容重對紅壤區(qū)地下滴灌水分入滲能力影響研究

賈洪濤， 張鵬飛， 代智光

(1. 黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475000；2. 南昌工程學(xué)院，江西 南昌 330099)

紅壤是我國南方分布最廣的地帶性土壤之一，合理和科學(xué)利用紅壤資源，對我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[1]。目前，我國紅壤地區(qū)仍以地面灌為主，不僅水分利用效率低下，而且加劇了當(dāng)?shù)厮亮魇У娘L(fēng)險(xiǎn)，因此，要保證紅壤地區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，必須發(fā)展節(jié)水灌溉。地下滴灌(Subsurface Drip Irrigation，簡稱SDI)是在滴灌基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種高效節(jié)水技術(shù)，它通過地埋式滴灌帶上的滴頭將水或肥液直接輸送到作物根區(qū)，實(shí)現(xiàn)了地下局部灌溉。與其他灌水技術(shù)相比，地下滴灌可以有效降低地表蒸發(fā)和深層滲漏，且在一定程度上能抑制雜草生長，同時(shí)由于滴灌管埋于地下，無需占用耕地，提高了土地的使用率，具有廣闊的應(yīng)用前景[2,3]。

土壤水分入滲主要受土壤容重、土壤機(jī)械組成以及土壤初始含水量等因素的影響，而土壤容重的影響尤為顯著[4-6]。土壤容重作為土壤的一個(gè)基本物理指標(biāo)，對土壤的透氣性、入滲特性、溶質(zhì)遷移特性以及抗侵蝕能力都有很大的影響[7-9]。相關(guān)學(xué)者關(guān)于土壤容重對水分入滲能力影響進(jìn)行了大量研究，裴青寶和曾健等[10,11]分別研究了地表滴灌條件下容重對紅壤水分入滲的影響，結(jié)果表明，容重對土壤水分水平和垂直入滲特性均有顯著影響；李卓等[12]通過人工配制不同典型土壤，研究了容重對積水入滲土壤水分入滲能力的影響，結(jié)果表明土壤初始入滲能力隨容重的增大而遞減，而入滲能力的衰減速度隨容重增大而遞增；劉小剛等[13]研究了不同容重條件下微潤灌溉濕潤體內(nèi)水分的分布特性，結(jié)果表明，容重對微潤灌溉土壤濕潤體內(nèi)含水率的影響達(dá)到顯著水平。

目前關(guān)于紅壤水分入滲能力的研究報(bào)道還很少，僅是針對地表滴灌水分入滲開展了初步研究，而關(guān)于容重對紅壤條件下地下滴灌水分入滲能力影響的研究還未見報(bào)道?；诖?，以具有典型的江西紅壤為例，通過室內(nèi)入滲試驗(yàn)，研究容重對土壤水分入滲能力的影響，確定容重與水分入滲能力的定量關(guān)系，以期為地下滴灌技術(shù)在紅壤地區(qū)的推廣應(yīng)用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)土壤

試驗(yàn)于2018年3-4月在南昌工程學(xué)院灌溉排水實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，供試土壤取自江西省進(jìn)賢縣田間表層0～50 cm深度，土壤經(jīng)自然風(fēng)干后過2 mm篩。土壤顆粒組成用激光粒度分析儀(MS2000型)測定，粒徑為0 mm

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置由馬氏瓶、土箱、輸水管和微管組成(圖1)。馬氏瓶用于提供恒定水頭，其內(nèi)徑為14 cm，高為100 cm，通過調(diào)整出口開關(guān)來控制出流流量；土箱材質(zhì)為有機(jī)玻璃，尺寸為50 cm×50 cm×100 cm(長×寬×高)，并在土箱上口邊角向下20 cm處開一直徑為3.10 mm的圓孔；輸水管為一內(nèi)徑為3 mm的乳膠管；微管外徑為3 mm，一端表面涂抹502膠水塞入土箱孔內(nèi)并用紗布封口以避免土壤顆粒堵塞微管，模擬地下滴灌的滴頭，另一端用橡皮筋與輸水管連接。試驗(yàn)裝置示意見圖1。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與觀測內(nèi)容

試驗(yàn)土壤初始含水量為7.60%，設(shè)定初始流量為1.50 L/h，灌水時(shí)間為240 min。土壤容重設(shè)置5個(gè)水平，分別為1.25、1.30、1.35、1.40、1.45 g/cm3。將試驗(yàn)土壤按容重分層(5 cm)裝入土箱，層間打毛，自然沉降24 h后開始試驗(yàn)，按照先密后疏的原則觀測馬氏瓶讀數(shù)，同時(shí)以滴頭位置為起點(diǎn)，用直尺測量濕潤鋒在水平、豎直向上和豎直向下方向的運(yùn)移距離，試驗(yàn)結(jié)束后，用塑料薄膜覆蓋以防止水分蒸發(fā)。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)、重分布1 d和3 d，在距離滴頭水平距離5 cm處使用土鉆取土，每隔10 cm取一次樣，取土深度為100 cm，采用烘干法測定土壤含水率。每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取其平均值進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤容重對剖面濕潤鋒運(yùn)移特性的影響

圖2為不同土壤容重條件下各向濕潤鋒的運(yùn)移距離隨時(shí)間的變化。在同一容重條件下，濕潤鋒均隨著時(shí)間的推移而逐漸增大，但增大速度逐漸變慢，且濕潤鋒在各方向上的運(yùn)移距離存在差別，在灌水結(jié)束時(shí)，水平方向濕潤鋒的運(yùn)移距離最大，其次為豎直向下方向，而豎直向上方向濕潤鋒的運(yùn)移距離最小。當(dāng)入滲時(shí)間相同時(shí)，濕潤鋒運(yùn)移距離在不同容重間存在顯著差異，隨著土壤容重的逐漸增大，濕潤鋒的運(yùn)移距離均表現(xiàn)出逐漸減小的趨勢，在水平方向，容重為1.25 g/cm3時(shí)，濕潤鋒運(yùn)移距離為28.7 cm，而容重為1.45 g/cm3時(shí)，濕潤鋒運(yùn)移距離僅為22.6 cm，下降了22.60%；在豎直向下方向，容重為1.25 g/cm3時(shí)，濕潤鋒運(yùn)移距離最大，為26.2 cm，與其他容重相比，分別增大了2.34%、4.38%、9.17%和11.49%；在豎直向上方向，當(dāng)容重為1.25和1.30 g/cm3時(shí)，濕潤鋒到達(dá)了土箱表面，而容重為1.35、1.40和1.45 g/cm3時(shí)，濕潤鋒至土箱表面的距離分別為0.7、1.0和1.2 cm。這是由于土壤容重較小時(shí)，土壤內(nèi)部大孔隙較多，土壤連通性好，土壤的導(dǎo)水率也較高，因此土壤水分的運(yùn)移距離也較大，而隨著土壤容重的增大，土壤內(nèi)部大孔隙的數(shù)量急劇減小，土壤內(nèi)部連通性變差，且封閉氣體進(jìn)一步阻礙了土壤水分的運(yùn)動，因此濕潤鋒運(yùn)移距離也逐漸減小。

經(jīng)分析，在地下滴灌條件下，各向濕潤鋒的運(yùn)移距離與入滲歷時(shí)均符合冪函數(shù)的關(guān)系，即：

Z=Atb

(1)

圖2 剖面各向濕潤鋒運(yùn)移距離隨時(shí)間變化

式中：Z為濕潤鋒運(yùn)移距離，cm；t為入滲歷時(shí)，min；A、b為入滲參數(shù)。

擬合結(jié)果表明，濕潤鋒在水平、豎直向上和豎直向下方向的運(yùn)移距離與入滲歷時(shí)擬合公式的決定系數(shù)均大于了0.927，且大于其臨界決定系數(shù)(R0.01=0.605 5)(表1)，這說明擬合公式的精度滿足要求，即在地下滴灌條件下，各向濕潤鋒的運(yùn)移距離與入滲歷時(shí)均呈冪函數(shù)正相關(guān)的關(guān)系。由表1可知，隨著土壤容重的增大，入滲參數(shù)A表現(xiàn)出逐漸減小的趨勢，而入滲參數(shù)b的差別不大。

表1 剖面濕潤鋒運(yùn)移距離擬合

注：Zl、Zu、Zd分別為濕潤鋒在水平、豎直向上和豎直向下方向的運(yùn)移距離，cm；t為入滲歷時(shí)，min。

為進(jìn)一步分析土壤容重對濕潤鋒運(yùn)移的影響，對入滲參數(shù)A和土壤容重γ的關(guān)系進(jìn)行擬合。由圖3可知，濕潤鋒入滲參數(shù)A與土壤容重γ符合冪函數(shù)負(fù)相關(guān)的關(guān)系(R0.01=0.958 7)，且在水平方向，濕潤鋒入滲參數(shù)A始終最大。

圖3 各向濕潤鋒入滲參數(shù)A與土壤容重關(guān)系

2.2 土壤容重對累計(jì)入滲量及入滲率的影響

由圖4可知，在相同容重條件下，通過對累計(jì)入滲量與入滲歷時(shí)的擬合結(jié)果表明，累計(jì)入滲量與入滲歷時(shí)均呈線性正相關(guān)關(guān)系，其決定系數(shù)均在0.99以上，當(dāng)容重分別為1.25、1.30、1.35、1.40和1.45 g/cm3時(shí)，對應(yīng)擬合線的斜率分別為0.022 6、0.021 4、0.020 8、0.020 4和0.020 2，這說明隨著容重的增大，土壤入滲量的增長幅度逐漸減小。在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，當(dāng)容重為1.25 g/cm3對應(yīng)累計(jì)入滲量最大，為5.46 L，1.30、1.35、1.40和1.45 g/cm3處理與之相比，分別下降了3.91%、7.73%、8.98%和10.39%。對于同一容重而言，隨著時(shí)間的推移，入滲率在開始階段迅速下降，最后逐漸趨于穩(wěn)定入滲率；土壤入滲率在不同容重間的差異顯著，其中容重為1.25 g/cm3時(shí)，土壤水分入滲率始終最大，且在140 min時(shí)土壤水分入滲才達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)滲率為0.023 6 cm/min，而容重為1.45 g/cm3時(shí)，在入滲30 min時(shí)，土壤水分入滲就基本穩(wěn)定，穩(wěn)滲率僅為0.018 7 cm/min，相比最大值，下降幅度達(dá)26.20%。

圖4 不同容重土壤累計(jì)入滲量及入滲率隨時(shí)間變化

為進(jìn)一步分析累計(jì)入滲量和穩(wěn)滲率與容重的關(guān)系，本文對土壤累計(jì)入滲量以及穩(wěn)滲率與土壤容重關(guān)系進(jìn)行了擬合(圖5)。結(jié)果表明，累計(jì)入滲量及穩(wěn)滲率與土壤容重均符合冪函數(shù)負(fù)相關(guān)的關(guān)系(R0.01=0.958 7)，這說明，當(dāng)土壤容重較小時(shí)，累計(jì)入滲量及穩(wěn)滲率受容重的影響很大，但隨著容重的增大，容重對累計(jì)入滲量及穩(wěn)滲率的影響逐漸變小。

圖5 土壤累計(jì)入滲量及穩(wěn)定入滲率與土壤容重關(guān)系

圖6 不同土壤容重下各土層含水量分布

2.3 容重對土壤剖面含水率分布的影響

在生產(chǎn)實(shí)踐中，一般認(rèn)為灌水后2～3 d后土壤水分基本趨于穩(wěn)定，因此，有必要對土壤水分重分布的過程進(jìn)行研究。圖6表明，在灌水結(jié)束以及重分布1 d和3 d，不同容重對應(yīng)土壤含水率在土層中的分布基本一致。對于同一容重而言，在灌水結(jié)束時(shí)，土壤含水率在0～100 cm深度范圍內(nèi)差別較大，其中20 cm土層對應(yīng)土壤含水率均最高，容重為1.25、1.30、1.35、1.40和1.45 g/cm3對應(yīng)最高含水量分別為43.5%、41.8%、40.5%、39.4%和38.7%。隨著時(shí)間的延長，土壤含水率在土層內(nèi)分布逐漸均勻，重分布1 d時(shí)，在重力勢的作用下，土壤水分之間下滲，其中容重為1.25、1.30和1.35 g/cm3對應(yīng)土壤水分均逐漸降至70 cm深度以下，此時(shí)，土壤水分最大值仍出現(xiàn)在20 cm深度，但其值有所下降，容重為1.25、1.30、1.35、1.40和1.45 g/cm3對應(yīng)土壤含水率分別為36.4%、34.6%、33.7%、32.8%和32.1%，相比灌水結(jié)束時(shí)，分別下降了19.51%、20.81%、20.18%、20.12%和20.56%。在重分布3 d時(shí)，所有容重對應(yīng)土壤水分均下降至80 cm以下，此時(shí)，土層含水率的最大值也出現(xiàn)在30 cm深度，容重為1.25、1.30、1.35、1.40和1.45 g/cm3對應(yīng)土壤含水率分別為27.8%、26.8%、26.2%、25.2%和24.7%。這是由于水分向土壤深層運(yùn)動造成的。對于同一深度土層而言，灌水后不同時(shí)刻土壤含水率均隨著土壤容重的增大而逐漸減小，這是由于隨著土壤容重的增大，土壤中的空隙含量逐漸較小，因此土壤的持水能力也逐漸減弱。

2.4 土壤容重對入滲模型參數(shù)的影響

基于土壤水分入滲的基本理論-達(dá)西定律，國內(nèi)外學(xué)者相繼提出了Kostiakov模型、Green-Ampt模型、Horton模型以及Philip模型等一系列模型，其中Kostiakov模型由于公式簡單精確，在生產(chǎn)實(shí)踐中得到了大量應(yīng)用[14,15]，其公式如下：

f(k)=Kt-α+A

(3)

式中：f(t)為入滲率，cm/min；t為累計(jì)入滲時(shí)間，min；A為穩(wěn)定入滲率，cm/min；K和α為模型參數(shù)，其中K值與土壤初始入滲速率密切相關(guān)，其值越大，土壤初始入滲速率也越大，而α大小則反映了土壤入滲速率的衰減速率，α值越大，土壤水分入滲速率的衰減速度越快。

通過對土壤水分入滲率與時(shí)間的擬合結(jié)果來看，決定系數(shù)R2均在0.80以上，大于臨界決定系數(shù)(R0.01=0.605 5)，這說明用Kostiakov模型來模擬土壤水分的入滲過程是合理的。由表2可知，當(dāng)土壤容重從1.25 g/cm3增大至1.45 g/cm3時(shí)，模型參數(shù)K值從0.554減小至0.348，而參數(shù)α則從0.435增大至0.661，這說明隨著容重的增大，土壤水分初始入滲率逐漸減小，而其衰減速率則隨著容重的增大逐漸加快。

表2 Kostiakov模型擬合

注：f(t)為入滲率，cm/min。

通過對模型參數(shù)K和α與容重的擬合結(jié)果來看，其決定系數(shù)均大于臨界決定系數(shù)(R0.01=0.958 7)，這說明模型參數(shù)K與土壤容重呈冪函數(shù)負(fù)相關(guān)的關(guān)系，而模型參數(shù)α與土壤容重則表現(xiàn)為對數(shù)正相關(guān)的關(guān)系(圖7)。隨著容重的增大，土壤中大孔隙的數(shù)量急劇減小，因此土壤的初始入滲能力也逐漸降低，且隨著容重的增大，土壤內(nèi)部氣體排出逐漸困難，且土壤的連通性逐漸變差，導(dǎo)致土壤的導(dǎo)水能力急劇下降，因此入滲率也迅速衰減，此時(shí)在模型上也就表現(xiàn)出隨著容重的增大，模型參數(shù)K值逐漸減小，而參數(shù)α值則逐漸增大。

圖7 土壤容重與Kostiakov入滲模型參數(shù)關(guān)系

3 結(jié) 論

(1)紅壤區(qū)容重對土壤入滲能力有顯著影響，容重越大，土壤濕潤鋒運(yùn)移距離、累計(jì)入滲量以及入滲率均越小，各向濕潤鋒的運(yùn)移距離與入滲歷時(shí)呈冪函數(shù)正相關(guān)的關(guān)系，而累計(jì)入滲量和穩(wěn)滲率與容重均呈冪函數(shù)負(fù)相關(guān)的關(guān)系。

(2)在不同容重條件下，土壤含水率的剖面分布基本一致，其中灌水結(jié)束時(shí)和重分布1d時(shí)，20cm深度對應(yīng)土壤含水率最大，而在重分布3d時(shí)，30cm深度對應(yīng)土壤含水率最大，且在同一深度范圍內(nèi)，隨著容重的逐漸增大，灌水后不同時(shí)刻含水率均逐漸減小。

(3)紅壤區(qū)地下滴灌土壤水分入滲過程符合Kostiakov模型，模型參數(shù)K與容重呈冪函數(shù)負(fù)相關(guān)的關(guān)系，而模型參數(shù)α與土壤容重呈對數(shù)正相關(guān)的關(guān)系，這說明土壤初始階段的入滲率隨著容重的增大而降低，而入滲率的衰減速度隨著容重的增大而逐漸加快。