微孔陶瓷管道滲灌土壤水分分布特性研究與關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)優(yōu)化

張甲森，劉旭飛，張春華，張 林

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，陜西 楊凌 712100）

0 引 言

滲灌是將具有無(wú)數(shù)微小孔隙的地下多孔滲水管埋入表層土壤以下一定深度處并將灌溉水緩慢滲入到作物根區(qū)土壤的地下節(jié)水灌溉技術(shù)[1]，通過(guò)將多孔滲水管埋于作物根系土壤，直接向作物根系連續(xù)低流量灌溉，可為根系層土壤營(yíng)造適宜穩(wěn)定的土壤水分環(huán)境[2,3]，并基于多孔滲水管的滲灌系統(tǒng)可在水流自身重力和土壤毛細(xì)管作用力影響，將水分?jǐn)U散到表層土壤以下，可有效降低水分蒸發(fā)損失，抑制雜草生長(zhǎng)，提高水分利用效率[4]。滲灌作為先進(jìn)的地下節(jié)水灌溉技術(shù)，對(duì)于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展具有十分重要的意義。

塑料滲灌產(chǎn)品大多由不可降解的化學(xué)原料制備，在田間應(yīng)用過(guò)程中若回收處理不當(dāng)，會(huì)造成微塑料污染，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成土壤中有毒物質(zhì)積累，并最終危害國(guó)家糧食和人民生命健康安全。農(nóng)田土壤中的微塑料會(huì)顯著破壞土壤細(xì)菌群落的多樣性和生態(tài)結(jié)構(gòu)，對(duì)土壤理化性質(zhì)、土壤動(dòng)植物生長(zhǎng)等均產(chǎn)生不利影響，損害土壤健康[5-7]。因此，微孔陶瓷滲灌作為節(jié)水、節(jié)能的新型地下灌溉方式，通過(guò)將微孔陶瓷灌水器或管道埋置于地下，進(jìn)行微壓或零壓灌溉，可持續(xù)性地為農(nóng)田灌溉提供幫助，緩解環(huán)境負(fù)擔(dān)[8]。

近年來(lái)，大量學(xué)者利用微孔陶瓷滲灌開(kāi)展了田間研究，陶瓷灌水器的主要原料為天然黏土或石英砂，不僅對(duì)土壤環(huán)境更為友好，而且會(huì)極大簡(jiǎn)化當(dāng)灌溉系統(tǒng)超過(guò)使用年限時(shí)的后處理步驟，在生菜、番茄、菠菜、枸杞、蘋(píng)果等作物上表現(xiàn)出了顯著節(jié)水增產(chǎn)效果[2,9-12]。但目前利用人工拉坯法和機(jī)械擠壓法制備的多孔陶瓷滲灌管，存在著坯體壁厚難以掌握，坯體變形程度大等缺點(diǎn)[13,14]。因此，將綠色環(huán)保、適用性強(qiáng)、成型技術(shù)易掌握的注漿成型法引入到多孔陶瓷滲灌管道研發(fā)中，可能成為提高陶瓷滲灌管材料和水力性能，保證滲灌系統(tǒng)安全穩(wěn)定高效運(yùn)行的重要新思路，在生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)灌溉領(lǐng)域具有廣闊發(fā)展前景。

目前，研究土壤水分入滲過(guò)程是評(píng)估滲灌管道水力性能的重要方式，土壤水分入滲以管道內(nèi)外水勢(shì)差為主要驅(qū)動(dòng)力[15]，基質(zhì)勢(shì)和壓力勢(shì)是影響微孔陶瓷滲灌管道水分入滲的主要因素?，F(xiàn)有的滲灌試驗(yàn)研究大多從濕潤(rùn)鋒運(yùn)移情況、土壤含水量變化、累計(jì)入滲量和灌水器出流量角度分析土壤水分運(yùn)移規(guī)律，Wei等[16]利用土箱試驗(yàn)深入研究了低壓塑料滲灌管的土壤水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律并以最優(yōu)根水匹配度優(yōu)化了滲灌管的工作水頭和埋深；陳高聽(tīng)[17]通過(guò)HYDRUS-2D 模型對(duì)土壤水分入滲規(guī)律進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，研究了不同工作壓力下的土壤水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律，但研究對(duì)象均為塑料滲灌管。Liu 等[9]試驗(yàn)表明利用微孔陶瓷灌水器調(diào)節(jié)土壤含水率，通過(guò)負(fù)壓自動(dòng)控制的方法滿足作物生長(zhǎng)溫濕度需求，對(duì)加快作物生長(zhǎng)和提高作物產(chǎn)量有顯著影響，但其研究也尚未對(duì)管道周圍土壤水分時(shí)空變化進(jìn)行系統(tǒng)性研究。Vaghei 等[18]在干旱半干旱地區(qū)采用多孔陶瓷材料管道，研究了10～100 kPa 靜水壓力下管道流量和土壤水分分布情況，僅得出土壤濕潤(rùn)體形狀呈垂直橢球形，并未對(duì)滲灌管道濕潤(rùn)鋒運(yùn)移進(jìn)行深入研究。由此可見(jiàn)，目前大多研究并未采用土箱試驗(yàn)深入研究微孔陶瓷滲灌管道在土壤水分入滲過(guò)程水分空間分布特征，其土壤水分入滲特性尚未明晰。

為此，本研究采用注漿成型法制備微孔陶瓷滲灌管道，通過(guò)土箱試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究不同工作水頭條件下微孔陶瓷滲灌管道土壤水分運(yùn)移規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合3種典型作物根系分布規(guī)律，以最優(yōu)根水匹配度為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)微孔陶瓷滲灌管道工作水頭進(jìn)行優(yōu)化，研究結(jié)果可為微孔陶瓷滲灌管道的推廣應(yīng)用提供重要理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究主要以微孔陶瓷滲灌管道為研究對(duì)象，該滲灌管采用注漿成型法制備，主要原料為黏土、爐渣、水和硅酸鈉。黏土為陶瓷滲灌管的骨架材料，爐渣為造孔劑、水為黏結(jié)劑、硅酸鈉為解凝劑。取陜西楊凌耕作土壤（0.05～0.45 m），將取得土壤經(jīng)粉碎機(jī)粉碎10 min后，過(guò)50目（孔徑0.355 mm）篩，得到粒徑范圍為0.18～0.355 mm 的黏土原料。爐渣取自當(dāng)?shù)仃兾魑己幽嘲l(fā)電廠，其主要的化學(xué)成分是SiO2、Al2O3等氧化物，為粒徑5～20 mm 的灰黑色固體顆粒。硅酸鈉購(gòu)自陜西咸陽(yáng)某化工企業(yè)，在陶瓷坯體制備過(guò)程中摻入少量（質(zhì)量比約0.1%）即可改善漿料流動(dòng)性，保持黏度適中避免出現(xiàn)縮釉等現(xiàn)象，防止?jié){料絮凝。將上述黏土和爐渣按照4∶1 的質(zhì)量比充分混合，再置于攪拌機(jī)中低速攪拌均勻，攪拌30 min 后，按照固體材料：水=66∶34 的質(zhì)量比，將水放入攪拌機(jī)中攪拌30 min，再加入0.1%的解凝劑，得到漿料。而后，將漿料注入石膏模具中，使其形成圓管狀濕坯，再將濕坯置于105 ℃的烘干箱內(nèi)烘干90 min，再放入高溫電窯以1 085 ℃高溫?zé)Y(jié)2 h，最終得到滲灌管道成品。注漿成型法制備而得的微孔陶瓷滲灌管道材料性能優(yōu)良，收縮率、抗彎強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度分別為4.67%、16.9 MPa、13.4 MPa和8.7 MPa，且此類微孔陶瓷能較好地滿足田間應(yīng)用要求[19]。

馬氏瓶整體高度1.25 m，安置于0.5 m 的試驗(yàn)臺(tái)上提供恒定水頭；毛管采用管徑2 cm 的PE 管，連接馬氏瓶與微孔陶瓷滲灌管道；有機(jī)玻璃土箱主要材質(zhì)為聚甲基丙烯酸甲酯，規(guī)格為100 cm×100 cm×90 cm（長(zhǎng)×寬×高），土箱四周透明且能夠較為明顯地觀察到土壤水分運(yùn)動(dòng)情況；本試驗(yàn)采用的黏壤土來(lái)自于楊凌區(qū)及附近的試驗(yàn)大田，于土壤表層0～15 cm 處選取土樣，土樣經(jīng)自然晾干后，過(guò)篩去除根系等雜質(zhì)分層填入土箱，每填入5 cm 試驗(yàn)土樣后壓實(shí)，保證每層試驗(yàn)土樣密實(shí)度均勻，填土高度為80 cm，試驗(yàn)土樣物理特性如表1 所示。微孔陶瓷滲灌管道總長(zhǎng)度為100 cm，管道埋深為30 cm，距土箱底部50 cm，于土箱中水平鋪設(shè)，管道中心距土箱左右兩側(cè)50 cm，管道布置見(jiàn)圖1。

圖1 微孔陶瓷滲灌管道土壤入滲試驗(yàn)示意圖（單位：cm）Fig.1 Microporous ceramic infiltration pipe soil infiltration test

表1 土壤物理特性Tab.1 Physical properties of the soil

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為研究微孔陶瓷滲灌管道土壤入滲過(guò)程，本研究在陜西省楊凌區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)創(chuàng)新園（108°02′E，34°18′N）的內(nèi)進(jìn)行土箱入滲試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置如圖1 所示，主要由馬氏瓶、止水閥、毛管、有機(jī)玻璃土箱、供試土壤、微孔陶瓷滲灌管道和土壤水分采集系統(tǒng)組成（圖1）。微孔陶瓷滲灌管道單寬流量及累計(jì)入滲量通過(guò)記錄相應(yīng)時(shí)間內(nèi)馬氏瓶?jī)?nèi)液面高度差推算[20]。通過(guò)觀察記錄有機(jī)玻璃土箱外壁濕潤(rùn)區(qū)域以測(cè)量水平、垂直向上和垂直向下濕潤(rùn)鋒[21]。土壤含水量利用EM50 系列數(shù)據(jù)采集器（ECH2O 土壤含水量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)核心部件）進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在距土壤表面30 cm處安裝3個(gè)ECH2O土壤水分傳感器探針，各傳感器相距6 cm，監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔為5 min，傳感器埋設(shè)位置為30 cm 土層深度，待土壤濕潤(rùn)區(qū)域不再變化時(shí)結(jié)束試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間48 h。此外，土箱入滲試驗(yàn)共設(shè)置3 組，分別為0.25 m、0.5 m、0.75 m，每組入滲時(shí)間均為48 h，該試驗(yàn)每組同時(shí)進(jìn)行3組重復(fù)。

1.3 土壤水分入滲模型

1.3.1 滲透系數(shù)

利用馬氏瓶提供的不同工作壓力調(diào)節(jié)工作水頭，制得的陶瓷滲灌管道流量額定流量為0.068 2 L/(h·m)（0.2 m 工作水頭），并且流量隨工作水頭的增加而增大（圖2）。采用達(dá)西定律可描述不同工作壓力水頭下微孔陶瓷滲灌管道流量：

圖2 不同工作水頭下微孔陶瓷滲灌管道流量Fig.2 The flow rate of microporous ceramic infiltration pipe under different working heads

式中：Q為管道單位寬度流量，cm3/(h·cm)；Ks為水力傳導(dǎo)系數(shù)，cm/h；H為提供的工作壓力水頭，m；δ為微孔陶瓷滲灌管道的厚度，cm，δ=1 cm；d為微孔陶瓷滲灌管道的直徑，cm，d=2 cm。工作壓力水頭和管道單寬流量之間的線性函數(shù)關(guān)系如圖2 所示，管道流量與工作壓力水頭函數(shù)關(guān)系式見(jiàn)式（2）。

在空氣中進(jìn)行微孔陶瓷滲灌管道出流試驗(yàn)，微孔陶瓷滲灌管道流量和工作壓力水頭呈正相關(guān)，因此結(jié)合公式（1）、（2） 可得出微孔陶瓷滲灌管道水力傳導(dǎo)系數(shù)Ks=5.5 × 10-3cm/h。

1.3.2 土壤水分入滲規(guī)律數(shù)學(xué)模型

本試驗(yàn)利用HYDRUS-2D模擬軟件，模擬了水從微孔陶瓷滲灌管道向供試土壤滲透過(guò)程。三組試驗(yàn)均將微孔陶瓷滲灌管道看作半圓柱形恒定水頭水源，將管道內(nèi)水分入滲過(guò)程假設(shè)為軸對(duì)稱，由于供試土壤密實(shí)度均勻，進(jìn)而整個(gè)土壤水分入滲過(guò)程可以用Richards方程[25]來(lái)描述：

式中：θ為土壤體積含水量，cm3/cm3；z和r分別為徑向和垂直空間坐標(biāo)；K(h)為非飽和土壤導(dǎo)水率，cm/min；t為時(shí)間，min。

本試驗(yàn)?zāi)M的是恒定水頭下微孔陶瓷滲灌管道的土壤水分入滲規(guī)律，土壤體積含水量和非飽和土壤導(dǎo)水率可以用van Genuchten模型[22]的常規(guī)表達(dá)式描述：

式中：θs為土壤飽和含水量，cm3/cm3；θr為土壤殘余含水量，cm3/cm3；α為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，1/cm；h為土壤負(fù)壓水勢(shì)，cm；Ks為滲透系數(shù)，cm/min；Se為土壤有效含水量，cm3/cm3；m和n分別是擬合參數(shù)，m= 1 - 1/n，n> 1。土壤水力特性參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 土壤水力特性Tab.2 Hydraulic properties of soil

1.3.3 系統(tǒng)邊界與初始條件

大多數(shù)間作系統(tǒng)中作物根系在豎直方向上主要分布范圍為0～80 cm 深度[23]，為研究灌溉過(guò)程中的深層滲漏，因此，土壤水分入滲模擬中使用深度為80 cm 的土壤剖面，模擬區(qū)域?yàn)?0 cm × 80 cm 的矩形，其中最上層為大氣邊界，寬度為50 cm，最底層為深層滲漏邊界，微孔陶瓷滲灌管道管徑2 cm，厚度1 cm，提供恒定水頭作為恒定水頭邊界，由于左右兩側(cè)對(duì)稱，本研究只模擬右側(cè)土壤剖面土壤水分運(yùn)移。HYDRUS-2D 模擬中網(wǎng)狀幾何和邊界條件如圖3 所示。本試驗(yàn)土箱內(nèi)的供試土樣初始含水量均為0.12 cm3/cm3，運(yùn)用式（4）將含水量轉(zhuǎn)換為負(fù)壓水頭，公式中參數(shù)值如表2所示，計(jì)算得到微孔陶瓷滲灌管道恒定水頭邊界處負(fù)壓水頭為-8 638.83 cm。

圖3 網(wǎng)狀幾何和邊界條件（單位：cm）Fig.3 Mesh geometry and boundary conditions

1.3.4 模型評(píng)價(jià)

本模型利用平均絕對(duì)值誤差(MAE)、均方根誤差(RMSE)和決定系數(shù)R2評(píng)估HYDRUS-2D 模型預(yù)測(cè)水平與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的一致性[24]。

2 結(jié)果

2.1 微孔陶瓷滲灌管道出流特性

圖4為微孔陶瓷滲灌管道實(shí)測(cè)和模擬濕潤(rùn)鋒、累計(jì)入滲量和土壤含水量關(guān)系。從圖4 中可以看出，數(shù)據(jù)點(diǎn)接近于1∶1線，MAE和RMSE分別小于0.8 和0.9，R2大于0.75，這說(shuō)明所構(gòu)建的HYDURS-2D模型能以較高精度反映微孔陶瓷滲灌管的濕潤(rùn)鋒、累計(jì)入滲量和土壤含水量。

圖4 實(shí)測(cè)和模擬濕潤(rùn)鋒、累計(jì)入滲量、土壤含水量間數(shù)學(xué)關(guān)系Fig.4 The mathematical relationships between measured and simulated wetting front, cumulative infiltration and soil water content

圖5（a）為不同工作水頭下微孔陶瓷滲灌管道流量隨時(shí)間的變化。由于微孔陶瓷滲灌管道周圍土壤快速接近飽和，滲灌管道周圍土壤含水量對(duì)滲灌管道流量具有反饋調(diào)節(jié)作用，導(dǎo)致流量下降[26]，從圖5中可以看出，微孔陶瓷滲灌管道流量在1 h 內(nèi)迅速下降，于48 h 后達(dá)到穩(wěn)定出流狀態(tài)，并以相對(duì)穩(wěn)定的流量持續(xù)出流（此處稱為穩(wěn)定出流量）。例如，當(dāng)工作壓力為0.50 m 時(shí)，微孔陶瓷滲灌管道流量先在1 h 內(nèi)從初始的2.164 L/(h·m)降低為初始值的10.76%，然后在1-36 h內(nèi)流量小幅度下降，最終于48 h后微孔陶瓷滲灌管道保持0.212 L/(h·m)的穩(wěn)定出流量持續(xù)穩(wěn)定出流，這說(shuō)明微孔陶瓷滲灌管道可以在作物生育期內(nèi)以極低的流量進(jìn)行連續(xù)灌溉。此外，微孔陶瓷滲灌管道穩(wěn)定出流量隨工作水頭的增大而增大，當(dāng)工作水頭從0.25 m 增加至0.75 m 時(shí)，微孔陶瓷滲灌管道穩(wěn)定出流量由0.157 L/(h·m)增加至0.270 L/(h·m)，增加了71.97%。

圖5 不同工作水頭下微孔陶瓷滲灌管道流量與時(shí)間的關(guān)系、不同工作水頭與滲灌管道穩(wěn)定流量的關(guān)系Fig.5 The relationship between flow rate and time of microporous ceramic infiltration pipe under different working heads、Relationship between different working heads and stable outflow rate of microporous ceramic infiltration pipe

通過(guò)HYDRUS-2D數(shù)值模擬的方法，進(jìn)一步地繪制了如圖5（b）所示的不同工作水頭下微孔陶瓷滲灌管道在穩(wěn)定出流狀態(tài)的流量變化情況。由圖5（b）可知，微孔陶瓷滲灌管道在0.05 ～0.75 m 工作水頭的微壓條件下，由于滲灌管道流量變化是滲灌管道外基質(zhì)勢(shì)和壓力勢(shì)作用所致，且滲灌管道在穩(wěn)定出流階段其周圍的土壤水勢(shì)為定值，則微孔陶瓷滲灌管道穩(wěn)定出流量與工作水頭呈顯著的線性正相關(guān)關(guān)系[19,27]。當(dāng)工作水頭從0.05 m 增加至0.75 m 時(shí)，微孔陶瓷穩(wěn)定出流量由0.157 L/(h·m)增加至0.270 L/(h·m)。這說(shuō)明在實(shí)際應(yīng)用條件下，微孔陶瓷滲灌管道可通過(guò)改變工作壓力調(diào)節(jié)穩(wěn)定出流量，以適應(yīng)不同生育期作物的灌溉需水量要求，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)灌溉。

2.2 土壤水分的時(shí)空變化

由于微孔陶瓷滲灌管道在土箱中入滲形成的濕潤(rùn)體剖面為近似于左右對(duì)稱的圓形，故在此僅展示1/2 濕潤(rùn)鋒說(shuō)明運(yùn)移情況。圖6為不同工作水頭下入滲48 h內(nèi)微孔陶瓷滲灌管道土壤水分分布圖。從圖6中可以看出，微孔陶瓷滲灌管道附近土壤含水量較高，接近達(dá)到土壤飽和含水量，并沿濕潤(rùn)鋒運(yùn)移方向土壤含水量逐漸降低。當(dāng)入滲時(shí)間為48 h 時(shí)，工作水頭為0.25 m 的微孔陶瓷滲灌管道水平、垂直向上和垂直向下的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離分別為0.253 7 m、0.250 9 m 和0.258 9 m，濕潤(rùn)面積為0.203 4 m2，并且濕潤(rùn)面積隨入滲時(shí)間的延續(xù)小幅度增大。此外，入滲初期，土壤水分入滲的主要驅(qū)動(dòng)力為土壤吸力，水勢(shì)差受工作壓力影響較小[28]，當(dāng)入滲48 h，工作水頭由0.25 m 增加至0.75 m 時(shí)，穩(wěn)定出流狀態(tài)的濕潤(rùn)面積從0.203 4 m2增加至0.345 6 m2，增幅為69.91%。如圖6 所示，當(dāng)入滲時(shí)間為48 h 時(shí)，濕潤(rùn)體內(nèi)平均土壤含水量也隨工作水頭的增加而增大，平均土壤含水量從0.25 m的0.243 cm3/cm3增加至0.75 m 的0.406 cm3/cm3，增幅為67.07%。這說(shuō)明通過(guò)調(diào)節(jié)工作水頭，可以控制微孔陶瓷滲灌管道土壤水分入滲過(guò)程，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)水分供給。

圖6 模擬3種工作水頭下48 h后的微孔陶瓷滲灌管道濕潤(rùn)鋒圖Fig.6 The wetting front of microporous ceramic infiltration pipe after 48 h under three working heads was simulated

為精確描述不同工作水頭下微孔陶瓷滲灌管道土壤水分入滲過(guò)程，繪制了如圖7所示的垂直向上、垂直向下和水平濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離以及濕潤(rùn)體內(nèi)平均土壤含水量隨時(shí)間的變化規(guī)律。從圖7（a）～圖7（c）可以看出，在入滲初期，隨著土壤入滲時(shí)間增加，垂直向上、垂直向下和水平濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離逐漸增加，但隨著時(shí)間延長(zhǎng)，濕潤(rùn)鋒在入滲后期運(yùn)移距離差值逐漸減小，濕潤(rùn)鋒各方向運(yùn)移距離變化率與時(shí)間呈負(fù)相關(guān)，濕潤(rùn)面積變化越來(lái)越小，而后基本維持不變[8,29]。此外，垂直向上、垂直向下和水平濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離隨工作水頭的增加而增加。以入滲時(shí)間48 h 為例，當(dāng)工作水頭由0.25 m 增加至0.75 m 時(shí)，垂直向上濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離從25.09 cm 增加至28.6 cm，垂直向下濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離從25.89 cm 增加至29.1 cm，水平濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離從25.37 cm 增加至28.67 cm。以0.75 m 工作水頭為例，在入滲后期即第48 h 時(shí)，垂直向上、垂直向下和水平方向的濕潤(rùn)鋒分別以0.05 cm/h、0.08 cm/h 和0.04 cm/h 的速率擴(kuò)散，濕潤(rùn)面積基本維持穩(wěn)定。由于土壤水分受重力作用，垂直向下濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離僅比垂直向上濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離和水平濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離多0.5 cm和0.43 cm。

圖7 微孔陶瓷滲灌管道濕潤(rùn)鋒與濕潤(rùn)體平均土壤含水量隨時(shí)間變化規(guī)律Fig.7 The microporous ceramic infiltration pipe wetting front and average soil water content of the wetting body of the changes with time

由圖7（d）可知，濕潤(rùn)體內(nèi)平均土壤含水量在1 h內(nèi)迅速上升，入滲48 h 后，濕潤(rùn)體內(nèi)平均土壤含水量保持在穩(wěn)定狀態(tài)。例如，當(dāng)工作壓力為0.25 m 時(shí)，濕潤(rùn)體內(nèi)平均土壤含水量先在1 h 內(nèi)由初始土壤含水量0.120 cm3/cm3迅速增長(zhǎng)至0.238 cm3/cm3，然后隨著入滲時(shí)間增加，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定出流狀態(tài)，濕潤(rùn)體內(nèi)平均土壤含水量保持在0.243 cm3/cm3。此外，濕潤(rùn)體內(nèi)平均土壤含水量隨工作水頭增加而增加，入滲48 h后， 0.25 m、0.50 m和0.75 m工作水頭下濕潤(rùn)體內(nèi)平均含水量分別為0.243 cm3/cm3、0.348 cm3/cm3和0.406 cm3/cm3。

2.3 微孔陶瓷滲灌管道工作水頭確定

根據(jù)HYDRUS-2D 模型模擬結(jié)果，表3 給出了入滲48 h 后微孔陶瓷滲灌管道穩(wěn)定出流量、水平、垂直向上、垂直向下濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離以及濕潤(rùn)體內(nèi)平均土壤含水量與工作水頭間的數(shù)學(xué)關(guān)系。為確定微孔陶瓷滲灌管道最優(yōu)工作水頭，以根水匹配度最高為優(yōu)化指標(biāo)，建立目標(biāo)函數(shù)：

表3 入滲48 h后土壤水分入滲參數(shù)與工作水頭間的數(shù)學(xué)關(guān)系Tab.3 The mathematical relationship between soil water infiltration parameters and working heads after infiltration for 48 h

式中：q為微孔陶瓷滲灌管道穩(wěn)定出流量，L/(h·m)；I為灌水量，mm；S為種植面積，hm2；N為株數(shù)，棵；D為灌溉天數(shù)；X為水平濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離，cm；Z+為垂直向上濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離，cm；Z-為垂直向下濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離，cm；Lz為根系深度，cm；Lx為根系深度，cm。

約束條件：

通過(guò)上述目標(biāo)函數(shù)，結(jié)合不同作物需水量及根系空間分布情況，進(jìn)而根據(jù)土壤水分入滲參數(shù)，獲得微孔陶瓷滲灌管道最優(yōu)工作水頭。表4給出了在與試驗(yàn)土樣物理特性相似的試驗(yàn)條件下常見(jiàn)的冬小麥、玉米和番茄3種根系分布特征密植作物的微孔陶瓷滲灌管道適宜工作水頭。表4中不同密植作物的適宜灌水量、生育期時(shí)間、根系深度和寬度可見(jiàn)參考文獻(xiàn)。

表4 典型密植型作物的工作水頭優(yōu)化Tab.4 Working head optimization of typical close planting crops

3 討 論

由于微孔陶瓷滲灌管道依靠其內(nèi)部相互連通的微米級(jí)孔隙出流，其入滲過(guò)程可理解為多孔介質(zhì)出流，因此影響滲灌管道流量變化的主要因素是工作水頭與外部土壤水勢(shì)[33]。蔡耀輝等[34]通過(guò)分析微孔陶瓷灌水器出流過(guò)程中的力能關(guān)系，發(fā)現(xiàn)當(dāng)土壤干燥時(shí)灌水器同時(shí)受到工作水壓和土壤水吸力的共同作用，并隨土壤含水量的增加，土壤水吸力逐漸降低，最終表現(xiàn)為灌水器出流量隨入滲時(shí)間的延續(xù)逐漸降低。本研究中微孔陶瓷滲灌管道出流量也呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)，這說(shuō)明陶瓷灌水器結(jié)構(gòu)形式并不改變其內(nèi)部出流機(jī)理。然而，Liu 等[9]利用微孔陶瓷灌水器進(jìn)行溫室番茄灌溉，發(fā)現(xiàn)作物生育期內(nèi)微孔陶瓷灌水器出流量連續(xù)隨機(jī)波動(dòng)，而本試驗(yàn)中微孔陶瓷滲灌管道出流量基本維持穩(wěn)定，這可能是土箱試驗(yàn)條件下土壤水分環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定所導(dǎo)致的。近年來(lái)，Cai 等[35]運(yùn)用HYDRUS-2D 數(shù)值模擬軟件預(yù)測(cè)了微孔陶瓷灌水器在不同運(yùn)行管理參數(shù)條件下流量變化規(guī)律，并利用灌水器穩(wěn)定出流量對(duì)微孔陶瓷灌水器工作水頭進(jìn)行了優(yōu)化，這說(shuō)明本研究中以最優(yōu)根水匹配進(jìn)行滲灌管道工作水頭優(yōu)化是可行的。

王辰元[36]與歐陽(yáng)淼[37]在地下滴灌土壤水分入滲試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了相似結(jié)果，然而地下滴灌灌水器所形成的土壤濕潤(rùn)體近似于橢圓，且垂向濕潤(rùn)距離顯著大于水平濕潤(rùn)距離，這主要是工作水頭較高、滴頭流量較大所導(dǎo)致的。微孔陶瓷滲灌與地下滴灌的土壤水分運(yùn)移規(guī)律和機(jī)理不同，在灌溉過(guò)程中，微孔陶瓷滲灌在低壓條件下依靠土壤基質(zhì)勢(shì)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，濕潤(rùn)體內(nèi)土壤含水量變化較小，提供了恒定的水分環(huán)境，地下滴灌雖然可以采取干濕交替的被動(dòng)恒壓灌溉方式[8]，但土壤含水量不易控制，且操作復(fù)雜。低壓微孔陶瓷滲灌管道入滲過(guò)程主要受管道內(nèi)外水勢(shì)差影響，入滲后期由于滲灌管道周圍土壤接近飽和[8]，當(dāng)微孔陶瓷滲灌管道入滲48 h后，其土壤入滲基本維持穩(wěn)定，此時(shí)土壤基質(zhì)勢(shì)較低，微孔陶瓷滲灌管道穩(wěn)定出流量受工作壓力影響較為明顯，這一現(xiàn)象與牛文全研究結(jié)果吻合[27]，因此可根據(jù)作物的需水量，通過(guò)調(diào)節(jié)工作水頭實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)補(bǔ)水的主動(dòng)灌溉。而微壓灌溉條件下的濕潤(rùn)鋒尚未接觸到深層滲漏邊界，垂直向下運(yùn)移的水分深度未能達(dá)到深層滲漏條件，這說(shuō)明滲灌管道在控制土壤濕潤(rùn)區(qū)域和降低土壤水分深層滲漏方面可能存在明顯優(yōu)勢(shì)，Liu 等[9]也發(fā)現(xiàn)了相似現(xiàn)象。與傳統(tǒng)微孔陶瓷灌水器相比，由于微孔陶瓷滲灌管道需考慮邊界問(wèn)題，所形成的濕潤(rùn)體為平行于土壤表面的圓柱體，故將其作為柱狀面源入滲進(jìn)行分析[8,38]，因此在實(shí)際應(yīng)用中，為充分利用微孔陶瓷滲灌的入滲特點(diǎn)與提供穩(wěn)定土壤水分環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)，可將研究所提出的滲灌管道應(yīng)用于密植型作物。

進(jìn)一步地，本研究以最優(yōu)根水匹配為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)冬小麥、玉米和番茄3種典型密植型作物的微孔陶瓷滲灌管道工作水頭進(jìn)行了優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)番茄適宜工作水頭最高，而冬小麥作物工作水頭最低（表4），工作水頭優(yōu)化結(jié)果是可以預(yù)見(jiàn)的，這是因?yàn)榕c玉米和冬小麥相比，番茄作為一種典型密植型經(jīng)濟(jì)作物，由于根系發(fā)達(dá)且吸水能力強(qiáng)，對(duì)土壤水分敏感，因此需要更高的灌溉水量以保證產(chǎn)量[32]，而根據(jù)過(guò)往研究發(fā)現(xiàn)，張子卓[39]認(rèn)為利用微潤(rùn)帶灌溉番茄適宜的工作水頭為120～200 cm，蔡耀輝[19]研究發(fā)現(xiàn)微孔陶瓷灌水器無(wú)壓或微壓灌溉番茄的工作水頭合理取值則為0～20 cm，因此分別在0～100 cm的工作水頭中設(shè)置3組梯度進(jìn)行研究。然而，本研究?jī)H對(duì)黏壤土下微孔陶瓷滲灌管道的土壤水分入滲過(guò)程進(jìn)行了研究，未來(lái)尚需對(duì)不同土質(zhì)下的滲灌管道入滲過(guò)程及田間應(yīng)用效果進(jìn)行研究，以實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的實(shí)際推廣應(yīng)用。

4 結(jié) 論

本研究采用注漿成型法制備了一種新型材料性能優(yōu)良的綠色微孔陶瓷滲灌管道，并以此為研究對(duì)象，采用試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬的方法，利用HYDRUS-2D模擬微孔陶瓷滲灌管道土壤水分入滲過(guò)程，為實(shí)現(xiàn)最優(yōu)根水匹配，優(yōu)化了微孔陶瓷滲灌管道工作水頭。本研究的主要結(jié)論如下：

（1）HYDRUS-2D 模擬軟件預(yù)測(cè)的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離、累計(jì)入滲量和土壤含水量與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高，驗(yàn)證了模型的適用性與有效性，可較好地預(yù)測(cè)微孔陶瓷滲灌管道在不同運(yùn)行管理?xiàng)l件下土壤水分入滲參數(shù)變化規(guī)律，為后續(xù)優(yōu)化工作水頭提供了可行性。

（2）微孔陶瓷滲灌管道流量在1 h 內(nèi)迅速下降，待穩(wěn)定后以穩(wěn)定出流量持續(xù)出流，且滲灌管道穩(wěn)定出流量隨工作水頭的增大而增大，呈顯著的線性正相關(guān)關(guān)系。此外，滲灌管道附近土壤含水量最高，并沿濕潤(rùn)鋒運(yùn)移方向逐漸降低，濕潤(rùn)面積隨入滲時(shí)間的延續(xù)逐漸增大，待入滲穩(wěn)定后變化越來(lái)越小，濕潤(rùn)體內(nèi)平均土壤含水量和濕潤(rùn)面積基本維持不變，僅隨工作水頭增加而增大。

（3）本研究對(duì)冬小麥、夏玉米和番茄3種典型密植型作物的微孔陶瓷滲灌管道工作水頭進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)合密植作物的根系分布和作物生長(zhǎng)需求情況，冬小麥推薦工作水頭為0.423 m，夏玉米推薦工作水頭為0.529 m，番茄推薦工作水頭為0.642 m。