秸稈地下灌溉土壤水熱分布規(guī)律試驗(yàn)研究

宰松梅，羅 昕，仵 峰，張夢(mèng)瑤，王浩宇，劉生東，高 浩

（1.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450046； 2.河南省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450046）

調(diào)節(jié)農(nóng)田的水肥氣熱，創(chuàng)造有利于作物生長的田間微環(huán)境是農(nóng)田水利學(xué)科的主要任務(wù)之一。 利用灌溉調(diào)節(jié)農(nóng)田水分的研究眾多，近年來，從初期補(bǔ)充土壤水分不足的抗旱到提高水分效率的非充分灌溉，從單一的水分管理轉(zhuǎn)向水、肥、氣、熱聯(lián)合調(diào)節(jié)，尤其是水熱調(diào)控正成為新的研究熱點(diǎn)［1-3］。 土壤水熱條件是農(nóng)作物生長所必須的環(huán)境因素，其水熱變化可以直接影響土壤的呼吸［4-5］和作物對(duì)養(yǎng)分的吸收［6-7］等，除自然因素（氣 候、土 壤） 外［8-9］，耕 作 方 式［10］、 秸 稈 還 田 方式［11-12］和灌溉技術(shù)及其管理水平［13-14］等均可影響土壤中水熱的變化規(guī)律。

土壤溫度的分布與氣溫和土壤水分分布有密切的關(guān)系［15-17］，研究表明，0 ～35 cm 各層次土壤溫度均顯著響應(yīng)氣溫變化［18-20］。 灌水后土壤溫度分布狀況受土壤水分分布狀況的影響［21］，土壤溫度變化范圍與土壤含水率變化范圍相似，秸稈復(fù)合管地下單位管長灌溉灌水量為25 L／m 時(shí)，地表下0 ～50 cm 土層的土壤溫度普遍降低，灌水6 h 后土壤溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，變化速度相對(duì)較慢；灌水量為15 L／m 時(shí)，地表下10 ～35 cm 土層的土壤溫度會(huì)降低，且灌水3 h 后土壤溫度就達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，變化速度相對(duì)較快［22-23］，但無論是灌水前還是灌水后，都存在深層土壤相對(duì)淺層土壤溫度變化明顯的滯后［24］。 滴灌條件下，適當(dāng)增大灌水量有利于減輕冬小麥開花灌漿期的高溫危害［25-26］，果園滲灌5～20 cm各土層的地溫均高于漫灌后的，可以為果樹生長創(chuàng)造較好的溫度條件［27-29］。

秸稈地下灌溉是一種以秸稈復(fù)合管為核心，集秸稈還田與地下灌溉于一體的新型灌水方法［30-31］。 秸稈復(fù)合管是以土壤、玉米秸稈以及水混合經(jīng)過秸稈復(fù)合管成型機(jī)擠壓成型的田間毛管，已研發(fā)了以玉米秸稈為主要材料（秸稈摻量占復(fù)合管質(zhì)量的5%～9%），與土壤摻混均勻，并在一定的含水率（質(zhì)量含水量18%～24%）條件下擠壓成秸稈復(fù)合管。 在0.25 m 工作壓力下，秸稈復(fù)合管在空氣中自由滲水速率為1.40～20 L／（m·h）。 田間小區(qū)試驗(yàn)表明，秸稈摻量在5%～7%時(shí)，秸稈復(fù)合管的灌水均勻度可達(dá)80%，基本上可滿足灌溉需求［30-31］。 這樣既實(shí)現(xiàn)了秸稈固廢資源化利用，又為農(nóng)業(yè)節(jié)水提供一條新途徑，前景看好。

土壤水熱分布規(guī)律研究是評(píng)價(jià)各類灌水技術(shù)應(yīng)用效果的主要理論基礎(chǔ)。 目前秸稈地下灌溉還處于萌芽階段，秸稈地下灌溉的水熱運(yùn)動(dòng)規(guī)律如何、可否借鑒地下滴灌或滲灌的研究成果等一系列問題亟待解決。 針對(duì)秸稈地下灌溉對(duì)土壤含水率和溫度的影響這一研究空白，筆者通過田間定位監(jiān)測方法，研究利用秸稈復(fù)合管進(jìn)行地下灌溉時(shí)土壤的水熱變化規(guī)律，以期完善相關(guān)的理論體系，為該技術(shù)的成熟與應(yīng)用提供理論支持。

1 材料與方法

本試驗(yàn)研究于2020年10月至2021年6月在河南省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室位于華北水利水電大學(xué)的試驗(yàn)大田內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)地屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，多年平均降水量為637.1 mm。 試驗(yàn)期間平均溫度為14.3 ℃，降水量115.4 mm。 田間灌水試驗(yàn)小區(qū)寬7.0 m、長84 m，南高北低、坡度為0.463%，土壤為砂壤土，干容重為1.4 g／cm3、有機(jī)質(zhì)含量為5.45 g／kg、全氮含 量 為0.33 g／kg、pH 值 為6.31、田間持 水 量 為24.7%。 試驗(yàn)所用秸稈復(fù)合管由試驗(yàn)場當(dāng)年種植的玉米秸稈現(xiàn)場制作而成［32］，平均穩(wěn)定滲水速率12.86 L／（m·h）。 2020年10月1—7 日人工開溝鋪設(shè)秸稈復(fù)合管，其布置間距為1.0 m、埋深0.2 m，單根秸稈復(fù)合管最大鋪設(shè)長度為80 m；10月17 日種植小麥，品種為豫麥69，垂直于秸稈復(fù)合管條播。

為監(jiān)測秸稈復(fù)合管周圍土壤的水分和溫度變化，在秸稈復(fù)合管的首部、中部及尾部設(shè)置3 個(gè)剖面，分別在地表下20、35、50 cm 且距離秸稈復(fù)合管軸線水平距離0、15、30 cm 處布置監(jiān)測點(diǎn)，每個(gè)剖面共布置9 個(gè)型號(hào)為RS-XZJ-100-Y-G 的傳感器，傳感器布置形式見圖1。 實(shí)時(shí)監(jiān)測各測點(diǎn)的溫度和土壤含水率，傳感器每1 h采集一次數(shù)據(jù)，每7 d 對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步匯總和處理；同時(shí)，在試驗(yàn)田地表放置一個(gè)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測氣溫。

圖1 傳感器田間布置示意（單位：cm）

灌水采用恒壓供水、定量灌溉的方法。 工作壓力均為0.5 m，設(shè)計(jì)2 個(gè)灌水量，分別為單位管長灌水量15、25 L／m，折合單位面積灌水量分別為150、250 m3／hm2。 試驗(yàn)時(shí)用自記水表記錄單位時(shí)間的灌水量和灌水總量。 冬小麥生育期共進(jìn)行3次灌水，分別在2020年12月9 日、2021年3月29 日和2021年5月4 日，每次灌水時(shí)間為4 h 左右。

根據(jù)定位監(jiān)測數(shù)據(jù)，分別對(duì)灌水前和灌水1 h、3 h及停灌后2 h、20 h、3 d、7 d、21 d 的土壤水分和溫度進(jìn)行分析。 采用SPSS 25（IBM SPSS Statistics 25）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差計(jì)算，采用Duncan 多重檢驗(yàn)法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，采用Origin 2018 進(jìn)行制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 灌水后土壤水熱變化情況

2.1.1 土壤含水率變化情況

受文章篇幅所限，在此僅對(duì)第二次灌水、灌水量為25 L／m處理進(jìn)行分析。 2021年3月29 日灌水前后不同時(shí)段秸稈復(fù)合管首部和尾部土壤剖面含水率變化情 況見圖2。

圖2 灌水后不同時(shí)段秸稈復(fù)合管首部和尾部土壤剖面含水率變化情況

由圖2（a）可以看出，灌水前秸稈復(fù)合管首部土壤含水率分布層次明顯，從地表向下呈現(xiàn)高—低—高的分布，以秸稈復(fù)合管所在土層含水率最低，造成這種現(xiàn)象的主要原因是地表下20～30 cm 土層是小麥根系的主要活動(dòng)區(qū)，作物的水分消耗以此區(qū)域?yàn)橹鳌?此外，秸稈復(fù)合管是與土壤同質(zhì)的中空管道，加速了其周圍水分的散失。

開始灌水1 h 時(shí)，地表出現(xiàn)明顯的濕潤，地下以秸稈復(fù)合管為中心，形成上窄下寬的橢圓形濕潤鋒，此時(shí)水分以向下入滲為主，管下土壤含水率迅速升高。 灌水3 h 時(shí)，管周圍土層的含水率處于飽和狀態(tài)，地表濕潤范圍擴(kuò)大，水分在土壤中再分布，以向下運(yùn)移和側(cè)向入滲為主，土壤水分向下運(yùn)移深度超過50 cm。

停灌后2 h，水分以側(cè)向再分布為主，此時(shí)的土壤含水率呈現(xiàn)出隨著土層深度的增加而增大的狀態(tài)。 隨著地表淺層土壤水分的蒸發(fā)和深層土壤水分的再分布，停灌后20 h，土壤水基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，在地表蒸發(fā)和作物吸收的作用下，表層土壤水分隨時(shí)間的增加越來越少，但深度為40 cm 上下的土壤含水率一直略高于灌水前。 直到灌水后21 d，土壤剖面含水率基本降至灌水前狀態(tài)。

由圖2（b）可以看出，開灌1 h 時(shí)水流已到達(dá)管尾，且管尾浸潤范圍明顯比首部［見圖2（a）］浸潤范圍大，造成這種現(xiàn)象的主要原因是水流到達(dá)管尾后水分在管尾聚集。 灌水1 ～3 h，土壤水分處于再分布初期，隨著水分向含水率低的土層運(yùn)移，管周圍土壤含水率呈降低趨勢(shì)。 停灌后2～20 h，雖然土壤水分仍處于再分布階段，但由于灌水量較小，因此秸稈復(fù)合管周圍土壤水分變化不大。 停灌后20 h，土壤水分逐漸均勻。

管首處和管尾處的土壤水分分布情況大致相同，但管首處的平均土壤含水率明顯低于管尾處的；相比管首處，管尾處的土壤水分穩(wěn)定得較慢。 由于地形坡度以及管尾截流，存于管尾的水多于管首，所以土壤水分變化的范圍大，達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間長。

2.1.2 土壤溫度變化情況

對(duì)應(yīng)圖2 相應(yīng)變化，第二次灌水后秸稈復(fù)合管首部和尾部的土壤剖面溫度變化情況見圖3。

圖3 灌水后不同時(shí)段秸稈復(fù)合首部和管尾部土壤剖面溫度變化情況

由圖3（a）可知，灌水前秸稈復(fù)合管首部埋管溝內(nèi)的土壤溫度高于溝外的土壤溫度，呈現(xiàn)以秸稈復(fù)合管為圓心的橢圓形溫度遞減區(qū)域，原因可能是灌水前管內(nèi)空氣與大氣連通，而白天氣溫高于土壤溫度，通過秸稈復(fù)合管內(nèi)空氣對(duì)流等作用，致使秸稈復(fù)合管周圍的土壤溫度高于其他位置的土壤溫度。

灌水1 h 時(shí)，土壤溫度受灌水影響明顯，秸稈復(fù)合管周圍土壤的溫度明顯降低，且距離秸稈復(fù)合管近處的土壤溫度變化比遠(yuǎn)處的土壤溫度變化大。 水平方向上，由近及遠(yuǎn)土壤溫度降幅漸減，同一土層的溫度趨向一致；垂直方向上，由地表向下土壤溫度呈低—高—低變化，但與灌水前相比，不同位置處的土壤溫度差異變小，有趨同之勢(shì)。

停灌后2 h，土壤溫度已經(jīng)沒有明顯的梯度，但平均土壤溫度相比灌水前降低了0.41 ℃。 停灌后20 h，隨著深度的增加出現(xiàn)明顯的土壤溫度梯度，同一深度溝內(nèi)與溝外沒有明顯的溫差，平均土壤溫度與灌水前相同，地表下30 ～50 cm 的土壤平均溫度為14.5 ℃。其后，秸稈復(fù)合管以上土壤的溫度受氣溫的影響較大，復(fù)合管以下土壤的溫度比較穩(wěn)定。

灌水前秸稈復(fù)合管尾部的土壤溫度分布與含管首部有較大的區(qū)別，沒有出現(xiàn)以管為中心的溫度梯度，其主要原因可能是由于尾部處于封閉狀態(tài)，首部為便于灌水用泡沫紙暫時(shí)封閉，而管尾通常只會(huì)在灌水前將尾端打開用于觀察水流是否到達(dá)尾端，一旦水流到達(dá)尾部就用土將其堵住，所以管尾的空氣較少，不足以形成與管首部相似的溫度梯度。 灌水后管尾處土壤溫度的變化過程與管首處相似，平均土壤溫度略低于管首處，灌水21 d 后，土壤溫度分布達(dá)到均勻，相比管首處的平均土壤溫度低0.32 ℃，這可能與管尾處土壤含水率較高、不利于土壤升溫有關(guān)。

2.2 不同灌水時(shí)期土壤水熱分布

試驗(yàn)期間共進(jìn)行3次灌水，以3次灌水前后管尾處實(shí)測土壤水分和土壤溫度數(shù)據(jù)為例，分析不同灌水時(shí)期對(duì)土壤含水率及土壤溫度變化的影響。

2.2.1 土壤含水率分布

經(jīng)過分析，3次灌水前后土壤含水率分布對(duì)比見圖4。

從圖4可以看出，與前兩次灌水不同，第三次灌水前的土壤含水率分布較為均勻，且沒有出現(xiàn)以秸稈復(fù)合管為中心的含水率梯度，原因是經(jīng)過前兩次灌水以及降水使得埋管溝內(nèi)外的土壤含水率趨于一致。 同時(shí)，第三次灌水前地表下40 ～50 cm 處的土壤含水率一直比較穩(wěn)定，為24.1%～30.5%。

圖4 3次灌水前后土壤含水率分布對(duì)比

3次灌水試驗(yàn)總灌水時(shí)間均為4 h 左右，故不考慮總灌水時(shí)間對(duì)土壤含水率的影響。 3次灌水試驗(yàn)灌水1 h 時(shí)的土壤含水率分布有較大的差異，第一次灌水以向下和側(cè)向入滲為主，地表下0 ～10 cm 土層的土壤含水率幾乎沒有變化；第二次灌水出現(xiàn)了向四周各個(gè)方向入滲的情況，特別是向上入滲，其水分比向下入滲的水分多，以至于管子上方的土壤含水率高于管子下方的土壤含水率；第三次灌水向上運(yùn)動(dòng)的水分更多，同時(shí)水分入滲的速度也比第二次灌水時(shí)快，范圍也更大。造成上述現(xiàn)象的原因可能是土壤的結(jié)構(gòu)在灌水過程中發(fā)生了變化，第一次灌水時(shí)，秸稈復(fù)合管以上為回填土，土壤松散，土壤水分在不同結(jié)構(gòu)土壤的分界面運(yùn)動(dòng)緩慢；而隨著灌水次數(shù)的增加，經(jīng)過灌溉水和降水的踏實(shí)作用，土壤容重趨于一致，毛細(xì)管作用增強(qiáng)，加上氣溫升高，作物生長加快，根系所在土層耗水量增加，加快了土壤水分的運(yùn)動(dòng)。

2.2.2 土壤溫度分布

為了解不同灌水時(shí)期土壤溫度分布情況，選擇與上述土壤水分分析相同的區(qū)域進(jìn)行土壤溫度剖面分析，結(jié)果見圖5。

由圖5可知，3次灌水前的土壤溫度分布差異明顯，特別是第一次灌水與第三次灌水，3次灌水前土壤平均溫度分別為8.76、15.53、19.27 ℃，不同深度的溫差分別為8.0、2.5、1.1 ℃，這可能與氣溫對(duì)地溫的影響有關(guān)。

圖5 3次灌水前后土壤溫度分布對(duì)比

土壤溫度受氣溫和土壤含水率及灌水水溫的影響，不同位置土壤溫度受氣溫和土壤含水率影響的程度不同。 地表下0 ～20 cm 土層土壤溫度受氣溫影響明顯，氣溫高則土壤溫度也高；反之，氣溫低則土壤溫度低。 氣溫對(duì)地表下20～40 cm 土層土壤溫度的影響較小。

灌水對(duì)土壤溫度影響明顯，灌水后土壤溫差和平均溫度都不同程度地減小和降低。 除第一次灌水時(shí)水溫與氣溫較低且接近，對(duì)應(yīng)時(shí)段土壤溫度的變化不明顯外，第二次和第三次灌水，灌溉水溫均低于氣溫，因而灌水后埋管處的土壤溫度與灌水前相比明顯降低。相對(duì)于氣溫影響主要集中在0 ～20 cm 土層，30 cm 以下的土壤溫度受灌水的影響較大。 灌水后2 h，土壤平均溫度比灌水前有所降低，主要是由于灌水提高了土壤含水率，同時(shí)導(dǎo)致土壤的比熱容增加，因此通過灌溉可以抑止氣溫急劇變化（如倒春寒、干熱風(fēng)）對(duì)作物生長的影響。

2.3 不同位置土壤水熱變化規(guī)律

由上述分析可以知道，土壤溫度受土壤含水率與氣溫的影響，與深度也有一定的關(guān)系，所以對(duì)第一次灌水和第二次灌水灌水量為25 L／m 不同位置的土壤含水率和溫度進(jìn)行對(duì)比分析（見圖6）。

圖6 兩次灌水不同位置的土壤含水率和溫度對(duì)比

由圖6（a）可以看出，在距離秸稈復(fù)合管水平距離相同處，土壤平均含水率隨深度增加而增大；在地表下20 cm 和35 cm 處，土壤平均含水率在距離秸稈復(fù)合管不同位置處由大到小依次為0 cm＞30 cm＞15 cm；而在地表下50 cm 處，土壤平均含水率差異不顯著。 平均土壤溫度與距離秸稈復(fù)合管水平距離無關(guān)，但受深度影響明顯，深度越大溫度變化越小。 對(duì)比圖6（a）和圖6（b），第二次灌水土壤含水率變化規(guī)律與第一次灌水一致，不同的是第一次灌水土壤溫度隨著深度的增加而降低、溫度變化的幅度也隨深度的增加而減小，而第二次灌水土壤溫度隨深度的增加而提高、溫度變化的幅度則隨深度的增加而減??；在地表下50 cm 處，埋管處與距離秸稈復(fù)合管15 cm 處的土壤溫度差異顯著。

對(duì)不同位置的土壤含水率和溫度進(jìn)行差異顯著性分析。 在顯著性水平p＜0.05 下，土壤含水率在不同位置處的差異性均達(dá)到顯著水平，而土壤溫度僅在不同深度之間以及埋管處與距管15 cm、深度35 cm 處差異性達(dá)到顯著水平；土壤含水率和溫度變化的顯著性都隨深度增加而減小。 總體上，距離秸稈復(fù)合管15 cm、深度20 cm 處，土壤含水率和溫度的變化最顯著。

3 結(jié)論

通過冬小麥田間灌溉試驗(yàn)，研究了秸稈復(fù)合管地下灌溉對(duì)土壤水熱的影響，主要結(jié)論如下：

（1）秸稈復(fù)合管地下灌溉的灌水效果。 使用秸稈復(fù)合管地下灌溉，在工作壓力為0.5 m、埋管長度為80 m 條件下，灌水1 h 水流可到達(dá)尾部，且管尾處土壤濕潤范圍大于管首；灌水過程中，水分以秸稈復(fù)合管為中心向外濕潤，形成上窄下寬橢圓形濕潤鋒，灌水后1 d，土壤水達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，灌溉水集中分布在40 cm上下的土層中；春灌灌水量為250 m3／hm2時(shí)，地表下50 cm 以上土壤含水率適宜，能夠滿足冬小麥的生長需求。

（2）不同灌水時(shí)期對(duì)地溫的影響。 土壤溫度主要受氣溫和土壤含水率的共同影響，氣溫對(duì)土壤溫度的影響隨深度的增加而減小，地表下20 ～40 cm 土層土壤溫度受氣溫的影響較小，40 cm 以下土壤溫度幾乎不受氣溫影響；灌水對(duì)土壤溫度的分布影響明顯，土壤溫度變化相對(duì)含水率變化有一定的滯后性，秸稈復(fù)合管地下灌溉可以減小氣溫變化對(duì)冬小麥生長的影響。冬季灌水量為150～250 m3／hm2，可滿足冬小麥需水且不會(huì)造成土壤溫度過低。 春季可以適當(dāng)增大灌水量，灌水量在250 m3／hm2左右，可滿足冬小麥根系需水且可降低小麥開花灌漿期的高溫危害。

（3）距秸稈復(fù)合管的水平距離和深度不同，土壤含水率的差異均達(dá)到顯著水平。 在距秸稈復(fù)合管水平距離相同處，深度對(duì)土壤含水率和溫度影響的顯著性隨深度的增加而減小。 不同深度之間土壤溫度的差異均達(dá)到顯著水平，水平方向上僅埋管處與距離秸稈復(fù)合管15 cm 、深度35 cm 處的土壤溫度差異顯著。 總體上，距離秸稈復(fù)合管15 cm、深度20 cm 處，土壤含水率和溫度的變化最為明顯。

（4）受篇幅限制，沒有對(duì)灌水量15 L／m 情況下的土壤水分和溫度分布情況進(jìn)行闡述，但實(shí)際上土壤水分分布狀況與灌水定額有很大的關(guān)系［33］。 當(dāng)灌水量為15 L／m 時(shí)，滲水速率在10 L／（m·h）左右，灌水3 h后土壤水分分布就達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，僅能保持地表下35 cm 處的土壤水分分布狀態(tài)良好，少量灌溉水能夠進(jìn)入35 cm 以下；而灌水量為25 L／m 時(shí)，滲水速率在6.25 L／（m·h）左右，灌水6 h 后土壤含水率達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，可以保證深度50 cm 以上的土壤水分分布狀態(tài)良好，深度30 cm 以下的土壤水分可以保持長期穩(wěn)定，為作物需水提供良好的水分來源。

綜上所述，秸稈復(fù)合管地下灌溉是一種可行的灌水技術(shù)，在冬小麥種植中可以達(dá)到與地下滴灌類同的效果。 受試驗(yàn)條件所限（無防雨設(shè)施），僅進(jìn)行了冬小麥的3次灌水試驗(yàn)，其后在夏玉米生長過程中，因多雨天氣而無需進(jìn)行灌溉。 因此，對(duì)夏玉米生長前期可否進(jìn)行秸稈地下灌溉，以及田間水分過多時(shí)能否利用秸稈復(fù)合管進(jìn)行田間排水等，均有待進(jìn)一步研究。