溝灌條件下土壤水分運(yùn)移規(guī)律及其影響因素研究

許春娟，賈生海，趙 霞

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

在我國(guó)廣泛應(yīng)用的地面灌溉方式中溝灌是其中之一[1]。溝灌較畦灌方法的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的破壞性極小，土壤蒸發(fā)較低、且田間灌水的有效利用率達(dá)80%以上[2-3]。近幾年國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)影響溝灌的一些要素和土壤水分運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了多方面的實(shí)驗(yàn)研究。研究表明溝灌灌水效率與灌水技術(shù)要素有關(guān)，

若灌水技術(shù)要素選擇不恰當(dāng)，會(huì)出現(xiàn)灌水效率低的問(wèn)題[4]。近年來(lái)，就溝灌技術(shù)要素許多學(xué)者進(jìn)行了諸多系統(tǒng)研究。整理溝灌條件下土壤水分運(yùn)移規(guī)律及其影響因素對(duì)溝灌技術(shù)的了解和應(yīng)用具有重要意義。

1 溝灌的發(fā)展現(xiàn)狀及適用條件

1.1 發(fā)展現(xiàn)狀

溝灌是一種通過(guò)灌水溝兩側(cè)的土壤對(duì)壟上種植的作物進(jìn)行浸潤(rùn)的灌溉方式，只需要在田間開(kāi)挖灌水溝便可進(jìn)行灌溉，具有操作簡(jiǎn)單、省時(shí)省力的優(yōu)點(diǎn)，主要存在于我國(guó)北方[5]。但由于溝灌存在管理復(fù)雜、灌水技術(shù)要素難以確定和灌水效率低等問(wèn)題，縮小了其運(yùn)用范圍。近年來(lái)有學(xué)者將溝灌灌水技術(shù)向節(jié)水灌溉方向進(jìn)行了延伸，主要有壟作溝灌、交替隔溝灌、覆膜溝灌、波涌溝灌等[6]。研究表明這些延伸的節(jié)水灌溉方式比傳統(tǒng)的溝灌具有更高的效率和價(jià)值。因此對(duì)溝灌技術(shù)的研究不能只停留在本身，應(yīng)將其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)和擴(kuò)展延伸，對(duì)解決我國(guó)水資源緊缺和浪費(fèi)等方面的問(wèn)題作出貢獻(xiàn)。

1.2 適用條件

溝灌是中耕作物廣泛采用的灌水技術(shù)，對(duì)于中等透水性的土壤和地面坡度介于1/50～5/1000之間的地塊[3]也較適宜。許多學(xué)者運(yùn)用溝灌方式對(duì)一些作物的產(chǎn)量、生長(zhǎng)指標(biāo)、耗水規(guī)律、水分利用效率等進(jìn)行研究并取得了較好的成果，主要有玉米、馬鈴薯、番茄、棉花、棗樹(shù)、小麥、向日葵、油葵、紫花苜蓿、西瓜、甜瓜、白楊等。對(duì)于大面積種植模式下既要節(jié)約成本又追求產(chǎn)量的作物一般采用溝灌方式。目前對(duì)于溝灌技術(shù)的研究多基于理論方面且一維入滲較成熟，二維入滲較欠缺。因此運(yùn)用已有的研究成果來(lái)指導(dǎo)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)和田間管理并不準(zhǔn)確，在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中還需進(jìn)一步深入探究。

2 研究進(jìn)展

2.1 影響因素

溝灌屬于二維入滲[7]，在溝灌過(guò)程中，影響土壤濕潤(rùn)鋒水分運(yùn)移規(guī)律的因素有土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)、體積質(zhì)量、有機(jī)質(zhì)含量、孔隙率、容重、溝型、溝間距、溝中水深等，溝底寬、土壤初始含水率對(duì)其影響微小，一般忽略不計(jì)[8]。孫西歡[9-11]以紅油土為基礎(chǔ)，采用拋物線的溝型對(duì)溝距、濕周、側(cè)向影響數(shù)進(jìn)行分析，促進(jìn)了加科夫模型在溝灌中的應(yīng)用。并得出溝距和濕周與溝灌累計(jì)入滲量為正相關(guān)而與側(cè)向影響數(shù)則為負(fù)相關(guān)。路蒙蒙等[12]發(fā)現(xiàn)溝灌灌水量對(duì)水分入滲速度和入滲量均有較大影響。因此在保證作物正常生長(zhǎng)的條件下，灌溉量的合理選擇不僅可以節(jié)約水資源而且提高水分利用率。曾愛(ài)國(guó)[13]開(kāi)展了不同灌水量梯度對(duì)溝灌玉米產(chǎn)量影響的研究，確定出在全膜壟作溝灌條件下石羊河流域適宜的灌水量為5175m3。張勇勇[14]基于砂壤土和重壤土對(duì)溝灌土壤水分入滲過(guò)程進(jìn)行研究，研究表明75cm為重壤土適宜的壟寬，合理的壟溝比為60cm∶75cm；70cm為砂壤土適宜的壟寬，合理的壟溝比為60cm∶70cm。孟鵬濤等[4]通過(guò)試驗(yàn)表明：影響累計(jì)入滲量的因素主要是溝寬、溝深和壟寬。增大入溝流量使得水流推進(jìn)速度、灌溉水利用效率和儲(chǔ)水效率上升，灌水均勻度下降，灌溉水利用效率、儲(chǔ)水效率和灌水均勻度達(dá)到93.21%、91.83%、92.78%時(shí)對(duì)應(yīng)的入溝流量為1.65L/s。翟士旭等[5]通過(guò)驗(yàn)證溝寬和溝深與Hydrus-2D模型中各參數(shù)的函數(shù)關(guān)系，得出Hydrus-2D模型具有較好的適用性以及溝寬、溝深為50、20cm灌水質(zhì)量最優(yōu)。張凡[15]對(duì)玉米地進(jìn)行溝灌試驗(yàn)提出了在灌水定額一定的條件下如何對(duì)溝長(zhǎng)和入溝流量進(jìn)行優(yōu)化的方法，建議關(guān)中地區(qū)溝長(zhǎng)小于50m時(shí)，適宜入溝流量為3～4L/s。王文娟[16]在考慮產(chǎn)量及水分利用效率(WUE)的情況下，進(jìn)行了春小麥壟作溝灌入滲試驗(yàn)，得出蓄水、保墑效果較優(yōu)的壟寬40cm、溝深15cm、溝底寬15cm，為小麥在干旱區(qū)的最優(yōu)種植模式提供了依據(jù)。溝灌條件下土壤水分運(yùn)移規(guī)律受多因素的影響，對(duì)這些復(fù)雜因素進(jìn)行隨機(jī)組合的研究還相對(duì)較少，可以進(jìn)行拓展研究。

2.2 采用的模型

掌握土壤水分的入滲規(guī)律對(duì)促進(jìn)作物根系有效吸收養(yǎng)分、鹽分以及微生物活性等方面具有重大意義。隨著對(duì)水分運(yùn)移規(guī)律的進(jìn)一步論證，專家發(fā)現(xiàn)大田試驗(yàn)和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)都有來(lái)自自然因素和人為主觀因素的干擾，并會(huì)產(chǎn)生較大誤差[17]。因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者運(yùn)用建立模型的方法對(duì)土壤水分運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行探究，主要有Green-Ampt模型、Philip模型、Kostiakov模型、BIDISUL模型、Horton模型和Holton模型，以及溝灌入滲的基本方程：Richards方程[5]。

Green-Ampt模型產(chǎn)生于1911年，因其具有表達(dá)式簡(jiǎn)單易懂、涉及參數(shù)少且物理意義明確的特點(diǎn)而得到了廣泛的運(yùn)用[18]。經(jīng)過(guò)不斷地探究和改進(jìn)，Green-Ampt模型可以用于不同黏粒含量土壤、夾砂層土壤、和渾濁水中。Neuman等[19]運(yùn)用有限元法和計(jì)算機(jī)程序能夠?qū)Ψ蔷鶆蛄鲃?dòng)區(qū)域進(jìn)行處理并且建立了溝灌條件下土壤水分入滲的二維模型：SWM II，模型具有較高的準(zhǔn)確性。孫西歡等[11]以考斯加柯夫模型為出發(fā)點(diǎn)提出了多參數(shù)(溝距、溝道水面寬度、濕周、水深)溝灌入滲模型，為數(shù)學(xué)模擬在溝灌中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。Mailapalli D R[20]運(yùn)用零慣性、Green一維和Ampt二維入滲方程以及Kostiakov-Lewis入滲模型為基礎(chǔ)進(jìn)行建模，對(duì)均質(zhì)和分層土壤進(jìn)行模擬且考慮了各種犁溝的形狀，結(jié)果表明該模型在設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)等方面具有較好的使用性。聶衛(wèi)波等[21]運(yùn)用一定的假設(shè)條件在綜合考慮(容重、初始含水率、不同土壤質(zhì)地、溝間距、溝底寬度和溝中水深)多種因素的情況下建立了溝灌二維入滲模型，通過(guò)土箱試驗(yàn)用多組試驗(yàn)資料對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證得出該模型完全可以用于模擬溝灌的二維入滲，并得出在研究溝灌累計(jì)入滲量時(shí)應(yīng)該重視土壤質(zhì)地、容重、溝底寬和溝中水深的影響；而在研究土壤濕潤(rùn)體分布時(shí)應(yīng)該關(guān)注土壤質(zhì)地和容重。聶衛(wèi)波在上述基礎(chǔ)上又建立了包含土壤容重、溝中水深和土壤初始含水量的溝灌入滲濕潤(rùn)體運(yùn)移距離預(yù)測(cè)模型[22]，以黏壤土和砂土為基礎(chǔ)進(jìn)行了入滲試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。Tabuada等[23]將BIDISUL模型與Richards方程進(jìn)行了結(jié)合并且得到了比Richards方程更簡(jiǎn)單優(yōu)化的模型，此模型不僅可以用于不同部分的入滲還可以計(jì)算灌溉效率。為組合模型在灌溉中的應(yīng)用提供了便捷。張新民等[24]結(jié)合田間實(shí)際布置運(yùn)用Hydrus軟件模擬對(duì)兩種溝型(V型、梯型)和不同壟寬條件下溝灌土壤水分運(yùn)動(dòng)進(jìn)行比較分析，計(jì)算垂向入滲和水平入滲下對(duì)灌水均勻度，不僅對(duì)灌水溝參數(shù)的優(yōu)化有所啟發(fā)且在提高灌水效率方面也大有裨益。

2.3 土壤水分運(yùn)移規(guī)律

在諸多影響溝灌土壤濕潤(rùn)體運(yùn)移特性的因素中灌水方案的設(shè)計(jì)和管理是根本。為此，眾多學(xué)者研究總結(jié)出了土壤入滲過(guò)程中濕潤(rùn)體運(yùn)移特性預(yù)測(cè)的主要方法[25](解析法、數(shù)值模擬法、經(jīng)驗(yàn)公式法)。倪東寧以玉米為試驗(yàn)作物觀察水鹽運(yùn)移規(guī)律為適宜玉米的生長(zhǎng)發(fā)育探究出了適宜的灌溉技術(shù)即畦溝分灌灌溉技術(shù)，不僅可以實(shí)現(xiàn)水資源的高效利用還能保障作物的良好生長(zhǎng)發(fā)育，并研究得出灌溉時(shí)間和灌水量與土壤含水量在不同的土層深度處均呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系[26]。賈瑞琪等[27]設(shè)置了3個(gè)灌水量梯度(60、100、140m3/畝)，以棗樹(shù)為對(duì)象對(duì)不同土層深度處土壤的濕潤(rùn)區(qū)進(jìn)行了探究，得出能滿足9cm棗樹(shù)正常生長(zhǎng)發(fā)育的灌水量為100m3，為溝灌灌水方式下對(duì)棗樹(shù)的種植提供了參考。王術(shù)禮等[28]為了探究溝灌累計(jì)入滲量和入滲時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)并且引入了參數(shù)減滲率進(jìn)行分析計(jì)算得到了較好的結(jié)果，為溝灌灌水技術(shù)的優(yōu)化提供了新方向。栗博等[29]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)將理論分析和HYDRUS-2D數(shù)值模擬相結(jié)合建立了累積入滲量和入滲時(shí)間的模型，并運(yùn)用數(shù)據(jù)支撐對(duì)模型進(jìn)行求證得到了滿意的結(jié)果。并且在研究土壤水分入滲時(shí)還加入了氮素運(yùn)移為肥料高效利用和水肥一體化研究提供了基礎(chǔ)。在寬壟溝灌入滲過(guò)程中壓力水頭和初始含水率對(duì)垂直和水平方向濕潤(rùn)鋒運(yùn)移都有促進(jìn)作用。王利環(huán)等以土壤水動(dòng)力學(xué)為理論基礎(chǔ)對(duì)波涌溝灌條件下的土壤擴(kuò)散率、土壤飽和導(dǎo)水率進(jìn)行測(cè)定[30-31]，得出在波涌溝灌中灌溉水主要受到重力勢(shì)和基質(zhì)勢(shì)的作用而濕潤(rùn)鋒隨著時(shí)間的變化從1/4圓形變成了橢圓。并且灌水量與累積入滲量和濕潤(rùn)距離均為正相關(guān)，影響土壤水分入滲的關(guān)鍵是循環(huán)率和周期。

3 存在的問(wèn)題

在溝灌條件下，影響土壤水分運(yùn)移規(guī)律的因素復(fù)雜多樣，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)影響因素的研究主要集中在土壤質(zhì)地、孔隙率、容重、溝間距、溝中水深、灌水量、入溝流量等方面，以上研究成果都是在宏觀層面初步闡明了各因素對(duì)土壤水分運(yùn)移影響的機(jī)理，還需進(jìn)一步深入探究。

(1)在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中對(duì)變量的控制不夠嚴(yán)格，同類實(shí)驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行較好的對(duì)比分析。對(duì)土壤水分運(yùn)移規(guī)律的研究多集中在垂直和水平方向上，沒(méi)有很好的與當(dāng)時(shí)作物的根系分布情況結(jié)合，進(jìn)行更加完整的分析。

(2)在影響因素的研究中，很大一部分通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和模擬實(shí)驗(yàn)完成，沒(méi)有將室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的結(jié)論在大田試驗(yàn)中進(jìn)行驗(yàn)證，導(dǎo)致部分結(jié)論可能無(wú)法應(yīng)用在田間試驗(yàn)中。

(3)對(duì)土壤水分運(yùn)移規(guī)律及濕潤(rùn)體的特征研究只基于傳統(tǒng)的灌溉方式和技術(shù)參數(shù)，在砂管灌、涌泉根灌及其結(jié)合肥液濃度、施肥種類等方面研究較淺。

4 研究改進(jìn)方法

在孫西歡[9-11]研究的基礎(chǔ)上可以采用不同的溝型、不同類型的土壤對(duì)溝距、濕周、側(cè)向影響數(shù)與累計(jì)入滲量的關(guān)系進(jìn)行驗(yàn)證，使加科夫模型得到更廣泛的應(yīng)用。路蒙蒙等[12]的研究可以進(jìn)一步探究滿足作物生長(zhǎng)的經(jīng)濟(jì)灌溉量，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉。曾愛(ài)國(guó)[13]得出玉米產(chǎn)量最優(yōu)時(shí)的灌水量、全膜壟作溝灌技術(shù)和張凡[15]對(duì)玉米地進(jìn)行試驗(yàn)得出的適宜入溝流量可以向其他作物和地區(qū)進(jìn)行推廣應(yīng)用。將張勇勇[14]得出的砂壤土和重壤土的合理壟寬比例對(duì)其他類型土壤進(jìn)行試驗(yàn)，使溝灌灌水技術(shù)更全面的應(yīng)用。在翟士旭等[5]運(yùn)用Hydrus-2D模型確定出最優(yōu)溝寬和溝深的基礎(chǔ)上可以對(duì)王文娟[16]得出適宜春小麥的較優(yōu)壟寬、溝深、溝底寬進(jìn)行組合驗(yàn)證Hydrus-2D模型的適用性。

目前，土壤水分運(yùn)移規(guī)律在國(guó)內(nèi)外大都采用室內(nèi)試驗(yàn)和大田試驗(yàn)相結(jié)合的方法，干擾因素較多并且誤差較大。模型不僅可以精準(zhǔn)計(jì)算且與計(jì)算機(jī)程序的結(jié)合對(duì)實(shí)現(xiàn)智能化灌溉奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，因此模型的研究具有較大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的前景。然而這些模型的建立有些基于一些假設(shè)和理想條件，對(duì)其廣泛應(yīng)用和試驗(yàn)條件的準(zhǔn)確契合還有一定的誤差。

倪東寧[26]對(duì)水鹽運(yùn)移規(guī)律的研究在避免鹽漬化的同時(shí)可以進(jìn)行微咸水灌溉。在賈瑞琪等[27]研究的基礎(chǔ)上可以對(duì)不同樹(shù)齡棗樹(shù)土壤的濕潤(rùn)區(qū)展開(kāi)研究確定出不同樹(shù)齡棗樹(shù)適宜的灌水量。在栗博等[29]研究的基礎(chǔ)上可以進(jìn)一步探究滿足垂直和水平方向濕潤(rùn)鋒運(yùn)移的壓力水頭、初始含水率值。土壤濕潤(rùn)鋒擴(kuò)展規(guī)律受多種因素的影響，因此還有待進(jìn)一步在優(yōu)化組合各影響因素的基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)研究。