單點(diǎn)源入滲土壤水分運(yùn)移室內(nèi)試驗(yàn)

陳志豪 李春光 趙文娟

摘要?通過室內(nèi)滴灌試驗(yàn)對(duì)滴灌情況下土壤中的水分運(yùn)移情況進(jìn)行觀察和含水率變化測(cè)定。結(jié)果表明，在同一滴頭流量下，滴灌所得水平濕潤(rùn)鋒X與Y方向上的運(yùn)移速率一致，且水平濕潤(rùn)鋒形狀呈圓形分布;在不同滴頭流量下，其水平濕潤(rùn)鋒在同一方向上的運(yùn)移速率隨著流量的增加而增大，灌溉結(jié)束后的濕潤(rùn)鋒距離也隨著流量的增大而增大，且濕潤(rùn)鋒的距離與時(shí)間呈冪函數(shù)關(guān)系;在垂直方向上，滴灌入滲深度隨著流量的增大而增大，不同深度土壤的含水率變化前期與時(shí)間呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，隨著水分再擴(kuò)散過程的進(jìn)行，含水率整體下降且最終趨于穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞?入滲;滴灌;濕潤(rùn)鋒;水分運(yùn)移

中圖分類號(hào)?S275.6?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼?A

文章編號(hào)?0517-6611（2019）23-0228-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.23.066

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Indoor Experiment on Water Transport in Soil under Single Point Source Drip Irrigation

CHEN Zhi?hao1，LI Chun?guang2 ，ZHAO Wen?juan1

（1.School of Civil Engineering and Hydraulic Engineering， Ningxia University，Yinchuan，Ningxia 750021;2.School of Civil Engineering， Northern University for Nationalities，Yinchuan，Ningxia 750021）

Abstract?Through indoor drip irrigation experiment ， the water transport in soil under drip irrigation was directly observed and the water content was measured. The results showed that， under the same dripper discharge， the transport velocity of the horizontal wetting front in the X and Y directions was the same， and the shape of the horizontal wetting front was round. Under different dripper discharge，the transport velocity of the horizontal wetting front in the same direction increased with the increasing of dripper discharge， the distance of wetting front after irrigation also increased with the increasing of dripper discharge， and the distance of wetting front had a power function relationship with the time. In the vertical direction， the infiltration depth of drip irrigation increasedwith the increasing of flow rate， and the changes of water content at different depths had a logarithmic function relationship with time in the early stage.With the progress of water rediffusion process， the water content decreased and then tended to be stable.

Key words?Infiltration;Drop irrigation;Wetting front;Water migration

滴灌技術(shù)是目前世界上被普遍認(rèn)為節(jié)水能力最高的一種灌溉技術(shù)[1]。隨著滴灌技術(shù)在國內(nèi)的大范圍推廣，國內(nèi)學(xué)者對(duì)滴灌技術(shù)的研究也越來越多，但大多數(shù)學(xué)者傾向于理論研究或大田試驗(yàn)研究，雖有部分學(xué)者通過很多滴灌試驗(yàn)，如陳小三等[2]通過地下滴灌試驗(yàn)對(duì)地埋點(diǎn)源滴灌進(jìn)行直接觀察，并分析了不同流量以及不同時(shí)刻濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移規(guī)律及范圍以及水分的再分布等;李道西等[3]在室內(nèi)有機(jī)玻璃土箱中進(jìn)行地表滴灌試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)滴灌所形成的濕潤(rùn)鋒在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)水平濕潤(rùn)鋒一直大于垂直濕潤(rùn)鋒，且二者都與時(shí)間呈冪函數(shù)關(guān)系;李斯[4]通過室內(nèi)滴灌試驗(yàn)研究了不同流量和不同田間持水率下土壤濕潤(rùn)體的變化規(guī)律[4]。土壤水分作為在土壤中運(yùn)移的重要物質(zhì)及載體，對(duì)土壤水分運(yùn)移的研究一直是農(nóng)業(yè)水土中至關(guān)重要的一部分[5]，但對(duì)滴灌的室內(nèi)研究仍不能滿足各地復(fù)雜的條件。該試驗(yàn)的目的就是為了能夠與當(dāng)?shù)貜?fù)雜的條件相結(jié)合，得出更加符合實(shí)際田間情況的數(shù)據(jù)，以此來達(dá)到節(jié)約水肥、降低病蟲害、提高作物產(chǎn)量等目的[6]，實(shí)現(xiàn)高效節(jié)水灌溉就是在提高社會(huì)生產(chǎn)力[7]。然而，實(shí)現(xiàn)高效節(jié)水灌溉還有很遠(yuǎn)的路要走，需要很多人共同努力才能實(shí)現(xiàn)[8]，因此對(duì)各種流量下滴灌所得濕潤(rùn)體的研究對(duì)大田種植有著非常重要的意義。

1?材料與方法

1.1?試驗(yàn)場(chǎng)地與裝置

室內(nèi)試驗(yàn)場(chǎng)地為寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)樓，試驗(yàn)所用土樣采自寧夏回族自治區(qū)銀川市北部軍馬場(chǎng)土壤（鹽漬化土壤），海拔高度1 114 m，多年平均降水量為200 mm，試驗(yàn)所用容器為500 mm×500 mm×500 mm的透明玻璃箱（圖1），馬氏瓶[9]作為滴灌用水水源（馬氏瓶可提供穩(wěn)定恒壓水源），通過引水管連接恒通量水管（試驗(yàn)采用輸液管[10]，為方便控制精確灌量，采用醫(yī)用輸液管先進(jìn)行定量觀測(cè)固定，再進(jìn)行滴灌試驗(yàn)）進(jìn)行滴灌試驗(yàn)。

1.2?試驗(yàn)設(shè)計(jì)

滴灌中心定在玻璃箱表面中心，在中心點(diǎn)下設(shè)置4個(gè)水分監(jiān)測(cè)點(diǎn)，垂直向下深度依次為4、8、12、16 cm（圖2），監(jiān)測(cè)點(diǎn)連接電腦，采集不同時(shí)刻的含水率數(shù)據(jù)。含水率采集深度的設(shè)定與實(shí)際大田作物種植有密切關(guān)系。

試驗(yàn)所用土樣取回后風(fēng)干，過2 mm篩子，經(jīng)粒徑分析可知土樣為沙壤土，將土樣按容重1.5 g/cm3裝箱，以備滴灌試驗(yàn)使用。試驗(yàn)過程設(shè)定4個(gè)標(biāo)定流量進(jìn)行滴灌，分別為2、4、6、8 L/h。滴灌過程中按照設(shè)定的時(shí)間間隔進(jìn)行觀察，測(cè)量水平面不同方向濕潤(rùn)鋒的距離，同時(shí)土壤水分傳感器每隔30 s

對(duì)垂直方向設(shè)定點(diǎn)的含水率進(jìn)行測(cè)量，每種標(biāo)定流量控制滴灌時(shí)間為30 min。

該研究的主要目的是通過試驗(yàn)研究不同流量條件下滴灌的濕潤(rùn)體及含水率，然后結(jié)合不同作物在不同生長(zhǎng)期的有效濕潤(rùn)體范圍和最佳需水量，確定不同作物的最佳滴灌流量組合，以此達(dá)到最終的試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

2.1?水平方向濕潤(rùn)鋒

通過室內(nèi)試驗(yàn)得到水平面上X與Y 2個(gè)方向各個(gè)標(biāo)定流量的濕潤(rùn)鋒距離（圖3），由4種不同流量情況下的濕潤(rùn)鋒變化曲線可得出，不同流量下水平面上X與Y方向的濕潤(rùn)鋒隨著滴灌時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸增大，且X與Y方向的濕潤(rùn)鋒變化趨勢(shì)大致相同，即水平截面的濕潤(rùn)鋒形狀可近似看作圓形，但濕潤(rùn)鋒增長(zhǎng)的速率隨著時(shí)間的增大卻在逐漸減小，最后大致趨于零，即水平方向濕潤(rùn)鋒趨于穩(wěn)定。

由圖4、5可知，在相同滴灌時(shí)間，流量越大的滴頭所形成的濕潤(rùn)鋒距離越大。在2 L/h流量灌溉的情況下，水平濕潤(rùn)鋒距離與其他流量處理相比偏小，適于種植密度較大的作物（如大豆、玉米等）;其他較大流量下水平濕潤(rùn)鋒距離較大，則適用于種植密度較小的作物（如葡萄、枸杞等）。從X與Y 2個(gè)方向上6和8 L/h流量下濕潤(rùn)鋒運(yùn)移情況來看，在滴灌20 min后濕潤(rùn)鋒圖形開始出現(xiàn)交叉現(xiàn)象，即從作物水平濕潤(rùn)鋒層面來看，在對(duì)作物進(jìn)行灌溉時(shí)，使用6 L/h的流量對(duì)作物進(jìn)行灌溉較使用流量8 L/h對(duì)作物進(jìn)行灌溉更加經(jīng)濟(jì)有效。

對(duì)濕潤(rùn)鋒距離的研究可以對(duì)作物進(jìn)行更加科學(xué)的灌溉，找到不同流量的灌溉濕潤(rùn)鋒距離，結(jié)合不同作物的有效灌溉濕潤(rùn)鋒，確定最合理的灌溉流量，從而達(dá)到節(jié)約用水、降低種植成本、提高作物產(chǎn)量、實(shí)現(xiàn)低投入高回報(bào)的目的[6]。

2.2?垂直方向水分運(yùn)動(dòng)分布

試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)含水率變化監(jiān)測(cè)點(diǎn)，收集不同流量下不同位置處的含水率變化，每個(gè)流量下不同位置含水率的變化趨勢(shì)如圖6所示。

如圖6A所示，在2 L/h的滴灌流量下，12、16 cm深度處幾乎沒有含水率變化是因?yàn)榱髁刻。怪狈较蛩诌\(yùn)移較淺。從8 cm和4 cm深度處含水率的變化趨勢(shì)來看，曲線在40 min左右開始水分的重分布（滴灌時(shí)間為30 min，綜合中途對(duì)水平濕潤(rùn)鋒的觀測(cè)拍照等的因素影響，最終在傳感器數(shù)據(jù)上表現(xiàn)時(shí)間為40 min），含水率略有降低后趨于穩(wěn)定。

如圖6B所示，在4 L/h的滴灌流量下，16 cm深度處沒有發(fā)現(xiàn)含水率變化是因?yàn)榱髁刻?，水分在垂直方向運(yùn)移較淺。從8 cm和4 cm深度處含水率的變化趨勢(shì)來看，曲線在40 min左右開始水分的重分布（滴灌時(shí)間為30 min，綜合中途對(duì)水平濕潤(rùn)鋒的觀測(cè)拍照等的因素影響，最終在傳感器數(shù)據(jù)上表現(xiàn)時(shí)間為40 min），含水率略有降低后趨于穩(wěn)定。12 cm深度處在滴灌期間水分未運(yùn)移到此傳感器所在位置，滴灌結(jié)束后在水分的重分布過程中水分運(yùn)移至此位置，含水率逐漸上升，最終趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

如圖6C所示，在6 L/h的滴灌流量下，16 cm深度處未收集到含水率變化數(shù)據(jù)，這是因?yàn)榱髁刻。怪狈较蛩诌\(yùn)移較淺。從8 cm和4 cm深度處含水率變化趨勢(shì)來看，曲線在40 min左右開始水分的重分布（滴灌時(shí)間為30 min，但由于中途對(duì)水平濕潤(rùn)鋒的觀測(cè)拍照，最終在傳感器數(shù)據(jù)上表現(xiàn)時(shí)間為40 min），含水率略微降低后趨于穩(wěn)定。12 cm深度處在滴灌期間水分未運(yùn)移到此傳感器所在位置，滴灌結(jié)束后在水分的重分布過程中水分運(yùn)移至此位置，含水率逐漸上升，最終趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

如圖6D所示，在8 L/h的滴灌流量下，16 cm深度處沒有收集到含水率數(shù)據(jù)，這是因?yàn)榱髁刻?，垂直方向水分運(yùn)移較淺;從4、8、12 cm深度處含水率的變化趨勢(shì)來看，曲線在40 min左右開始水分的重分布（滴灌時(shí)間為30 min，但由于中途對(duì)水平濕潤(rùn)鋒的觀測(cè)拍照，最終在傳感器數(shù)據(jù)上表現(xiàn)時(shí)間為40 min），含水率略微降低后趨于穩(wěn)定。

3?結(jié)論

（1）滴灌中流量大的土壤中水平濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移速率比流量小的快，滴灌15 min時(shí)8 L/h流量的水平濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率分別為流量6、4、2 L/h的1.15倍、1.36倍和3.00倍。

（2）滴灌中流量大的土壤中水平濕潤(rùn)鋒的距離比流量小的遠(yuǎn)，但流量到達(dá)某個(gè)臨界值就存在濕潤(rùn)鋒同步變化的情況，如6、8 L/h流量在滴灌20 min后水平濕潤(rùn)鋒距離相同，隨后同步變化，因此在實(shí)際灌溉中需要結(jié)合灌溉成本條件選擇最合適的灌溉流量。

（3）滴灌過程中水分能夠滲透的深度與滴灌流量有關(guān)，流量越大，入滲深度越深;同一位置處不同流量下含水率的變化趨勢(shì)相同，含水率大小與滴灌流量有關(guān)。

（4）滴灌結(jié)束后存在水分重新分布的現(xiàn)象，整體趨勢(shì)為含水率降低然后趨于穩(wěn)定，濕潤(rùn)體體積較滴灌結(jié)束時(shí)變大，含水率分布更加均勻。

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