不同立地類型根灌、滴灌水分?jǐn)U散規(guī)律

劉曉泉，嚴(yán)子柱，李得祿，唐衛(wèi)東，張芝萍

(1.甘肅省古浪縣水務(wù)技術(shù)推廣中心，甘肅 古浪 733100； 2.甘肅省治沙研究所 甘肅省荒漠化與風(fēng)沙災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室----省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，蘭州 730070)

水是農(nóng)業(yè)的命脈，也是國民經(jīng)濟(jì)和人類生活的命脈。水資源的占有狀況和利用水平已成為評價一個國家一個地區(qū)經(jīng)濟(jì)能否持續(xù)發(fā)展的重要指標(biāo)[1]。我國是一個水資源相對貧乏的國家，年平均淡水資源總量為2.8 萬億m3，人均占有水量僅2 300 m3，只相當(dāng)于世界人均水平的1/4，居世界第109位，是世界上人均占有水資源最貧乏的13個國家之一。農(nóng)業(yè)用水每年虧缺300 億m3,有2 000多萬人口飲水困難[2]。農(nóng)業(yè)用水量在水資源總量中約占65%，浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重。其中灌溉水利用系數(shù)僅45%，用水效率低，節(jié)水灌溉改造工程僅為30%[3]。因此，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉，有效改善水資源短缺現(xiàn)狀，對促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、保護(hù)與恢復(fù)生態(tài)環(huán)境具有重要意義[4]。

近年來，我國高效節(jié)水灌溉技術(shù)取得了很大突破，一些技術(shù)含量高、使用效果好、節(jié)水率高的高效節(jié)水灌溉技術(shù)相繼研發(fā)成功。但受地區(qū)經(jīng)濟(jì)狀況限制和群眾觀念意識約束，高效節(jié)水灌溉技術(shù)的推廣利用十分不足，高效節(jié)水灌溉所占比例仍然相對比較低[5]。目前，我國采用最多、水利用效益最高的節(jié)水灌溉是微灌，包括：微噴灌、滴管和滲灌。該技術(shù)采用管道輸水，將有壓水通過微灌系統(tǒng)輸送至植物根部土壤，蒸發(fā)損失及滲漏相對較小，較漫灌節(jié)水50%～70%，較噴灌節(jié)水15%～20%，節(jié)水率可達(dá)80%～90%[6]。而根灌技術(shù)是中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所杜虎林研究員，于2012發(fā)明的一項(xiàng)節(jié)水專利技術(shù)，依托于傳統(tǒng)滴灌設(shè)施，采用直插式滲灌滴頭和導(dǎo)水微管將灌溉水直接輸送至植物根系土壤層，實(shí)現(xiàn)了灌溉水分低蒸發(fā)、甚至無蒸發(fā)損失的新型節(jié)水灌溉技術(shù)[7,8]。它實(shí)際是滲灌的一種，俗稱根灌。目前，國內(nèi)外對滲灌的研究已經(jīng)相當(dāng)深入和廣泛，有大量的研究報(bào)道[9-24]，內(nèi)容涉及非常廣泛，但對于根灌節(jié)水技術(shù)的研究，僅涉及風(fēng)沙土滴灌和根灌對比研究[4]、沙漠公路防護(hù)林帶根灌節(jié)水研究[8]、農(nóng)田根灌與滴灌條件下土壤蒸發(fā)[25]這幾個方面。而我們知道，土壤水分入滲是地面水轉(zhuǎn)化為土壤水的途徑，合理確定土壤水分入滲參數(shù)是實(shí)施地面灌溉優(yōu)化灌水的前提條件，也是全面實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)水資源利用效率的基礎(chǔ)[26]。因此，開展根灌水分在不同立地類型的擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行研究十分必要。本文采用根灌和滴灌，對民勤沙區(qū)生態(tài)防護(hù)林、生態(tài)經(jīng)濟(jì)林和防風(fēng)固沙林的水分?jǐn)U散規(guī)律進(jìn)行對比研究，旨在為該區(qū)根灌節(jié)水技術(shù)的推廣應(yīng)用提供技術(shù)支持和倫理指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概括

試驗(yàn)地設(shè)在甘肅省民勤治沙綜合試驗(yàn)站民勤沙生植物園內(nèi)，地處巴丹吉林沙漠東南緣和騰格里沙漠交匯地帶，溫帶大陸性極干旱氣候，地理位置E 102°58′，N 38°34′，海拔1 375.3 m，年均氣溫7.6 ℃，極端高溫40.6 ℃，最低氣溫- 28.8 ℃，年均降水量113.2 mm，年均蒸發(fā)量2 604.3 mm，干燥度>10，地下水位27 m以下，全年風(fēng)沙日74.8 d，8級以上大風(fēng)天氣40.5 d，沙塵暴日數(shù)37 d，年均風(fēng)速2.5 m/s，最大風(fēng)速20 m/s，全年盛行西北風(fēng)。日照時數(shù)2 833 h，≥ 10 ℃積溫3 248.8 ℃，無霜期164 d。土壤類型主要是風(fēng)沙土、壤質(zhì)沙土和灰棕漠土，土壤粒徑組成見表1。土壤有機(jī)質(zhì)含量0.15%～0.8%，含鹽量高，pH值8.0～8.5；0～120 cm層土壤陰、陽離子組成及含量見表2。

表1 不同土壤立地類型粒子構(gòu)成 %

注：黏粒0.01～2 μm;粉粒2～20 μm；細(xì)沙粒20～200 μm;粗沙粒200～2 000 μm。

1.2 試驗(yàn)材料與方法

參試根灌材料有滴灌配套系統(tǒng)、外鑲式滴頭，根灌滴頭和根灌導(dǎo)水微管(見圖1)等。參試植物有梭梭、沙棗、榆樹和檸條錦雞兒等苗木，參試植物地上、地下部分生物量和根系結(jié)構(gòu)特征見表3。

試驗(yàn)方法：在試驗(yàn)區(qū)安裝滴灌系統(tǒng)，按根灌、滴灌交替排列方式布置試驗(yàn)。每種土壤立地類型設(shè)置3個試驗(yàn)小區(qū)，每個小區(qū)各裝2根滴灌帶和根灌帶，選根灌帶和滴灌帶的中間部位，距供水支管相同位置，以灌溉時間0.5、1.0、1.5 h設(shè)置3個處理，重復(fù)3次。然后在對應(yīng)的根灌和滴灌滴頭上用事先稱重的容器接同等時間內(nèi)滴出的水，用稱重法計(jì)算水量，并用挖剖面法，測定根灌和滴灌在不同立地類型土壤中水分的擴(kuò)散速度。

1.3 數(shù)據(jù)觀測與處理

數(shù)據(jù)觀測采用直接觀測法。用鋼卷尺分別測定剖面上含水體的縱軸和橫軸長，并觀察含水體橫截面的形狀，并將測定的數(shù)據(jù)在Excel軟件中進(jìn)行分析處理和作圖。

表2 不同土壤立地類型陰、陽粒子含量 mg/g

2 結(jié)果與分析

2.1 風(fēng)沙土根灌、滴灌水分?jǐn)U散規(guī)律

通過風(fēng)沙土定植梭梭滴灌和根灌試驗(yàn)，其水分垂直和水平擴(kuò)散速率結(jié)果見圖2、圖3。

從圖2可以看出，根灌在風(fēng)沙土中水分的擴(kuò)散規(guī)律總體表現(xiàn)為：水平擴(kuò)散速率>垂直擴(kuò)散速率，且水分?jǐn)U散速率與灌溉時間呈負(fù)相關(guān)對數(shù)關(guān)系。水平擴(kuò)散速率與灌水時間存在：y=-15.71 lnx+27.217(R2= 0.999 2)的相關(guān)性對數(shù)關(guān)系；垂直擴(kuò)散速率與灌水時間存在：y=-15.86 lnx+20.869(R2=0.998 7)的相關(guān)性對數(shù)關(guān)系。從相關(guān)系數(shù)R2值來看，水平和垂直擴(kuò)散速率與時間的相關(guān)性都達(dá)到了極顯著水平。從圖3可以看出，滴灌風(fēng)沙土水分?jǐn)U散速率與根灌規(guī)律相似，總體也表現(xiàn)為水平擴(kuò)散速率大于垂直擴(kuò)散速率，灌溉時間與水分?jǐn)U散速率呈負(fù)相關(guān)對數(shù)關(guān)系。但滴灌水分的水平擴(kuò)散速率要比垂直擴(kuò)散速率更大，差異更明顯。水平擴(kuò)散速率與灌水時間的相關(guān)性對數(shù)方程為：y=-17.38 lnx+27.81(R2= 0.996 1)；垂直擴(kuò)散速率與灌水時間的相關(guān)性對數(shù)方程為：y=-12.35 lnx+14.649(R2=0.929 9)。從相關(guān)系數(shù)R2值來看，水平擴(kuò)散速率與時間的相關(guān)性都達(dá)到了極顯著水平，垂直擴(kuò)散速率也達(dá)到了顯著水平。

圖1 根灌、滴灌試驗(yàn)材料及方法示意圖

cm

圖2 風(fēng)沙土根灌水分?jǐn)U散速率

圖3 風(fēng)沙土滴灌水分?jǐn)U散速率

2.2 沙質(zhì)壤土根灌、滴灌水分?jǐn)U散規(guī)律

沙質(zhì)壤土實(shí)際上是風(fēng)沙土的改良土壤，比風(fēng)沙土多了些黏性，比壤土多了些沙性。從剖面的情況來看，沙質(zhì)壤土的結(jié)構(gòu)和質(zhì)地都不如風(fēng)沙土均勻，因此，根灌和滴灌在沙質(zhì)壤土中的擴(kuò)散速率情況要復(fù)雜一些。通過沙質(zhì)壤土檉柳和沙棗滴灌和根灌對比觀測，土壤水分垂直和水平擴(kuò)散速率結(jié)果見圖4、圖5。

圖4 沙質(zhì)壤土根灌水分?jǐn)U散速率

圖5 沙質(zhì)壤土滴灌水分?jǐn)U散速率

從圖4可以看出，根灌沙質(zhì)壤土水分?jǐn)U散規(guī)律總體也表現(xiàn)為：水平擴(kuò)散速率>垂直擴(kuò)散速率，灌溉時間與水分?jǐn)U散速率呈負(fù)相關(guān)對數(shù)關(guān)系。水平擴(kuò)散速率與灌水時間的相關(guān)性對數(shù)方程為：y=-26.7 lnx+47.059(R2=0.977 9)；垂直擴(kuò)散速率與灌水時間的相關(guān)性對數(shù)方程為：y=-20.2 lnx+23.786(R2=0.938 3)。從R2值來看，水平和垂直擴(kuò)散速率與時間的相關(guān)性都達(dá)到了顯著水平。從圖5可以看出，沙質(zhì)壤土滴灌與根灌的水分?jǐn)U散速率規(guī)律極相近，且水分垂直擴(kuò)散速率和水平擴(kuò)散速率也相近，差異不明顯。水平擴(kuò)散速率與灌水時間的對數(shù)方程為：y=-16.74 lnx+29.309(R2= 0.988)；垂直擴(kuò)散速率與灌水時間的相關(guān)性對數(shù)方程為：y=-18.68 lnx+28.828(R2=0.996 6)。從相關(guān)系數(shù)R2值來看，水平和垂直擴(kuò)散速率與時間的相關(guān)性都達(dá)到了極顯著水平。

2.3 灰棕漠土根灌、滴灌水分?jǐn)U散規(guī)律

通過灰棕漠土上定植榆樹根灌和滴灌試驗(yàn)觀測，土壤水分的垂直和水平擴(kuò)散規(guī)律結(jié)果見圖6、圖7。

圖6 灰棕漠土根灌水分?jǐn)U散速率

圖7 灰棕漠土滴灌水分?jǐn)U散速率

從圖6可以看出，灰棕漠土上根灌水分?jǐn)U散速率總體表現(xiàn)為：起始至0.5 h，水平和垂直擴(kuò)散速率基本一致，但隨灌溉時間增加，水平擴(kuò)散速率逐漸大于垂直擴(kuò)散速率，且與灌溉時間也呈負(fù)相關(guān)對數(shù)關(guān)系。水平擴(kuò)散速率與灌水時間的對數(shù)方程為：y=- 8.199 lnx+24.77(R2=0.947 1)；垂直擴(kuò)散速率與灌水時間的相關(guān)性對數(shù)方程為：y=-12.23 lnx+21.384(R2=0.997 5)；從R2值來看，水平和垂直擴(kuò)散速率與時間的負(fù)相關(guān)性都達(dá)到了顯著水平。從圖7可以看出，灰棕漠土滴灌與根灌的水分?jǐn)U散速率規(guī)律基本一致，且水分垂直擴(kuò)散速率和水平擴(kuò)散速率也很接近，垂直擴(kuò)散速率略大于水平擴(kuò)散速率。水平擴(kuò)散速率與灌水時間的對數(shù)方程為：y=-21.05 lnx+30.758(R2=0.983)；垂直擴(kuò)散速率與灌水時間的相關(guān)性對數(shù)方程為：y=-20.31 lnx+28.942(R2=1)。從相關(guān)系數(shù)R2值來看，水平和垂直擴(kuò)散速率與時間的相關(guān)性都達(dá)到了極顯著水平。

2.4 不同立地類型根灌、滴灌土壤水分?jǐn)U散規(guī)律比較

通過不同立地類型根灌、滴灌對比觀測，土壤水分在垂直和水平方向上的擴(kuò)散規(guī)律見圖8、圖9示。

圖8 不同立地類型根灌滴灌水分垂直擴(kuò)散速率

圖9 不同立地類型根灌滴灌水分水平擴(kuò)散速率

從圖8可以看出，不同立地類型根灌、滴灌土壤水分垂直擴(kuò)散速率變化都各有不同。根灌水分的垂直擴(kuò)散速率總體為：沙質(zhì)壤土>風(fēng)沙土>灰棕漠土，滴灌則總體表現(xiàn)為：灰棕漠土>沙質(zhì)壤土>風(fēng)沙土，兩者規(guī)律不太相同。特別是灰棕漠土水分的擴(kuò)散速率，根灌表現(xiàn)為前期小后期大，滴灌則一直較大；而風(fēng)沙土的水分垂直擴(kuò)散速率，在滴灌狀態(tài)下則表現(xiàn)的相對較小。從圖9可以看出，不同立地類型根灌、滴灌土壤水分水平擴(kuò)散速率變化也各不相同。根灌在灌溉0～1 h內(nèi)，水分水平擴(kuò)散速率總體為：沙質(zhì)壤土>風(fēng)沙土>灰棕漠土；在1 h之后，水分?jǐn)U散速率有所改變，但3種立地類型土壤中的水分?jǐn)U散規(guī)律大致相同。滴灌水分水平擴(kuò)散速率則總體表現(xiàn)為：灰棕漠土>沙質(zhì)壤土>風(fēng)沙土，3者擴(kuò)散規(guī)律相同，且擴(kuò)散速率差異也不大。

3 結(jié)論與討論

風(fēng)沙土無論根灌還是滴灌，水分水平擴(kuò)散速率都明顯大于垂直擴(kuò)散速率，且灌水時間與擴(kuò)散速率均呈負(fù)相關(guān)對數(shù)關(guān)系，相關(guān)水平極顯著。風(fēng)沙土是發(fā)育于風(fēng)成沙性母質(zhì)的土壤，其主要特征是土壤礦質(zhì)部分幾乎全由細(xì)沙顆粒(直徑在0.25～0.05 mm)組成[7]，因此，質(zhì)地比較均一。但風(fēng)沙土大都是由流動性沙粒積聚而成，因此具有層積性，從其垂直剖面可以清楚地看到層積現(xiàn)象。因此，根灌和滴灌水分入滲到風(fēng)沙土中，滴頭水產(chǎn)生的水勢推動水分向各個方向自由擴(kuò)散，由于風(fēng)沙土的層積性，使得水平擴(kuò)散速率明顯大于垂直擴(kuò)散速率。

沙質(zhì)壤土根灌、滴灌水分?jǐn)U散規(guī)律總體也表現(xiàn)為水平擴(kuò)散速率大于垂直擴(kuò)散速率，灌溉時間與水分?jǐn)U散速率呈負(fù)相關(guān)對數(shù)關(guān)系，相關(guān)性水平顯著。沙質(zhì)壤土雖含沙量仍相當(dāng)多，但因亦含有少量粉粒及黏粒，具有土粒間的結(jié)合性。因此，沙質(zhì)壤土的質(zhì)地均勻度不及風(fēng)沙土，但由于黏粒數(shù)量的增加，土壤孔隙度增大，因此水分的垂直和水平擴(kuò)散速率仍基本遵守風(fēng)沙土中水分的擴(kuò)散規(guī)律。但從圖8可以知道，其垂直和水平擴(kuò)散速率明顯大于風(fēng)沙土。

灰棕漠土根灌、滴灌水分的擴(kuò)散規(guī)律與風(fēng)沙土及沙質(zhì)壤土的水分?jǐn)U散規(guī)律基本一致?；易啬潦敲袂谏硡^(qū)常見的土壤類型，其黏性較大，未經(jīng)改良的灰棕漠土層積性非常明顯，又稱平土，是由于上游水土流失攜帶下來的大量黏粒層積形成的，因此，水分垂直滲透性差。但經(jīng)過改良的灰棕漠土，都摻入了大量的沙土，使其土壤結(jié)構(gòu)有了很大的改善，土壤理化性質(zhì)變好，因此滲水性增加，根灌、滴灌的垂直和水平擴(kuò)散規(guī)律與風(fēng)沙土、沙質(zhì)壤土有了相似性。

不同立地類型，無論根灌還是滴灌，水分垂直擴(kuò)散速率均為沙質(zhì)壤土>風(fēng)沙土>灰棕漠土，而水平擴(kuò)散速率則是灰棕漠土>沙質(zhì)壤土>風(fēng)沙土，兩者規(guī)律相同。風(fēng)沙土由于質(zhì)地較細(xì)，有明顯的層積性，因此，水分垂直擴(kuò)散速率小于水平擴(kuò)散速率；灰棕漠土層積性更強(qiáng)，因此，水平擴(kuò)散速率更大，垂直擴(kuò)散性更差；而沙質(zhì)壤土沒有明顯的層積性，土壤質(zhì)地也較風(fēng)沙土和灰棕漠土松散，因此，水分垂直擴(kuò)散性好于風(fēng)沙土和灰棕漠土，而水平擴(kuò)散性則差于兩者。

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