最大值，主要是由于灌溉過(guò)程中由于受到土壤透水性的限制，灌溉量逐漸增大導(dǎo)致土壤中的水分不能及時(shí)擴(kuò)散，水分在滴頭正下方土壤中出現(xiàn)了暫時(shí)的停留聚集；三種滴頭流量條件下濕潤(rùn)體外圍含水量等值線較稀疏，由于滴灌過(guò)程中，在土壤中水分運(yùn)移以滴頭正下方40 cm處為中心向四周擴(kuò)散，距離滴頭越遠(yuǎn)土壤含水量越小，等值線也就越稀疏。以水平方向距滴頭40 cm，垂直方向深40 cm處為例，當(dāng)q=8 L·h-1時(shí)，該處含水量增加值為6%；隨著滴頭流量增大到12 L·h-1時(shí)，該處含水量增加值也隨之增加了7%；q=16 L·h-1時(shí)，該處含水量又隨之增加了8%，由此可知濕潤(rùn)體同一位置的含水量同樣隨著滴頭流量的增大逐漸增加。

圖7停灌時(shí)不同滴頭流量土壤含水量變化等值線

Fig.7Isogram of soil moisture content of drip discharges with no irrigation

圖8為停止滴灌12 h后不同滴頭流量土壤容積含水量再分布后的等值線圖，對(duì)比圖7、圖8可知，三種滴頭流量條件下，土壤水分再分布后水平擴(kuò)散半徑增加值較小，相反垂直方向再分布距離較大，并且隨著滴頭流量的增大逐漸增加，垂直方向再分布過(guò)程較明顯，主要是因?yàn)樵诜植歼^(guò)程中停止了灌水，水分在土壤中的運(yùn)移主要受重力勢(shì)與水勢(shì)梯度影響，因此垂直方向再分布距離表現(xiàn)較為明顯。水分再分布后濕潤(rùn)區(qū)域內(nèi)含水量均不同程度的減小，且同一位置處土壤含水量增加值降低了4%～7%，距離滴點(diǎn)越近則土壤含水量下降幅度越大，反之下降幅度越小。停灌時(shí)濕潤(rùn)鋒外緣處土壤含水量在再分布后均增大，且濕潤(rùn)體增大，再分布后含水量等值線變?yōu)橄∈琛５喂噙^(guò)程中存在再分布主要原因是：由于入滲終了后，上部土層水分接近飽和，下部土層仍是原來(lái)的狀況，水分必然要由上面水勢(shì)高的土層繼續(xù)向下邊水勢(shì)較低的層次運(yùn)動(dòng)，在上層水分有所減少的同時(shí)，下層水分得到提高，于是接著又向更深土層遷移，對(duì)土壤中的水分重新進(jìn)行了分配。因此，水分再分布后濕潤(rùn)體的分布區(qū)域有所增加，含水量降低且含水量等值線變?yōu)橄∈琛?/p>

圖8停灌12 h后不同滴頭流量土壤含水量再分布等值線圖

Fig.8Isogram of soil moisture content of drip discharges 12 hours after irrigation was stopped

3結(jié)論與討論

在地表滴灌條件下通過(guò)對(duì)未經(jīng)過(guò)擾動(dòng)的原狀土進(jìn)行滴頭流量對(duì)土壤水分運(yùn)移過(guò)程影響試驗(yàn)，并對(duì)水分運(yùn)移規(guī)律及特征值分析后，得出以下結(jié)論：

1) 停止灌溉時(shí)3種滴頭流量條件下濕潤(rùn)鋒呈平臥半橢球體分布，隨著滴頭流量的增加濕潤(rùn)鋒的分布范圍逐漸增大，停止灌溉后12 h內(nèi)各滴頭流量土壤中的水分運(yùn)移均存在再分布過(guò)程，水分再分布后濕潤(rùn)鋒呈直立半橢球體分布，濕潤(rùn)體的形狀大小受到滴頭流量及灌溉總量的影響，滴灌初期由于灌溉量較小重力勢(shì)與水勢(shì)梯度作用表現(xiàn)不明顯，垂直入滲距離基本一致，灌水量的大小直接影響到水分再分布過(guò)程中垂直入滲增加的距離。濕潤(rùn)鋒水平、垂直運(yùn)移距離與入滲時(shí)間存在顯著的冪函數(shù)關(guān)系。同一灌水歷時(shí)，滴頭流量增大時(shí)濕潤(rùn)鋒的垂直、水平距離也都呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，水分垂直入滲時(shí)間大于水平擴(kuò)散時(shí)間，該結(jié)論與李明思、趙穎娜的研究結(jié)論基本一致[2,6]。

2) 滴灌初期濕潤(rùn)鋒在水平、垂直方向上的運(yùn)移速率隨著滴頭流量的增加而增大，隨著灌水歷時(shí)的延長(zhǎng)逐漸降低；同一滴頭流量條件下濕潤(rùn)鋒垂直方向上的運(yùn)移速率小于水平方向上的運(yùn)移速率，但持續(xù)的入滲時(shí)間較水平方向上的長(zhǎng)；濕潤(rùn)鋒水平、垂直運(yùn)移速率與入滲時(shí)間存在顯著的冪函數(shù)關(guān)系，決定系數(shù)(R2)均大于0.94。入滲距離比與入滲時(shí)間同樣存在冪函數(shù)關(guān)系，滴灌初期滴頭流量越大入滲距離比也就越大，并且隨著灌溉時(shí)間的推移入滲距離比值逐漸減小，基質(zhì)勢(shì)、重力勢(shì)、水勢(shì)梯度之間的交替作用導(dǎo)致滴灌后期滴頭流量越小入滲距離比越大。

3) 隨著滴頭流量的增大濕潤(rùn)體的體積不斷增大，濕潤(rùn)體含水量也隨之增大，距離滴頭越近含水量等值線越密，滴頭正下方約40 cm處土壤含水量增加值達(dá)到最大；三種滴頭流量條件下濕潤(rùn)體外圍含水量等值線較稀疏，濕潤(rùn)體同一位置的含水量同樣隨著滴頭流量的增大逐漸增加。停灌后12 h內(nèi)土壤中的水分還會(huì)繼續(xù)運(yùn)移，即水分的再分布過(guò)程，劉雪芹、范興科認(rèn)為停止灌水24 h內(nèi)水分存在再分布過(guò)程[1]，造成不同研究結(jié)果的主要因素是受不同土壤質(zhì)地的影響。

4) 三種滴頭流量條件下，土壤水分再分布后水平擴(kuò)散半徑增加值較小，相反垂直方向再分布距離較大，并且隨著滴頭流量的增大逐漸增加，垂直方向再分布過(guò)程較明顯，水分再分布后濕潤(rùn)區(qū)域內(nèi)含水量均不同程度的減小，且同一位置處土壤含水量增加值降低了4%～7%，距離滴頭越近則土壤含水量下降幅度越大，反之下降幅度越小。停灌時(shí)濕潤(rùn)鋒外緣處土壤含水量在再分布后均增大，且濕潤(rùn)體增大，再分布后含水量等值線變?yōu)橄∈琛?/p>

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Effects of different dripper discharges on soil water infiltration/redistribution under drip irrigation

ZHANG Zhi-gang1,2, LI Hong2, LI Jiang1, CHENG Ping2, LIU Bang1, LI Chang-cheng1

(1.ForestryandHorticultureCollege,XinjiangAgriculturalUniversity,Urumqi,Xinjiang830052,China;2.XinjiangAcademyofForestrySciences,Urumqi,Xinjiang830000,China)

Abstract：The objective of the study was conducted to investigate the variations of different dripper discharges on the characteristic values of the wetted body under sand soil in the Jujube demonstration base of Xinjiang Academy of Forestry Sciences. The result showed that when irrigation was stopped, the wetting front performed like a lying semi-ellipsoid. With the increase of the dripper discharge, the distribution range of the wetting front was also increased. 12 hours after irrigation was stopped, soil moisture transport under each dripper discharge was redistributed. The wetting front resembled an upright semi-ellipsoid after redistribution. The moist body size and shape were affected by the dripper discharge and irrigation amount. There was a significant power function between the horizontal and vertical transport distance and infiltration time with an R2≥0.95. In addition, at early irrigation stage, the migration rate of wetting front in the horizontal and vertical became increased with amount of dripper discharge, and went decreased with irrigation time. The larger the dripper discharge, the greater the infiltration distance ratio. Infiltration distance ratio was decreased with irrigation time. The infiltration distance ratio from an initial value 2-2.27 was gradually reduced to 0.8～0.97 under three dripper flows. Furthermore, with the increase in dripper discharge volume, the volume of moist body and water content of soil became increased as well. Drip distance influenced moisture contour. Soil moisture content reached maximal 40cm below the dripper. After redistribution, the moisture contour became sparse, the horizontal diffusion radius was small, and the vertical redistribution distance was large.

Keywords:drip irrigation; water redistribution; characteristic value of wetted body; moist ratio; water content of soil

中圖分類(lèi)號(hào)：S275.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡(jiǎn)介：張志剛(1986—),男,河北衡水人,博士研究生,主要從事節(jié)水灌溉、林果栽培方面的研究。E-mail:648753460@qq.com。通信作者：李宏,研究員,博士生導(dǎo)師,主要從事森林培育方面的研究工作。E-mail：hong1962@126.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家林業(yè)公益性行業(yè)重大專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目“新疆特色林果提質(zhì)增效關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”(201304701-2)

收稿日期：2015-02-19

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.02.36

文章編號(hào)：1000-7601(2016)02-0224-08