下襯阻水板寬度對地下滴灌土壤水分運(yùn)移的影響

孫 浩 ，黃修橋 *，韓啟彪 ，李 浩 ，陳 震 ，孫秀路

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)田灌溉研究所，河南 新鄉(xiāng) 453002；2.河南省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 新鄉(xiāng) 453002）

0 引 言

地下滴灌可以直接將水和肥料施入到作物根區(qū)，具有地表無效蒸發(fā)小，水、肥利用率高，不影響耕作，地表雜草少等諸多優(yōu)點(diǎn)[1]，已成為溫室蔬菜生產(chǎn)中一種重要的節(jié)水灌溉方式[2]。眾多研究表明，采用地下滴（滲）灌后，不僅節(jié)水效果明顯[3-4]，而且提高蔬菜產(chǎn)量[5]，改善蔬菜品質(zhì)[6-7]；另外，棵間蒸發(fā)也大大下降，能有效控制室內(nèi)空氣濕度，抑制作物病蟲害的發(fā)生[8]。但當(dāng)?shù)叵碌喂喙嗨髀裆钸^大（超過30～40 cm）時，又面臨著作物生長初期水分難以保障及水、肥的深層滲漏等問題。因此，一些學(xué)者提出了通過工程措施[9-11]（即在地下滴灌管（帶）下方增設(shè)一層阻水材料）的配合來實(shí)現(xiàn)地下滴灌土壤水分供應(yīng)，市場上也出現(xiàn)了相應(yīng)的灌溉產(chǎn)品，如由中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)的包膜地下滴灌帶[12]以及澳大利亞 IWT研發(fā)的KISSS[13]等。在灌水器下面加設(shè)阻水材料后，明顯改變了地下滴灌的濕潤模式，使得土壤水分向下運(yùn)動減弱，而土壤濕潤峰縱向向上和側(cè)向運(yùn)移距離增大[10]。但是，已有研究中關(guān)于阻水材料寬度的結(jié)果差別較大，有僅為6.5 cm[12]的，也有高達(dá)50～60 cm[9]的，而且前人研究時都僅僅采用了單一寬度，沒有明確阻水材料寬度對地下滴灌土壤水分運(yùn)移的影響程度。因此，有必要開展該方面的研究，為灌溉設(shè)備企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

土槽試驗(yàn)在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院新鄉(xiāng)綜合試驗(yàn)基地（新鄉(xiāng)縣七里營鎮(zhèn)，35°18′N，113°54′E）日光溫室內(nèi)進(jìn)行。供試土壤取自溫室內(nèi)耕作層，為粉砂壤土（黏粒量（＜2 μm）6.32%，粉粒量（2～20 μm）47.39%，砂粒量（＞20 μm）46.29%，按國際制土壤分類），干體積質(zhì)量為1.43 g/cm3，飽和含水率30.03%，田間持水率 22.56%（均為占干土質(zhì)量百分比）。土樣經(jīng)自然晾干后過2 mm篩，按1.43 g/cm3分層（單層10 cm）裝入規(guī)格為100 cm（長）×60 cm（寬）×90 cm（高）的玻璃土槽中，層間打毛，裝土50 cm深后，在橫向（長度方向）中線位置沿縱向（寬度方向）安裝阻水板及灌水器，阻水板長度58 cm，置于灌水器下方，而后再分層裝土30 cm。試驗(yàn)裝置如圖1所示，其中，潛水泵流量1.5 m3/h，揚(yáng)程18 m，通過回水閥門調(diào)整供水壓力為100 kPa左右；過濾器采用120目的網(wǎng)式過濾器；水表采用精度為0.1 L的干式冷水表；壓力表采用精度為0.1 kPa的數(shù)顯壓力表；灌水器采用美國雨鳥公司生產(chǎn)的壓力補(bǔ)償式內(nèi)鑲貼片滴灌管，外徑16 mm，內(nèi)徑13.6 mm，在40～100 kPa下的滴頭流量為2.32 L/h，滴灌管安裝長度為30 cm，含1個灌水器，受末端堵頭安裝限制，灌水器距槽壁6 cm。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of test equipment

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方法

試驗(yàn)中設(shè)計(jì)3個灌水量，分別為5、10 L和15 L（其中10 L由溫室蔬菜常用的滴灌灌水定額換算而來）。阻水材料采用PVC管切割而成的弧形板，弧口長度分別為7.8 cm（T1）和9.4 cm（T2），以不襯阻水板（CK）為對照，分別測定其在不同灌水量時的土壤濕潤鋒運(yùn)移情況。入滲開始后，按照先密后疏的原則，定時（5、10、20、30、60、90、120 min、……）觀測土壤濕潤鋒擴(kuò)展情況，同時在玻璃土槽外壁上定時描出不同時刻所對應(yīng)的濕潤鋒形狀。土壤水分再分布24 h左右后，用土鉆取樣（各方向間距10 cm，阻水板下方的土層取土是在上層30 cm內(nèi)土層取完土樣后整體挖出，移除阻水板后進(jìn)行），并用烘干法測定土壤質(zhì)量含水率。每個灌水量重復(fù)3次，采用平均值作為分析計(jì)算結(jié)果，利用Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 灌水量對地下滴灌土壤濕潤鋒運(yùn)移的影響

灌水量是影響滴灌土壤濕潤范圍的重要因素之一，對地下滴灌同樣如此[14]。圖 2為 CK、T1（T2與之類似，不再列出）在灌水量分別為5、10、15 L時的土壤濕潤鋒運(yùn)移過程圖（單側(cè)）。從圖2可以發(fā)現(xiàn)，每個處理任一時刻的土壤濕潤鋒形狀都近似于扁橢圓形，只是在徑長上有所差別。無阻水板條件下，隨著入滲水量的增加，土壤濕潤鋒水平方向和垂直方向（向上、向下）的運(yùn)移距離都在增加，初期運(yùn)移速度較快，但是隨著時間的進(jìn)行，濕潤鋒水平方向運(yùn)移的速度在逐漸地變緩，垂直向下方向的濕潤鋒運(yùn)移速度要大于垂直向上方向。這是由于，在同一個條件下，控制土壤水分運(yùn)動的土水勢主要是基質(zhì)勢和重力勢。灌水初始階段，土壤較為干燥，以基質(zhì)勢為主，且基質(zhì)勢在各個方向基本相等，因此水就在各個方向上均勻流動（包括向上流動）。隨著入滲水量的增加，灌水器附件的土壤趨于飽和，基質(zhì)勢基本為零，重力勢占據(jù)主導(dǎo)作用，從而使水分向下流動，故而圖2（a）、圖2（c）、圖2（e）中3個灌水量下灌水結(jié)束時的土壤濕潤鋒向下運(yùn)移距離都比向上運(yùn)移距離大。但是在有阻水板條件下，初始階段的水分只能向水平方向和上方擴(kuò)散，只有當(dāng)水分運(yùn)移距離超過阻水板邊界后才會有向下的水分?jǐn)U散。因此，T1處理（圖2（b）、圖 2（d）、圖 2（f））表現(xiàn)為各個時刻的土壤濕潤鋒水平運(yùn)移距離和垂直向上運(yùn)移距離都遠(yuǎn)大于垂直向下運(yùn)移距離。另外，還可發(fā)現(xiàn)，灌水量為5 L時，T1處理在灌水結(jié)束時的土壤濕潤鋒垂直向上運(yùn)移距離比垂直向下運(yùn)移距離多達(dá)7 cm，而灌水量為10 L和15 L時，灌水結(jié)束時的土壤濕潤鋒垂直向上運(yùn)移距離與垂直向下運(yùn)移距離之差僅為4 cm左右，說明灌水量較多時重力勢可以削弱阻水板對土壤水分運(yùn)移的調(diào)控能力。這也可能與阻水板寬度較小有關(guān)，因?yàn)閺膱D2中可以看出，在土壤水分入滲開始后的5 min內(nèi)，土壤水分運(yùn)移距離已超出阻水板的控制范圍，使得重力勢早早發(fā)揮作用，其發(fā)揮作用時間隨灌水時間的延長而增大。

2.2 阻水板寬度對地下滴灌土壤水分運(yùn)移距離的影響

在相同灌水量條件下，CK、T1、T2處理的土壤濕潤鋒運(yùn)移距離（水平方向、垂直向上、垂直向下）與入滲時間的對應(yīng)關(guān)系如圖3所示。灌水量為5 L時，下襯阻水板對土壤濕潤鋒水平方向運(yùn)移距離影響不大，2種下襯阻水板處理在初始階段的土壤濕潤鋒水平運(yùn)移距離僅比無阻水板處理略大，后期基本一致。但添加阻水板后，對土壤濕潤鋒垂向運(yùn)移距離影響較大，2種下襯阻水板處理都增加了土壤濕潤鋒垂直向上運(yùn)移距離，而減小了土壤濕潤鋒垂直向下運(yùn)移距離，但總的土壤濕潤深度與無阻水板處理相比，差別基本在1 cm之內(nèi)。這說明下襯阻水板后，改變了地下滴灌的土壤濕潤模式，使土壤濕潤體整體向上層遷移，但2種阻水板寬度處理之間的差別不甚明顯。灌水量為10 L和15 L時，2種下襯阻水板處理在初始階段的土壤濕潤鋒水平方向運(yùn)移速度較快，運(yùn)移距離接近無阻水板處理的2倍，但30 min后差距逐漸減小，到停止灌水時已基本無甚大的差別。而土壤濕潤鋒垂向運(yùn)移情況與灌水量為5 L時類似，下襯阻水板后改變了土壤水分運(yùn)移方向，使土壤濕潤層向上層遷移，使得該2種灌水量下的土壤都濕潤到了地表。

圖2 不同灌水量下的地下滴灌土壤濕潤鋒運(yùn)移過程Fig.2 The migration process of soil wetting front in subsurface drip irrigation under different irrigation amounts

圖3 阻水板寬度對地下滴灌土壤濕潤鋒運(yùn)移范圍的影響Fig.3 Effect of water-blocking plate width on the migration range of soil wetting front under subsurface drip irrigation

另外，通過對比各處理不同灌水量下的土壤濕潤鋒水平運(yùn)移距離及垂向運(yùn)移距離與入滲時間的關(guān)系，可知各處理的土壤濕潤鋒運(yùn)移距離（水平方向、垂直向上、垂直向下）與入滲時間都呈很好的冪函數(shù)關(guān)系或?qū)?shù)函數(shù)關(guān)系，可用式（1）或式（2）表示，與前人研究結(jié)果[15-17]一致。

或

式中：D為土壤濕潤鋒運(yùn)移距離（水平方向、垂直向上、垂直向下）（cm）；t為入滲時間，t>0（min）；α、β分別為入滲系數(shù)和入滲指數(shù)；A、B為擬合參數(shù)。

各處理不同灌水量條件下，土壤濕潤鋒運(yùn)移距離（水平方向、垂直向上、垂直向下）與入滲時間用冪函數(shù)關(guān)系表示時的入滲系數(shù)和入滲指數(shù)如表1所示。各處理不同灌水量條件下，土壤濕潤鋒運(yùn)移距離（水平向、垂向向上、垂向向下）與入滲時間用對數(shù)函數(shù)關(guān)系表示時的擬合參數(shù)如表2所示。

表1 地下滴灌土壤濕潤鋒運(yùn)移距離與入滲時間的冪函數(shù)關(guān)系Table 1 The power function relationship between the migration distance of soil wetting front and infiltration time under subsurface drip irrigation

由表1、表2可知，在一定的灌水量和土壤條件下，地下滴灌土壤濕潤鋒運(yùn)移距離與入滲時間呈現(xiàn)良好的數(shù)學(xué)關(guān)系，因此可以通過灌水時間來預(yù)測土壤濕潤鋒的運(yùn)移距離。另外，通過對比表1、表2相關(guān)參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，土壤濕潤鋒水平運(yùn)移距離與入滲時間用冪函數(shù)關(guān)系表達(dá)與用對數(shù)函數(shù)關(guān)系表達(dá)時的決定系數(shù)R2差別不大；土壤濕潤鋒垂直向上運(yùn)移距離與入滲時間之間的對數(shù)函數(shù)關(guān)系優(yōu)于冪函數(shù)關(guān)系，而土壤濕潤鋒垂直向下運(yùn)移距離與入滲時間之間的關(guān)系用冪函數(shù)關(guān)系表達(dá)更佳。下襯阻水板后仍然呈現(xiàn)這種規(guī)律，但改變了函數(shù)關(guān)系的擬合參數(shù)，而且水平方向擬合參數(shù)的變化幅度要小于垂直方向。以對數(shù)函數(shù)關(guān)系為例，垂直向上方向的擬合參數(shù)A隨著下襯阻水板寬度的增大而增大，而垂直向下方向的擬合參數(shù)A隨著下襯阻水板寬度的增大有減小趨勢，也說明了下襯阻水板對地下滴灌土壤水分運(yùn)移的影響趨勢，即使得土壤濕潤體整體向上層遷移。

2.3 阻水板寬度對地下滴灌土壤水分分布的影響

圖4為各處理在土壤水分再分布24 h左右后的灌水器位置垂直方向和水平方向的土壤含水率分布圖。垂直方向，從圖4（a）、圖4（b）、圖4（c）中可以發(fā)現(xiàn)，隨著下襯阻水板寬度的增大，淺層（0～10 cm土層）土壤含水率增大，而深層（50～60 cm土層）土壤含水率減小，說明下襯阻水板可以促進(jìn)土壤水分向上層土壤運(yùn)移，而且呈現(xiàn)出阻水板寬度越大，上層土壤含水率越高的趨勢。水平方向，在灌水量為5 L（圖4（d））時，下襯阻水板雖然未能明顯增大土壤濕潤鋒水平方向運(yùn)移距離（圖3（a）），但卻增大了距灌水器20 cm處的土壤含水率；灌水量為10 L（圖4（e））時，下襯阻水板增大了灌水器位置水平方向的土壤含水率；而灌水量為15 L（圖4（f））時，由于下襯阻水板增大了土壤濕潤鋒水平運(yùn)移距離（圖3（g）），使得距灌水器20 cm內(nèi)的土壤含水率變化不明顯?？傊?，下襯阻水板可以調(diào)整土壤濕潤體內(nèi)的土壤水分分布，使得土壤水分集中于灌水器附近及其上層土壤，將會更有利于保障作物水分供應(yīng)。

表2 地下滴灌土壤濕潤鋒運(yùn)移距離與入滲時間的對數(shù)函數(shù)關(guān)系Table 2 The logarithmic function relationship between the migration distance of soil wetting front and infiltration time under subsurface drip irrigation

圖4 阻水板寬度對地下滴灌土壤水分分布的影響Fig.4 Effect of water-blocking plate width on soil water distribution under subsurface drip irrigation

3 討論與結(jié)論

1）下襯阻水板對地下滴灌土壤濕潤鋒形狀沒有明顯影響，灌水任一時刻的地下滴灌土壤濕潤鋒仍近似于扁橢圓形，但卻改變了地下滴灌土壤濕潤模式。下襯阻水板對地下滴灌土壤濕潤鋒水平方向運(yùn)移距離影響不大，但明顯增加了土壤濕潤鋒垂直向上運(yùn)移距離，而減小了土壤濕潤鋒垂直向下運(yùn)移距離，使得地下滴灌土壤濕潤體整體向上層遷移，阻水板越寬，土壤濕潤體向上層遷移的越明顯。

2）地下滴灌土壤濕潤鋒運(yùn)移距離（水平方向、垂直向上、垂直向下）與入滲時間呈現(xiàn)良好的冪函數(shù)或?qū)?shù)函數(shù)關(guān)系。下襯阻水板后改變了函數(shù)關(guān)系的擬合參數(shù)，而且水平方向擬合參數(shù)的變化幅度要小于垂直方向。

3）下襯阻水板可以調(diào)整土壤濕潤體內(nèi)的土壤水分分布，使得土壤水分集中于灌水器附近及其上層土壤，將會更有利于保障作物生長初期的水分供應(yīng)。

文中僅采用了 2種下襯阻水板寬度對地下滴灌土壤水分運(yùn)移的影響進(jìn)行了初步探索，但已呈現(xiàn)出一種阻水板越寬、影響程度越大的趨勢。但是由于阻水板寬度略窄且差別過小，使得2種寬度處理間的差別不甚明顯，后期有必要增加阻水板寬度及處理間的差距進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。