葡萄分層地下滴灌滴頭布設(shè)深度優(yōu)化

杜一超，蔡耀輝，張林,3,，朱德蘭，張光弟，李玉鼎，賈毅男，吳勇

(1. 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；4. 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，陜西 楊凌 712100；5. 寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021；6. 全國農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心，北京 100026)

葡萄在中國果樹生產(chǎn)中占據(jù)重要地位，由于適應(yīng)性強、用途多、產(chǎn)量和經(jīng)濟效益高等優(yōu)點，與其他果樹相比，葡萄更易實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化.寧夏賀蘭山東麓葡萄產(chǎn)區(qū)被認(rèn)為是中國釀酒葡萄生產(chǎn)最適宜的原料產(chǎn)區(qū)之一[1].陜西關(guān)中地區(qū)是中國鮮食葡萄的主要產(chǎn)區(qū)之一，種植面積大、產(chǎn)量高、品質(zhì)好.葡萄根系十分發(fā)達(dá)，由于目前常用的地表滴灌方式難以使土壤濕潤區(qū)和根系相匹配，使得水肥利用率大幅下降，且易導(dǎo)致樹體越冬抗寒性能下降.

灌溉濕潤區(qū)較深的地下滴灌可使葡萄根系吸收充足水分[2].地下滴灌相比于其他地面灌溉方式，可將水分和養(yǎng)分直接輸送到作物根區(qū)，提高節(jié)水效率，同時還具有增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)以及提高特殊生境樹體越冬性能的效果[3].目前地下滴灌研究內(nèi)容主要集中在地下滴灌合理布設(shè)參數(shù)以及灌溉制度的確立、對土壤水鹽分布以及作物產(chǎn)量的影響等方面[4-5].與地面滴灌相比，地下滴灌可使葡萄產(chǎn)量提高9%～12%，水分利用效率提高9%～11%[6].盡管地下滴灌具有良好的節(jié)水增產(chǎn)能力，但其在葡萄灌溉中的大規(guī)模應(yīng)用仍存在一些不足，主要原因在于：葡萄根系在幼齡期和成齡期的分布有很大差異，而常規(guī)的地下滴灌難以適應(yīng)不同樹齡期的葡萄根系對于水分的需求.

為實現(xiàn)這一目標(biāo)，一些研究者提出了一種新型的地下滴灌模式——分層地下滴灌系統(tǒng)，即在土層的不同深度分別埋設(shè)2條滴灌帶，通過改變2條滴灌帶間的水分分配來適應(yīng)不同生育期作物根系對于水肥的不同需求[7].但如何合理地確定分層地下滴灌滴頭的布設(shè)參數(shù)仍需要進(jìn)一步的探究.地下滴灌帶埋深的確定受到作物、土壤以及氣候特征的影響[8].數(shù)值模擬是了解灌溉過程中水分運移的方法之一，HYDRUS-2D是一款用于模擬飽和-非飽和介質(zhì)中水、熱以及溶質(zhì)運移的軟件，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用并且具有較高的準(zhǔn)確性[9].目前對于地下滴灌的數(shù)值模擬多集中在單點源條件下各技術(shù)要素對于濕潤體特征以及水分分布的影響，分層地下滴灌作為一種新型地下滴灌模式，對其土壤水分運動的研究鮮見報道.

文中擬利用HYDRUS-2D軟件建立分層地下滴灌條件下土壤水分分布數(shù)值模型.在此基礎(chǔ)上，分析分層地下滴灌不同布設(shè)參數(shù)對于土壤水分分布的影響，同時進(jìn)行根系和水分匹配效果的評價，以期為分層地下滴灌在陜西關(guān)中及寧夏賀蘭山東麓葡萄產(chǎn)區(qū)的應(yīng)用提供技術(shù)參考.

1 材料與方法

1.1 室內(nèi)土箱試驗

1.1.1 試驗裝置與土壤

試驗在西北農(nóng)林科技大學(xué)中國旱區(qū)節(jié)水研究院灌溉水力學(xué)大廳進(jìn)行.試驗裝置分為供水裝置、測量裝置和土箱3個部分，如圖1所示.土箱由有機玻璃制成，尺寸為45 cm×45 cm×75 cm(長×寬×高).入滲過程中土壤含水率的變化采用美國Decagon公司生產(chǎn)的EM50土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測.滴頭埋置在土箱一角，以模擬實際大田中1/4的土壤水分運移情況，采用水箱供水，用水泵控制10 m恒壓水頭，滴灌帶選用以色列Netafim公司生產(chǎn)的PC16150FL地下滴灌帶，滴頭流量為1.0 L/h，灌水時長3 h.

圖1 試驗裝置示意圖(單位：cm)

試驗土壤分別取自陜西扶風(fēng)葡萄園區(qū)和寧夏賀蘭山東麓玉泉營葡萄園區(qū)，經(jīng)自然風(fēng)干后碾壓、粉碎過2 mm篩后混合均勻制成試驗土樣備用，土壤的顆粒組成由英國馬爾文儀器有限公司生產(chǎn)的馬爾文激光粒度分析儀MS2000測定；采用環(huán)刀法測定田間持水率.按美國農(nóng)業(yè)部土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)，陜西扶風(fēng)葡萄園區(qū)土壤屬于粉壤土，寧夏賀蘭山東麓玉泉營葡萄產(chǎn)區(qū)土壤質(zhì)地為砂壤土.其物理特性如表1所示，其中ρb為土壤容重，θFC為田間持水量，σ為各粒徑d的質(zhì)量分?jǐn)?shù).

表1 試驗土壤的物理特性

1.1.2 測定方法與內(nèi)容

試驗設(shè)計了3組不同的滴頭布設(shè)深度：① 15 cm和55 cm；② 25 cm和55 cm；③ 25 cm和45 cm.試驗用土按設(shè)計容重1.35 g/cm3填入土箱，每層5 cm，層間打毛，土壤初始含水率為0.14 cm3/cm3，自然沉降24 h后開始試驗.入滲開始后，用秒表計時，并按照先密后疏的原則在土箱玻璃外壁描繪出不同時刻對應(yīng)的濕潤鋒；采用EM50實時記錄土壤不同樣點含水率的變化情況.

1.2 HYDRUS數(shù)值模擬

1.2.1 數(shù)學(xué)模型建立

使用HYDRUS-2D軟件模擬分層地下滴灌的水分入滲，假設(shè)土壤是均勻且各向同性的，兩個滴頭看作是球形水源，入滲過程中的水運動可以簡化為二維軸對稱入滲過程，該流動方程用Richards方程描述[10]，由Glerkin有限網(wǎng)格法求解，即

(1)

式中：θ為體積含水率，cm3/cm3；t為入滲時間，min；r，z為徑向坐標(biāo)和垂向坐標(biāo)(向下為正)，cm；h為基質(zhì)勢，cm；K(h)為非飽和土壤導(dǎo)水率，cm/min.

土壤基質(zhì)勢h、非飽和土壤導(dǎo)水率K(h)和含水率的關(guān)系用Van Genuchten-Mualem模型描述[11]為

(2)

(3)

式中：θr，θs為殘余土壤含水率和飽和土壤含水率，cm3/cm3；Ks為土壤飽和導(dǎo)水率，cm/min；Se為相對飽和度；m，n，α為經(jīng)驗擬合參數(shù)，其中m=1-1/n.

1.2.2 土壤水力特征參數(shù)反演

關(guān)中地區(qū)葡萄園土壤參數(shù)采用滴頭埋設(shè)深度15 cm和55 cm的實測含水率作為反演數(shù)據(jù)進(jìn)行推求.基于土壤顆粒分布和容重，采用HYDRUS-2D中Rosetta傳遞函數(shù)得到的土壤水力參數(shù)作為反演的初始值，將θr和θs作為已知值，結(jié)合室內(nèi)試驗中測得的土壤含水率對α，n和Ks這3個參數(shù)進(jìn)行反演.

寧夏地區(qū)其土壤水分特征參數(shù)采用Rosetta傳遞函數(shù)由容重和顆粒分布直接得出，具體如表2所示.

表2 土壤水力特征參數(shù)值

1.2.3 初始和邊界條件

模型模擬區(qū)域如圖2所示，模擬區(qū)域?qū)挾萀x=45 cm，深度Lz=80 cm，滴灌帶滴頭用弧線段BCD和EFG表示，滴頭半徑r=1 cm.模擬區(qū)域使用三角形單元進(jìn)行劃分，滴頭處進(jìn)行加密處理.文中假定當(dāng)土壤含水率降低至60%田間持水率(60%θFC)時開始灌水，故對于關(guān)中地區(qū)粉壤土初始含水率設(shè)置為0.14 cm3/cm3，對于寧夏淡灰鈣土，初始含水率設(shè)置為0.11 cm3/cm3.

圖2 模型模擬區(qū)域示意圖

模擬區(qū)域上邊界AN為大氣邊界，結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H，關(guān)中地區(qū)水分蒸發(fā)強度取2.7×10-4cm/min，寧夏地區(qū)水分蒸發(fā)強度取4.2×10-4cm/min.滴灌帶滴頭(弧線段BCD和EFG)設(shè)為變流量邊界，水流通量q按照滴頭流量除以滴頭接觸面積計算[12].當(dāng)?shù)晤^流量為1 L/h時，其通量為1.33 cm/min，當(dāng)?shù)晤^流量為2 L/h時，其通量為2.65 cm/min，模擬區(qū)域中AB，DE，GH以及MN段都設(shè)置為零通量邊界，HM段設(shè)為自由排水邊界，粉壤土質(zhì)下模擬總時長36 h、砂壤土模擬總時長24 h.

1.2.4 模擬處理

文中主要的研究目的是探究分層地下滴灌在關(guān)中及寧夏地區(qū)葡萄園的合理布設(shè)深度，結(jié)合成齡葡萄的根系分布，設(shè)置了17種處理如表3所示，表中H為滴頭埋深，Hq為淺層滴頭埋深，Hs為深層滴頭埋深，Q為滴頭流量，T為灌水時長，θ0為初始含水率.因關(guān)中地區(qū)葡萄根系相對較淺，設(shè)置3組單層地下滴灌處理作為對照.其中T1，T2為驗證處理，M1-M6為粉壤土下分層地下滴灌處理，C1-C3為粉壤土單點源地下滴灌處理，N1-N6為砂壤土下分層地下滴灌處理.

表3 數(shù)值模擬的不同處理

1.3 根系與水分匹配評價

文中提出“根水匹配度”這一量值，代表灌水后形成的濕潤體分布與葡萄果樹根系分布在0～80 cm土層的匹配程度，用y表示，計算公式為

(4)

式中：f(l)，g(l)分別為濕潤體和葡萄根系在0～80 cm土層的概率密度分布函數(shù).y值越大，說明灌水形成濕潤體在0～80 cm土層與果樹根系的匹配度越高.

1.4 誤差分析

采用均方根誤差RMSE、平均絕對誤差MAE和納什效率系數(shù)NSE對可靠性進(jìn)行評價，計算公式為

(5)

(6)

(7)

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)值模擬驗證結(jié)果

模擬得到的含水率數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)驗證如圖3所示.結(jié)果表明：2種工況下含水率的模擬值與實測值的RMSE值和MAE值小于0.03 cm3/cm3，NSE均大于0.9.反演得到的土壤水力參數(shù)具有較高的可靠性.因此，采用HYDRUS-2D可以較好地模擬分層地下滴灌條件下滴頭埋深對土壤水分運移的影響.

圖3 驗證工況下模擬值與實測值對比

2.2 不同布設(shè)參數(shù)下的土壤水分分布

灌水開始后，灌溉水經(jīng)由滴頭入滲至土壤，灌水完成并經(jīng)過再分布后，水分在各個方向的運移基本停止，水分分布達(dá)到穩(wěn)定.對于砂壤土而言，由于持水能力較差，水分?jǐn)U散速度快，相同時間內(nèi)形成濕潤體體積略大于粉壤土，但濕潤體內(nèi)部水分的分布規(guī)律與粉壤土類似，在此只以粉壤土為例進(jìn)行介紹.圖4為分層地下滴灌條件下粉壤土中不同滴頭布設(shè)參數(shù)的水分分布情況，圖中φ為水勢梯度.將入滲過程分為2個階段，在濕潤體發(fā)生交匯前，水分入滲規(guī)律與單點源地下滴灌土壤水分入滲相似；交匯發(fā)生后，濕潤體合二為一，交匯處含水率并未因濕潤體的交匯而增大，反而與濕潤體輪廓邊緣處的含水率沒有明顯差別，這是因為盡管濕潤體的交匯使得交匯處含水量增加，但由于交匯處與周圍土壤存在較大的水勢梯度，促使水分很快借助土壤吸力繼續(xù)運移.對比處理M1,M2和處理M3，隨著2組滴頭間距的增大，完成濕潤體交匯所需的時間越長，分別為60，150，270 min.

圖4 粉壤土中不同滴頭布設(shè)下的土壤水分分布

再分布結(jié)束后，對粉壤土和砂壤土這2種土質(zhì)不同滴頭布設(shè)參數(shù)下濕潤體內(nèi)部水分分布進(jìn)行分析和計算，各含水率區(qū)間內(nèi)濕潤體體積與濕潤體總體積的比值ξ如圖5所示.結(jié)合李波等[13]研究所得結(jié)論，將濕潤體內(nèi)含水率處于60%θFC～85%θFC的水分區(qū)間視為分層地下滴灌葡萄水分管理的最佳土壤含水率區(qū)間.結(jié)合圖5可知，濕潤體內(nèi)部處于最佳含水率區(qū)間60%θFC～85%θFC內(nèi)的土壤體積隨分層地下滴灌2組滴頭埋深間距的增大而增大，相較于粉壤土，這一趨勢在砂壤土中更加明顯.因此，從提高土壤水分有效性的角度出發(fā)，可以適當(dāng)增大2組滴頭埋設(shè)的間距.

圖5 再分布結(jié)束后濕潤體內(nèi)水分分布

表4為不同處理灌溉水對應(yīng)的蒸發(fā)損失E、深層滲漏S和總損失C，表中Em,Sm和Cm為對應(yīng)的水分損失量，Er,Sr和Cr為對應(yīng)水分損失量占總灌水量的比值.對于粉壤土和砂壤土，不同處理下水分的蒸發(fā)損失E均隨著淺層滴頭埋深的增大而減小.以粉壤土為例，對比處理M1和處理M4，當(dāng)淺層滴頭埋深增加10 cm時，蒸發(fā)損失率Er降低了2.03%，深層滴頭對于水分蒸發(fā)損失的影響較小，土壤水分蒸發(fā)的快慢和多少主要取決于0～5 cm土層的水分含量[14]，分析處理M1和處理M4的水分入滲過程，對于處理M1，在灌水進(jìn)行到20 min時，表層5 cm處含水率已經(jīng)開始增加，而處理M4中灌水進(jìn)行150 min后才出現(xiàn)增加.當(dāng)灌水結(jié)束后，處理M1土壤表層5 cm處含水率已經(jīng)達(dá)到0.43 cm3/cm3，高于處理M4中的0.35 cm3/cm3.深層滴頭埋深影響土壤水分的深層滲漏過程，對比處理M1,M2和M3，當(dāng)深層滴頭埋深從45 cm增加到65 cm時，滲漏損失率Sr從0.03%增加至2.14%.

結(jié)合表4可以看出，相對于粉壤土，砂壤土的深層滲漏占據(jù)了水分綜合損失中的主要部分，這是由于砂壤土中土壤顆粒間孔隙越大，對于水分的吸附力降低，導(dǎo)致單位勢梯度下的水分通量增大[15].對于關(guān)中地區(qū)粉壤土，當(dāng)?shù)晤^埋深為25 cm和45 cm時，水分總損失最??；對于砂壤土而言，滴頭埋深為15 cm和45 cm時，水分綜合損失最小，可以較好地避免水分的無效消耗.

表4 不同處理下土壤水分的蒸發(fā)、深層滲漏以及綜合損失

2.3 根系匹配效果評價

提高土壤濕潤體與根系的匹配程度對于滴灌系統(tǒng)實現(xiàn)優(yōu)化運行以及提升經(jīng)濟效益具有重要意義.文中采用的根系數(shù)據(jù)均來源于文獻(xiàn)[16-17].關(guān)中地區(qū)和寧夏賀蘭山東麓玉泉營產(chǎn)區(qū)成齡葡萄果樹應(yīng)用分層地下滴灌的根系匹配效果如圖6所示.

圖6 不同地區(qū)不同滴頭布設(shè)深度下的根水匹配度

對于關(guān)中地區(qū)而言，葡萄根系主要集中在0～40 cm的土層，占80 cm土層內(nèi)根系總量的88.7%，當(dāng)采用分層地下滴灌且滴頭埋設(shè)分別為15 cm和45 cm時y值達(dá)到最大值1.70，且y值隨著2條滴灌帶埋深的增加而減小.而當(dāng)采用單層地下滴灌，滴頭埋深分別為10,20,30 cm時，y值則分別達(dá)到10.00，4.35和2.08.故對于根系分布較淺的關(guān)中葡萄產(chǎn)區(qū)，使用單層地下滴灌且滴頭埋深為10 cm時濕潤體與根系的匹配效果最佳.相較于關(guān)中地區(qū)，寧夏賀蘭山東麓玉泉營產(chǎn)區(qū)葡萄根系在0～80 cm內(nèi)均有分布，且集中在0～60 cm土層中.結(jié)合圖6可知，對于寧夏賀蘭山地區(qū)，當(dāng)?shù)晤^布設(shè)深度為15 cm和45 cm時，濕潤體與葡萄根系在土層中分布最為接近，匹配效果最佳.

3 結(jié) 論

1) 對分層地下滴灌不同滴頭布設(shè)深度在2種土壤的土壤水分運動進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明：滴頭的布設(shè)深度直接影響了土壤水分分布.土壤水分再分布完成后，2種土質(zhì)下濕潤體內(nèi)部處于最佳含水率區(qū)間的土壤體積隨2組滴頭間距的增加而增大.不同處理下水分的蒸發(fā)損失隨淺層滴頭埋深的減小而增大，而水分的深層滲漏則主要受深層滴頭埋深的影響.因此，可適當(dāng)?shù)卣{(diào)整分層地下滴灌滴頭的布設(shè)參數(shù)以避免水分的無效消耗.

2) 從提高水分利用效率的角度出發(fā)，綜合考慮減小水分無效損失、提高濕潤體對根系的匹配效果，建議關(guān)中地區(qū)葡萄應(yīng)用單層地下滴灌且埋深為20 cm為宜；寧夏賀蘭山東麓玉泉營葡萄產(chǎn)區(qū)應(yīng)用分層地下滴灌且最佳布設(shè)深度為15 cm和45 cm.