玉米地下滴灌適宜的毛管鋪設(shè)參數(shù)及灌水定額研究

王榮蓮，莫 彥，任志宏，史吉?jiǎng)?，宋日?quán)

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，包頭 014109；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)水利科學(xué)研究院，呼和浩特 010051； 3.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水利研究所，北京 100048)

0 引 言

地下滴灌一般將毛管埋設(shè)于土壤耕作層以下，可以將水和養(yǎng)分直接輸送到作物根區(qū)附近[1,2]，相比膜下滴灌，具有更加明顯的減少棵間土壤蒸發(fā)及節(jié)水增產(chǎn)等優(yōu)勢(shì)[3-8]。地下滴灌不需每年更換滴灌帶[9]，也不需覆膜，避免了膜灼傷滴灌帶[10]，同時(shí)也避免了膜殘留造成白色污染[11]。此外，地下滴灌能夠顯著促進(jìn)作物根系生長(zhǎng)[12]。就國(guó)內(nèi)地下滴灌技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀而言，其鋪設(shè)參數(shù)(毛管流量、布置間距等)及灌溉制度大多依然主要借鑒地表滴灌。由于地下滴灌的毛管是埋設(shè)在土壤中，其滴頭出水流量與土壤質(zhì)地類型關(guān)系密切，土壤水分運(yùn)移規(guī)律與地面滴灌差異較大[13-15]，故研究適宜的地下滴灌毛管鋪設(shè)參數(shù)，制定與作物匹配的合理灌水定額至關(guān)重要。

Devitt、Lamm和Camp等[16-18]研究認(rèn)為，毛管埋深需與土壤理化性質(zhì)、作物根系分布和田間耕作要求等相適應(yīng)。此外，當(dāng)使用地下滴灌系統(tǒng)在萌芽期給作物種子供水時(shí)，若毛管埋深太大，水分難以上升到種子埋設(shè)位置，作物出苗會(huì)受抑制[19-21]，也不利于作物生長(zhǎng)初期根系較淺時(shí)對(duì)水肥的吸收和利用；但若毛管埋深太淺，則會(huì)影響秋收和春耕時(shí)的機(jī)械作業(yè)。De Tar等[22]通過(guò)試驗(yàn)表明：地下滴灌系統(tǒng)如需多年使用并每年耕作，則毛管埋深宜為20～70 cm。諸葛玉平[23]等認(rèn)為，地下滴灌適宜的毛管埋深應(yīng)該是在充分濕潤(rùn)計(jì)劃濕潤(rùn)層的同時(shí)盡可能減少土壤水分深層滲漏。毛管鋪設(shè)間距除了與作物種類、種植株行距、土壤類型、氣候條件等有關(guān)外[24，25]，還與毛管埋深、滴灌帶類型和滴頭流量有關(guān)[26]。在沙質(zhì)土中，毛管間距宜小些，在黏質(zhì)土中，毛管間距宜大些。另外，滴頭流量較大時(shí)，毛管間距可稍大，滴頭流量較低時(shí)，毛管間距應(yīng)稍小[23]。Ben-Asher[27]等用土壤水分運(yùn)動(dòng)模型確定地下滴灌的毛管埋深和間距，但對(duì)實(shí)際運(yùn)用的土壤是否適用需要經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證。李英能等[28]對(duì)地下滴灌毛管的間距進(jìn)行研究，提出了均質(zhì)壤土中計(jì)算毛管鋪設(shè)間距的經(jīng)驗(yàn)公式：B=2mH+D，其中B為毛管間距；H為灌水終止時(shí)管頂以上土壤水分?jǐn)U散距離;m為水平與垂直向上擴(kuò)散距離比;D為毛管直徑。地下滴灌玉米的毛管鋪設(shè)參數(shù)與多種因素有關(guān)，目前的研究成果尚不完善和統(tǒng)一。本研究利用不同土壤質(zhì)地的土壤，研究了地下滴灌滴頭流量、毛管埋深和灌水定額對(duì)濕潤(rùn)半徑的影響規(guī)律，并結(jié)合內(nèi)蒙古中部地區(qū)玉米常見(jiàn)的種植行距和滴灌帶鋪設(shè)間距之間的關(guān)系，確定了玉米不同土壤質(zhì)地類型下適宜的毛管埋深、灌水定額及相應(yīng)的毛管鋪設(shè)間距，相關(guān)結(jié)論可為同類型地區(qū)地下滴灌技術(shù)的應(yīng)用推廣提供參考與借鑒。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2016年在內(nèi)蒙古呼和浩特市東郊園藝科技試驗(yàn)中心的日光溫室內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)毛管選用目前國(guó)內(nèi)外常用的3種類型毛管：內(nèi)鑲貼片式、單翼迷宮式以及內(nèi)鑲圓柱式，在額定工作壓力0.1 MPa條件下，3種毛管額定流量分別為1.53、2.57及3.62 L/h，毛管壁厚分別為0.3、0.2及0.6 mm，滴頭間距均為30 cm。3種質(zhì)地的試驗(yàn)土樣分別采自內(nèi)蒙古自治區(qū)具有代表性的東部赤峰市松山區(qū)，中部呼和浩特市后桃花村，以及西部巴彥淖爾市磴口縣。試驗(yàn)前，先對(duì)土壤容重、顆粒組成、田間持水量等項(xiàng)目進(jìn)行取樣測(cè)試，用環(huán)刀取0～20、20～40、40～60、60～80 cm原狀土，用烘干法測(cè)試各層容重；取0～40 cm土壤用篩分法測(cè)試土壤顆粒組成，確定土壤質(zhì)地；用環(huán)刀法測(cè)試0～20、20～40、40～60、60～80 cm土壤田間持水量及初始含水率。土壤顆粒組成見(jiàn)表1，容重、田間持水量(體積含水量)和初始土壤含水率(體積含水率)見(jiàn)表2。

表1 0～40 cm土壤顆粒組成Tab.1 Composition of soil particles from 0 to 40 cm

表2 土壤容重、田間持水量和初始土壤含水率Tab.2 Soil bulk density, field capacity and initial soil moisture content

根據(jù)國(guó)際制土壤質(zhì)地分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，采自赤峰市的土壤為黏壤土，呼和浩特市土壤為壤土，巴彥淖爾市土壤為沙壤土。

1.2 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置由供水水箱、水泵、輸水管、土箱、毛管、壓力表、浮子流量計(jì)、閥門、回水管、回水水箱及TDR土壤水分測(cè)試儀等構(gòu)成(見(jiàn)圖1)。試驗(yàn)土箱長(zhǎng)、寬、高分別為110、100以及90 cm，每個(gè)土箱內(nèi)沿長(zhǎng)邊方向按設(shè)計(jì)埋深鋪設(shè)毛管1條，共3個(gè)

圖1 試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the test device structure 注：1-水泵；2-供水水箱；3-回水水箱；4-回水管；5、6-閥門；7-壓力表；8-流量計(jì)；9-毛管；10-土箱；11-土壤；12-供水管道。

滴頭，毛管與一側(cè)箱壁距離25 cm，與另一側(cè)距離75 cm，首末2個(gè)滴頭與箱壁的間距也為25 cm(見(jiàn)圖2)。在供水和回水水箱的箱體上有水位刻度標(biāo)記，用于監(jiān)測(cè)和校核灌水流量。此外，水泵配置的電位調(diào)速器可快速、精準(zhǔn)地調(diào)節(jié)灌水壓力。

圖2 土箱試驗(yàn)布置縱剖面(單位：cm)Fig. 2 Longitudinal section of the earthen box test arrangement

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置滴頭埋深、土壤質(zhì)地、滴頭額定流量和灌水定額4個(gè)因素，其中滴頭埋深設(shè)15、25和40 cm 3個(gè)水平，土壤質(zhì)地為黏壤土、沙壤土以及壤土3個(gè)水平，滴頭流量設(shè)置1.53、2.57和3.62 L/h 3個(gè)水平，灌水定額設(shè)22.5、37.5、52.5 mm 3個(gè)水平。采用4因素3水平正交試驗(yàn)L9(34)設(shè)計(jì)方案，共設(shè)置9個(gè)試驗(yàn)處理，各處理的實(shí)施內(nèi)容詳見(jiàn)表3，設(shè)置3次重復(fù)。

表3 試驗(yàn)處理Tab.3 Test schedule

1.2.3 試驗(yàn)布置及觀測(cè)指標(biāo)

每個(gè)處理的每次重復(fù)都單獨(dú)設(shè)置土箱。將土壤過(guò)1 mm篩后，按照表2的田間實(shí)測(cè)值，每隔5 cm分層夯實(shí)制作土樣，層間刨毛，到毛管設(shè)計(jì)埋深處，穿孔安裝毛管。為了防止滴頭堵塞，除單翼迷宮式滴灌帶外，其他毛管滴頭出水口都向上放置，在毛管尾部設(shè)置有小球閥用于排氣。

試驗(yàn)開(kāi)始打開(kāi)水泵時(shí)，需打開(kāi)毛管尾部的小球閥，排除管道內(nèi)空氣后將小球閥關(guān)閉，通過(guò)調(diào)節(jié)水泵電位調(diào)速器及回水管閥門，使壓力表讀數(shù)穩(wěn)定在設(shè)計(jì)壓力值0.10 MPa。

在灌水過(guò)程中，通過(guò)供水水箱的水位變化以及校核標(biāo)定后的浮子流量計(jì)讀數(shù)來(lái)同時(shí)監(jiān)測(cè)灌水流量的變化，每隔15 min記錄一次數(shù)據(jù)。試驗(yàn)過(guò)程中每隔15 min在分別距離毛管水平向15、30、45、60 cm(其中15 cm包括距離毛管左右兩側(cè)15 cm)，垂直深5、15、25、40、60及80 cm處插入校核好的TDR土壤水分測(cè)試儀探頭，記錄各測(cè)試點(diǎn)土壤含水量，通過(guò)含水量的變化監(jiān)測(cè)土壤濕潤(rùn)鋒運(yùn)移的位置變化。當(dāng)水分濕潤(rùn)到玻璃箱壁后，每隔15 min在箱壁上繪制土壤濕潤(rùn)鋒曲線，并測(cè)量滴頭周圍各方向濕潤(rùn)半徑。灌水結(jié)束后，記錄入滲穩(wěn)定后每滴頭周圍各方向濕潤(rùn)半徑。

1.3 數(shù)據(jù)分析

使用Office 2010進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析，并用SPSS 24軟件進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

以入滲穩(wěn)定后每滴頭周圍各方向最大濕潤(rùn)半徑平均值(取每條毛管3個(gè)滴頭在距離滴頭向上、向下、向左和向右4個(gè)方向最大濕潤(rùn)半徑的平均值)作為正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，詳見(jiàn)表4和表5。

表4 方差分析Tab.4 Analysis of variance

由表4和圖3可知，按顯著性水平α=0.05檢驗(yàn)，灌水定額及土壤質(zhì)地均對(duì)濕潤(rùn)半徑有顯著影響，其不同水平下各向平均濕潤(rùn)半徑差異顯著，其中灌水定額對(duì)濕潤(rùn)半徑的影響為極顯著，滴頭埋深及滴頭流量對(duì)濕潤(rùn)半徑影響不顯著。分析認(rèn)為灌水定額直接決定每次灌水量和持續(xù)灌水時(shí)間，對(duì)濕潤(rùn)半徑影響很大；土壤質(zhì)地決定水分?jǐn)U散的難易，對(duì)濕潤(rùn)半徑影響也較大；而埋深在一定范圍內(nèi)，對(duì)滴灌帶的出流情況影響不是很大，故對(duì)水分?jǐn)U散和濕潤(rùn)半徑影響也不太明顯；在灌水總量一定情況下，滴頭流量對(duì)濕潤(rùn)半徑的影響也不顯著。

由表5可知，按照極差由大到小的順序分析，4個(gè)因素對(duì)濕潤(rùn)半徑影響的程度由主到次依次為灌水定額、土壤質(zhì)地、滴頭流量及滴頭埋深。

2.2 玉米地下滴灌適宜鋪設(shè)參數(shù)分析

2.2.1 適宜毛管埋深

地下滴灌毛管埋深必須與土壤條件、作物根系深度、田間耕作深度等相適應(yīng)。玉米耕地深度一般為20 cm左右，播種深度一般為5～9 cm，為避免耕地時(shí)破壞毛管，需將毛管埋到耕層以下，且盡量能灌溉到主根區(qū)。本試驗(yàn)埋深先選擇25～40 cm，通過(guò)分析不同處理對(duì)應(yīng)的濕潤(rùn)半徑及根系生長(zhǎng)范圍，驗(yàn)證此埋深是否合適。

表5 直觀分析結(jié)果Tab.5 Visual analysis results

圖3 不同處理對(duì)各向平均濕潤(rùn)半徑的影響Fig.3 Effect of different treatments on average wetting radius in all directions 注：不同字母表示0.05水平下差異顯著。

玉米主根系范圍一般為5～60 cm，毛管埋深25～40 cm。由表5可知，在3種土壤中，各向平均濕潤(rùn)半徑為28～48 cm，向上最大濕潤(rùn)半徑為21～28 cm，向下最大濕潤(rùn)半徑為30～50 cm，分析得出埋深25 cm左右時(shí)水分分布基本在玉米的主要根系區(qū)，而埋深達(dá)到40 cm時(shí)，水分向下分布較多，超出了主根系所在范圍，一定程度上易產(chǎn)生深層滲漏。同時(shí)綜合考慮在保證毛管不被耕作機(jī)械破壞的情況下，玉米地下滴灌毛管的適宜埋深取25～35 cm。

2.2.2 適宜毛管鋪設(shè)間距與灌水定額

由表4、表5可知，埋深和滴頭流量對(duì)濕潤(rùn)半徑影響不顯著，故可忽略次要因素，只研究主要因素灌水定額和土壤質(zhì)地對(duì)毛管鋪設(shè)間距的影響。

通過(guò)對(duì)比表5中每一因素水平的均值得出，灌水定額為22.5～37.5 mm時(shí)，各向平均濕潤(rùn)半徑20～38 cm，向上最大濕潤(rùn)半徑15～27 cm，向下最大濕潤(rùn)半徑25～46 cm；而灌水定額為52.5 mm時(shí)，各向平均濕潤(rùn)半徑41～48 cm，向上最大濕潤(rùn)半徑15～28 cm，向下最大濕潤(rùn)半徑45～50 cm；各向平均濕潤(rùn)半徑最大同比提高了26%。鑒于毛管埋深在25～35 cm，單次灌水后，試驗(yàn)過(guò)程中記錄水分濕潤(rùn)最大深度達(dá)到地面以下85 cm，而玉米的主要根系多分布在5～50 cm內(nèi)，在一定程度上易發(fā)生深層滲漏，存在降低作物水肥利用效率的風(fēng)險(xiǎn)。從這個(gè)角度而言，對(duì)于本項(xiàng)目研究中的滴灌帶和土壤類型而言，單次灌水52.5 mm不適合作為玉米生育期地下滴灌適宜的灌水定額，故選擇灌水定額22.5 mm及37.5 mm用于分析玉米生育期的灌水定額。

進(jìn)一步結(jié)合玉米種植的行距和滴灌帶鋪設(shè)之間的關(guān)系進(jìn)行分析。玉米的種植方式為條播，采用地下滴灌系統(tǒng)灌溉時(shí)，一般按照寬窄行種植，窄行行距為40～50 cm，寬行行距為50～60 cm，每2窄行中間鋪設(shè)一條毛管，控制2行玉米(見(jiàn)圖4)。

圖4 玉米行距及毛管布置示意圖(單位：cm)Fig.4 Schematic diagram of planting row spacing and capillary arrangement of alfalfa

由表5可知，在黏壤土中，當(dāng)灌水定額為22.5 mm時(shí)，向下最大濕潤(rùn)半徑25 cm，按毛管埋深25～35 cm考慮，水分向下分布最深在50～60 cm土層，處于玉米主要根系范圍內(nèi)，灌水定額合理；該處理各向平均濕潤(rùn)半徑為20 cm，只能滿足玉米窄行行距為40 cm、寬行行距50～60 cm的情況，行距再增大就可能灌不到作物，故毛管的鋪設(shè)間距可布置為90～100 cm。當(dāng)灌水定額為37.5 mm時(shí)，向下最大濕潤(rùn)半徑45 cm，按毛管埋深25～35 cm考慮，水分向下分布最深在70～80 cm土層，超出了玉米主要根系范圍，易產(chǎn)生深層滲漏，黏壤土中不推薦此灌水定額。

在壤土中，當(dāng)灌水定額為22.5 mm時(shí)，向下最大濕潤(rùn)半徑30 cm，水分向下分布最深在地面以下55～65 cm，基本在玉米主要根系范圍內(nèi)，灌水定額合理；該處理平均濕潤(rùn)半徑為28 cm，可滿足窄行行距40～50 cm、寬行行距50～60 cm的情況，毛管的鋪設(shè)間距可布置為90～110 cm；當(dāng)灌水定額為37.5 mm，向下最大濕潤(rùn)半徑43 cm，水分向下分布最深在68～78 cm土層，超出了玉米主要根系范圍，易產(chǎn)生深層滲漏，故壤土中也不推薦此灌水定額。

在沙壤土中，當(dāng)灌水定額為22.5 mm時(shí)，向下最大濕潤(rùn)半徑35 cm，水分向下分布最深在60～70 cm土層，略超出了玉米主要根系范圍，故適宜灌水定額要比22.5 mm略小一些，根據(jù)灌水定額與水分分布之間的規(guī)律進(jìn)行分析，推薦灌水定額為15.0～22.5 mm；該處理平均濕潤(rùn)半徑31 cm，可滿足窄行行距40～50 cm、寬行行距50～60 cm的情況，毛管的鋪設(shè)間距為90～110 cm，考慮推薦灌水定額比22.5 mm略小一些，故相應(yīng)的毛管間距也要略小一些，分析認(rèn)為取以上的最小間距90 cm較適宜；當(dāng)灌水定額為37.5 mm，向下最大濕潤(rùn)半徑46 cm，水分向下分布最深在地面以下71～81 cm，超出了玉米主要根系范圍，易產(chǎn)生深層滲漏，故沙壤土也不推薦此灌水定額。

綜上，由于玉米地下滴灌的毛管埋深相對(duì)較大，為盡量避免深層滲漏，宜采用少量多次的灌溉方式，土壤沙性越大，適宜灌水定額越小，毛管鋪設(shè)間距也越小；對(duì)黏壤土和壤土而言，相同的灌水定額下，壤土的毛管鋪設(shè)間距可比黏壤土略大一些。

3 主要結(jié)論

基于室內(nèi)土箱試驗(yàn)，研究不同土壤條件下毛管鋪設(shè)參數(shù)和灌水定額對(duì)地下滴灌濕潤(rùn)半徑的影響規(guī)律，同時(shí)結(jié)合內(nèi)蒙古中部地區(qū)玉米常見(jiàn)種植行距，分析了玉米在不同土壤條件下適宜的毛管鋪設(shè)參數(shù)和灌水定額，得到如下主要結(jié)論。

(1)按顯著性水平0.05檢驗(yàn)，灌水定額對(duì)濕潤(rùn)半徑呈現(xiàn)極顯著影響，土壤質(zhì)地對(duì)濕潤(rùn)半徑有顯著影響，埋深及滴頭流量對(duì)濕潤(rùn)半徑影響不顯著。

(2)玉米地下滴灌宜采用少量多次的灌溉方式，對(duì)黏壤土和壤土而言，相同的灌水定額下，壤土的毛管間距可比黏壤土略大一些。玉米適宜的毛管埋深為25～35 cm；黏壤土適宜灌水定額為22.5 mm左右，毛管鋪設(shè)間距為90～100 cm；壤土適宜灌水定額22.5 mm左右，毛管鋪設(shè)間距為90～110 cm；沙壤土適宜灌水定額15.0～22.5 mm，毛管鋪設(shè)間距為90 cm左右。沙壤土較黏壤土和壤土的適宜灌水定額和毛管鋪設(shè)間距都有偏小的趨勢(shì)。

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