微潤(rùn)交替灌溉下土壤水分運(yùn)移特征研究

郭英姿，申麗霞，尹玉娟，張春一

(1.太原理工大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2.山西水務(wù)工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，太原 030024)

微潤(rùn)灌溉技術(shù)(Moistube Irrigation,MI)是一種新型節(jié)水技術(shù)，灌水器由新型高分子半透膜制成，具有納米孔隙，分布范圍10～900 nm，分布密度為104/cm2。微潤(rùn)灌溉以連續(xù)、微量、精準(zhǔn)的方式向作物根系進(jìn)行供水，向土壤中供水與植株對(duì)水分的吸收同步進(jìn)行[1]。由半透膜制成的微潤(rùn)管根據(jù)膜內(nèi)外水勢(shì)調(diào)節(jié)出水量，因此微潤(rùn)灌溉技術(shù)可根據(jù)土壤含水量以及植物需水量自動(dòng)調(diào)節(jié)供水量，減少灌水冗余，提高水分利用率。交替灌溉技術(shù)(Alternative Irrigation)是人為控制根系活動(dòng)層的土壤在垂直剖面或水平面的某個(gè)區(qū)域交替處于干燥或濕潤(rùn)狀態(tài)，這種灌溉方式既可以減少棵間蒸發(fā)損失及灌溉用水量，也可提高根系對(duì)水分和養(yǎng)分的利用率，在不犧牲作物的光合產(chǎn)物積累的情況下節(jié)約灌溉用水[2]。

對(duì)于微潤(rùn)灌溉下土壤水分運(yùn)移特征，薛萬(wàn)來(lái)與牛文全等[3-5]等人進(jìn)行了一系列的室內(nèi)土箱模擬試驗(yàn)，以探究微潤(rùn)灌溉下埋深、壓力水頭以及礦化度對(duì)土壤水分運(yùn)移的影響。研究表明：累計(jì)入滲量與濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離皆與壓力水頭呈正相關(guān)，與微潤(rùn)管埋深呈負(fù)相關(guān)；礦化度對(duì)濕潤(rùn)體形狀影響小，對(duì)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離影響大。魏鎮(zhèn)華[6]將微潤(rùn)交替灌溉應(yīng)用于大棚番茄種植，設(shè)置微潤(rùn)管間距40 cm，微潤(rùn)管埋深15 cm，分析不同交替周期對(duì)番茄耗水和產(chǎn)量的影響，試驗(yàn)表明，在微潤(rùn)交替灌溉下，番茄根系分布于0～30 cm土層，根區(qū)土壤的干濕狀態(tài)交替刺激了番茄根系吸收的補(bǔ)償效應(yīng)以提高根系的吸水吸水能力，在不減少產(chǎn)量的情況下，減少了灌溉用水。目前，還未有對(duì)微潤(rùn)交替灌溉下土壤水分運(yùn)移情況的研究。本試驗(yàn)將微潤(rùn)灌溉與交替灌溉相結(jié)合，利用室內(nèi)土箱試驗(yàn)，研究微潤(rùn)交替灌溉下不同微潤(rùn)管間距對(duì)土壤水分運(yùn)移情況的影響，以期為微潤(rùn)交替灌溉的發(fā)展提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)土質(zhì)

供試土壤取自山西省太原市尖草坪區(qū)芮城村。土樣經(jīng)曬干、碾壓、均勻混合后，用2 mm孔徑篩進(jìn)行篩選后即為試驗(yàn)用土樣。用MS 2000型激光分析粒度儀對(duì)土樣進(jìn)行測(cè)定，沙粒(2.00～0.02 mm)、粉粒(0.02～0.002 mm)、黏粒(<0. 002 mm)所占比例分別為41.06 %、35.78 %、23.16 %，依據(jù)國(guó)際制土壤質(zhì)地劃分標(biāo)準(zhǔn)，土壤類(lèi)型為黏壤土?？刂仆寥廊葜?.3 g/cm3，初始含水率為1.38%。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置由2個(gè)馬氏瓶、土箱、2條供水管道構(gòu)成(見(jiàn)圖1)。土箱為亞克力制成，尺寸為100 cm×40 cm×40 cm(長(zhǎng)×寬×高)，土箱兩側(cè)距地面高20 cm處各打有2個(gè)對(duì)稱(chēng)圓孔，圓孔孔徑18 mm，用于安裝微潤(rùn)管。供水管道為2根φ16黑色PE管與2根微潤(rùn)管，微潤(rùn)管一端連接PE管道，微潤(rùn)管與PE管道交接處設(shè)有閥門(mén)，另一端用堵頭封閉。馬氏瓶?jī)?nèi)徑100 mm，瓶身標(biāo)有刻度，配有細(xì)玻璃管與橡膠塞，玻璃管與大氣相連，因此玻璃管下方液面保持在大氣壓強(qiáng)，玻璃管下方液面至微潤(rùn)管安置的水平高度之間垂直距離即為試驗(yàn)所用壓力水頭。

圖1 試驗(yàn)裝置

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)為室內(nèi)試驗(yàn)。土樣按每層5 cm分層進(jìn)行填裝，每層土樣振搗至設(shè)計(jì)容重(1.3 g/cm3)后進(jìn)行層間打毛，使土壤各層間之間充分接觸。裝土至20 cm時(shí)進(jìn)行微潤(rùn)管安裝，2根微潤(rùn)管距土箱中線(xiàn)距離相同。微潤(rùn)管安裝結(jié)束后，繼續(xù)裝土至設(shè)計(jì)微潤(rùn)管埋深處。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，開(kāi)啟閥門(mén)①，保持閥門(mén)②閉合，僅通過(guò)①管進(jìn)行灌水，4 d后關(guān)閉閥門(mén)①，開(kāi)啟閥門(mén)②，僅通過(guò)②管進(jìn)行供水，8 d后試驗(yàn)結(jié)束，關(guān)閉閥門(mén)②。試驗(yàn)具體設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)開(kāi)始后對(duì)馬氏瓶刻度、濕潤(rùn)體形態(tài)、濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離、土壤含水率進(jìn)行測(cè)量。開(kāi)啟閥門(mén)后0～12 h內(nèi)，每隔2 h觀測(cè)一次馬氏瓶刻度，24～36 h，每隔4 h觀測(cè)一次，48 h后每隔6 h觀測(cè)一次。馬氏瓶刻度直接于馬氏瓶上讀取，并計(jì)算灌水量。在土箱側(cè)面描繪土壤濕潤(rùn)體形態(tài)，對(duì)土箱側(cè)面所描繪的濕潤(rùn)體進(jìn)行拍攝，錄入Auto CAD中，用樣條曲線(xiàn)法進(jìn)行描繪。以微潤(rùn)管中心處為原點(diǎn)，T1、T2將水平指向土框長(zhǎng)邊方向記為X1，T3將水平指向土箱中線(xiàn)方向記為X2，垂直向上方向記為Y1，垂直向下方向記為Y2，使用直尺測(cè)量濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離。T1處理將距土箱長(zhǎng)邊一側(cè)10、20、30 cm處設(shè)為1、2、3區(qū)，T2處理將距土箱長(zhǎng)邊一側(cè)15、20、25 cm處設(shè)為1、2、3區(qū)，T3處理將距土箱長(zhǎng)邊一側(cè)10、20、30 cm處設(shè)為1、2、3區(qū)，每過(guò)24 h，在土箱3個(gè)區(qū)域垂直取土，取土深度為0～30 cm，采用烘干法測(cè)量土壤含水率。

2 結(jié)果與分析

2.1 累計(jì)入滲量

將累計(jì)入滲量繪制于圖2。由圖2可知，在微潤(rùn)灌溉下，累積入滲量與入滲時(shí)間呈線(xiàn)性增加關(guān)系。T1處理，②管函數(shù)線(xiàn)段在①管下方，當(dāng)②管開(kāi)啟時(shí)，①管所形成濕潤(rùn)體已擴(kuò)散至②管圓心處，因此②管圓心處土壤含水率已高于初始含水率，在這種情況下，②管累計(jì)入滲量減少。這與陳松明[7]對(duì)黃土坡坡地土壤水分運(yùn)動(dòng)的試驗(yàn)研究結(jié)果相近，當(dāng)土壤初始含水量很低時(shí)，濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移主要受控于基質(zhì)勢(shì)梯度的大小，而基質(zhì)勢(shì)隨含水率的升高而降低，因此初始含水率越高，累積入滲量越小。但與張俊[8]等人進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果不同，在使用土婁土的情況下，累計(jì)入滲量隨初始含水率的增大而增大。薛萬(wàn)來(lái)[9]等人認(rèn)為，土壤含水率較低的情況下，濕潤(rùn)體邊緣的水力梯度較大，促進(jìn)水分入滲，但土壤含水率較低也會(huì)加劇土壤團(tuán)聚體土遇水后的崩解擠壓，造成土壤空隙堵塞，使水分滲入遇到阻力，在不同的試驗(yàn)中，2種情況各不相同，因此各試驗(yàn)中初始含水率對(duì)水分入滲情況的影響有所差異。T2處理，②管函數(shù)線(xiàn)段略低于①管，在開(kāi)啟②管2 d后，2條微潤(rùn)管所形成的土壤濕潤(rùn)體部分出現(xiàn)重合，但對(duì)水分入滲未造成太大影響。T3處理，①管與②管累計(jì)入滲量函數(shù)相同，2條微潤(rùn)管的水分入滲情況互不影響。

圖2 累計(jì)入滲量

2.2 土壤濕潤(rùn)體形態(tài)

將土箱側(cè)面顯示濕潤(rùn)體形狀描繪于圖3。在本試驗(yàn)各處理中，未開(kāi)啟②管時(shí)，土壤濕潤(rùn)體橫斷面為以①管為圓心的不斷向外擴(kuò)展的近似圓形，開(kāi)啟②管后，3個(gè)處理所形成的土壤濕潤(rùn)體開(kāi)始不同。T1處理閉合閥門(mén)①，開(kāi)啟閥門(mén)②后，以②管為圓心形成與①管為圓心的濕潤(rùn)體橫斷面相交的半圓形，隨著灌水時(shí)間延長(zhǎng)，土壤濕潤(rùn)體橫斷面形狀逐漸接近橢圓形，土壤濕潤(rùn)體為沿微潤(rùn)管連續(xù)分布的橢圓柱體。T2處理所形成的濕潤(rùn)體斷面見(jiàn)圖3(b)，開(kāi)啟②管后，②管所形成的圓形濕潤(rùn)鋒斷面與①管形成的濕潤(rùn)鋒斷面交匯，形成以2根微潤(rùn)管為圓心的相交圓形。T3處理所形成的濕潤(rùn)體斷面見(jiàn)圖3(c)，濕潤(rùn)鋒斷面為2個(gè)以微潤(rùn)管中心為圓心的部分圓形，2個(gè)土壤濕潤(rùn)體互不影響，獨(dú)立形成。

圖3 土壤濕潤(rùn)體形狀

2.3 濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離

謝香文[10]等人的試驗(yàn)說(shuō)明，與傳統(tǒng)滴灌所形成的上小下大的土壤濕潤(rùn)體不同，單管進(jìn)行的微潤(rùn)灌溉所形成的土壤濕潤(rùn)體橫斷面形狀為以微潤(rùn)管為圓心的圓，而濕潤(rùn)體則是一個(gè)沿微潤(rùn)管連續(xù)分布的圓柱體，微潤(rùn)灌濕潤(rùn)體可以用濕潤(rùn)半徑的變化來(lái)進(jìn)行描述。對(duì)于微潤(rùn)灌溉所形成的濕潤(rùn)體，水平2個(gè)方向濕潤(rùn)鋒運(yùn)移情況近似，因此對(duì)水平方向濕潤(rùn)鋒運(yùn)移情況只觀測(cè)一側(cè)變化。各處理下①管、②管所形成的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離與時(shí)間t的關(guān)系近似于冪函數(shù)關(guān)系，即X1=atb、X2=atb、Y1=atb、Y2=atb。a為入滲系數(shù)，為第1次測(cè)量時(shí)濕潤(rùn)鋒距原點(diǎn)距離；b為入滲指數(shù)。擬合結(jié)果見(jiàn)表2、表3、表4。

表2 T1處理濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離與時(shí)間關(guān)系擬合結(jié)果

表3 T2處理濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離與時(shí)間關(guān)系擬合結(jié)果

表4 T3處理濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離與時(shí)間關(guān)系擬合結(jié)果

在重力作用下，垂直向下方向濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離大于垂直向上方向濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離。T1處理，在對(duì)灌水管道進(jìn)行交替時(shí)，②管所形成的濕潤(rùn)體已到達(dá)①管中心處，而后各方向濕潤(rùn)鋒隨②管進(jìn)行灌水緩慢向外移動(dòng)，因此①管與②管入滲系數(shù)差別很大，又因②管開(kāi)啟時(shí)②管周邊含水率已高于初始含水率，所以濕潤(rùn)鋒運(yùn)移緩慢。T2處理，①管與②管所形成的濕潤(rùn)體在前期沒(méi)有影響，a相近。T3處理2條微潤(rùn)管所形成的濕潤(rùn)體獨(dú)立存在，函數(shù)相似。

2.4 土壤含水率

將土框內(nèi)不同區(qū)域土壤含水率變化繪制于圖4。由圖4可知，在T1處理中，①管開(kāi)啟后，1區(qū)土壤含水率小幅度上升，2區(qū)土壤含水率大幅度上升，3區(qū)還未受到灌水影響；開(kāi)啟②管后，1區(qū)土壤含水率在7 d到達(dá)最高值，而后稍有回落，2區(qū)土壤含水率繼續(xù)上升，3區(qū)土壤含水率開(kāi)始上升并超過(guò)1區(qū)土壤含水率。T2處理中，①管開(kāi)啟后，1區(qū)土壤含水率大幅增加，2區(qū)與3區(qū)土壤含水率基本沒(méi)有變化，②管開(kāi)啟后，1區(qū)土壤含水率在7 d到達(dá)最高值，而后開(kāi)始回落，2區(qū)進(jìn)入土壤濕潤(rùn)區(qū)內(nèi)，土壤含水率大幅度增加，3區(qū)土壤含水率逐步增加最終與1區(qū)土壤含水率持平。T3處理中，如圖4(c)所示，土箱中部區(qū)域即2區(qū)并未進(jìn)入土壤濕潤(rùn)區(qū)內(nèi)，土壤含水率沒(méi)有變化，1區(qū)與3區(qū)土壤濕潤(rùn)體無(wú)相互影響，土壤含水率在開(kāi)啟微潤(rùn)管后變化相似，1區(qū)在7 d到達(dá)最高點(diǎn)，而后回落。

微潤(rùn)交替灌溉致力于在使用微潤(rùn)灌溉技術(shù)的情況下，通過(guò)交替灌溉使植株根系部分土壤交替處于干旱與濕潤(rùn)2種狀態(tài)，從而刺激植株根系補(bǔ)償效應(yīng)，提高根系吸水能力。T1處理在累積入滲量最少的情況下，令濕潤(rùn)體范圍內(nèi)土壤含水率皆處于較高水平，但未形成干濕交替。T2、T3處理在①管停止供水后2 d后土壤含水率到達(dá)最大值，而后回落，可以在1區(qū)、3區(qū)形成土壤干濕交替狀態(tài)，但T2處理2區(qū)土壤含水率持續(xù)上升，T3處理2區(qū)土壤含水率一直保持在較低水平。綜合各處理不同區(qū)域土壤含水率，T2處理，即20 cm微潤(rùn)管間距最適宜應(yīng)用于微潤(rùn)交替灌溉。

圖4 土壤含水率變化

3 結(jié) 論

通過(guò)進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，在1 m壓力水頭、10 cm微潤(rùn)管埋深條件下，對(duì)不同微潤(rùn)管間距下累計(jì)入滲量、土壤含水率、土壤濕潤(rùn)體形態(tài)及土壤濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離進(jìn)行觀測(cè)，可得出以下結(jié)論。

(1)10、20、30 cm微潤(rùn)管鋪設(shè)間距下2管總?cè)霛B量分別為6.69、8.95、7.93 L，10 cm微潤(rùn)管間距時(shí)總?cè)霛B量最低，2條微潤(rùn)管間區(qū)域含水率適宜，在大田種植中利于節(jié)約灌溉用水，適用于密植植物種植。

(2)20 cm微潤(rùn)管鋪設(shè)間距可在1區(qū)、3區(qū)形成土壤干、濕交替狀態(tài)，且2條微潤(rùn)管中間區(qū)域土壤含水率保持在適宜水平，可應(yīng)用于主根較為發(fā)達(dá)的雙子葉植株，30 cm微潤(rùn)管鋪設(shè)間距可在1區(qū)、3區(qū)形成土壤干、濕交替狀態(tài)，但2條微潤(rùn)管中間區(qū)域土壤含水率較低，可應(yīng)用于根系發(fā)達(dá)、側(cè)根發(fā)生多，有一定耐寒能力的茄果類(lèi)植株。

(3)10 cm微潤(rùn)管間距下2條微潤(rùn)管形成的濕潤(rùn)體為沿微潤(rùn)管連續(xù)分布的橢圓柱體，20 cm微潤(rùn)管間距形成的濕潤(rùn)體為沿微潤(rùn)管連續(xù)分布的2個(gè)部分重合的圓柱體，30 cm微潤(rùn)管間距形成的濕潤(rùn)體為沿微潤(rùn)管連續(xù)分布的2個(gè)獨(dú)立形成的部分圓柱體。

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