滴灌條件下山區(qū)典型土壤水分運(yùn)移規(guī)律分析

吳衛(wèi)熊，張廷強(qiáng)，何令祖，邵金華

(廣西壯族自治區(qū)水利科學(xué)研究院，南寧 530023)

廣西山區(qū)包括河池、百色、南寧、柳州、來(lái)賓、崇左等6個(gè)市的30個(gè)縣(市、區(qū))，該區(qū)域基礎(chǔ)設(shè)施落后，群眾生活較為貧困，農(nóng)民收入低，是典型的“老、少、邊、山、窮”地區(qū)。30個(gè)縣(市、區(qū))中，國(guó)家級(jí)扶貧開(kāi)發(fā)重點(diǎn)縣25個(gè)、廣西扶貧開(kāi)發(fā)重點(diǎn)縣5個(gè)。近年來(lái)，廣西大力開(kāi)展精準(zhǔn)扶貧，引進(jìn)滴灌等灌溉技術(shù)，在山區(qū)進(jìn)行了推廣，由于這些技術(shù)省工、省時(shí)、能實(shí)現(xiàn)水肥一體化，不僅能提高作物產(chǎn)量，也能改善作物的品質(zhì)，深受當(dāng)?shù)厝罕姷臍g迎。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置包括：高位水池，球閥、壓力表，正方體土箱(長(zhǎng)60 cm×寬60 cm×高60 cm)、滴灌管(壁厚0.3 cm、孔間距30 cm、單孔流量2.1 L/h)、PVC-U管、堵頭、烘箱、流量計(jì)、天平、秒表、墑情站、薄膜紙、水性筆等，如圖 1所示。

圖1 水分入滲模擬裝置示意圖Fig.1 Diagram of water infiltration device

1.2 供試方法

(1)供試土壤。根據(jù)廣西山區(qū)土壤類型分布情況，從百色市的田東縣、河池市的大化縣和崇左市的天等縣各取土8 000 kg，測(cè)定原狀土密度、土壤飽和含水率、土壤田間持水率、滲透系數(shù)等指標(biāo)。將試驗(yàn)土壤風(fēng)干和碾碎后，過(guò)2 mm的篩子篩取后供試驗(yàn)用(見(jiàn)表1)。

表1 試驗(yàn)土壤基本參數(shù)指標(biāo)Tab.1 Basic parameters of test soil

(2)土樣填筑。將土樣按照每次裝入10 cm，然后用平板壓實(shí)土層，確保填筑后的土壤密度與原狀土土壤密度接近，即沙土密度1.55 g/cm3，壤土1.20 g/cm3，黏土1.15 g/cm3裝完土樣后，密封靜置24 h。

在土樣填筑同時(shí)在深度10、20、30 cm等3層每層距離滴灌管水平方向20 cm位置埋設(shè)EDAS 墑情監(jiān)測(cè)站土壤水分測(cè)定儀，便于測(cè)定不同時(shí)間各位置土壤含水率，設(shè)置采集間隔為1 min。

(3)試驗(yàn)步驟[1,2]。由于只觀測(cè)整個(gè)濕潤(rùn)體的一半，用防水膠布在將滴灌管背側(cè)中間粘貼到土箱壁，防止水分從箱壁下滲。①填筑土壤，埋設(shè)設(shè)備；②調(diào)整、校核試驗(yàn)滴灌管試驗(yàn)工作壓力，確保滴灌管首部壓力為0.1 MPa；③開(kāi)始試驗(yàn)觀測(cè)。主要觀測(cè)指標(biāo)包括橫向濕潤(rùn)鋒變化、豎向濕潤(rùn)鋒變化、滴灌管縱向濕潤(rùn)鋒變化、不同時(shí)間EDAS 墑情監(jiān)測(cè)站土壤水分測(cè)定不同深度土壤含水率變化，灌水結(jié)束后測(cè)定土體內(nèi)土壤水分分布情況。

濕潤(rùn)鋒變化通過(guò)標(biāo)記法測(cè)定：用畫(huà)筆在土箱壁上標(biāo)定在預(yù)定的時(shí)間沿著濕潤(rùn)鋒圖曲線描線。

不同時(shí)間EDAS 墑情監(jiān)測(cè)站土壤水分測(cè)定儀不同深度土壤含水率變化直接通過(guò)電腦讀數(shù)。

灌水結(jié)束后土體內(nèi)土壤水分分布情況通過(guò)取土烘干法測(cè)定：以土箱壁為起點(diǎn)，在豎直方向每隔10 cm取一個(gè)樣，在水平方向每個(gè)5 cm取一個(gè)樣，取樣后通過(guò)烘干法測(cè)定不同位置土壤質(zhì)量含水量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 地埋條件下滴灌管在不同土壤的出流量

在工作壓力0.1 MPa條件下，分析滴灌管在地面自由出流和地埋條件下單米的流量。地面自由出流條件下，滴灌管的單米流量為6.17 L/h，地埋黏土、壤土和沙土條件下滴灌管的單米流量分別為4.17、5.92和6.10 L/h，分別為地面自由出流的67.58%、95.05%和98.87%，滴灌管在各土壤出流量關(guān)系為：沙土>壤土>黏土。滴灌管在3種土壤下灌水流量差異比較顯著(見(jiàn)表2)。

表2 灌水器地埋出流量 L/(h·m)

2.2 土壤類型對(duì)濕潤(rùn)體形狀的影響

由圖2可知，滴灌管在黏土中地埋20 cm濕潤(rùn)鋒的形狀基本上為圓形，灌溉時(shí)間5.1 h，每米滴灌管流量31.47 L，縱向濕潤(rùn)深度50.2 cm，橫向濕潤(rùn)寬度33.6 cm，在運(yùn)移時(shí)間內(nèi)土壤水分單位時(shí)間運(yùn)移距離大致相等。滴灌管在壤土地埋20 cm的濕潤(rùn)鋒隨著時(shí)間推移，由圓形逐漸變?yōu)闄E圓形，越往后重力對(duì)水分運(yùn)移的影響越大，橢圓長(zhǎng)軸越長(zhǎng)，單位時(shí)間濕潤(rùn)鋒運(yùn)移縱橫距離差距也增大；在壤土內(nèi)灌溉5 h，每米滴灌管的流量29.59 L，縱向運(yùn)移深度54 cm，橫向運(yùn)移寬度31 cm。滴灌管在沙土的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移形狀為橢圓形，灌溉6 h，每米滴灌管的流量25 L，縱向運(yùn)移深度53 cm，橫向運(yùn)移寬度26 cm。

圖2 黏土、壤土和沙土濕潤(rùn)鋒運(yùn)移圖(單位：min)Fig.2 Migration map of wetting front in clay、loam and sand soil

2.3 灌水后土壤水分空間分布情況

圖3為灌溉后經(jīng)墑情站觀測(cè)和取土烘干測(cè)得的土壤水分的分布情況。黏土、壤土和沙土的初始體積含水率分別為15.8%、10.0%和6.5%。廣西山區(qū)黏土、壤土和沙土的土壤中含水率均是從出水孔的位置往四周含水率降低的趨勢(shì)，出水孔附近含水率均處在飽和含水率附近的較高水平，在濕潤(rùn)體邊緣含水率迅速降低。土箱同樣位置黏土的土壤含水率最大，壤土次之，沙土最小。從含水率變化梯度來(lái)看，黏土梯度最大，壤土次之，沙土最緩，即黏土的保水性能最強(qiáng)。滴灌管為有壓入滲，水量分布受重力以及水壓力的影響較大。

圖3 黏土、壤土和沙土滴灌土壤水分分布圖Fig.3 Soil water distribution of clay、loam and sand soil

2.4 灌水后各深度土壤水分分布情況

圖4為滴灌管在黏土、壤土、沙土3種土壤下不同深度土壤含水率變化曲線。各深度的土壤含水率均呈拋物線形狀，黏土的最大含水率較高，壤土次之，最后為沙土。黏土、壤土和沙土的土壤最大含水率為52%、45%和34%。黏土最大含水率出現(xiàn)在20 cm深度，其次是30和10 cm處，60 cm含水率最低。壤土各深度的土壤含水率差距不大，但60 cm處的土壤含水率最高。沙土也是60 cm處的土壤含水率最高，地表土壤含水率最低。黏土中重力對(duì)水分分布的影響較小，水分分布主要仍然是土壤影響；壤土、沙土水分分布受重力影響較大，土壤水分在出水孔下部積累，往上運(yùn)移較少。

圖4 黏土、壤土和沙土不同深度含水率變化曲線Fig.4 Variation curves of water content in different depth of clay、loam and sand soil

2.5 濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離

圖5為滴灌在黏土、壤土、沙土中的濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移位置隨時(shí)間變化情況圖。以滴水孔所在深度為中心線，往上為向上濕潤(rùn)，往下為向下濕潤(rùn)，水平方向?yàn)闄M向濕潤(rùn)。濕潤(rùn)比為縱向濕潤(rùn)距離與橫向濕潤(rùn)距離的比值。黏土中濕潤(rùn)體橫向運(yùn)移速率大于向下運(yùn)移速率大于向上運(yùn)移速率，壤土、沙土中濕潤(rùn)體向下運(yùn)移速率大于橫向運(yùn)移速率大于向上運(yùn)移速率，向下濕潤(rùn)比不斷增加，向上濕潤(rùn)比減小，沙土壤土向下濕潤(rùn)比灌水后可大于1。

圖5 黏土、壤土和沙土濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離Fig.5 Distant of front migration in clay、loam and sand soil

滴灌在黏土中橫向運(yùn)移最快，其次向下運(yùn)移，最后為向上運(yùn)移；在壤土和沙土中向下運(yùn)移的最快，橫向運(yùn)移次之，向上運(yùn)移較慢。在這3種土壤，濕潤(rùn)速率均隨時(shí)間延長(zhǎng)而減慢。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)滴灌管地埋黏土、壤土和沙土中出流量會(huì)有不同程度減小，地埋滴灌管的出流量在地面出流量的67.6%～98.8%。

(2)黏土中滴灌管的濕潤(rùn)體為圓形，壤土以及沙土中滴灌管的濕潤(rùn)體為上小下大的橢圓形。

(3)滴灌管在黏土中含水率最高位置是出水孔處，壤土、沙土的最大含水率分別在出水孔往下的5和15 cm處。

(4)設(shè)計(jì)濕潤(rùn)深度40 cm時(shí)，黏土、壤土和沙土分別需要灌水15.0、14.8和12.5 L；設(shè)計(jì)濕潤(rùn)深度50 cm時(shí)，黏土、壤土和沙土分別需要灌水24.0、22.0和21.5 L；設(shè)計(jì)濕潤(rùn)深度60 cm時(shí)，黏土、壤土和沙土分別需要灌水31.0、29.0和25.0 L。

(5)根據(jù)各種土壤水分運(yùn)移規(guī)律，提出滴灌管在廣西山區(qū)黏土、壤土、沙土的適宜埋深分別為20、15和10 cm，以保證水分保持在根系區(qū)，避免地表蒸發(fā)和深層滲漏，提高水分利用率。

(6)滴灌應(yīng)用在山區(qū)條播作物時(shí)，在黏土、壤土、沙土的滴孔適宜間距應(yīng)為35、30和25 cm，確保濕透土壤。

[1] 馬金寶，畢建杰，白清俊，等.寬壟溝灌覆膜條件下土壤水分運(yùn)移初探[J].節(jié)水灌溉，2007,(2)：10-13.

[2] 程?hào)|娟，雍 芳，侯毅凱，等.注射灌土壤水分運(yùn)移分布特性試驗(yàn)研究[J].節(jié)水灌溉，2012,(3)：19-24.