滴灌灌水器特征參數(shù)對砂土濕潤進程的影響

摘要： 明確灌水器特征參數(shù)和土壤粒徑組成對濕潤進程的影響是進行滴灌系統(tǒng)設計的基礎與前提.提出了使用單位濕潤體的灌水強度（AQTV）量化土壤濕潤進程，探究了灌水器流量（1，3，6 L/h）、灌水量（5，10，20 L）和覆膜對不同粒徑組成砂質(zhì)土壤（北京大興DX、內(nèi)蒙古烏盟WM、新疆伽師JS、內(nèi)蒙赤峰CF）AQTV的影響.結果表明：不同粒徑組成砂壤土的AQTV均隨灌水器流量增大呈上升的變化規(guī)律，并且與粒徑組成中（0.100，0.250］ mm的土壤顆粒占比呈顯著性負相關關系（Plt;0.05）；隨著灌水量增加，4種砂壤土中AQTV均呈逐漸下降趨勢.當灌水量為5 L以及10和20 L時，AQTV分別與≤0.002 mm的黏粒以及（0.500，1.000］ mm的砂粒組分占比呈顯著正相關關系.覆膜滴灌提升了處理DX，WM和CF的AQTV，這可能是由于3種砂壤土大粒徑砂粒或黏粒相對較高的原因.此外，隨著灌水器間距增加，土壤水分交匯區(qū)域與含水量減小，土壤水分在水平和豎直濕潤距離減小.

關鍵詞： 濕潤鋒；砂壤土；水分運移；單位濕潤體的灌水強度；交匯入滲

中圖分類號： S274 文獻標志碼： A" 文章編號： 1674-8530（2024）05-0508-09

DOI：10.3969/j.issn.1674-8530.23.0009

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HAO Chuangchuang， LIU Dazhong， MAIMAITIMING Maitusong， et al. Effect of drip irrigation emitters parameters on wetting process of sandy soil［J］. Journal of drainage and irrigation machinery engineering（JDIME）， 2024， 42（5）： 508-516.（in Chinese）

Effect of drip irrigation emitters parameters on wetting

process of sandy soil

HAO Chuangchuang1，2， LIU Dazhong3， MAIMAITIMING Maitusong3， ZHOU Yunpeng2，

KUANG Naikun2， CHEN Weijie2， LIU Pei1，2， XIAOKAITIJIANG Kasimu2， LI Yunkai2*

（1. College of Water Conservancy amp; Architectural Engineering， Shihezi University， Shihezi， Xinjiang 832003， China; 2. College of Water Resources and Civil Engineering， China Agricultural University， Beijing 100083， China; 3. Xinjiang Kashgar River Basin Administration Bureau， Kashgar， Xinjiang 844000， China）

Abstract： Clarifying the impact of emitter characteristic parameters and soil particle size composition on the wetting process is basis for designing drip irrigation systems. The effects of emitter flow （1， 3， and 6 L/h）， irrigation volume （5， 10， and 20 L）， and film covering on the AQTV of sandy soil with different particle size composition were investigated in this study. It proposed to use the average quantity of irrigation in the per-unit time and unit-wet volume （AQTV） to quantify the soil wetting process （Beijing Daxing DX， Inner Mongolia Wumeng WM， Xinjiang Jiashi JS， Inner Mongolia Chifeng CF）. The results indicate that the AQTV of sandy loam soil with different particle size compositions increases with the increase of irrigation flow rate， and it shows a significant negative correlation with the proportion of soil particles in the particle size range of （0.100，0.250］ mm （Plt;0.05）. The AQTV in the four different types of sandy loam soil also shows a trend toward a gradual decline trend with an increase in irrigation amount. The content of clay particles≤0.002 mm and （0.500，1.000］ mm sand components and AQTV have a strong positive link when the irrigation volume is 5 L and 10 L， 20 L， respectively. The improvement in AQTV of the DX， WM and CF treatments with film mulching drip irrigation may be attributable to the relatively large sand or clay particles in the three types of sandy loams. In addition， when the distance between emitters increases， the intersection area， water content， and horizontal and vertical soaking distance of soil water are reduced.

Key words： moist front;sandy loam soil;water migration;AQTV;confluent infiltration

滴灌被認為是現(xiàn)階段應用最廣泛、最高效的節(jié)水灌溉方式，通過灌水器將水分緩慢、均勻、靶向地輸送到作物根部土壤中，以局部濕潤的方式在作物根區(qū)形成橢球形濕潤體［1-2］.濕潤體的形狀與特征會顯著影響作物對水分的吸收，從而影響作物產(chǎn)量、品質(zhì)和水分利用效率［3-4］.因此，明確灌水器特征參數(shù)對土壤濕潤體運移特性及水分分布特征的影響，對于合理設計滴灌系統(tǒng)、進一步理解其節(jié)水增產(chǎn)機理具有重要意義.

國內(nèi)外學者圍繞灌水器特征參數(shù)對土壤濕潤特性的影響展開了部分研究.李明思等［5］和EKHMAJ等［6］發(fā)現(xiàn)，灌水器流量對濕潤鋒水平運移的影響較豎直運移更加明顯，與非砂質(zhì)土壤相比，砂質(zhì)土壤具有更大的濕潤鋒豎直運移距離.張振華等［7］ 發(fā)現(xiàn)當灌水器流量大于土壤最大入滲能力時，會在地表滴灌灌水器下方土壤形成積水.何振嘉等［8］研究了灌水器間距對黃綿土濕潤特性的影響，發(fā)現(xiàn)隨著灌水器間距增加，對交匯面處濕潤鋒運移距離具有促進作用.砂質(zhì)土壤［9］是中國滴灌技術應用的主要土壤類型，例如北京市大興區(qū)、內(nèi)蒙古烏盟、新疆地區(qū)等［10］.砂質(zhì)土壤中砂粒占比較高、粉粒和黏粒占比較低［11］.

粒徑組成是導致砂質(zhì)土壤滲透率差異的最主要因素之一，即土壤砂粒大粒徑占比越高，土壤滲透性越強，水分運移得也越快［12-13］.同時，不同灌水器特征參數(shù)與灌溉制度條件下，土壤水分具有獨特的入滲規(guī)律、濕潤鋒推進模式和入滲滯后效應，最終形成具有時空分布差異的土壤濕潤特征［14-15］.

然而，現(xiàn)有研究大多圍繞濕潤鋒運移形式對土壤入滲特性的影響開展研究［16-17］，如何定量刻劃土壤濕潤特性與灌水器特征參數(shù)、砂土粒徑組成間的關系還鮮有報道.

為此，文中提出單位濕潤體的灌水強度（average quantity of irrigation in the per unit time and wet vo-lume， AQTV）的概念，從而對土壤濕潤進程進行量化表征；在北京市大興區(qū)、內(nèi)蒙古烏盟、新疆伽師縣、內(nèi)蒙古赤峰市選取4種典型農(nóng)田0～50 cm的耕層土壤，通過室內(nèi)土箱試驗探究灌水器特征參數(shù)對不同粒徑組成的砂壤土濕潤進程的影響，旨在：① 闡明灌水器流量、灌水量與覆膜滴灌對不同組分砂質(zhì)土壤水分入滲過程的影響；② 明確不同灌水器間距對砂質(zhì)土壤濕潤體特性的影響.以期為量化滴灌灌水器特征參數(shù)對砂質(zhì)土壤濕潤特性的影響提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗地點位于中國農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院土壤與作物學研究室內(nèi).選擇4種組分不同的砂質(zhì)土壤、3種灌水器流量（1，3，6 L/h）、3種灌水量（5，10，20 L）和2種覆蓋形式（無膜滴灌與10 μm地膜覆膜滴灌）開展單點源入滲試驗，選擇2種灌水器間距（30，50 cm）開展雙點源入滲試驗.供試土壤取自北京市大興區(qū)（DX）、內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市（烏盟）（WM）、新疆維吾爾自治區(qū)伽師縣（JS）、內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市烏丹鎮(zhèn)（CF）周邊典型農(nóng)田0～50 cm的耕層土壤.土壤經(jīng)自然風干、晾曬、碾壓過2 mm篩并均勻混合后，按照容重1.4 g/cm3，通過分層打毛（以5 cm為1層）、壓實裝入土箱.對裝填的土壤隨機取樣.使用激光粒度分布儀（MS2000，馬爾文，英國）測試土壤粒徑分布狀態(tài)，按照美國制劃分土壤類型，見表1，γ為粒徑占比.

1.2 試驗內(nèi)容

室內(nèi)入滲試驗裝置主要由馬氏瓶和土箱兩部分組成.在單點源入滲試驗中，土箱為頂角15°的扇形土槽，側(cè)面積尺寸為65 cm×65 cm；雙點源入滲試驗中土箱為長方體，長×寬×高為50 cm×50 cm×65 cm.單、雙點源試驗均采用馬氏瓶穩(wěn)壓供水，7號針頭模擬滴灌灌水器.單點源試驗中，針頭位置位于扇形土槽的頂角位置，試驗過程中形成的濕潤體體積為完整濕潤體體積的1/24，因此針頭流量和灌水量均為試驗設計灌水器流量的1/24.

雙點源試驗中，以有機玻璃的中心線與土層表層相交處為零點，針頭以此為對稱布置.針頭間距為50 cm時，試驗過程中形成的濕潤體體積為完整濕潤體體積的1/4，因此針頭流量和灌水量均為試驗設計灌水器流量的1/4；針頭間距30 cm時，試驗過程中形成的濕潤體體積為完整濕潤體體積的1/2，因此針頭流量和灌水量均為試驗設計灌水器流量的1/2.

試驗開始前，用燒杯測試滴水流量，調(diào)節(jié)止水閥使針頭出流量達到設定流量.覆膜試驗采用10 μm地膜覆蓋地表.

試驗開始后，在0～1 h內(nèi)每隔5 min，2～3 h內(nèi)每隔10 min，4～5 h內(nèi)每隔30 min，6～7 h內(nèi)每隔60 min觀測1次馬氏瓶讀數(shù)并在有機玻璃板上描繪濕潤鋒運移曲線.試驗結束后，用坐標紙拓下，做好標記導入AutoCAD 2019軟件，仔細描繪出濕潤鋒圖；通過預制孔（直徑20 mm）取得土壤樣品并使用烘干法計算土壤質(zhì)量含水率.

為了描述土壤濕潤體的灌溉效果，提出了單位濕潤體的灌水強度（AQTV）的概念，具體計算式為

AQTV=Q/（TV），（1）

式中：Q為灌水量，m3；T為灌水時間，h；V為濕潤體體積，m3.

將記錄濕潤鋒的圖像導入AutoCAD 2019軟件后，把圖像沿軸線旋轉(zhuǎn)360°，通過建立3D模型進行土壤濕潤體體積的計算.

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用Microsoft Excel對數(shù)據(jù)進行預處理和表格制作，采用AutoCAD 2019軟件繪制裝置示意圖，采用Origin 2021進行制圖與相關性分析.采用ANVOA（IBM，SPSS）進行灌水器流量、灌水量、粒徑組成與AQTV間Spearman相關系數(shù)的計算（Plt;0.05）.

2 試驗結果與分析

2.1 灌水器流量對不同砂質(zhì)土壤濕潤鋒運移過程的影響

灌水器流量對不同土壤濕潤鋒運移過程的影響如圖1所示，L為運移濕潤距離、t為運移時間.結果表明不同灌水器流量下，濕潤鋒水平和豎直方向的運移均經(jīng)歷了加速濕潤（0，60］ min、減緩濕潤（60，120］ min和穩(wěn)定濕潤＞120 min的過程.當灌水器流量為1 L/h時，處理JS的濕潤鋒的水平和豎直運移距離最大，DX的濕潤鋒豎直運移距離最小.其中處理JS較DX，WM和CF的水平濕潤距離分別大6.1，7.7和6.6 cm，豎直濕潤距離分別大5.3，4.2和4.9 cm.

當灌水器流量為3和6 L/h時，均呈現(xiàn)處理DX濕潤距離最大、CF濕潤距離最小的規(guī)律.其中處理DX較WM，JS和CF的水平濕潤距離分別大3.0～4.2，1.1～2.1和3.2～3.3 cm；豎直濕潤距離分別大-0.5～1.2，0.8～1.1和1.9～3.9 cm.

灌水器流量對不同砂質(zhì)土壤單位濕潤體灌水強度的影響如圖2所示，δ為相關程度，Silt表示粒徑為（0.005，0.100］的土壤.由圖可知，在不同砂質(zhì)土壤條件下，AQTV與灌水器流量均呈顯著正相關關系；流量為1，3，6 L/h時CF的AQTV較其他供試土壤分別提升8.8%～134.5%，10.8%～33.7%和4.2%～52.7%.通過Spearman相關系數(shù)可知，不同灌水器流量下，AQTV均與粒徑為（0.100，0.250］ mm的砂粒占比呈顯著負相關關系，與粒徑為（0.002，0.005］ mm和≤0.002 mm的黏粒占比均呈顯著正相關關系（Plt;0.05）.

2.2 灌水量對不同砂質(zhì)土壤濕潤鋒運移過程的影響

灌水量對不同砂質(zhì)土壤濕潤鋒運移過程的影響如圖3所示.

結果表明，在0～40 min時段，處理DX，WM和CF在水平方向濕潤鋒的運移速率高于豎直方向，但JS在前期呈現(xiàn)相反的規(guī)律，隨時間推移，豎直運移速率逐漸大于水平運移速率.在120 min后，濕潤鋒豎直方向運移速率按處理排序由大到小呈現(xiàn)DX，JS，WM，CF的規(guī)律.不同時刻下，處理DX在水平和豎直方向一直保持最大濕潤距離，隨灌水量增加，處理DX較WM，JS和CF在水平方向上的濕潤距離分別高出2.3～5.6，1.3～2.1和0.8～3.5 cm，在豎直方向上濕潤距離分別高出2.1～5.2，2.7～3.6和5.4～7.8 cm.

灌水量對不同砂質(zhì)土壤單位濕潤體的灌水強度的影響如圖4所示.結果表明，隨著灌水量增加，AQTV在不同砂質(zhì)土壤中分別呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢.不同砂質(zhì)土壤間AQTV的差異均隨灌水量增加而逐漸縮小.其中，當灌水量達到5，10和20 L時，不同砂質(zhì)土壤間AQTV處于0.35～0.60，0.15～0.25和 0.06～0.11，呈現(xiàn)的規(guī)律按處理排序由小到大分別為DX，WM，JS，CF；DX，JS，CF，WM；DX，JS，CF，WM.通過Spearman相關性進一步分析可知，AQTV與（0.500，1.000］ mm粒級的砂粒和≤0.002 mm 粒級的黏粒含量呈正相關，但與（0.100，0.250］ mm粒級的砂粒含量呈顯著負相關.

整體而言，隨著灌水量增加，其相關性逐漸增強.此外，在灌水量為5 L 時，AQTV與Silt占比呈顯著正相關，但隨著灌水量的逐步累積，相關性又逐步降低.

2.3 覆膜滴灌對土壤濕潤鋒運移過程的影響

覆膜滴灌對砂質(zhì)土壤水分運移特性與單位濕潤體的灌水強度的影響如圖5，6所示，ΔL為水平與豎直方向濕潤距離差，即以未覆膜情況下的濕潤鋒運移距離減去覆膜情況下濕潤鋒運移距離所得，AQTV為覆膜減去未覆膜狀態(tài)下的值.

結果表明，以灌水器流量3 L/h時為例，覆膜增加了供試土壤JS和WM的最大水平濕潤距離（0.01～0.68 cm），而CF的最大水平濕潤距離降低了0.43 cm.同時，覆膜提升了DX和JS的最大豎向濕潤距離（0.14～2.04 cm），但減小了WM和CF的最大濕潤距離（0.50～1.54 cm）.覆膜對于供試土壤AQTV的影響隨砂壤土粒徑組成不同而展示出不同規(guī)律，例如，覆膜降低了處理JS的AQTV，降低幅度為8.65%，但其他供試土壤的AQTV有所提升，提升為0.81%～7.08%.

2.4 灌水器間距對土壤濕潤鋒運移過程的影響

灌水器間距對土壤濕潤鋒運移過程及土壤水分質(zhì)量濃度ρ的影響如圖7，8所示.結果表明，同一灌水器流量和灌水量下，灌水器間距l(xiāng)為30 cm時土壤水分發(fā)生交匯的時間相同，且均為160 min.發(fā)生交匯后，土壤的含水量變大，CF和WM發(fā)生交匯處豎直濕潤距離約為5 cm，但DX和JS卻為10 cm左右.當灌水器間距為30 cm時，CF在豎直入滲10 cm處水分質(zhì)量濃度最大，土壤水分質(zhì)量濃度為37 kg/L，較WM，JS和DX的土壤水分質(zhì)量濃度分別高出1，16和19 kg/L.但當灌水器間距為50 cm時，豎直入滲10 cm處WM的水分質(zhì)量濃度大于CF.灌水器間距相同時，供試土壤DX和JS的水分質(zhì)量濃度的差值為3～4 kg/L，供試土壤WM和CF有較高的保水特性.灌水器間距增加后，濕潤鋒交匯區(qū)、交匯區(qū)ρ及灌水器下方水平和豎直濕潤距離均呈現(xiàn)減小趨勢.

3 討 論

3.1 灌水器特征參數(shù)對不同砂質(zhì)土壤濕潤進程的影響

土壤濕潤體及其影響因素研究是合理設計滴灌系統(tǒng)、提高水分利用效率的前提和基礎［18］.ATQV作為一個衡量土壤濕潤體范圍內(nèi)灌溉效果的指標，通過不同灌水器特征參數(shù)對于砂質(zhì)土壤濕潤進程中AQTV的影響，能夠反饋出在滴灌系統(tǒng)設計過程中適宜不同作物的灌水器特征參數(shù).

研究中借助室內(nèi)土箱試驗，探究了不同灌水器特征參數(shù)對砂土濕潤進程的影響，以明晰不同粒徑占比對于土壤水分運移過程與濕潤進程的影響.結果表明，當灌水器流量為1 L/h時，處理JS的最大濕潤距離大于其他供試土壤，這與小于等于0.005的黏粘占比較低有關，黏粒占比往往與濕潤體體積呈負相關［19］.當灌水器流量增大后，處理DX的濕潤距離最大，這可能是因為此時的灌水器流量接近DX土壤的飽和導水率，促進了水分在土壤中的豎向運移［20］.對比不同灌水器流量對砂質(zhì)土壤濕潤進程的結果可知，處理WM和CF中土壤水分的水平方向與豎直方向濕潤距離明顯小于其他供試土壤.WM和CF土壤中的黏粒占比高、孔隙結構復雜，土壤的吸水性和保水性較強，從而延緩了土壤濕潤速率［19，21］.同時WM和CF在灌水器下方形成了地表積水，從而減小了土壤水分入滲速率與距離［22］.處理CF中與AQTV呈顯著負相關關系的（0.100，0.250］ mm砂粒占比處于較低水平，與AQTV呈顯著正相關關系的（0.002，0.005］ mm粒級和≤0.002 mm粒級黏粒占比處于較高水平，使得CF的AQTV較其他處理有所提升.由于濕潤體體積提升的規(guī)模遠小于灌水器流量增加帶來的影響，導致在相同灌水時間條件下，AQTV隨灌水量增加而增大.當土壤含水量趨近飽和時，土壤水分的遷移擴散速度逐漸趨于穩(wěn)定，濕潤體擴散逐漸減緩［23］.綜合濕潤距離和AQTV的結果，推薦處理JS和CF使用的灌水器流量為3 L/h.

在不同灌水量下，DX均具有最大的土壤水分入滲速率，這與DX小粒徑砂粒占比較高有關.土壤中小粒徑顆粒占比與土壤田間持水率密切相關，砂粒含量越高，土壤田間持水率越低［24］.在灌水器流量相同時，隨著灌水量的累積，其單位濕潤體所能承載的含水量逐漸趨于飽和［20］，因此AQTV隨灌水量增大呈現(xiàn)減小的趨勢.通過相關性分析可知，AQTV與（0.100，0.250］ mm粒級的砂粒含量呈負相關，與≤0.002 mm粒級的黏粒含量呈正相關，并且相關系數(shù)隨著灌水器流量增大和灌水量增加而增加.這可能是由于土壤田間持水率、持水能力均隨砂粒占比增加而逐漸遞減［25］，土壤中黏粒占比增加可以提高土壤飽和含水率［26］.

3.2 覆膜滴灌及灌水器間距對不同砂質(zhì)土壤濕潤進程的影響

相較無膜覆蓋條件而言，覆膜提升了大部分砂壤土的AQTV.在地膜覆蓋的情況下，水分滲透過程中同時受到邊界地膜束縛、土壤地表積水、重力勢、基質(zhì)附著力等多重因素的影響，限制了濕潤鋒的水平運移，同時由于水分不能向四周擴散使得地表水壓力增大，增大了土壤豎直入滲速率［27］.當土壤含水量達到一定的閾值，在重力的影響下會更加傾向于向深層土壤滲透［28］.覆膜降低了處理JS的AQTV，增加了土壤水分在水平、豎直方向的最大濕潤距離，這可能是由于JS土壤具有較高的粉粒和砂粒組成.

隨著灌水器間距的增大，雙點源入滲時水平最大濕潤距離、濕潤峰交匯時間和濕潤體體積均呈現(xiàn)增加的變化趨勢，并且顯著促進了交匯面處濕潤鋒運移距離.這與吳恒卿等［29］的發(fā)現(xiàn)一致.同時，研究發(fā)現(xiàn)灌水器間距對交匯面處濕潤鋒運移距離有較大影響.隨著灌水器間距增加，交匯面濕潤鋒運移距離逐漸越小，交匯入滲處的土壤水分質(zhì)量濃度降低幅度小于自由入滲處，即灌水器間距越大，交匯面濕潤程度越低［8］.當灌水器間距相同，發(fā)生交匯后處理WM和CF的濕潤體體積較小，土壤含水量相對較高，這是由于WM和CF土壤砂粒占比小、而土壤粉粒和黏粒占比較高，土壤持水能力較強所導致的.同時，交匯區(qū)土壤含水量始終大于灌水器下方，砂壤土含水量始終大于壤質(zhì)砂土，這主要與土壤的濕潤體的形態(tài)有關［30］.綜合濕潤體形態(tài)和土壤水分質(zhì)量濃度的結果，推薦處理JS和CF使用的灌水器間距為30 cm.

4 結 論

研究了滴灌灌水器特征參數(shù)對砂土濕潤進程的影響，得到主要結論如下：

1） 在4種砂壤土上，AQTV隨灌水器流量增加均呈現(xiàn)升高的變化趨勢，而隨灌水量增加呈現(xiàn)降低的變化趨勢.

2） AQTV與粒徑為（0.500，1.000］mm的砂粒、（0.002，0.005］mm的黏粒和≤0.002 mm的黏粒占比呈顯著正相關關系，與粒徑為（0.100，0.250］ mm的砂粒占比呈顯著負相關.

3） 覆膜提高了DX，WM和CF 3個處理的AQTV，降低了處理JS的AQTV，土壤濕潤體交匯區(qū)域的含水量隨灌水器間距增加而減小.

4） 推薦處理JS和CF使用的最佳灌水器流量為3 L/h，最佳灌水器間距為30 cm.

5） 研究借助AQTV量化了灌水器特征參數(shù)對砂質(zhì)土壤濕潤進程的影響，可為優(yōu)化滴灌系統(tǒng)的設計提供理論支撐.

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（責任編輯 張文濤）

收稿日期： 2023-01-18； 修回日期： 2023-04-25； 網(wǎng)絡出版時間： 2024-04-26

網(wǎng)絡出版地址： https：//link.cnki.net/urlid/32.1814.th.20240423.1113.012

基金項目： 喀什噶爾河流域管理局科研項目（XJKGKY001）；國家自然科學基金資助項目（51790531）

第一作者簡介： 郝闖闖（1995—），男，河北邯鄲人，碩士研究生（hchuangchuang@126.com），主要從事節(jié)水灌溉理論與技術研究.

通信作者簡介： 李云開（1975—），男，湖南芷江人，教授，博士生導師（yunkai@cau.edu.cn），主要從事滴灌灌水器堵塞過程、機理與控制研究．