限制入滲域下滴灌土壤水分時(shí)空變異特征研究

寧莎莎，徐利崗，張 林，王懷博

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西咸陽712100；2.寧夏水利科學(xué)研究院，銀川750021；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，陜西咸陽712100；4.寧夏回族自治區(qū)水利科學(xué)研究院，銀川750021）

0 引 言

根域限制栽培是根據(jù)作物根系的分布范圍開挖相應(yīng)的栽植溝，在溝渠邊壁及底部鋪墊隔膜材料，并在底部預(yù)留透氣排水的空隙或鋪設(shè)波紋管，栽植溝內(nèi)填充秸稈、農(nóng)家肥及土壤混合物后種植果樹的一種栽培方式。根域限制栽培方式能抑制作物根系生長、抑制地上部分營養(yǎng)生長和矮化植株，并且采用滴灌點(diǎn)源局部水肥供給，以提高水肥利用效率。方金豹等人研究了不同根域限制方式對桃樹生長的影響，得出桃樹適宜的根域限制方式和根域體積[1]；王世平等人綜合了在根域限制條件下葡萄、蘋果、桃、櫻桃的研究進(jìn)展和存在問題，肯定了果樹根域限制的控長促花以及提高果實(shí)品質(zhì)的效果[2]；謝兆森等人從葡萄果實(shí)發(fā)育動(dòng)態(tài)、果實(shí)膨壓及動(dòng)力學(xué)參數(shù)來探討根域限制對葡萄果實(shí)發(fā)育及糖分積累影響的機(jī)制,研究了根域限制對葡萄果實(shí)發(fā)育動(dòng)態(tài)、膨壓及動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響[3]。但是限根技術(shù)在滴灌枸杞種植中應(yīng)用的研究較少。土壤濕潤體的形狀、大小及含水率分布等是確定灌溉制度的重要依據(jù)[4]，許多專家和學(xué)者對滴灌的入滲特性等各方面進(jìn)行了大量試驗(yàn)并取得了一定成果。侯立柱等人通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)得出滴灌對作物根系蓄水保墑效果良好[5]；李道西等人研究了不同滴頭流量對不同質(zhì)地的土壤水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響[6]。然而當(dāng)前研究對根域限制條件下滴灌的土壤水分遷移規(guī)律鮮有報(bào)道。本研究以土箱為工具模擬根域限制立地條件，開展室內(nèi)試驗(yàn)，探究在限定土體邊壁條件下，不同滴頭流量點(diǎn)源入滲的土壤水分時(shí)空變異性特征，為根域限制栽培作物提供一定的數(shù)據(jù)參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置與材料

1.1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在西北農(nóng)林科技大學(xué)中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院灌溉水力試驗(yàn)大廳進(jìn)行。試驗(yàn)裝置由水源及加壓系統(tǒng)、滴灌帶、土箱及土柱、自動(dòng)土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)組成(圖1)，加壓裝置為可提供穩(wěn)定壓力的清水泵，其吸程為9 m，功率為0.75 kW；試驗(yàn)土箱為有機(jī)玻璃制作，尺寸為85 cm×60 cm×60 cm，采用一行兩帶的方式鋪設(shè)方式布置滴灌帶，在土箱底部及一側(cè)邊壁用棚膜鋪蓋(棚膜厚度10～12絲)，另一側(cè)不鋪膜作為對照。

1.1.2 試驗(yàn)材料及準(zhǔn)備

試驗(yàn)土壤取自陜西渭河三級階地，按試驗(yàn)所需土樣將其風(fēng)干、碾壓、混合均勻后過2 mm 篩網(wǎng)后盡可能曬干土壤備用(實(shí)際含水率以烘干法測定為準(zhǔn))。土壤顆粒組成采用激光粒度分析儀(MS2000 型，馬爾文，英國)測定，按國際制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)，試供土壤土質(zhì)為黏壤土，采用環(huán)刀法測得容重，烘干法測得田間持水率及飽和含水率，結(jié)果如表1所示。按照設(shè)計(jì)容重1.327 g/cm3進(jìn)行填土，每層5 cm，共12 層，將兩土層之間進(jìn)行打毛，使土壤顆粒充分接觸。兩條滴灌帶平行放置在土壤表面(間距20 cm)。

試驗(yàn)設(shè)置不同流量的滴頭。毛管安裝在Φ25 PE 管上，上級管道連接至水泵，水泵出水口安裝壓力表及回流裝置，管網(wǎng)系統(tǒng)尾部設(shè)排氣閥(試驗(yàn)開始前進(jìn)行排氣處理)，根據(jù)所需流量調(diào)節(jié)水壓。重復(fù)試驗(yàn)依次進(jìn)行。

表1 試驗(yàn)土樣基本性質(zhì)Tab.1 Physical properties of tested soil

1.2 試驗(yàn)方法及測定內(nèi)容

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為對比分析限制入滲域條件及滴灌流量對點(diǎn)源入滲的土壤水分時(shí)間、空間變異性特征的影響，本研究采用初始含水率θ0=2.45%(占干土重)的黏壤土，開展地表滴灌土箱試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)置了限制入滲域條件與常規(guī)條件，限制入滲域條件的土箱底部鋪設(shè)棚膜，常規(guī)條件的土箱涂抹凡士林以防止壁面流。試驗(yàn)采用不同的滴頭流量，分別為3 L/h、4 L/h，壓力水頭為10 m。

1.2.2 檢測指標(biāo)及方法

(1)試驗(yàn)過程中監(jiān)測在土箱正面中心處滴頭在單平面上的濕潤鋒演進(jìn)過程，根據(jù)濕潤鋒的演進(jìn)過程隨時(shí)標(biāo)記濕潤鋒位置并同時(shí)記錄灌水時(shí)間，以滴頭為中心在土箱表面將用記號筆描摹濕潤線并記錄濕潤峰的坐標(biāo)。

(2)采用美國Decagon 公司生產(chǎn)的EM50 監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測土壤含水率，數(shù)據(jù)步長1 min，測定深度為10、20、40、60 cm 共5 層，監(jiān)測水平位置為滴頭正下方、沿滴灌帶方向距離滴頭10、20 cm 處，垂直滴灌帶方向距離滴頭10、20 cm(貼近限制入滲域邊壁)處。

1.3 數(shù)據(jù)處理

該試驗(yàn)各處理數(shù)據(jù)采用Excel2016 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，Origin2017、surfer8.0繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 限制入滲域條件對濕潤體形狀及范圍的影響

濕潤體的形狀大小與土壤質(zhì)地、土壤容積密度、土壤初始含水率、灌水時(shí)間、灌水量和滴頭流量[7]等眾多因素有關(guān)[8]，本試驗(yàn)各處理土壤的質(zhì)地、容重、初始含水率均相同。按照設(shè)計(jì)分別采用滴頭流量為3 L/h和4 L/h的灌水器進(jìn)行滴灌，實(shí)時(shí)監(jiān)測土壤濕潤鋒的演進(jìn)過程，并分別繪制不同灌水時(shí)間下限制入滲域條件與常規(guī)條件的濕潤體變化情況(圖2)。圖中原點(diǎn)為滴頭位置，濕潤峰水平運(yùn)移距離為R，濕潤峰垂向運(yùn)移距離為H。

從圖2左右對比可以看出，同樣流量、同樣入滲時(shí)長，限制入滲域條件與常規(guī)條件下，前期的濕潤體的形狀及大小差別不大，濕潤峰在同一水平面垂直于滴灌帶方向和平行于滴灌帶方向及其他方向的運(yùn)移距離基本相同，而入滲后期，限制入滲域條件下濕潤體呈不規(guī)則柱形，前后形變較大。分析濕潤峰數(shù)據(jù)推斷水平濕潤峰運(yùn)移距離與垂直濕潤峰運(yùn)移距離存在線性關(guān)系(表2)，且判定系數(shù)(R2)均大于0.96。各處理的回歸直線的斜率均小于1，這表明在試驗(yàn)開始120 min 內(nèi)，各個(gè)處理濕潤峰水平運(yùn)移距離均大于同時(shí)間點(diǎn)的垂向濕潤峰運(yùn)移距離。綜合濕潤峰水平及垂向運(yùn)移特性，濕潤體呈現(xiàn)出以滴頭為中心的半橢球體。

2.2 限制入滲域條件對濕潤峰運(yùn)移的影響

流量3 L/h、4 L/h 的限制入滲域條件與常規(guī)條件下邊壁濕潤峰運(yùn)移距離與時(shí)間的關(guān)系見圖3。

當(dāng)土壤水運(yùn)移至邊壁位置后(入滲時(shí)長＞120 min)，限制入滲域條件與常規(guī)條件對水分入滲的影響非常明顯。如圖3所示，在限制入滲域條件下鋪膜的邊壁水分入滲明顯慢于常規(guī)條件下的入滲，入滲速率下降幅度在2.30%～40.38%，說明在底部鋪膜后對于灌水后期水分的邊壁入滲及其再分布影響很大，明顯降低了水分下滲速率，進(jìn)而在灌水停止后水分再分布過程中水分深層滲漏減少。對不同處理邊壁土壤水運(yùn)移與時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出二者符合冪函數(shù)關(guān)系，故濕潤峰運(yùn)移距離與時(shí)間關(guān)系的方程可設(shè)為：

表2 水平濕潤峰運(yùn)移距離與垂直濕潤峰運(yùn)移距離的關(guān)系Tab.2 Relationship between level wetting front and vertical downward wetting front

式中：Y為邊壁濕潤峰的運(yùn)移距離；t為灌水時(shí)間；a、b、y0、t0為擬合參數(shù)。

根據(jù)試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)對邊壁濕潤峰運(yùn)移距離與時(shí)間關(guān)系公式(1)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如表3所示。

表3 不同限制條件的邊壁濕潤峰運(yùn)移與時(shí)間關(guān)系的擬合參數(shù)Tab.3 Fitting parameters of boundary wetting front migration distance with time under different emitter discharges

根據(jù)表3擬合得到的濕潤峰運(yùn)移的冪函數(shù)參數(shù)，可預(yù)測各時(shí)刻濕潤峰運(yùn)移情況，對比結(jié)果如表4所示。根據(jù)表4可知，由式(1)得到的擬合值與邊壁濕潤峰運(yùn)移距離的實(shí)測值的誤差均在2.09%～5.95%，說明該模型能較好的預(yù)測不同時(shí)間邊壁濕潤峰運(yùn)移距離變化。

表4 濕潤峰運(yùn)移距離實(shí)測值與預(yù)測值對比Tab.4 Comparison between predicted and measured wetting front migration distance

2.3 限制入滲域條件對土壤水空間變化的影響

限制入滲域的處理(兩側(cè)及底部鋪膜)影響了土壤水入滲特征，也導(dǎo)致了各土層土壤含水率空間分布的異質(zhì)性。繪制濕潤鋒到達(dá)土箱邊壁(入滲時(shí)長120 min)前后以滴頭為原點(diǎn)的縱剖面土壤水空間分布圖(圖4)。從圖4（a）～圖4（c）可以看出灌溉水到達(dá)邊壁之前含水率等值線以滴頭位置為圓心，呈1/4 橢圓形，并隨入滲時(shí)間增加向外側(cè)擴(kuò)散，土壤含水率變幅0.08～0.094m3/m3；灌水超過120 min 后的土壤含水率變化見圖4（d）～圖4（f），從圖4可以看出限制入滲域邊壁對水分的滯留現(xiàn)象顯著，且對含水率等值線形狀即土層水分空間分布影響較大。土壤含水率等值線外側(cè)明顯向里凹陷，說明邊壁鋪膜能有效滯留水分，減緩下滲且阻止水分的水平擴(kuò)散及深層滲漏，將有限的灌溉水限制在有限的空間范圍，提高作物對水分的利用。

2.4 滴頭流量對濕潤峰運(yùn)移規(guī)律的影響

2.4.1 流量對濕潤峰水平運(yùn)移和垂直運(yùn)移規(guī)律的影響

以滴頭位置為原點(diǎn)，分別作出各處理灌溉水到達(dá)邊壁之前的濕潤峰水平運(yùn)移距離與時(shí)間的關(guān)系圖(圖5)。從圖5可以看出，不同流量濕潤峰入滲初期(灌水40 min 以內(nèi))在水平方向和垂直方向的運(yùn)移距離的增長趨勢相同，前期增長較快，后期逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。初期變幅分別為0.15～0.89 cm/min 和0.15～1.1 cm/min；灌水40 min 以后，流量為4 L/h 的濕潤峰水平運(yùn)移距離明顯大于3 L/h的，流量為3 L/h的濕潤峰水垂向運(yùn)移距離大于流量為4 L/h的。

由圖5可知，不同流量下的濕潤峰水平與垂直運(yùn)移距離與時(shí)間為冪函數(shù)關(guān)系，擬合參數(shù)見表5，擬合結(jié)果的判定系數(shù)(R2)均大于0.98，說明該擬合結(jié)果能夠較好的反映濕潤峰運(yùn)移距離與時(shí)間的關(guān)系。流量為4 L/h 的水平濕潤峰運(yùn)移指數(shù)均大于流量為3 L/h 的水平濕潤峰運(yùn)移指數(shù)，最大為0.273 7，對于濕潤峰運(yùn)移系數(shù)相差不大，在5.6～5.9 之間，最大值出現(xiàn)在流量為4 L/h的處理中為5.977 5；且流量為4 L/h的垂直濕潤峰運(yùn)移距離的指數(shù)均大于流量為3 L/h 的，最大為0.460 2；而流量為3 L/h 的垂直濕潤峰運(yùn)移距離的系數(shù)要大于流量為4 L/h 的，最大為2.755 6。

2.4.2 流量對邊壁濕潤峰垂向運(yùn)移規(guī)律的影響

不同流量下在限制入滲域邊壁的濕潤峰運(yùn)移變化情況見圖6，從圖6可以看出灌水120 min 時(shí)流量為4 L/h 的濕潤峰最先移動(dòng)到限制入滲域的邊壁，流量為3 L/h 的濕潤峰在隨后的10～20 min 內(nèi)到達(dá)限制入滲域邊壁。根據(jù)圖6可知各流量下濕潤峰變化趨勢大致相同，濕潤峰初到邊壁時(shí)，其移動(dòng)速率最大，且隨時(shí)間推移該移動(dòng)速率逐漸減小，后期在相對穩(wěn)定的最小值上下波動(dòng)。流量4 L/h 時(shí)濕潤峰運(yùn)移速率約為0.138 4 cm/min，流量為3 L/h 時(shí)濕潤峰運(yùn)移速率約為0.119 6 cm/min，顯然流量為4 L/h的濕潤峰運(yùn)移速率大于流量為3 L/h的，相差約15.70%，說明較大流量條件下水分下滲更快，由于灌水量是一定的，所以流量為4 L/h 時(shí)，在灌水期間保證水分不會深層滲漏的情況下，相比流量3 L/h 的情況可以更快地下滲到作物可吸收的土層范圍，可以更快達(dá)到后期水分再分布穩(wěn)定狀態(tài)。

3 討論

3.1 限制入滲域條件對濕潤體形狀及土壤含水量分布的影響

在灌水初期，限制入滲域條件對濕潤體形狀及大小影響非常小，濕潤體形狀近似為半橢球體[9-11]，且大小相近，這是因?yàn)橥寥浪衷诟鱾€(gè)水平方向入滲較為均勻[12]，而垂直入滲速率主要取決于兩個(gè)方面：灌水速率和土壤的入滲能力[13]，明顯灌水速率大于滲水能力，所以垂直入滲速率等于土壤的滲水能力，而表面形成積水，促進(jìn)了水分水平入滲，所以土壤水分的水平入滲大于垂直入滲，在剖面圖中呈現(xiàn)出半橢圓形，這與張振華等人研究的地表滴灌入滲深度[14]得出的結(jié)論明顯不一致，這是因?yàn)閮烧咴谕临|(zhì)、土壤入滲速率、試驗(yàn)條件不同，導(dǎo)致土壤入滲能力不同，因而影響到試驗(yàn)結(jié)果不同。在灌水后期，由于底部鋪棚膜制造出限制區(qū)域，水分入滲在限制區(qū)域內(nèi)入滲，使?jié)駶欝w形成不規(guī)則的柱狀。

限制入滲域條件影響了土壤水入滲，進(jìn)而影響到土壤水分的空間分布。在灌溉水到達(dá)邊壁之前，限制入滲域條件對土壤水分布無影響，在灌溉水運(yùn)移到限制入滲域邊壁后，水分停止水平入滲，被限制在一定范圍之內(nèi)，之后僅有垂直下滲。限制入滲域條件不僅改變了濕潤體形狀，還滯留了水分。停止灌水后，在土壤水分再分布階段，限制入滲域條件使水分僅在棚膜形成的區(qū)域以內(nèi)擴(kuò)散，致使水分不至于深層滲漏，在大田耕作中能有效提高灌溉水的利用效率，達(dá)到節(jié)約灌溉用水的目的。

表5 不同流量的水平與垂直濕潤峰運(yùn)移與時(shí)間關(guān)系的擬合參數(shù)Tab.5 Fitting parameters of vertical level wetting front and vertical downward wetting front migration distance with time under different flow rates

3.2 限制入滲域條件對濕潤峰運(yùn)移規(guī)律的影響

限制入滲域條件對濕潤峰的運(yùn)移的影響顯著。雖然在水平方向上，由于各個(gè)處理土壤和滴灌各方面條件相同，在灌水初期(＜120 min)限制入滲域條件對水平濕潤峰無影響，但是灌水時(shí)間大于120 min 后，土壤水停止水平運(yùn)移，這是因?yàn)橄拗迫霛B域條件底部鋪有棚膜阻止了水分水平運(yùn)移；在垂直方向上，無論較大流量還是較小流量，相比于常規(guī)條件，限制入滲域條件能有效減緩灌溉水在邊壁的入滲，入滲速率要明顯小于常規(guī)條件的入滲速率，能夠?qū)⑺珠L時(shí)間保存在植物可吸收范圍內(nèi)，減少水分深層滲漏?？赡苁且?yàn)榕锬ぶ饕煞謺r(shí)高分子聚合物，其本身具有疏水性，所以棚膜的疏水性對水分下滲產(chǎn)生了阻力。相比常規(guī)條件，限制入滲域條件下邊壁土壤水不僅受到土壤基質(zhì)吸力垂直向下的分力和自身重力，而且垂直向上方向還受到棚膜對它的阻力，導(dǎo)致土壤水下滲減慢，有效減少水分深層滲漏。

3.3 滴頭流量對濕潤峰運(yùn)移規(guī)律的影響

滴頭流量對濕潤峰的影響主要表現(xiàn)在灌水后期。雖然在灌水40 min 之前，由于入滲速率主要與土壤入滲能力有關(guān)，各處理入滲速率相近，使各處理水平濕潤峰和垂直濕潤峰運(yùn)移距離相差較小，但是在灌水40～120 min 時(shí)，由于較大流量產(chǎn)生積水大于較小流量，導(dǎo)致較大流量的水平濕潤峰運(yùn)移距離大于較小流量的，這與李思明、康紹忠[15]等人研究結(jié)果一致。對于限制入滲域條件下邊壁的土壤水分垂直入滲，由于此時(shí)土壤水下滲受到重力、基質(zhì)勢的作用，而大流量處理的濕潤峰水平運(yùn)移速率快，致使邊壁濕潤鋒處土壤水勢梯度較大，土壤水分運(yùn)移速度較快[16]，因此較大流量處理在灌水時(shí)期，邊界水分運(yùn)移速率大于小流量處理。較大流量的濕潤峰在垂直方向的運(yùn)移距離逐漸小于較小流量的垂直濕潤峰的運(yùn)移距離，主要由于灌水量一定時(shí)，較小流量的處理灌水時(shí)間長，所以當(dāng)較大流量處理停止灌水后，較小流量的處理還在繼續(xù)灌水，較大流量處理的土壤水分入滲速率逐漸減慢，較小流量處理的土壤水分垂直入滲速率不變。綜上所述，較小流量的條件更利于土壤水分垂直入滲[17]。

4 結(jié) 論

(1)限制入滲域條件下，滴灌濕潤體的形狀主要取決于限制入滲域條件，且對土壤含水率的分布有顯著影響，總體而言，限制入滲域條件能有效將土壤水控制在限制區(qū)域內(nèi)，保持土壤濕度。

(2)限制入滲域條件對邊壁濕潤峰影響非常顯著，棚膜能夠阻礙土壤水的下滲，減慢水分下滲速率，但是并不能阻止土壤水分入滲。相比滴頭流量為4 L/h的處理，流量為3 L/h時(shí)更有利于土壤水深層入滲。

(3)滴頭流量對灌溉水入滲及其水分再分布有較大的影響。灌水結(jié)束后，較小流量條件下，土壤水垂直運(yùn)移距離更大，并且經(jīng)過水分再分布，較大流量更能保持土壤水在限制入滲域范圍內(nèi)，減少水分深層滲漏。