張 松，李和平，鄭和祥，曹雪松，王 軍

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，呼和浩特 010010，2.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，呼和浩特 010020)

0 引 言

地埋滴灌技術(shù)是在灌溉過程中，水通過地埋濾管上的灌水器緩慢深入土壤，在借助毛細(xì)管作用和重力作用擴(kuò)散到整個(gè)作物根系層的灌溉技術(shù)[1]。由于滴灌帶埋于地下，大大地減少地面蒸發(fā)，提高了灌溉水利用率，對(duì)土壤結(jié)構(gòu)破壞輕。

在推進(jìn)牧區(qū)節(jié)水灌溉飼草地建設(shè)過程中，滴灌成為內(nèi)蒙古自治區(qū)中西部缺水地區(qū)的首選灌水方式，但地面滴灌與紫花苜蓿等多年生牧草在種植、刈割和管理方面的適應(yīng)性較差。因此，紫花苜蓿地埋滴灌成為其發(fā)展的重點(diǎn)，但其灌水技術(shù)的適應(yīng)性亟待進(jìn)行深入研究。

目前對(duì)地埋滴灌已經(jīng)有了一些研究，例如李朝陽等[2]研究了低壓微灌灌水均勻性及土壤水分分布特征；張振華等[3]通過實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了滴灌土壤濕潤(rùn)體影響因素的實(shí)驗(yàn)研究；汪志榮等[4]通過實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)研究了點(diǎn)源入滲土壤水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律；郝彥珍等[1]進(jìn)行了地埋滴灌砂土地的水分推移試驗(yàn)研究；以前的滴灌的研究多以地面滴灌為主，對(duì)砂土地的地埋滴灌研究很少，地面滴灌不涉及水分在垂向上的運(yùn)動(dòng)，砂土在地埋滴灌條件下的灌水均勻性是影響灌水質(zhì)量的重要指標(biāo)，最終影響水分生產(chǎn)率和作物產(chǎn)量，本文通過實(shí)驗(yàn)室模擬地埋滴灌，對(duì)滴灌過程中濕潤(rùn)鋒的推移情況、特征點(diǎn)的土壤含水率變化、濕潤(rùn)比隨時(shí)間的變化情況進(jìn)行測(cè)定，研究地埋滴灌在砂土地的適應(yīng)性，為田間試驗(yàn)進(jìn)行深入研究提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)土壤

實(shí)驗(yàn)土壤取自內(nèi)蒙古鄂托克前旗敖勒召其鎮(zhèn)恒豐節(jié)水試驗(yàn)田土壤，鄂托克前旗位于毛烏素砂地。取土層次0～100 cm，采用篩分法對(duì)土壤質(zhì)地進(jìn)行分析，土壤砂粒(0.02～2 mm)含量為96.36%,粉粒(0.002～0.02 mm)含量為3.13%,黏粒(<0.002 mm)含量為0.51%,屬于砂土，實(shí)驗(yàn)所用的土壤為該地區(qū)具有代表性的土壤。田間持水量和飽和含水率分別采用環(huán)刀法、烘干法進(jìn)行測(cè)定。土壤基本性質(zhì)見表1，表2。

表1 砂土顆粒組成

表2 砂土基本物理參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備由點(diǎn)源供水裝置、實(shí)驗(yàn)土箱和土壤含水率測(cè)定系統(tǒng)組成。實(shí)驗(yàn)采用40 cm×40 cm×40 cm的矩形土箱來避免邊界對(duì)水分推移的影響。供水系統(tǒng)采用0.1 MPa的恒壓供水裝置，在供水裝置與滴灌帶連接處安裝水表，記錄供水總量。土壤含水率測(cè)定系統(tǒng)由HH2型TDR水分探測(cè)儀和數(shù)據(jù)采集裝置兩部分組成，該系統(tǒng)可長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)土壤含水率的變化情況，灌水期間每隔1 min記錄一次土壤含水率,灌水時(shí)間為8 h。滴灌帶采用貼片式滴灌帶，貼片式滴灌帶采用紊流流道設(shè)計(jì)，灌水均勻；其滴頭自帶過濾窗，抗堵性能好，由于實(shí)驗(yàn)土壤為砂性土，所以采用貼片式滴灌帶。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)實(shí)驗(yàn)土壤的干密度分層裝進(jìn)土箱，每層之間打毛。在裝土過程中水平埋設(shè)TDR探頭，埋設(shè)深度間隔10 cm,埋設(shè)深度分別是5，15，25，35 cm。將滴灌帶埋設(shè)深度為20 cm，實(shí)驗(yàn)用的滴灌帶共3個(gè)滴頭，流量都為2.0 L/h的滴頭，其中土箱內(nèi)1個(gè)，土箱外2個(gè)，土箱外滴頭下用量杯接水。根據(jù)水表讀數(shù)與量杯的水量計(jì)算出土箱內(nèi)供水量。HH2型TDR水分探測(cè)儀自動(dòng)檢測(cè)灌水過程中土壤水分變化，時(shí)間間隔為1 min，同時(shí)對(duì)土體水平和垂直方向濕潤(rùn)鋒隨時(shí)間變化過程進(jìn)行記錄。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同深度土壤水分運(yùn)動(dòng)及含水率變化

地埋滴灌條件下的水分入滲不同于一般的地面滴灌，是點(diǎn)源四維入滲，垂向上的水分入滲速率關(guān)系到滴灌帶的埋深以及水分生產(chǎn)率和作物產(chǎn)量。試驗(yàn)中滴灌帶埋深分別為15，20 cm。根據(jù)圖1不同埋深(垂直距離)的TDR測(cè)定的土壤含水率的變化情況可以看出在灌水后60 min左右滴頭下方且距離最近的25 cm處土壤含水率迅速增加，隨著灌水時(shí)間的推移增加水分運(yùn)動(dòng)速率下降。灌水后200 min左右15，25，35 cm處含水率基本平衡。水分運(yùn)動(dòng)速率垂向上明顯小于其他方向，越往上水分運(yùn)動(dòng)速率越慢；在圖1中發(fā)現(xiàn)滴灌帶埋深為20 cm時(shí)，當(dāng)土體5 cm含水率增加時(shí)，15、25、35 cm處已經(jīng)達(dá)到土壤飽和含水率；當(dāng)5 cm處達(dá)到田間持水量時(shí)，15、25、35 cm處土壤含水率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過土壤飽和含水率，產(chǎn)生深層滲漏，，也造成了水分浪費(fèi)，不利于作物生長(zhǎng)，尤其是處于苗期的作物。在圖2中可以看出滴灌帶埋深為15 cm時(shí)，土體5和35 cm處含水率同時(shí)增加，當(dāng)該處含水率增加時(shí)15和25 cm處含水率尚未達(dá)到飽和含水率，當(dāng)5 cm處達(dá)到田間持水量時(shí)，其他各點(diǎn)剛達(dá)到飽和含水率。對(duì)比圖3～圖5可知在砂土地埋滴灌條件下滴灌帶埋深為15 cm時(shí)，在滴頭流量為2.0 L/h，壓力為1.0 MPa時(shí)灌水7 h特征點(diǎn)的含水率能滿足作物生長(zhǎng)需要，同時(shí)能節(jié)水效果較好。因此建議在田間布置時(shí)滴灌帶埋深控制在15 cm左右。

圖1 滴灌帶埋深20 cm不同灌水時(shí)間土壤含水率變化

圖2 滴灌帶埋深15 cm不同灌水時(shí)間土壤含水率變化

2.2 濕潤(rùn)鋒推移特征

地埋滴灌條件下濕潤(rùn)鋒呈現(xiàn)不規(guī)則橄欖球型，滴灌帶埋深15 cm比20 cm時(shí)，濕潤(rùn)鋒的形狀更接近橄欖球型，這是由于垂向下水分運(yùn)動(dòng)較快，其他方向運(yùn)動(dòng)較慢。濕潤(rùn)鋒處水分運(yùn)動(dòng)屬于非飽和土壤水分運(yùn)動(dòng)，水分運(yùn)動(dòng)主要由水勢(shì)梯度和非飽和導(dǎo)水率決定。圖3、圖4是在滴頭流量一定的情況下，地埋滴灌在砂土中濕潤(rùn)鋒徑向和垂向的運(yùn)動(dòng)情況。與地面滴灌一樣，徑向和垂向下的濕潤(rùn)鋒速率相差很小，基本保持相同的規(guī)律。濕潤(rùn)鋒到達(dá)時(shí)濕潤(rùn)鋒推進(jìn)速率最大，隨著時(shí)間的推移逐漸降低。這是由于點(diǎn)源供水條件下入滲開始時(shí)，濕潤(rùn)范圍較小，土體平均含水率較高，水勢(shì)梯度和非飽和導(dǎo)水率較大，故濕潤(rùn)鋒推進(jìn)速率較大；隨著時(shí)間推移濕潤(rùn)鋒的推移距離加大，濕潤(rùn)范圍變大，土體的平均含水率逐漸降低，水勢(shì)梯度和非飽和導(dǎo)水率減小，推移速率下降。但是在圖3、圖4中可以發(fā)現(xiàn)在不考慮作物根系吸收作用時(shí)，垂向上的濕潤(rùn)鋒推移速率小于徑向和垂向的濕潤(rùn)鋒推移速率，這是因?yàn)榇瓜蛏系乃诌\(yùn)動(dòng)主要由毛管上升力，而毛管力小于水勢(shì)梯度和非飽和導(dǎo)水率。但是研究區(qū)夏季地面蒸發(fā)強(qiáng)度大，在田間實(shí)際中水分向上的運(yùn)動(dòng)的作用力會(huì)增加，有利于垂向上的濕潤(rùn)鋒的發(fā)展，有利于各個(gè)方向的濕潤(rùn)峰推移速率趨于平衡，有利于地埋滴灌的灌水均勻性，保證作物生長(zhǎng)。

圖3 滴灌帶埋深20 cm不同灌水時(shí)間濕潤(rùn)鋒徑向和垂向變化

圖4 滴灌帶埋深15 cm不同灌水時(shí)間濕潤(rùn)鋒徑向和垂向的變化

對(duì)比圖3和圖4可知，滴灌帶埋深20 cm時(shí)垂向上的濕潤(rùn)鋒與其他方向的濕潤(rùn)鋒推進(jìn)速率相差較大，滴灌帶埋深為15 cm是垂向上的濕潤(rùn)鋒與其他方向的濕潤(rùn)鋒推進(jìn)速率較小。這說明滴灌帶埋深15 cm更有利垂向上濕潤(rùn)鋒發(fā)展，更有利于灌水均勻性，避免深層滲漏造成水分浪費(fèi)。因此，建議田間布置滴灌帶埋深為15 cm。

2.3 濕潤(rùn)比

圖5 濕潤(rùn)比與時(shí)間的關(guān)系

3 結(jié) 語

通過實(shí)驗(yàn)可知在砂土中地埋滴灌條件下的點(diǎn)源入滲，是不同于地面滴灌的四維入滲，在入滲過程中垂直向上的濕潤(rùn)鋒的推移速率以及推移距離和水潤(rùn)點(diǎn)的含水率的變化過程是進(jìn)行田間進(jìn)行地埋滴灌的重要參數(shù)。本實(shí)驗(yàn)主要得到以下結(jié)論。

(1)在砂土中采用2.0 L/h流量的滴頭時(shí)，滴灌帶埋深20 cm時(shí)垂直向上的含水率變化與其他方向的含水率變化相差較大，5 cm處土壤含水率達(dá)到作物需水時(shí)，其他各點(diǎn)含水率已經(jīng)超過飽和含水率，其不利于作物的苗期生長(zhǎng)；當(dāng)?shù)喂鄮裆顬?5 cm時(shí)，5 cm處土壤含水率達(dá)到作物需水時(shí)，其他各點(diǎn)基本剛達(dá)到飽和含水率，有利于節(jié)水。因此在田間實(shí)驗(yàn)時(shí)滴灌帶埋深應(yīng)在15 cm左右。

(2)在砂土中地埋滴灌濕潤(rùn)鋒徑向和垂向下的運(yùn)動(dòng)情況和地面滴灌一樣，濕潤(rùn)鋒速率相差很小，基本保持相同的規(guī)律，垂向上的濕潤(rùn)鋒推移速率較小。但是考慮到在實(shí)際應(yīng)用中有植物根系的吸收作用以及地面蒸發(fā)作用，會(huì)增加垂向上的推移速率，不會(huì)影響作物生長(zhǎng)。至于在達(dá)到節(jié)水目的同時(shí)，增加產(chǎn)量的程度有待田間試驗(yàn)的深入研究。

(3)地埋滴灌條件下，徑向濕潤(rùn)鋒與垂向下的濕潤(rùn)鋒的濕潤(rùn)比與時(shí)間的關(guān)系不密切，基本保持在1.0左右；而徑向濕潤(rùn)鋒和垂向上的濕潤(rùn)鋒的濕潤(rùn)比隨時(shí)間的增加而逐漸減小，且滿足在滴頭流量一定的情況下，濕潤(rùn)比與時(shí)間有關(guān)系，所以濕潤(rùn)比可以作為滴灌灌水參數(shù)的指標(biāo)。由于作物種植的間距和作物根系深度之比基本小于1.0，因此在田間實(shí)際灌溉中濕潤(rùn)比應(yīng)控制在1.0以下。

[1] 郝彥珍，張發(fā)旺，程彥培.地埋滴灌在砂土地的水分推移試驗(yàn)研究[J].南水北調(diào)與水利科技，2011，9(4):117-119.

[2] 李朝陽，夏建華，王興鵬.低壓微潤(rùn)灌灌水均勻性及土壤水分分布特性[J].節(jié)水灌溉，2014，(9)：9-12.

[3] 張振華,蔡煥杰,郭永昌,等.滴灌土壤濕潤(rùn)體影響因素的實(shí)驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2002，18(2):17-20.

[4] 汪志榮，王文焰，王全九，等.點(diǎn)源入滲土壤水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究[J].水利學(xué)報(bào)，2000,39(6):39-44.

[5] Shu-Tung Chu. Green-Ampt analysis of wetting patterns for surface emitters[J]. J. of Irr. and Drain. engi-neering., 1994,120(2):414- 420.

[6] Khan A A, Yitayew M, WarrickA W. Field evaluation of water and solute distribution from a points source[J]. Irr. and Drain. Eng., 1996,122(4):221- 227.

[7] 李光永,曾德超.段中鎖,等.地埋點(diǎn)源滴灌土壤水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1996，12(3):56-59.

[8] 劉雪芹, 范興科, 馬 甜.滴灌條件下砂壤土水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究[J].灌溉排水學(xué)報(bào)，2006，25(3):56-59.

[9] 李道西,羅金耀,彭世彰.地下滴灌土壤水分運(yùn)動(dòng)室內(nèi)試驗(yàn)研究[J].灌溉排水學(xué)報(bào),2008,23(4):26-28.

[10] 池寶亮,黃學(xué)芳,張冬梅,等.點(diǎn)源地下滴灌土壤水分運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬及驗(yàn)證[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2005,21(3):56-59.

[11] 李光永,曾德超,鄭躍泉.地表點(diǎn)源滴灌土壤水分運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型與數(shù)值模擬[J].水利學(xué)報(bào),1998,4(11): 1-5.