鄭福麗，孫澤強(qiáng)，譚德水，張柏松，江麗華

(山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所/農(nóng)業(yè)部黃淮海平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/山東省植物營(yíng)養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250100)

0 引 言

近年來(lái)，隨著水資源短缺問(wèn)題日益凸顯，節(jié)水農(nóng)業(yè)越來(lái)越受到人們的重視，節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)也得到了迅速發(fā)展。截至2013年底，全國(guó)高效節(jié)水灌溉面積為1.43×107hm2，其中噴灌為3.00×106hm2、微灌為3.87×106hm2、低壓管道輸水為7.40×106hm2；農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)提高到0.52，單方灌溉水糧食產(chǎn)量增加到1.75 kg，通過(guò)節(jié)水灌溉方式肥料、農(nóng)藥利用率提高了5%～20%[1]。

從目前中國(guó)推廣應(yīng)用一些節(jié)水灌溉技術(shù)的效果看，低壓管道輸水灌溉可節(jié)水20%～30%，滴灌可節(jié)水70%～80%，噴灌可節(jié)水40%～50%[2]，可見(jiàn)推廣先進(jìn)節(jié)水灌溉技術(shù)和提高管理水平的節(jié)水潛力是巨大的。然而在灌溉中經(jīng)常會(huì)遇到水源水位低于農(nóng)作物種植物面的情況，此時(shí)使用這些節(jié)水灌溉技術(shù)時(shí)，還要考慮提水加壓的問(wèn)題，這無(wú)疑又增加了灌溉設(shè)備的技術(shù)難度和經(jīng)濟(jì)成本?；谶@種背景下，一種新型的負(fù)壓灌溉技術(shù)得到了人們的關(guān)注和應(yīng)用，它的主要特點(diǎn)是灌溉水源點(diǎn)低于灌水器的高程，運(yùn)行時(shí)供水頭為負(fù)值，利用植株水分生理特征和土壤張力特性，實(shí)現(xiàn)植株對(duì)水分“連續(xù)自動(dòng)獲取”，使土壤水分“持續(xù)恒定”地控制在某一水平[3,4]。利用負(fù)壓灌溉技術(shù)在觀賞花卉苗木等高經(jīng)濟(jì)價(jià)值植物上也屢有應(yīng)用[5-9]。

作為一種新型的節(jié)水灌溉技術(shù)，深入研究其工作原理和影響因素，將有效的解決因水資源短缺而引起的一些灌溉問(wèn)題。本文以水力學(xué)和土壤水動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)原理，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，分析研究了不同負(fù)壓灌溉條件下水分在土壤中的運(yùn)移規(guī)律和土壤水分分布特征，為負(fù)壓灌溉技術(shù)的研究提供理論依據(jù)和技術(shù)參數(shù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)裝置

有機(jī)玻璃土槽高40 cm，長(zhǎng)45 cm，寬30 cm,內(nèi)壁厚0.5 cm。滲水管(陶土制成：圓柱形，管長(zhǎng)25 cm，外徑1.8 cm，內(nèi)徑1 cm)橫插在有機(jī)玻璃土槽左上側(cè)，距離土表面10 cm，距離容器側(cè)壁5 cm。儲(chǔ)水桶高47 cm，內(nèi)徑18.94 cm，儲(chǔ)水桶截面積281.6 cm2，容積13.5 L。儲(chǔ)水桶外帶軟管觀測(cè)視窗和負(fù)壓裝置。儲(chǔ)水桶與滲水管通過(guò)軟管相連，試驗(yàn)時(shí)用負(fù)壓裝置來(lái)控制土壤灌水速率。儲(chǔ)水桶放置于土槽的左后方，距離40 cm左右，儲(chǔ)水桶固定在墊板上方以保持儲(chǔ)水桶出口高度與土槽滲水管高度保持水平一直，不產(chǎn)生壓力差。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic descriptions of the experimental

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)土壤為潮土，土壤經(jīng)過(guò)風(fēng)干后過(guò)2 mm篩，按照容重1.30 g/cm3填裝土柱,為了裝土均勻，采用分層裝填的方法，在塑料框上按10 cm為一層劃分層次線，共分四層，每層裝完將土稍微壓實(shí)至層次線，在有機(jī)玻璃土槽的窄側(cè)面畫(huà)好網(wǎng)格線、在寬側(cè)面畫(huà)好扇形線，以便記錄濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移。

1.3 試驗(yàn)處理

試驗(yàn)設(shè)計(jì)5個(gè)處理，分別為T1：0壓灌溉，T2：-5 kPa負(fù)壓灌溉，T3：-10 kPa負(fù)壓灌溉，T4：-15 kPa負(fù)壓灌溉，T5：-20 kPa負(fù)壓灌溉。通過(guò)水銀柱連通器控制負(fù)壓，將所有裝置安裝完成后將儲(chǔ)水桶灌滿水封閉后自動(dòng)進(jìn)行水分供應(yīng)。所有處理在同一室內(nèi)環(huán)境下進(jìn)行。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目

試驗(yàn)觀測(cè)項(xiàng)目包括累計(jì)入滲量和濕潤(rùn)鋒動(dòng)態(tài)。通過(guò)儲(chǔ)水桶外裝的帶刻度軟管視窗記錄入滲土壤的水量，通過(guò)有機(jī)玻璃槽兩側(cè)的網(wǎng)格線記錄濕潤(rùn)鋒的位置。

以灌完一桶水為一個(gè)試驗(yàn)周期，濕潤(rùn)鋒的記錄時(shí)間以鋒到達(dá)塑料框底部為止，試驗(yàn)結(jié)束后取土樣測(cè)定含水量，取樣方法為以陶土管橫向的中間位置為起點(diǎn)，每10 cm為一個(gè)點(diǎn)，橫向縱向分別取土。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同負(fù)壓條件對(duì)滲水量及滲水速率的影響

在同樣滲完一桶10.52 L水的情況下， T1處理用時(shí)16 d，平均滲水速率為657.5 mL/d，T2處理用時(shí)20 d，平均滲水速率為526.0 mL/d，T3處理用時(shí)24 d，平均滲水速率為438.3 mL/d， T4處理用時(shí)28 d，平均滲水速率為375.7 mL/d，T5處理用時(shí)28 d,平均滲水速率為375.7 mL/d,滲水速率為T1>T2>T3>T4=T5。

由圖2可以看出，入滲量隨時(shí)間的推移呈線性增長(zhǎng)。在前2天曲線變化差異不大，隨著時(shí)間推移，5條曲線差異越來(lái)越大，負(fù)壓越小，曲線斜率越大；負(fù)壓越大，曲線越平緩，同一入滲時(shí)間，負(fù)壓越大所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)越在下方。

圖2 不同負(fù)壓累積入滲量隨時(shí)間的變化Fig.2 The changing of cumulative infiltration as time going on with different treatment negative pressure treatments

各處理累積入滲量(I)與入滲時(shí)間(t)有很好的冪函數(shù)關(guān)系，擬合參數(shù)見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，各處理的擬合相關(guān)性(R)均達(dá)0.99以上。冪指數(shù)b隨負(fù)壓的不同沒(méi)有明顯的不同，這表明累積入滲量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)基本相同，系數(shù)a為t時(shí)間為1時(shí)的入滲量，各處理的a值有明顯變化，說(shuō)明不同負(fù)壓對(duì)累積入滲量影響很大，T1處理a值最大，累積入滲量也最大。

表1 不同處理累積入滲量與時(shí)間的擬合參數(shù)Tab.1 The fitting parameters and related coefficientof cumulative infiltration with time

2.2 不同負(fù)壓灌水條件下土壤含水量特征

從圖3中可以看出，水平方向0～20 cm范圍內(nèi)所有處理土壤含水量均隨距滲水管距離的增加減少，垂直方向10～40 cm范圍內(nèi)T1-T3土壤含水量均隨距滲水管距離的增加先增加然后減少，并且分別在30、20、20 cm處達(dá)到最大值，T4和T5土壤含水量隨距灌水器距離的增加而減少，在10 cm處達(dá)到最大值，可見(jiàn)，隨著水勢(shì)控制的降低土壤含水量最大值的深度呈減小趨勢(shì)。土壤含水量變幅隨著控制水勢(shì)下降而增加，下限土壤含水量減小。

圖3 不同負(fù)壓灌水條件下土壤含水量Fig.3 Soil moisture content under the conditions of different negative pressure irrigation

2.3 不同負(fù)壓條件下水分一維垂直運(yùn)動(dòng)

由圖4可知，最大垂直濕潤(rùn)距離隨時(shí)間的增加而增加。各處理的垂直濕潤(rùn)距離隨時(shí)間的變化很大，負(fù)壓絕對(duì)值越大曲線斜率越低，隨時(shí)間的增加，斜率將逐漸變小，最后最大垂直濕潤(rùn)距離將趨于穩(wěn)定。時(shí)間相同的條件下負(fù)壓絕對(duì)值越大，曲線斜率越低，所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)越高，T1處理的垂直距離最大，其次是T2處理，然后是T3處理，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移最慢的是負(fù)壓最高的T5處理。

圖4 垂直濕潤(rùn)距離隨時(shí)間的變化情況Fig.4 The changing situation of vertical wetted distance as time going on under different negative pressure

最大垂直距離(Y)與時(shí)間(t)之間的關(guān)系可以用冪函數(shù)來(lái)表示，即Y=atb，擬合參數(shù)見(jiàn)表2。由表分析可知，最大垂直濕潤(rùn)距離與時(shí)間之間有很高的相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)均在0.98以上，冪指數(shù)b隨著負(fù)壓的不同變化不明顯，這表明最大垂直濕潤(rùn)距離隨時(shí)間變化的趨勢(shì)基本相同，而系數(shù)a有明顯變化，說(shuō)明不同負(fù)壓對(duì)垂直濕潤(rùn)距離的影響很大。a值代表時(shí)間為1時(shí)的各處理濕潤(rùn)距離，T1處理a值最大為10.86，最大垂直濕潤(rùn)距離也最大。

表2 不同處理最大濕潤(rùn)距離與時(shí)間的擬合參數(shù)Tab.2 The fitting parameters and related coefficient ofmaximum wetted distances with time

注：a為t=1 d時(shí)水分在Y方向上的濕潤(rùn)距離，cm；b為指數(shù)；t為灌水時(shí)間。

2.4 不同負(fù)壓條件下二維空間水分運(yùn)移

圖5為灌水第1天、第5天和第10天各處理濕潤(rùn)鋒在水平垂直方向的運(yùn)移情況。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不論在哪種負(fù)壓條件下，不同時(shí)間不同負(fù)壓的濕潤(rùn)體均近似于半橢球體。灌水時(shí)間相同時(shí)，負(fù)壓絕對(duì)值越大，濕潤(rùn)鋒在水平和垂直方向的距離越小，濕潤(rùn)體體積就越小。同一處理中，開(kāi)始時(shí)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速度較快，相等時(shí)間間隔下的濕潤(rùn)線較稀疏，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速度越來(lái)越慢，相等時(shí)間間隔下的濕潤(rùn)線也越來(lái)越密。

注：▲代表T1處理，■代表T2處理，◆代表T3處理，●代表T4處理，﹣代表T5處理。圖5 濕潤(rùn)鋒運(yùn)移狀況記錄Fig.5 The migration status of wetting front

3 結(jié) 語(yǔ)

本文利用室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，在不同負(fù)壓灌溉條件下對(duì)土壤水分運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，研究其運(yùn)移規(guī)律能夠指導(dǎo)滲水管與作物根系相對(duì)位置的科學(xué)排布，有利于及時(shí)對(duì)根系需水進(jìn)行實(shí)時(shí)響應(yīng)，以便達(dá)到高效利用水的目標(biāo)。本試驗(yàn)結(jié)果得出：不同負(fù)壓條件下的負(fù)壓灌溉濕潤(rùn)體均為近似橢球體，其水分入滲量及濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移均與時(shí)間呈顯著冪函數(shù)關(guān)系，這與前人研究[10-12]有相似之處，由擬合的冪函數(shù)可以預(yù)測(cè)一定時(shí)間內(nèi)的土壤水分運(yùn)移情況以及一定時(shí)間內(nèi)的土壤水分入滲量。土壤水分單位時(shí)間入滲量隨負(fù)壓絕對(duì)值增大而減小。不同負(fù)壓條件下其濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移速度也不同，負(fù)壓絕對(duì)值越大，一維方向的垂直運(yùn)移越緩慢，二維方向的濕潤(rùn)體體積也越小。無(wú)壓灌溉下水分運(yùn)移最快，負(fù)壓絕對(duì)值越大土壤水分運(yùn)移越緩慢，這與陶錦濤等人[13-16]的研究也基本吻合。土壤含水量變幅隨著控制水勢(shì)下降而增加，下限土壤含水量減小。隨著控制水勢(shì)負(fù)壓的降低土壤含水量最大值的深度呈減小趨勢(shì)。主要是因?yàn)楫?dāng)水勢(shì)控制較高時(shí)，土壤水分的運(yùn)動(dòng)由土壤基質(zhì)和重力勢(shì)共同作用；當(dāng)水勢(shì)控制較低時(shí)，土壤水分的運(yùn)動(dòng)主要依靠土壤基質(zhì)勢(shì)來(lái)驅(qū)動(dòng)，重力勢(shì)的作用可忽略。

負(fù)壓灌溉可以實(shí)現(xiàn)土壤水分的自動(dòng)調(diào)節(jié)，可以在不使用任何動(dòng)力的條件下實(shí)現(xiàn)濕潤(rùn)土壤，滿足作物需水要求，節(jié)水節(jié)能。

[1] 袁壽其，李 紅，王新坤.我國(guó)節(jié)水灌溉裝備發(fā)展現(xiàn)狀、問(wèn)題、趨勢(shì)與建議[J].排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2015,33(1)：78-92.

[2] 徐文靜，王翔翔，施六林，等.中國(guó)節(jié)水灌溉技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)研究[J],中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2016,32(11):184-187.

[3] 江培福.負(fù)壓灌溉技術(shù)原理及其實(shí)驗(yàn)研究[D].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，2006.

[4] Nishihara E et al. Spinach yield and nutritional quality affected by controlled soil water matric head. Agricultural water management[J].2001,51(3):217-229.

[5] 耿 偉,薛緒掌,王志敏.不同供水吸力下豆角若干生理指標(biāo)的變化[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào),2006,22(5):206-210.

[6] 耿 偉,萬(wàn)克江,薛緒掌，等.負(fù)壓供水下菠菜某些生理指標(biāo)的變化[J].農(nóng)業(yè)系統(tǒng)科學(xué)與綜合研究,2006,22(4):248-251.

[7] Phene C J.Maximizing water use efficiency with subsurface drip irrigation[R]. ASAE Paper 922090. 1992.

[8] Jin Hongzhi.Global irrigation problems in agriculture[J]. World Aquaculture, 1985,(4):28-29.

[9] Sadler E J,Evans R J,Buchleiter G W.Site-specific variable rate precision irrigation[J]. Irrigation Journal, 2001,(1/2):20-21.

[10] 肖 娟，郭秀鋒，高曉麗，等. 負(fù)壓灌溉對(duì)濕潤(rùn)體特征參數(shù)的影響[J].灌溉排水學(xué)報(bào)，2013,32(2):30-36.

[11] Hanson B R, Schwankl L J,Schulbach K F, et al.A comparison of furrow, surface drip, and subsurface drip irrigation on lettuce yield and applied water[J]. Agricultural Water Management, 1997,33:139-157.

[12] Thompson TL,Huan-cheng PANG,Yu-yi LI. The Potential Contribution of Subsurface Drip Irrigation to Water-Saving Agriculture in the Western USA[J]. Agricultural Sciences in China, 2009,8(7):850-854.

[13] 梁錦陶,孫西歡,肖 娟.土壤質(zhì)地和供水水頭對(duì)負(fù)壓灌溉土壤水分運(yùn)移的影響研究[J]. 節(jié)水灌溉，2011,(6)：30-33.

[14] 李 邵,薛緒掌,郭文善，等.負(fù)水頭供水控水盆栽裝置及灌溉系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)(農(nóng)業(yè)科學(xué)版)，2008,26(5):478-482.

[15] 王 超,李援農(nóng).地下滴灌土壤水分運(yùn)移分布規(guī)律試驗(yàn)研究[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào)，2011,30(1):136-138.

[16] H A Webber. Water use efficiency of common bean and green gram grown using alternate furrow and deficit irrigation[J]. Agricultural Water Management, 2006,86(3):259-268.