膜下滴灌條件下溝壟規(guī)格對水分運移過程影響研究

關(guān)鍵詞：膜下滴灌； 溝壟規(guī)格； 濕潤體； 水分運移

中圖分類號：Ｓ２７５．６ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．０５．０２５

引用格式：段紅騰，吳發(fā)啟，徐敬華，等．膜下滴灌條件下溝壟規(guī)格對水分運移過程影響研究［ Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（ ５）：１２３－１２８，１３２．

近年來我國內(nèi)陸干旱地區(qū)水資源匱乏現(xiàn)象愈發(fā)凸顯，面對農(nóng)業(yè)巨大需水量與有限水資源之間的矛盾，全面提升水分利用效率已成為必然選擇［１］ 。目前，應(yīng)用較為普遍的農(nóng)業(yè)節(jié)水措施主要包括工程節(jié)水措施、農(nóng)藝節(jié)水措施以及生物節(jié)水措施，不同措施之間在不斷地融合創(chuàng)新［２］ 。在具有灌溉條件的河源地區(qū)為了同時實現(xiàn)有限降雨的收集利用和高效節(jié)水灌溉的雙重效果，逐漸產(chǎn)生了溝壟覆膜栽培與滴灌技術(shù)相結(jié)合的新型節(jié)水方式［３］ 。

滴灌水分入滲所形成的濕潤區(qū)域（濕潤體）在滴灌系統(tǒng)設(shè)計中是確定濕潤比（濕潤鋒水平運移距離與垂直入滲深度的比值）、滴頭流量以及灌水量等參數(shù)的基礎(chǔ)，許多學(xué)者一直以來致力于探索滴灌條件下土壤水分運移機制［４－６］ 。Ｃｏｔｅ 等［７］ 利用Ｈｙｄｒｕｓ 模型對滴灌水分遷移入滲進行了模擬，結(jié)果表明土壤質(zhì)地以及灌水量對濕潤體形狀影響較大；Ｓｋａｇｇｓ 等［８］ 模擬了不同初始含水量和土壤質(zhì)地條件下滴灌水分入滲過程，結(jié)果表明濕潤鋒運移距離以及濕潤體內(nèi)水分分布狀況與土壤質(zhì)地及初始含水量密切相關(guān)。ＦＵ 等［９］ 分析試驗數(shù)據(jù)，提出了累積入滲量與濕潤鋒運移距離的預(yù)測模型，研究成果為提高灌溉水分利用效率提供了理論參考依據(jù)。胡和平等［１０］ 通過地表滴灌試驗，利用ＳＷＭＳ－２Ｄ 模型對滴頭流量、土壤初始含水率以及飽和導(dǎo)水率條件下濕潤體運移進行模擬分析，同時建立了土壤濕潤鋒運移距離經(jīng)驗方程。

綜上所述，國內(nèi)外眾多學(xué)者針對地表點源滴灌水分入滲規(guī)律進行了深入研究，但大多是針對作物平作方式的，未充分考慮與其他耕作栽培模式相結(jié)合的情況。因此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，進一步探究了溝壟栽培措施條件下滴灌水分入滲過程，并建立了濕潤鋒運移距離經(jīng)驗?zāi)Ｐ停云谥笇?dǎo)灌區(qū)溝壟栽培措施的優(yōu)化。

１材料與方法

１．１供試土壤

供試土壤為采集于青海省海西州德令哈市懷頭他拉鎮(zhèn)枸杞種植園（東經(jīng)９７°１５′、北緯３７°５５′）的０～４０ ｃｍ耕層土壤。將供試土壤自然風(fēng)干、磨細、均勻混合后過２ ｍｍ 孔篩，采用Ｍａｓｔｅｒｓｉｚｅｒ ２０００ 激光粒度分析儀測定土壤顆粒組成。依據(jù)國際制土壤分類標準，土壤類型為灰棕漠土，質(zhì)地砂壤。試驗土壤物理特性參數(shù)見表１。

１．２試驗裝置

試驗裝置主要由模擬土箱和供水系統(tǒng)組成（見圖１）。其中：模擬土箱由８ ｍｍ 厚的有機玻璃制成，具體規(guī)格為６０ ｃｍ×２０ ｃｍ×８０ ｃｍ（長×寬×高），底部設(shè)置若干排氣孔以防氣堵；馬氏瓶和橡膠管組成供水系統(tǒng)，馬氏瓶半徑８ ｃｍ、高４０ ｃｍ。用醫(yī)用輸液管代替滴頭，各連接處均采用凡士林密封以確保試驗裝置氣密性良好。根據(jù)單點源滴灌水分入滲濕潤體的對稱性，眾多學(xué)者認為土箱邊界條件對單點源滴灌水分入滲所產(chǎn)生的影響較小可忽略不計［１１］ 。因此，將滴頭放于土箱的直角位置處，僅研究滴灌所形成的濕潤體的１／４ 即可。

１．３試驗設(shè)計與方法

影響水分入滲的因素主要包括土壤初始含水率ｗ 、土壤容重γ 、滴頭流量ｑ 、溝底寬度Ｌ 。采用控制變量法，各因素均設(shè)置３ 個水平，共９ 組處理，每組處理３ 次重復(fù)，取平均值作為試驗結(jié)果。由于本試驗是以實際濕潤體的１／４ 作為研究對象，因此滴頭流量相當于大田實際流量的１／４，溝底寬度為田間實際溝底寬度的１／２。室內(nèi)土箱模擬試驗設(shè)計方案見表２（其中處理１０ 為對照試驗）。

試驗準備階段，將供試土樣加水配置至目標初始含水率，用防水塑料布密封保存２４ ｈ。按所設(shè)計的干容重，將配置好的土壤每５ ｃｍ 裝入土箱，夯實且層間打毛，避免水分在入滲過程中于土層之間發(fā)生水動力學(xué)特征突變。有機玻璃土箱高為８０ ｃｍ，裝土高度為６０ ｃｍ，上２０ ｃｍ 空間設(shè)計成特定梯形斷面溝壟形態(tài)（壟高１５ ｃｍ、邊坡系數(shù)１．０）。裝土結(jié)束后在土壤表面覆蓋一層塑料薄膜，防止空氣流通造成水分蒸發(fā)。

采用傳感器探頭和土壤水分數(shù)據(jù)收集器來監(jiān)測灌水過程中土壤水分隨時間的動態(tài)變化。試驗開始前，需要對土壤水分測定裝置進行標定，以消除系統(tǒng)誤差。探頭分別埋設(shè)于土箱固定位置處，探頭具體布設(shè)位置見圖２。

在灌水過程中，以滴頭所在位置為原點坐標，以水平方向為Ｘ 軸，以垂直向下為Ｙ 軸，按照先密后疏的原則，分別于灌水開始１０、２０、３０、４０、６０、８０、１００、１２０ ｍｉｎ用馬克筆在土箱外壁進行濕潤鋒曲線描繪。１２０ ｍｉｎ后，每隔４０ ｍｉｎ 記錄１ 次濕潤鋒輪廓，直到垂直濕潤鋒運移到４０ ｃｍ 時試驗結(jié)束（試驗于西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院水工實驗室進行）。

１．４數(shù)據(jù)處理

采用ＳＰＳＳ ２２ 軟件對試驗數(shù)據(jù)進行處理，利用ＡｕｔｏＣＡＤ ２０１５ 軟件繪制探頭布設(shè)位置示意圖、試驗裝置示意圖以及濕潤體形狀圖，利用Ｏｒｉｇｉｎ ２０１５、Ｓｕｒｆｅｒ８．０ 軟件繪制濕潤鋒隨時間變化的曲線圖以及土壤含水率等值線圖。

２結(jié)果與分析

２．１溝底寬度對濕潤體形狀的影響

溝壟覆膜滴灌所形成的土壤濕潤體主要由兩部分組成，以Ｔ２ 試驗為例，濕潤體形狀如圖３ 所示。從圖３ 中可以看出土壤濕潤體主要由溝底平面以上Ａ 部分和溝底以下Ｂ 部分組成，其中濕潤體Ａ 呈扇形、濕潤體Ｂ 呈１／４ 橢圓狀。由于在實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中枸杞栽培種植于溝底位置，其根系空間分布范圍為溝底所在平面以下土壤區(qū)域。因此，在滿足研究目的的基礎(chǔ)上，為了簡化分析過程，本試驗主要探究不同溝底寬度對溝底平面以下土壤濕潤體形狀的影響。圖４ 分別為Ｔ８、Ｔ２、Ｔ９、Ｔ１０ 試驗濕潤體形狀。

在整個灌水過程中，不同溝底寬度處理條件下的濕潤體形態(tài)均大致表現(xiàn)為１／４ 橢圓狀，且在距表層土壤５ ｃｍ 附近發(fā)生變形回縮。隨著溝底寬度的增加，濕潤鋒水平運移距離增加，垂直濕潤鋒入滲至計劃濕潤層所需時間減少，濕潤體形狀愈發(fā)扁平。以不同試驗處理條件下１２０ ｍｉｎ 灌水時刻的濕潤體形態(tài)為例，濕潤峰水平運移距離分別為２５．４ 、２８．３ 、３１．２ 、３４．８ ｃｍ，與Ｔ８ 試驗組相比，Ｔ２、Ｔ９、Ｔ１０ 試驗組濕潤鋒水平運移距離分別增加１１．４２％、２２．６８％、３７．０１％。垂直濕潤鋒入滲深度分別為３１．８、３２．２、３３．２、３４．１ ｃｍ，與Ｔ８ 試驗組相比，Ｔ２、Ｔ９、Ｔ１０ 試驗組入滲深度分別增加１．２６％、４．４０％、７．２３％，相較于水分水平運移狀態(tài)，溝底寬度的改變對垂直水分入滲過程影響程度相對較弱。伴隨著灌水歷時的延長，垂直濕潤鋒入滲至４０ ｃｍ 所需時間分別為２３０、２１０、２００、１８５ ｍｉｎ，此時水平濕潤鋒運移距離分別為３１．２、３４．０、３６．８、３９．６ ｃｍ。以上試驗現(xiàn)象說明溝底寬度的增大有利于增大表層土壤的濕潤面積，濕潤體的體積更大，形態(tài)更為扁平。溝底寬度較寬的溝壟規(guī)格更適合于蔬菜類等淺根系作物的栽培種植，而針對耐旱等深根系植物可以適當減小溝底寬度以縮小表層土壤的濕潤面積，從而促使水分向作物深根處遷移入滲。

２．２溝底寬度對濕潤體水分分布的影響

溝底寬度是衡量溝壟規(guī)格的一項重要指標，在滴灌水分入滲過程中，溝底寬度的改變使得土壤濕潤體內(nèi)的水分分布存在明顯差異，為了系統(tǒng)探究在溝壟栽培措施條件下不同溝底寬度對單點源滴灌土壤濕潤體內(nèi)水分分布的影響規(guī)律，利用繪圖軟件Ｓｕｒｆｅｒ８．０ 繪制溝底寬度為７ 、１１ 、１５ ｃｍ 以及作物平作條件下灌水結(jié)束時土壤含水率的等值線圖（見圖５）。

濕潤體含水率等值線圖與濕潤體形狀圖大致相似，其等值線間距０．０２，呈由密至疏的分布格局。土壤含水率于滴頭所在位置最大，于濕潤體邊緣位置最?。s等于土壤初始含水率）。溝底寬度對溝壟栽培條件下的點源滴灌水分分布影響顯著，隨著溝底寬度的增加，水分向水平方向的側(cè)滲更為明顯，即土壤高含水率部分在水平方向的分布范圍較大，而溝底寬度的改變對垂直方向水分入滲影響較小，這與壟溝灌溉試驗結(jié)果一致［１２］ 。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的主要原因是地表土壟的存在阻礙了滴灌水分的側(cè)滲過程，水平方向遷移水分更多入滲至土壟之中。

溝壟結(jié)構(gòu)影響滴灌水分的入滲過程，不同溝底寬度處理條件下垂直濕潤鋒到達計劃濕潤層所需的時間分別為２３０、２１０、２００、１８５ ｍｉｎ，灌水量分別為３ ４５０、３ １５０、３ ０００、２ ７７５ ｍＬ，此時不同處理所對應(yīng)的濕潤體體積也各不相同，根據(jù)土壤濕潤體體積計算公式可進一步求出濕潤體平均含水率［１３］ 。Ｔ８、Ｔ２、Ｔ９、Ｔ１０ 試驗濕潤體平均含水率分別為２３．３５％、２２．０１％、２０．８９％、１８．０２％，由此可知，隨著溝底寬度的增加，濕潤體平均含水率逐漸下降，與溝底寬度７ ｃｍ試驗組Ｔ８ 相比，Ｔ２、Ｔ９、Ｔ１０ 遞減率分別為５．７４％、１０．５４％、２２．８３％。通過上述分析說明溝底寬度的增加會導(dǎo)致濕潤體平均含水率下降，土壤中水分重心分布也會隨溝底寬度的增加而逐漸上移。

２．３土壤濕潤體與各因素之間的關(guān)系

２．３．１濕潤鋒運移距離經(jīng)驗?zāi)Ｐ?/p>

在充分了解溝底寬度對土壤濕潤體形狀大小及水分分布的影響規(guī)律后，系統(tǒng)分析土壤初始含水率、土壤容重、滴頭流量等因素對滴灌土壤濕潤體特征值的影響。假設(shè)水平及垂直方向濕潤鋒運移距離與各影響因素（包括入滲時間）函數(shù)關(guān)系如下：

２．３．２模型驗證為進一步驗證

濕潤鋒運移距離經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷臏蚀_度，選取土壤初始含水率為１２％、容重為１．５ ｇ／ ｃｍ^３、滴頭流量為０．９ Ｌ／ ｈ、溝底寬度為１１ ｃｍ 的試驗結(jié)果進行檢驗。用式（２）分別計算不同灌水時間的濕潤鋒水平運移距離和垂直入滲深度，并與實測值進行對比，見表３。

從表３ 可以看出，用所建立的濕潤鋒運移距離經(jīng)驗?zāi)Ｐ陀嬎愠觯裕?試驗處理條件下不同灌水時刻濕潤鋒水平運移距離，相較于實測值最大相對誤差為４．０３％、最小相對誤差為０．１３％，相對誤差平均值為１．５９％；濕潤鋒垂直運移距離最大相對誤差為１１．１０％、最小相對誤差為０．３９％，相對誤差平均值為４．５４％。其中，在灌水時間為１０ ｍｉｎ 時，用經(jīng)驗?zāi)Ｐ陀嬎闼玫臐駶欎h垂直運移距離與實測值之間的相對誤差較大，為１１．１０％，這主要是灌水初期水分入滲速率不穩(wěn)定所造成的，隨著灌水時間的延長，相對誤差逐漸減小。通過驗證，反映出所建立的濕潤鋒運移距離模型計算精度較高，可用于指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐活動。

２．３．３模型應(yīng)用

以青海省河源灌區(qū)種植的３ ａ 生枸杞為目標作物，通過測量３ ａ 生枸杞根系分布特征得知：垂直方向根系主要分布于３５～４５ ｃｍ，水平方向在距樹干３０～４０ ｃｍ處，生物量密度達到最大值。在進行溝壟栽培措施優(yōu)化的過程中保持土壤理化性質(zhì)、滴頭流量等試驗因素一致，土壤初始含水率ｗ 設(shè)置為１２％、土壤容重設(shè)置為１．５ ｇ／ ｃｍ^３、滴頭流量設(shè)置為０．９ Ｌ／ ｈ，在溝底寬度為５～１５ ｃｍ 內(nèi)，間隔０．０１ ｃｍ 選擇一組數(shù)據(jù)，將所設(shè)置數(shù)值分別代入式（２）計算Ｒ_ｙ 。利用Ｅｘｃｅｌ ２０１６ 中的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析功能，分別計算出各處理條件下垂直濕潤鋒到達計劃濕潤層（４０ ｃｍ）所需的時間ｔ，結(jié)合式（２）計算的Ｒ_ｘ ，進而求得相對應(yīng)的濕潤鋒水平運移距離。將計算值與３ ａ 生枸杞根系水平分布距離進行匹配對比，具體流程如圖６ 所示。

通過數(shù)據(jù)計算分析可得，當溝底寬度為１１．２５ ～１４．４５ ｃｍ、水平濕潤峰運移距離為３０～４０ ｃｍ 時，位于目標范圍之間。由于室內(nèi)土箱模擬采用田間溝壟規(guī)格的１／２ 作為研究對象，因此在枸杞栽培過程中所采用的最佳溝底寬度為２２．５０～２８．９０ ｃｍ。

３討論

土壤濕潤體是聯(lián)系灌水系統(tǒng)與植物根系的紐帶，其形狀大小決定了灌水利用效率。根據(jù)這一特點，本文首先具體分析了溝底寬度對土壤濕潤體的影響，然后綜合其他多種影響因素建立濕潤鋒運移距離經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，結(jié)合目標作物根系分布范圍及土壤理化性質(zhì)進行模型應(yīng)用。

影響溝壟覆膜滴灌水分入滲的因素較多，本文所建立的模型從土壤理化性質(zhì)、灌水參數(shù)、地表耕作措施等方面選取土壤初始含水率、容重、滴頭流量、溝底寬度等因素，后續(xù)工作中可進一步考慮土壤質(zhì)地、灌水定額等因素，以提高模型的準確性及適用性。

本文在應(yīng)用濕潤鋒運移距離經(jīng)驗?zāi)Ｐ陀嬎銣系讓挾葧r較為理想，側(cè)重于演示模型應(yīng)用方法。實際生產(chǎn)過程中，應(yīng)綜合考慮土壤理化性質(zhì)、滴灌參數(shù)、栽植作物實際根系分布以及農(nóng)具規(guī)格尺寸等因素。

４結(jié)論

本文通過室內(nèi)土箱模擬試驗，研究了溝壟栽培條件下膜下單點源滴灌水分的入滲過程，得到如下結(jié)論：（１）溝壟覆膜滴灌所形成的濕潤體主要由土壟部分及溝底平面以下部分組成。溝底平面以下部分的土壤濕潤體呈１／４橢圓狀。隨著溝底寬度的增加，表層土壤的濕潤范圍加大，濕潤體形狀愈發(fā)扁平。

（２）土壤含水率等值線分布圖與濕潤體形狀圖大致相似，呈由密至疏分布狀態(tài)。隨著溝底寬度的增加，水分向水平方向的側(cè)滲更為明顯，土壤高含水率部分在水平方向的分布范圍較大，濕潤體中水分分布重心也會隨溝底寬度的增加而逐漸上移，因此根系分布較淺的作物適宜采用寬溝處理，根系分布較深的作物適宜采用窄溝處理。

（３）綜合考慮土壤初始含水率、土壤容重、滴頭流量、溝底寬度４ 種因素對滴灌水分入滲過程的影響，建立４ 種因素組合條件下的濕潤鋒水平和垂直運移距離經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，用該模型對土壤入滲濕潤鋒運移距離進行預(yù)測，將預(yù)測值與實測值進行比較，其相關(guān)系數(shù)均在０．９８以上，具有較高精度，可用于指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動。

（４）以青海省河源灌區(qū)所種植的３ ａ 生枸杞為目標作物，在分析枸杞根系分布范圍的基礎(chǔ)上，結(jié)合所建立的濕潤鋒運移距離模型進行溝壟栽培措施的優(yōu)化。在確定土壤理化性質(zhì)及灌水參數(shù)的前提下，得出在溝壟覆膜滴灌綜合系統(tǒng)設(shè)計過程中最優(yōu)溝底寬度為２２．５０～２８．９０ ｃｍ。

【責任編輯 簡群】