間接地下滴灌土壤水分運移規(guī)律研究

曹 睿，賈生海，趙 霞，白有帥，許春娟，王艷萍

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學水利水電工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.民勤縣給排水管理站，甘肅 民勤 733300)

滴灌節(jié)水增產(chǎn)效果是當今世界上學者普遍認同的，也是當前農(nóng)業(yè)及林果業(yè)節(jié)水灌溉使用較多的一種灌溉方式[1- 4]。隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴大，滴灌時的地表棵間蒸發(fā)直接影響作物根系對水分的吸收利用。間接地下滴灌技術是在滴灌基礎上發(fā)展起來的新型節(jié)水灌溉技術，由地表滴灌系統(tǒng)和布設在滴頭下方的導水介質2部分組成，其優(yōu)點在于能把作物需要的水分快速導入根部附近。1997年Meshkat等提出的砂管灌是間接地下滴灌技術的起源，Meshkat等通過室內(nèi)實驗發(fā)現(xiàn)砂管灌可以明顯降低土壤地表蒸發(fā)[5]。2004年Yanni等以果樹為研究對象進行灌溉試驗研究，研究方法與Meshkat使用的相似，得出灌溉結束的14d內(nèi)，同一灌水量下垂直砂覆蓋灌比常規(guī)滴灌的灌水效果顯著[6]。國內(nèi)學者開展間接地下滴灌技術較晚，安巧霞等研究間接地下滴灌在不同流量下的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)濕潤體形狀近似橢圓體，同一灌水時間下，滴頭流量越大，濕潤體體積越大；同一灌水量下，滴頭流量越大，濕潤體體積越小[7]。李道西等通過室內(nèi)實驗，研究了灌水要素(灌水量和滴頭流量)對土壤水分運動的影響情況，發(fā)現(xiàn)同一灌水量下，滴頭流量增大，保水性差的砂土垂直方向濕潤鋒的運移明顯，而保水性較好的輕壤土水平方向上的運移更加明顯[8]。吳繼強等研究了大孔隙對土壤水分入滲特性的影響，發(fā)現(xiàn)大孔隙的連通性對土壤水分的優(yōu)先入滲起主要作用[9]。目前針對不同粒徑導水材料對土壤濕潤體情況的研究較少。鑒于此，本文通過對不同砂管粒徑下的土壤水分運移規(guī)律研究分析，結合灌水結束24h后的土壤含水率情況，以期獲得更好的數(shù)據(jù)為田間實驗提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗場地與裝置

室內(nèi)試驗場地為甘肅農(nóng)業(yè)大學工科樓土工實驗室，試驗在自制的有機玻璃箱中進行(圖1)，規(guī)格尺寸為120cm×55cm×75cm(長×寬×高)的長方體無蓋土箱。滴灌水源裝置為馬氏瓶，保證試驗所需的穩(wěn)定恒壓水源，通過引水管連接恒通量水管進行室內(nèi)實驗[10]。

圖1 試驗裝置圖(單位：cm)

1.2 試驗設計

試驗所用土樣取自民勤縣勤鋒林業(yè)試驗站棗樹基地，取回后風干，過2mm篩，分析實驗所用土壤粒徑得出試驗土樣為容重1.5g/cm3的沙壤土。將土樣按每層5cm厚夯入土箱中，導水裝置為砂管，制作時采用直徑為10cm的PVC管的一半作為邊界，扣到土箱邊，土樣裝滿土箱后將砂子裝入PVC管，裝填石英砂完畢后抽出PVC管形成砂管，砂管深度為20cm。試驗過程中使用秒表計時，按擬定時間間隔(3、10、30、60、120、180min)，用黑色記號筆在土箱上描繪出濕潤鋒位置，并且用鋼尺測量各個時刻水平濕潤鋒和垂直濕潤鋒的運移距離[11]。滴灌過程中以時間控制灌水量，當灌水時長達到3h時停止灌水。試驗砂采用3個粒徑，分別為1～2mm、2～3mm、3～5mm。處理情況見表1。土壤含水率使用烘箱烘干法測定，灌水結束24h后取土，取土時采用直徑1cm的土鉆，在導水裝置外圍沿水平方向每隔5cm設置一取樣點，每個點處垂直向下每隔5cm取樣，共計取樣80個。

表1 試驗方案

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Origin2018、Excel 2010、SURFER15.0軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 土壤中濕潤鋒的運移

2.1.1濕潤鋒的運移形狀

為了清晰準確的觀察濕潤體的形狀，將實測的濕潤鋒運移曲線表現(xiàn)在二維坐標系中[12- 13]。本試驗中3個處理的灌水時間和灌水量相同，因此對濕潤鋒形狀的影響基本相似，故選擇其中1個處理繪圖并進行分析，如圖2所示即為T2處理所對應的濕潤鋒運移曲線。觀察圖2可以發(fā)現(xiàn)，T2處理下濕潤鋒的形狀近似表現(xiàn)為橢球體，這是由于均質土壤各向同性的特點，所以呈現(xiàn)出左右基本對稱的現(xiàn)象。水平方向及垂直方向上的濕潤鋒隨著灌水時間的增加而逐漸增大。灌水初期，水平方向濕潤鋒的運移距離大于垂直方向。隨著灌水時間的增加，在y方向上，濕潤鋒垂直向下的運移距離要大于垂直向上的運移距離[14]。灌水結束后，4個方向中運移距離最大的是水平方向，運移距離最小的是垂直向上方向，這是垂直向上方向上水自身的重力與土壤吸力共同作用的結果。灌水結束的24h中濕潤鋒運移較灌水時明顯減緩，運移距離較小，24h后垂直向下方向的總運移距離大于水平方向[15]。

圖2 土壤濕潤鋒的運移

2.1.2濕潤鋒運移距離隨時間變化情況

如圖3—4所示是濕潤鋒運移距離隨時間變化的情況。開始灌水時，土壤中含水率較低，土壤入滲能力大，入滲速度快。隨著灌水的增加，土壤中水分不斷積累，土壤中含水率提高，入滲能力較灌水初期減弱，入滲速度減緩。入滲初期，水平方向的入滲速度快，入滲距離比垂直向下的入滲距離大，這是由于灌水初期，土壤水受到的土壤的持水作用大于重力產(chǎn)生的作用，即土壤基質的吸附力和毛管力產(chǎn)生的勢能大于重力產(chǎn)生的勢能。隨著入滲的進行，濕潤鋒在水平方向的運移距離依然大于垂直向下方向上的運移距離[16]，這是土壤容重與流速共同影響的結果，本文所用土壤屬于質地比較粗的沙壤土，容重越大，土壤非飽和導水能力越大，濕潤鋒在水平方向上的運移就會越快；此外流速也是影響因素之一，當流速大于土壤入滲能力時，豎直向下方向的入滲變慢，地表積水會引起水平運移距離的增大。

由圖3可以看出，土壤容重、初始含水率、灌水量相同，導水裝置所用材料中粒徑為2～3mm的砂子產(chǎn)生的水平運移距離大于砂子粒徑為1～2mm和3～5mm的運移距離。圖4中各個處理下的運移距離差異不明顯，灌水結束后入滲距離最大的是T2處理，即導水裝置砂子粒徑為2～3mm。這是由于粒徑小的砂子滲透系數(shù)小，入滲慢，運移距離小，而粒徑較大的砂子，初始入滲較快，但會在砂管底層與土壤的交界處出現(xiàn)積水，向下的入滲距離較T2處理小。對水平入滲距離(x)、豎向入滲距離(y)與灌水時間(t)進行擬合，見表2。由表2可以看出濕潤鋒水平、豎向入滲距離與灌水時間均存在著顯著的二次函數(shù)關系，決定系數(shù)(R2)均大于0.97。因此當土壤基本性質已知，流量固定的情況下，可以通過灌水時間來確定濕潤鋒各個方向運移的距離，從而達到精準灌溉的目的。

圖3 濕潤鋒水平入滲距離變化過程

圖4 濕潤鋒豎向入滲距離變化過程

2.2 灌溉停止后濕潤體的變化規(guī)律

灌水結束后，地表積水慢慢消失，土壤入滲過程接近結束，但由于濕潤體內(nèi)部及濕潤體與周圍土壤之間存在著水勢梯度，土壤水分的運移并沒有結束，即土壤水分進入再分布階段，濕潤體會繼續(xù)擴散，在水平方向和豎直方向上均有所增加，土壤水的再分布過程是非飽和狀態(tài)下的土壤水分運動，最后會趨于平穩(wěn)[17]。滴灌結束后24h濕潤體尺寸的變化見表3。

表3 滴灌停止后濕潤體尺寸的變化

分析表3中數(shù)據(jù)可得：灌水結束的24h內(nèi)，濕潤體運移距離變化較明顯。水平方向上的平均相對變化值為21.9%，垂直方向上的平均相對變化值為29.8%，比水平方向上的擴散變化大7.9%。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是土壤水分的再分布過程中，在垂直方向受土壤基質(固體)的毛管力和吸附力與重力共同作用，而在水平方向上僅受土壤基質的吸附力和毛管力作用[18]，所以再分布過程垂直方向上的運移速率比水平方向的大，這也是濕潤體呈半橢球狀的原因之一。

2.3 土壤含水率的分布規(guī)律

如圖5所示為不同處理灌水24h后土壤含水率的變化情況。由于導水材料粒徑不同，3種處理的含水率分布有明顯的差異。間接地下滴灌下水分從導水材料底部及邊界向周圍入滲，隨著入滲的進行砂管底部及邊界的水分接近飽和，水分就會向更深處入滲。灌水結束24h后，在水平方向上，距離滴頭越近，含水率越高，距離滴頭越遠，含水率越低；在垂直方向上，含水率自上而下先增大后減小。

表2 濕潤鋒運移距離的擬合方程參數(shù)

圖5 灌水結束24h后土壤含水率變化的影響

從圖5可以看出，在導水材料粒徑為1～2mm的條件下，土壤最大含水率出現(xiàn)在圖5(a)中坐標(5，-25)處，即砂管底部以下5m處，最大含水率為10.89%；在導水材料粒徑為2～3mm的條件下，土壤最大含水率出現(xiàn)在圖5(b)中坐標(5，-25)處，和T1處理一致，最大含水率為11.07%；在導水材料粒徑為3～5mm的條件下，土壤最大含水率出現(xiàn)在圖5(c)中坐標(5，-20)處，即砂管的底部，最大含水率為9.31%[19]。

結果表明，3種不同粒徑導水材料中，土壤整體含水率最大的為T2處理，即砂子粒徑為2～3mm的處理。

3 結論

(1)不同粒徑下濕潤鋒運移形狀基本呈橢球體狀，水平及垂直方向上濕潤鋒隨著灌水時間的增加而增大。灌水結束24h后，水平方向上滴頭處含水率最大，距離滴頭越遠含水率越??；垂直方向上含水率先增大后減小，最大含水率均出現(xiàn)在地表以下20～25cm中。

(2)砂子粒徑為1～2mm時，出現(xiàn)地表積水，在干旱地區(qū)推廣會增大蒸發(fā)；砂子粒徑為3～5mm時，砂礫空隙太大，入滲不均勻，通氣管內(nèi)氣性太大，增大蒸發(fā)；砂子粒徑為2～3mm時，入滲達到了作物主要根系層，蒸發(fā)小，含水率高，因此選擇2～3mm的砂子，以更好地指導河西地區(qū)的實際生產(chǎn)。