農(nóng)田微噴灌有效濕潤層空間土壤含水量均勻性探析

李玉剛

（甘肅洮河土木工程設(shè)計咨詢有限公司,甘肅 蘭州 730030）

微噴灌是利用微噴頭將灌溉水均勻地噴灑到灌溉區(qū)域的微灌形式，以其霧化程度高、灌水均勻、適應(yīng)性強等特點被廣泛應(yīng)用于小麥、大豆、蔬菜、花卉、草坪、果園及扦插育苗等節(jié)水灌溉工程[1]。其中，微噴頭是微噴灌系統(tǒng)的核心部件[2-3]。評價微噴灌質(zhì)量的重要指標(biāo)之一是噴頭的組合噴灌均勻度[4]，而該指標(biāo)不能很直觀的反應(yīng)噴灌土壤水分空間再分布特性[5-8]。因此，本文將以有效濕潤層空間土壤含水量均勻度為對象，進(jìn)一步對微噴灌土壤水分空間再分布特性進(jìn)行研究分析，以期為深入研究噴灌質(zhì)量評價指標(biāo)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

選取苗期小麥田作為試驗用地，土壤為壤土，試驗區(qū)域地表平整、無雜物。試驗在野外無風(fēng)條件下進(jìn)行，選用噴嘴直徑為1.2mm的旋轉(zhuǎn)微噴頭，額定工作壓力 200kPa，流量 120L/h，噴灑半徑為2.8m。圖1為試驗裝置示意圖，以正方形形式布置2個噴頭，布置間距5.6m。采用精度為0.4級的精密壓力表控制噴頭工作壓力，精度為0.5級的電磁流量計控制流量。以每個噴頭正下方為中心，徑向各布置7個測點，相鄰測點間距0.8m。各測點在地面下 5cm、15cm、25cm、35cm 和 45cm 處埋設(shè) TDR探頭，測定土壤含水量。灌水結(jié)束后1h測定各點不同深度的土壤含水量[6]，用以測定土壤中水分再分布后的均勻性。

圖1 試驗裝置示意圖

1.2 計算方法

1.2.1 土壤含水量均勻度系數(shù)

不同剖面深度土層土壤含水量均勻系數(shù)計算式1進(jìn)行測算。

式中：CUS——土壤含水量均勻系數(shù)，%；

θi——第i個觀測點土壤含水量觀測值，%；

n——觀測點數(shù)。

1.2.2 有效濕潤層土壤含水量均勻系數(shù)

有效濕潤層土壤含水量均勻系數(shù)計算式（2）進(jìn)行測算。

式中：SU——有效濕潤層土壤含水量均勻系數(shù)，%；

CUSi——噴灑面積內(nèi)第i個深度層的土壤含水量均勻系數(shù)，%；

N——噴灑面積內(nèi)作物根系主要分布區(qū)域的土壤含水量測試的分層數(shù)目，N=5；

Pi——噴灑面積內(nèi)第i個深度層土壤含水量均勻系數(shù)的權(quán)重系數(shù)，即作物根系在主要分布區(qū)域空間各深度層的分布密度百分比 （以早熟禾草坪為例，5cm、15cm、25cm、35cm 和 45cm 土層根系體積分別占根系總體積的30.2%、26.5%、20.8%、11.4%和 11.1%）；

θij——第i個深度層第j個測試點的土壤含水量測試值；

n——觀測點數(shù)。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 土壤水分空間分布均勻性

各測試點不同深度土層土壤含水量均勻系數(shù)在90.3%～98.8%之間變化見表1。其中，各土層土壤含水量均勻系數(shù)均表現(xiàn)為測試點7和8最高，測試點1和14較低，各土層土壤含水量均勻系數(shù)以噴頭為中心向噴灑邊緣呈遞減趨勢；可見，相鄰噴頭噴灑區(qū)域適當(dāng)重疊能夠提高各層深度土壤含水量均勻性。各測點較高的土壤含水量均勻系數(shù)均出現(xiàn)在15～25cm之間，各點5cm和35cm土層的土壤含水量均勻性次之，且除測試點4和11外，其余各點二者均勻系數(shù)基本相當(dāng)，45cm土層的土壤含水量均勻性最低，這與噴灑水分在土壤中經(jīng)過1h的垂直下滲和水平擴散而獲得再分布直接相關(guān)。

圖2進(jìn)一步展示了各測點不同土層土壤含水量均勻系數(shù)變化，由圖可以看出，除測試點1和14外，其余各點土壤含水量均勻系數(shù)隨土層深度變化呈單峰曲線，且峰值出現(xiàn)在25cm土層；“邊緣點”1和14從25cm土層起，隨著土層深度的加深，土壤含水量均勻系數(shù)大幅下降，在噴灌系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)引起足夠的重視，即旋轉(zhuǎn)微噴頭噴頭布置間距不應(yīng)超過0.85R（R為噴頭噴灑半徑）。

2.2 有效濕潤層土壤含水量均勻性

表1 各測試點不同深度土層土壤含水量均勻系數(shù)實測值

圖2 各測點不同土層土壤含水量均勻系數(shù)變化

圖3 平均土壤含水量均勻系數(shù)與有效濕潤層土壤含水量均勻系數(shù)關(guān)系圖

有效濕潤層土壤含水量均勻系數(shù)計算結(jié)果見表2，其與平均土壤含水量均勻系數(shù)的變化關(guān)系如圖3所示。由圖3可以看出，有效濕潤層土壤含水量均勻系數(shù)Su變化趨勢基本與平均土壤含水量均勻系數(shù)吻合。Su最大值出現(xiàn)在測試點7和8，均達(dá)到98%以上；最小值在測試點出現(xiàn)在1、5、10和14，均在95%以下；除測試點4和11外，其余各點有效濕潤層土壤含水量均勻系數(shù)均略高于平均土壤含水量均勻系數(shù)?？梢?，有效濕潤層土壤含水量均勻系數(shù)更能客觀地反應(yīng)作物根系區(qū)土壤水分空間再分布狀況，這對于節(jié)水噴灌工程系統(tǒng)的噴灌質(zhì)量評價、節(jié)水噴灌工程系統(tǒng)優(yōu)化都具有較大的現(xiàn)實意義。

表2 各測點平均土壤含水量均勻系數(shù)與有效濕潤層土壤含水量均勻系數(shù)表

3 結(jié)論與討論

1）相鄰噴頭噴灑區(qū)域適當(dāng)重疊能夠提高各層深度土壤含水量均勻性，旋轉(zhuǎn)微噴頭噴頭布置間距不應(yīng)超過0.85R。

2）旋轉(zhuǎn)微噴頭的土壤含水量均勻系數(shù)較高值出現(xiàn)在15～25cm土層，特別適用于小麥、蔬菜、花卉及人工草坪等淺根作物的灌溉。

3）有效濕潤層土壤含水量均勻系數(shù)更能客觀地反應(yīng)作物根系區(qū)土壤水分空間再分布狀況，可較好的用于噴灌質(zhì)量評價和系統(tǒng)優(yōu)化。

本文僅對旋轉(zhuǎn)微噴頭在一般農(nóng)田壤土的土壤水分空間再分布特性進(jìn)行研究分析，而針對不同噴頭型式、組合方式在不同土質(zhì)特點的土壤水分空間再分布特性，還有待于進(jìn)一步研究。