滲灌管首末端壓力與茶樹根區(qū)土壤水分運(yùn)移關(guān)系

張亨年，張川*，閆浩芳,胡永光,趙寶山，李欣雨,邢德科

(1.江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇大學(xué)國家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

滲灌(infiltration irrigation)是灌溉水在一定的灌水壓力下通過埋在地表土層中的滲灌管(包括滴灌帶、滴頭、打孔塑料管、陶土管等)滲出，憑借土壤的毛管作用給作物根層供水的一種灌水方法.這種灌水技術(shù)的實(shí)質(zhì)是水分通過灌水器借助土壤毛管吸力逐漸濕潤一定區(qū)域的土壤來完成灌水過程.隨著供水和需水矛盾的日益突顯，水資源緊缺將是中國長期需要面臨的問題[1].PATEL等[2]對(duì)灌水器的布設(shè)與作物產(chǎn)量及品質(zhì)的關(guān)系進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)滲灌具有明顯增產(chǎn)的效果；HANSONA等[3]研究結(jié)果表明，滲灌比溝灌節(jié)水36.7%～74.0%，比管灌節(jié)水43.1%，比滴灌節(jié)水11.9%.滲灌和其他地面灌水相比，技術(shù)特點(diǎn)突出，節(jié)水效果明顯，因此受到許多專家和學(xué)者的重視[4-5].較多學(xué)者針對(duì)滲灌的田間合理布設(shè)與土壤水分入滲理論進(jìn)行了大量的研究[6]，并取得了一定的研究成果，但對(duì)于滲灌條件下適宜的灌水流量與灌水持續(xù)時(shí)間，及其與植物根區(qū)土壤水分變化的相關(guān)關(guān)系等研究較少[7].

文中選取蘇南典型地區(qū)茶園為研究對(duì)象，采用土壤水分傳感器(CS616，美國Campbellsci公司)對(duì)茶樹根區(qū)(縱向分布30 cm深，橫向分布30 cm寬)土壤含水率進(jìn)行觀測，分析土壤含水率隨灌水持續(xù)時(shí)間的變化規(guī)律；通過觀測滲灌管首末端壓力，提出利用首末端壓力累積曲線確定充分灌水(100%田間持水量)的灌水持續(xù)時(shí)間，并驗(yàn)證該方法的精度，旨在為研發(fā)智能化滲灌系統(tǒng)控制灌水時(shí)間提供合理的參考方法.

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2016年4月—2017年3月在江蘇省丹陽市“吟春碧芽”茶場進(jìn)行(119°34′6″E，32°7′39″N)，試驗(yàn)點(diǎn)位于鎮(zhèn)江市東南方向，直線距離25 km.丹陽市屬溫帶季風(fēng)型大陸性氣候，為半濕潤區(qū)，冬冷夏熱，水分不足，干旱多發(fā).年平均氣溫14.2 ℃，極端最高氣溫40.8 ℃，極端最低氣溫-16.5 ℃.年平均降水量679.0 mm，最大年降水量884.3 mm，最小年降水量353.2 mm;年內(nèi)降水多集中在6—9月，約占年降水量的70%.全年盛行風(fēng)向?yàn)槟巷L(fēng)和北風(fēng)，年平均日照時(shí)數(shù)2 299.7 h.試驗(yàn)區(qū)長12.8 m，寬13.0 m，坡度3.5°.根層土壤容重為1.51 g/cm3，表層土壤田間持水率為37%，土壤孔隙度為43%，根層土壤類型為粉質(zhì)壤土.

1.2 試驗(yàn)區(qū)田間布設(shè)

供試茶樹為7 a生成熟茶樹，品種為安吉白茶，茶樹南北向偏東20°種植，茶樹根區(qū)縱向分布30 cm深，橫向分布30 cm寬，因此設(shè)計(jì)灌水濕潤層邊界深度及寬度控制在30 cm以內(nèi).在茶樹下方15 cm處埋設(shè)滲灌管，滲灌管總長L3=10.8 m.試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，為防止土壤水分側(cè)向運(yùn)移引起相互干擾，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)間隔6 m，試驗(yàn)區(qū)管網(wǎng)布設(shè)如圖1所示.

圖1 滲灌系統(tǒng)田間布置圖Fig.1 Infiltration irrigation system installed in experimental field

在滲灌管首端安裝浮子流量計(jì)(DK-800，10～100 L/h)，精確控制灌水流量，在距離浮子流量計(jì)后20 cm處安裝進(jìn)水閥門，在滲灌管末端安裝排水排污閥門，實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制每條滲灌區(qū)域的灌水持續(xù)時(shí)間.同時(shí)在進(jìn)水閥后20 cm處和排水閥前20 cm處分別安裝高精度壓力表(DDP0201，0～250 kPa)，實(shí)時(shí)觀測滲灌管首末端水壓的變化，首末端壓力表間距L1=10 m.為消除湍流影響，流量計(jì)、壓力表、進(jìn)水閥和排水閥的間距控制在20 cm(依據(jù)水力學(xué)計(jì)算，15 cm以上可以消除湍流影響).

在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)中部布設(shè)深寬為70 cm×60 cm的土壤水分觀測剖面，每個(gè)剖面布置7個(gè)土壤水分傳感器(SC616，美國Campbellsci公司)，探針長30 cm，寬4 cm，土壤水分傳感器布置如圖2所示.在滲灌管豎直方向布置4個(gè)土壤水分傳感器，分別位于滲灌管上方10 cm(距地表5 cm)，下方15，30，45 cm，用于觀測茶樹根區(qū)土壤水分在豎直方向上的變化規(guī)律.在滲灌管側(cè)向布置3個(gè)土壤水分傳感器，分別位于滲灌管左方15 cm，右下方15 cm，左下方15 cm，用于觀測茶樹根區(qū)側(cè)向邊緣土壤水分的變化規(guī)律.通過數(shù)據(jù)采集器CR1000(美國Campbellsci公司)每隔30 s自動(dòng)采集1次數(shù)據(jù).

圖2 土壤水分傳感器布置Fig.2 Installation of soil moisture sensors

1.3 試驗(yàn)方法

合理的滲灌水量可以避免水分深層滲漏，達(dá)到節(jié)水灌溉的目的.文中分別進(jìn)行了相同灌水流量、不同灌水持續(xù)時(shí)間和相同灌水持續(xù)時(shí)間、不同灌水流量的滲灌對(duì)茶樹根區(qū)土壤含水率變化的影響試驗(yàn).利用浮子流量計(jì)精確控制灌水流量，通過調(diào)節(jié)流量控制螺旋，待流量穩(wěn)定后(約2 min)開始試驗(yàn)，利用秒表控制灌水持續(xù)時(shí)間，高精度壓力表觀測滲灌管首末端壓力，每隔10 min讀取1次數(shù)據(jù)；利用土壤水分傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測茶樹根區(qū)土壤含水率的變化，調(diào)整下一次試驗(yàn)的灌水流量與時(shí)間，在滿足滲灌管工作壓力的前提下，確定合理灌水流量與灌水持續(xù)時(shí)間.

1.4 分析方法

文中應(yīng)用Surfer12進(jìn)行等值線的繪制，采用Surfer軟件中Kriging插值法，對(duì)未進(jìn)行采樣點(diǎn)的區(qū)域化變量的取值進(jìn)行線性無偏、最優(yōu)估計(jì)，采用Origin Pro8.0對(duì)其他測定數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖與制表.

2 結(jié)果與分析

2.1 流量對(duì)首末端壓力和水分運(yùn)移的影響

2.1.1 灌水流量為20 L/h時(shí)

表1為灌水流量為20 L/h時(shí)滲灌管首末端壓力記錄值，ps，pm分別為首末端壓力.3個(gè)試驗(yàn)觀測剖面灌水持續(xù)時(shí)間分別為20，40，60 min.由表1可知首末端灌水壓力為20～40 kPa，小于滲灌管額定工作壓力(40～60 kPa)，說明該灌水流量較小，同時(shí)任秉樞等[8]研究表明壓力偏低會(huì)造成灌水均勻度下降，灌水費(fèi)時(shí)，因此，灌水流量20 L/ h不適用于該試驗(yàn)區(qū)的灌溉，需要增大灌水流量.

表1 流量為20 L/h時(shí)滲灌管首末端壓力Tab.1 Pressures at both ends of subsurface see-page pipe at 20 L/h

圖3為3個(gè)試驗(yàn)觀測剖面在灌水前和開始灌水后1,3 h的土壤水分運(yùn)動(dòng)變化情況，其中h為剖面深度，l為剖面寬度，θ為剖面含水率.如圖3所示，當(dāng)灌水20 min時(shí)，僅滲灌管下方的土壤含水率略有增大，滲灌管上方與水平方向的土壤含水率幾乎沒有發(fā)生變化；當(dāng)灌水40,60 min時(shí)，在滲灌管上方的土壤含水率也開始增大，但增大幅度較小，土壤含水率遠(yuǎn)未達(dá)到田間持水量水平，因此在增大灌水流量的同時(shí)應(yīng)增加灌水持續(xù)時(shí)間.

2.1.2 灌水流量為40 L/h時(shí)

表2為灌水流量為40 L/h時(shí)滲灌管首末端壓力記錄值，3個(gè)試驗(yàn)觀測剖面灌水持續(xù)時(shí)間分別為60,90,120 min.由表2可知，壓力值在灌水剛開始階段不穩(wěn)定，之后隨著灌水持續(xù)時(shí)間的增加逐步趨于穩(wěn)定，并在灌水結(jié)束前始終維持在40～70 kPa，與滲灌管工作壓力基本吻合(40～60 kPa)，因此灌水流量40 L/h適用于對(duì)該試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行灌溉.

注：方塊為土壤水分傳感器，黑點(diǎn)為滲灌管，下同

表2 流量為40 L/h時(shí)滲灌管首末端壓力Tab.2 Pressures at both ends of subsurface see-page pipe at 40 L/h

圖4為3個(gè)試驗(yàn)觀測剖面在灌水前和開始灌水后1，3 h的土壤水分運(yùn)動(dòng)變化情況.灌水開始階段，由于滲灌管周圍土壤含水率未達(dá)到田間持水量，在壓力勢的作用下使得總土水勢大于四周土壤的土水勢，滲出的水分在這個(gè)水勢梯度作用下向滲灌管周圍的土壤運(yùn)動(dòng)，此時(shí)土壤水的入滲能力較強(qiáng).當(dāng)灌水持續(xù)60 min時(shí)，土壤水分主要向滲灌管下方移動(dòng)，滲灌管上方土壤含水率增大較?。划?dāng)灌水90 min時(shí)，在茶樹根區(qū)水平方向及豎直方向的土壤含水率均超過32%，接近試驗(yàn)區(qū)土壤表層田間持水量(37%)，同時(shí)，在該灌水持續(xù)時(shí)間下，水分沒有發(fā)生深層滲漏，達(dá)到節(jié)水灌溉要求；當(dāng)灌水120 min時(shí)，土壤含水率在豎直方向上增大相對(duì)較快，在水平方向上增大相對(duì)較慢，汪有科等[9]進(jìn)行水分運(yùn)移試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)濕潤體在豎直方向擴(kuò)散大于水平方向，與文中觀測結(jié)果相似.表明采用滲灌進(jìn)行灌水，土壤含水率在豎直方向的增大大于水平方向，造成這一現(xiàn)象的原因是水分在豎直方向受到的重力作用大于毛管作用.

2.1.3 灌水流量為60 L/h時(shí)

表3為灌水流量為60 L/h時(shí)滲灌管首末端壓力記錄值，3個(gè)試驗(yàn)觀測剖面灌水持續(xù)時(shí)間同樣設(shè)置為60，90及120 min.由表3發(fā)現(xiàn)，當(dāng)灌水流量為60 L/h時(shí)，首末端壓力處于60～100 kPa，超過滲灌管工作壓力(40～60 kPa)，不僅大量消耗能源，而且不利于滲灌管的使用壽命與安全，因此，灌水流量應(yīng)小于60 L/h.

圖4 流量為40 L/h時(shí)不同土壤水分觀測剖面含水率變化情況Fig.4 Variation of soil water content at different soil profiles before irrigation,and 1 h and 3 h after irrigation at 40 L/h

表3 流量為60 L/h時(shí)滲灌管首末端壓力Tab.3 Pressures at both ends of subsurface see-page pipe at 60 L/h

圖5為3個(gè)試驗(yàn)觀測剖面在灌水前和開始灌水后1,3 h的土壤水分運(yùn)移變化情況.可從圖5中看出，相比灌水前，灌水1 h后土壤含水率在豎直方向與水平方向迅速增大，在40 cm處土壤含水率均達(dá)到了38%，超過了試驗(yàn)區(qū)田間持水量水平(37%)，因此，采取少量多次的灌水方式，可減少由土壤水分深層滲漏產(chǎn)生的浪費(fèi).

2.2 茶樹根區(qū)土壤含水率時(shí)段變化規(guī)律

圖6是灌水流量為40 L/h，在不同灌水持續(xù)時(shí)間下5,30 cm處土壤含水率日變化規(guī)律，剖面1和2于10:30開始灌水，剖面3于11:50開始灌水，灌水時(shí)長分別為60,90和120 min.由圖6a可知，剖面1和剖面3的土壤含水率變化規(guī)律相似，但剖面2土壤含水率上升速度遠(yuǎn)大于剖面1和剖面3；從圖6b中可以發(fā)現(xiàn)，造成這一現(xiàn)象是由于剖面2在30 cm處土壤含水率較高(41%)，較高的土壤含水率減弱了土壤在灌水之后的吸水能力[10]，導(dǎo)致土壤水分發(fā)生更多的向上運(yùn)移，表明初始土壤含水率對(duì)土壤水分運(yùn)移方向起著較大的作用.從圖6b可以發(fā)現(xiàn)，剖面2和3灌水持續(xù)時(shí)間比剖面1長，即灌水量更大，但灌水后的土壤含水率的增大卻沒有剖面1明顯，說明灌水前土壤含水率對(duì)入滲量的影響大于灌水量，即土壤含水率低的土層其入滲能力更強(qiáng)，入滲量更大.通過對(duì)比圖6a,6b可知，土壤水分向下運(yùn)移明顯多于向上運(yùn)移，同時(shí)30 cm處土壤含水率變化滯后于5 cm處土壤含水率變化；灌水結(jié)束后，表層(5 cm)土壤含水率仍呈增大趨勢，5 cm處滯后約30 min，30 cm處沒有發(fā)生滯后現(xiàn)象，表明土壤水分在重力作用下的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)大于毛管作用下的.

圖5 流量為60 L/h時(shí)不同土壤水分觀測剖面含水率變化情況Fig.5 Variation of soil water content at different soil profiles before irrigation,and 1 h and 3 h after irrigation at 60 L/h

圖6 灌水前后土壤含水率的變化規(guī)律
Fig.6 Variation of soil water content before and after irrigation

2.3 首末端壓力隨灌水持續(xù)時(shí)間的變化規(guī)律

圖7為滲灌管首末端壓力與灌水持續(xù)時(shí)間的雙累積曲線圖，以此來檢驗(yàn)壓力累積值p與灌水持續(xù)時(shí)間t的關(guān)系及其變化規(guī)律.選擇連續(xù)晴朗天氣進(jìn)行灌水，流量控制在40 L/h，12：50開始，17:30結(jié)束，共持續(xù)灌水280 min，茶樹根區(qū)最小土壤初始含水率約為26%，隨著滲灌管四周土壤含水率的逐漸增大，對(duì)滲灌管出流的阻礙作用增強(qiáng)；導(dǎo)致首末端壓力持續(xù)增加；隨著灌水持續(xù)時(shí)間的增加，雙累積曲線的斜率于灌水持續(xù)160 min時(shí)發(fā)生突變，斜率變大，表明在灌水持續(xù)160 min時(shí)，土壤含水率達(dá)到臨界值，此后滲灌管首末端壓力增加速度加快.

圖7 首末端灌水壓力累積值隨灌水時(shí)間的變化
Fig.7 Variation of cumulative pressure at both ends of subsurface seepage pipe along with irrigation duration

圖8為持續(xù)灌水時(shí)不同深度土壤含水率的變化曲線，可以發(fā)現(xiàn)隨著灌水持續(xù)時(shí)間的增加，茶樹根區(qū)土壤含水率逐漸增大.由于30 cm處土壤初始含水率較大，因此增加較緩，根區(qū)土壤含水率于灌水170 min后全部達(dá)到田間持水量水平，與累積曲線斜率突變時(shí)間相符，表明當(dāng)土壤含水率接近田間持水量時(shí)，累積曲線斜率會(huì)發(fā)生突變，因此可以通過觀測滲灌管首末端壓力控制灌水持續(xù)時(shí)間，并能取得較高的精度，為滲灌系統(tǒng)的智能化控制提供一種參考方法.

圖8 持續(xù)灌水茶樹根區(qū)不同深度土壤含水率變化規(guī)律
Fig.8 Variation of soil water content at different depths of soil layer during continuous irrigation

3 結(jié) 論

滲灌能夠保持作物根區(qū)土壤水分充足從而有助于實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)，因此確定合理的滲灌方法及觀測手段對(duì)于提高作物產(chǎn)量、減少水資源浪費(fèi)具有重要的意義.文中對(duì)不同灌水流量和灌水持續(xù)時(shí)間條件下，茶樹根區(qū)不同深度土壤水分變化進(jìn)行連續(xù)定點(diǎn)觀測，得到以下結(jié)論：

1) 通過調(diào)整灌水流量與灌水持續(xù)時(shí)間，得到在坡度為3.5°的地形區(qū)，采用10 m滲灌管，選擇40 L/h灌水流量(每m滲灌管灌水流量為4 L/h)，滲灌管首末端壓力適合滲灌管工作壓力(40～60 kPa).

2) 灌水前根區(qū)土壤初始含水率不僅影響土壤水分入滲能力，而且對(duì)于土壤水的運(yùn)移方向起著決定性作用.當(dāng)滲灌管下方土壤含水率小于田間持水量時(shí)，土壤水向滲灌管下方運(yùn)移多于向上運(yùn)移；當(dāng)滲灌管下方土壤含水率超過田間持水量時(shí)，土壤水向下運(yùn)移少于向上運(yùn)移.

3) 滲灌管首末端壓力累積值與灌水持續(xù)時(shí)間呈線性關(guān)系.通過實(shí)測茶樹根區(qū)土壤含水率發(fā)現(xiàn)，茶樹根區(qū)土壤含水率達(dá)到田間持水量時(shí)間所需的灌水時(shí)間與壓力累積曲線斜率發(fā)生突變時(shí)的灌水持續(xù)時(shí)間相近，表明通過觀測滲灌管首末端壓力可以控制充分灌水(100%田間持水量)的灌水持續(xù)時(shí)間，且具有較高的精度.該研究結(jié)果可以為研發(fā)智能化滲灌系統(tǒng)控制灌水持續(xù)時(shí)間提供合理的參考方法.