馬 芳，張維江，2，3，李 娟，2，3，黃 艷，馮 娜，王旭東，丁 廣

（1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川750021；2.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，銀川750021；3.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，銀川750021）

寧夏中南部地區(qū)（以下簡(jiǎn)稱為“寧南山區(qū)”）地處黃土高原腹地，屬于干旱半干旱地帶，該地區(qū)常年干旱少雨，其中小于10 mm 的降雨量占年平均降雨量的50%以上，這部分降雨量直接落至地表，尚未到達(dá)作物根系就已經(jīng)蒸發(fā)消耗，從而會(huì)導(dǎo)致表層土壤干化現(xiàn)象。該地區(qū)農(nóng)業(yè)以雨養(yǎng)為主，為使農(nóng)業(yè)充分利用這部分降雨，提高土壤儲(chǔ)水量，大力發(fā)展節(jié)水灌溉技術(shù)，推廣節(jié)水農(nóng)業(yè)，是解決缺水問(wèn)題的主要出路[1]，對(duì)實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)發(fā)展也具有重要意義。

針對(duì)旱作農(nóng)業(yè)最先提出微集雨技術(shù)，隨后集雨農(nóng)業(yè)這一現(xiàn)代旱地農(nóng)業(yè)思想出現(xiàn)，滴灌、噴灌、滲灌等眾多節(jié)水技術(shù)結(jié)合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)高效節(jié)水的同時(shí)促進(jìn)提高作物產(chǎn)量。其中滲灌技術(shù)是把灌溉用水通過(guò)地下管道輸送到田間地下的滲水管，利用土壤毛細(xì)管作用來(lái)濕潤(rùn)土壤[2]，該技術(shù)對(duì)作物實(shí)施根部區(qū)域供水，可減少蒸發(fā)、提高水資源利用效率，為作物提供良好的土壤生長(zhǎng)條件。學(xué)者對(duì)滲灌器已有大量研究，重力式地下孔灌具有集雨和灌溉的雙重功能，水分入滲主要受壓力水頭、豎管孔徑等因素的影響[3]；馬小剛[4]針對(duì)在沙地中增加林木成活率，進(jìn)行了低壓毛管滲灌器水分運(yùn)移特性的研究；何會(huì)云[5]就低壓毛管滲灌器在沙質(zhì)土壤中的入滲進(jìn)行了研究；王霞玲[6]以排水帶作為滲灌系統(tǒng)的灌水器，研究不同水頭壓力下灌水器的出水量及出水均勻度，結(jié)果表明壓力水頭對(duì)出水量影響明顯，但對(duì)出水均勻度影響不明顯；任改萍[7]通過(guò)試驗(yàn)得出：微孔陶瓷滲灌可以使作物根系處于適宜土壤含水率范圍，從而使作物根系緩慢吸水，更有利用作物生長(zhǎng)，且入滲始終沒有到達(dá)土體的表面，可以抑制土壤表層蒸發(fā)；Khan 等[8]模擬了蒸發(fā)條件下微孔陶瓷灌水器在土壤中的滲水情況。以上滲灌技術(shù)均在有壓灌溉條件下進(jìn)行，采用引流管進(jìn)行作物根部供水，不能實(shí)現(xiàn)降雨集流直接供給作物，因此，研制一種兼具集流和主動(dòng)灌溉的滲灌器，是提高滲灌技術(shù)在干旱雨養(yǎng)地區(qū)推廣的前提和基礎(chǔ)。

本文基于滲灌技術(shù)自主研發(fā)了一種新型降雨集流的滲灌器[9]，該滲灌器系統(tǒng)在野外可以直接通過(guò)覆膜進(jìn)行雨水收集，同時(shí)所收集的雨水在無(wú)壓的條件下直接對(duì)旱地經(jīng)濟(jì)林根部實(shí)施補(bǔ)水供給，屬于“主動(dòng)抗旱”模式，符合旱區(qū)雨水集蓄的發(fā)展理念，但降雨集流滲灌系統(tǒng)目前尚處于初級(jí)階段，因此有必要進(jìn)行室內(nèi)模擬土壤水分運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)。本文選取不同等級(jí)的雨量，針對(duì)集流滲灌條件下的土壤含水率增量在垂向和水平向的運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)分析，為集流滲灌裝置的田間推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)土壤

供試土壤取自寧夏固原彭堡鎮(zhèn)紅梅杏示范基地。土壤的初始含水率為6.4%，飽和含水率為46.8%（體積含水率），土壤容重為1.6 g∕cm3，田間持水率為20.1%。試驗(yàn)區(qū)土壤為壤土，土壤機(jī)械組成沙粒、粉粒和黏粒3 種成分所占比例如表1所示。

表1 土壤機(jī)械組成Tab.1 Soil mechanical composition

1.2 試驗(yàn)裝置

降雨集流滲灌系統(tǒng)模擬試驗(yàn)設(shè)備由滲灌器、試驗(yàn)土箱、供水系統(tǒng)三部分組成。試驗(yàn)所用的滲灌器為自主創(chuàng)新研發(fā)，滲灌器底部直徑為14 cm，頂部直徑為16 cm，高為35 cm，頂部封口并打孔，滲灌器器身距頂部5 cm，底部5 cm，中間全打孔，孔徑4 mm，孔密度1個(gè)∕cm2，將其安裝在土箱的中心位置，蓋部與土層表面齊平，為防止打孔區(qū)域堵塞，在滲灌器外圍套設(shè)一層土工布；試驗(yàn)土箱由均質(zhì)鐵皮制作而成，其規(guī)格為100 cm×100 cm×100 cm，實(shí)際土柱填筑規(guī)格為100 cm×100 cm×80 cm；供水系統(tǒng)由固定支架、馬氏瓶、橡膠管、旋鈕開關(guān)等構(gòu)成，由馬氏瓶供水以保持恒定的流量。具體試驗(yàn)設(shè)備裝置及集流滲灌器如圖1和圖2所示。（本實(shí)驗(yàn)假設(shè)土壤均質(zhì)各向同性，沒有考慮除雨量以外其他因素對(duì)土壤水分運(yùn)移的影響）

土壤水分測(cè)定系統(tǒng)由EC5土壤水分傳感器和em 50數(shù)據(jù)采集器兩大部分組成，該套系統(tǒng)可長(zhǎng)期觀測(cè)16 個(gè)點(diǎn)土壤動(dòng)態(tài)含水率變化。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)前土壤自然風(fēng)干、粉碎、過(guò)2 mm 篩后，將土樣按設(shè)計(jì)容重分層裝入鐵箱，5 cm 一層進(jìn)行分層裝土，共16 層，80 cm，為防止各層土壤分層，在各分層處進(jìn)行打毛。裝土后均勻沉降24 h，使得土壤水分剖面土壤初始條件基本相同，土壤均勻沉降后進(jìn)行土壤水分傳感器埋設(shè)。將滲灌器固定在土箱的中心位置，以滲灌器為中心沿土箱的兩個(gè)對(duì)角線安裝土壤水分傳感器，水平距離分別為距滲灌器15、25、35、45 cm；垂向深度依次為10、20、30、40 cm。每4 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)連接一個(gè)采集器，采集不同時(shí)刻的各深度土壤含水率值；試驗(yàn)過(guò)程中采用定水頭，通過(guò)控制土壤初始含水率、灌水時(shí)間等因素，研究單因素不同雨量條件土壤水分變化規(guī)律。模擬集流面積為6.6 m2，設(shè)定3 個(gè)降雨量，分別為4、8、12 mm，灌水量通過(guò)降雨量和集流面積換算，分別為26.4、52.8、79.2 L，灌水歷時(shí)分別為1.5、3.8、10.2 h。試驗(yàn)開始時(shí)記錄不同時(shí)刻馬氏瓶中水位下降的刻度、水分入滲量、及灌水結(jié)束后垂向和水平向的土壤含水率，設(shè)定時(shí)間間隔為5 min記錄一次。

2 結(jié)果與分析

2.1 累計(jì)入滲量和入滲速率變化過(guò)程分析

圖3和圖4為3 種雨量條件下累計(jì)入滲量和入滲速率的變化曲線。由圖3和圖4可以看出：累積入滲量隨入滲時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增大；入滲速率隨著入滲時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸減??；這一結(jié)論與朱燕琴[10]利用室內(nèi)土柱試驗(yàn)，研究土壤濕潤(rùn)體的形狀和灌水量對(duì)水分入滲特性影響的結(jié)果一致。

入滲開始時(shí)，土壤含水率較低，滲灌器附近無(wú)積水，且連續(xù)不斷地出流，并未在土壤中發(fā)生堵塞，入滲能力強(qiáng)，累計(jì)入滲量快速增加；隨入滲時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤含水率逐漸增大，趨于飽和，累計(jì)入滲量增加緩慢，曲線變得相對(duì)平緩。與累計(jì)入滲量對(duì)應(yīng)，初期入滲速率較大，隨土壤含水率的增大，入滲速率逐漸呈降低趨勢(shì)。

由此可以將累計(jì)入滲量和入滲速率變化過(guò)程分為兩個(gè)階段，第一階段入滲20 min 之前，為快速變化階段，累計(jì)入滲量呈遞增趨勢(shì)，入滲速率呈遞減趨勢(shì)；第二階段為入滲20 min后，直到灌水結(jié)束為穩(wěn)定階段，累計(jì)入滲量和入滲速率逐漸降低，最后趨于穩(wěn)定。

擬合不同雨量條件下累計(jì)入滲量與入滲時(shí)間的關(guān)系曲線，均符合Kostiakov入滲模型，關(guān)系式可表示為：

式中：I(t)為累計(jì)入滲量，L；t為入滲時(shí)間，min；K為入滲系數(shù)；α為入滲指數(shù)。

擬合結(jié)果如表2所示。灌水量與入滲時(shí)間的相關(guān)系數(shù)R2＞0.99，擬合效果較好，系數(shù)K逐漸增大、α逐漸減小，說(shuō)明隨灌水量增大，水分在土壤中入滲的能力逐漸減弱，這是因?yàn)槔塾?jì)入滲量，主要受土壤結(jié)構(gòu)及孔隙的影響[11]，初始條件均相同的均質(zhì)土壤，隨著灌水逐漸增加，使土壤孔隙逐漸減小，因此入滲能力逐漸減弱。

表2 不同雨量累計(jì)入滲量擬合參數(shù)Tab.2 Fitting parameters of cumulative infiltration of different rainfall amounts

2.2 雨量對(duì)垂向土壤含水率增量分布的影響

選取灌水前和灌水結(jié)束后24 h 的土壤含水率值，計(jì)算各水平測(cè)點(diǎn)處土壤含水率沿垂向的增量值的大小，分析3種雨量條件下垂向的土壤含水率增量的變化規(guī)律，研究雨量對(duì)土壤水分垂向分布的影響。

如圖5所示為雨量4、8、12 mm 條件下各土層深度土壤含水率增量值垂向變化分布。從圖中可以看出：3種雨量條件下土壤含水率增量在垂向分布變化趨勢(shì)基本一致，即土壤含水率增量在0～40 cm 土層深度范圍內(nèi)，隨土層深度的增加呈先增加后減小的趨勢(shì)；在同一深度范圍內(nèi)，土壤含水率增量隨雨量的增加逐漸增加，雨量越大，土壤含水率增量則就越大。0～10 cm 的深度范圍內(nèi)，3種雨量條件下土壤含水率增量相差較大，雨量12 mm 條件下土壤含水率增量最大值為23.3%，8 mm 條件下土壤含水率增量最大值為18.4%，4 mm 條件下土壤含水率增量最大值為7.3%；10～30 cm的深度范圍內(nèi)，土壤含水率增量呈增加趨勢(shì)，徑向15、25、35、45 cm 位置處土壤含水率增量差別較大，雨量4 mm 時(shí)，土壤含水率增量均值分別為12.8%、4.0%、0.2%、0.1%；8 mm 時(shí)，土壤含水率增量均值分別為23.3%、9.1%、3.2%、0.2%；12 mm時(shí)，土壤含水率增量均值分別為26.4%、12.9%、9.0%、2.0%，且在深度30 cm 處土壤含水率增量達(dá)到最大值；30～40 cm 的深度范圍內(nèi)，三種雨量條件下土壤含水率增量均呈減小趨勢(shì)，減幅較明顯，其土壤含水率增量差值也較大，雨量12 mm 時(shí)土壤含水率增量最大差值為25.8%、8 mm 時(shí)土壤含水率增量的最大差值為23.6%、4 mm 時(shí)土壤含水率增量的最大差值為22.3%；由此可以得出雨量對(duì)垂向土壤含水率增量影響較大。

隨雨量的增加，高含水率分布區(qū)沿垂向深度逐漸增加，雨量12 mm最大土壤含水率增量深度范圍比8 mm和4 mm明顯偏大，12 mm 時(shí)，除徑向45 cm 處以外，10 cm 以下均保持較高的土壤含水率增量，尤其30 cm 深度處更加明顯，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是滲灌器桶身打孔位置主要在-5 ～-25 cm 處，通過(guò)將水采用軟管直接注入滲灌器，使其沿滲灌器孔壁打孔的位置向四周入滲，水分在到達(dá)滲灌器底部5 cm 處時(shí)開始出流，此位置正好對(duì)應(yīng)土壤深度30 cm 處，隨滲灌器中水量的增加，重力勢(shì)逐漸增加，水分垂直向下的運(yùn)移量就越大。除此之外，3種雨量條件下受距滲灌器遠(yuǎn)近位置的影響各測(cè)點(diǎn)處土壤含水率增量也不同，距滲灌器越遠(yuǎn)，土壤含水率增量越低。雨量4 mm 時(shí)徑向運(yùn)移至水平測(cè)點(diǎn)25 cm 處土壤水分發(fā)生變化，其土壤含水率增量為4%；8 mm 時(shí)徑向運(yùn)移至水平測(cè)點(diǎn)35 cm處，其土壤含水率增量為6%；12 mm 時(shí)徑向運(yùn)移至水平測(cè)點(diǎn)45 cm處，此測(cè)點(diǎn)深度范圍內(nèi)土壤含水率增量最小，為3%。

2.3 雨量對(duì)徑向土壤含水率增量分布的影響

圖6為3 種雨量條件下徑向土壤含水率增量在深度10、20、30、40 cm 土層深度的分布圖。3 種雨量條件下土壤含水率增量沿徑向的變化規(guī)律基本一致，以滲灌器為中心，逐漸向四周遞減，在距滲灌器徑向0～15 cm 的范圍土壤含水率增量達(dá)到了最大值。隨徑向距離的增加，土壤含水率增量逐漸減小，這是因?yàn)榫酀B灌器越遠(yuǎn)土壤水吸力和基質(zhì)勢(shì)的吸附作用越來(lái)越弱。在徑向15 cm 測(cè)點(diǎn)處土壤含水率增量值最大，最大土壤含水率增量分別為22.3%、28.6%、28.9%；距滲灌器最遠(yuǎn)的測(cè)點(diǎn)45 cm 處土壤含水率增量最小，其中雨量4 mm 和8 mm時(shí)此測(cè)點(diǎn)土壤含水率增量為零，表明這兩種雨量條件下，水分未運(yùn)移至水平45 cm 處，因此本試驗(yàn)研究認(rèn)為雨量4 mm和8 mm對(duì)土壤水分水平運(yùn)移距離影響不大。

分析圖6可以看出，3 種雨量條件下，在各土壤深度范圍內(nèi)，隨雨量增加，徑向土壤含水率增量相應(yīng)增加，尤其在距滲灌器水平距離15 cm 處最為明顯。由于滲灌器埋在土層中，頂邊與土壤表層齊平，水分沿打孔區(qū)開始不斷的出流向四周擴(kuò)散，在重力勢(shì)和基質(zhì)勢(shì)的共同作用下，此入滲方式對(duì)地表附近的水分含量影響較小，而對(duì)深度20、30、40 cm 的水分影響較大，在20～40 cm 的深度處土壤含水率增量明顯較深度10 cm處高。

2.4 雨量對(duì)土壤水分再分布的影響

為研究3種雨量條件下灌水結(jié)束時(shí)及之后的土壤含水率在垂向和徑向的再分布規(guī)律，以滲灌器所在位置的坐標(biāo)（0，-30）為原點(diǎn)，規(guī)定豎直向下為負(fù)，采用surfer 軟件繪制3 種雨量結(jié)束時(shí)[圖7(a)]、灌水結(jié)束1 d[圖7(b)]、灌水結(jié)束3 d[圖7(c)]的土壤含水率等值線分布圖，X和Z軸的物理意義是距滲灌器的徑向距離與垂向深度。

如圖7所示，可以看出灌水剛結(jié)束時(shí)，滲灌器附近土壤含水率較高，以滲灌器為中心含水率逐漸向四周遞減，且濕潤(rùn)體的范圍隨雨量的增加而擴(kuò)大。12 mm雨量的濕潤(rùn)范圍明顯高于4 mm 和8 mm，水分主要集中在垂向15～40 cm、徑向0～20 cm，最大土壤含水率為46%，幾乎接近飽和含水率；8 mm時(shí)，水分主要集中在垂向20～30 cm、徑向0～20 cm，最大土壤含水率值為44%；4 mm 時(shí)，水分主要集中在垂向25～30 cm、徑向5～10 cm，最大土壤含水率值為38%，較降雨量12 mm、8 mm低8%和6%。

灌水結(jié)束后1 d 和3 d 的含水率等值線逐漸稀疏，土壤濕潤(rùn)體大致呈半橢球狀分布，重心向下。土壤含水率隨降雨量增加在垂向的運(yùn)移距離較徑向大，這主要是受水勢(shì)梯度的影響，水分必然由水勢(shì)高的地方向水勢(shì)低的地方運(yùn)移，高含水率區(qū)水分減少的同時(shí)，四周的土壤水分由原來(lái)的狀態(tài)有所提高，于是此處的土壤含水率又向更低的含水率區(qū)運(yùn)移，對(duì)土壤中水分進(jìn)行重新分配。隨著時(shí)間推移，水勢(shì)梯度逐漸減小，水分含量變化逐漸減小趨于穩(wěn)定。

3 討 論

水資源短缺是長(zhǎng)期制約寧南山區(qū)經(jīng)濟(jì)林發(fā)展的瓶頸，本文主要針對(duì)寧南山區(qū)水資源“量少、分散、質(zhì)差、蒸滲損失大、利用效率低”等特點(diǎn)，在400 mm 左右降水地區(qū)，為挖掘降水資源潛力，通過(guò)安裝自主研發(fā)的一種新型降雨集流滲灌裝置對(duì)旱地經(jīng)濟(jì)林實(shí)施根部補(bǔ)水，由于集流滲灌系統(tǒng)尚處于初級(jí)階段，因此開展室內(nèi)集流滲灌系統(tǒng)的土壤水分運(yùn)移研究，對(duì)干旱地區(qū)經(jīng)濟(jì)林小降雨高效利用具有很強(qiáng)的針對(duì)性和現(xiàn)實(shí)意義。

集流滲灌裝置條件下，隨土層的增加土壤含水率增量呈先增加后減小的趨勢(shì)，距離滲灌器越近土壤含水率增量越高，且在深度10～40 cm處土壤含水率增量較0～10 cm處高，這一結(jié)論與錢志豪[12]進(jìn)行點(diǎn)源滴灌研究結(jié)果相似。以旱區(qū)5 a 紅梅杏為例，其主要根系分布在垂向20～60 cm 深度范圍，通過(guò)集流滲灌系統(tǒng)收集小降雨，提高此深度范圍內(nèi)土壤含水率，進(jìn)而有效緩解紅梅杏生育期缺水現(xiàn)狀，促進(jìn)紅梅杏生長(zhǎng)和產(chǎn)出。

3 種雨量條件下，灌水結(jié)束后5 d 水分經(jīng)再分布，從整體可以看出：垂向20～40 cm及徑向0～20 cm的分布范圍內(nèi)土壤含水率基本達(dá)到田間持水率，認(rèn)為此范圍屬于水分高含水率區(qū)，這與孫媛等[13]人降雨再分布的研究結(jié)果相似。對(duì)于旱地經(jīng)濟(jì)林，這一范圍深度內(nèi)根系分布較多，且是根部主要吸收水分的區(qū)域，對(duì)于其生長(zhǎng)環(huán)境最為有利，同時(shí)可以從局部改善生態(tài)環(huán)境。

本試驗(yàn)中4 mm 和8 mm 的雨量通過(guò)集流滲灌裝置都會(huì)引起深度40 cm 處的土壤含水率發(fā)生變化，表明集流滲灌裝置可用于寧夏南部干旱地區(qū)，使得該地區(qū)小降雨量得到有效利用，避免傳統(tǒng)小降雨無(wú)法入滲到經(jīng)濟(jì)林根部區(qū)域而蒸發(fā)損失。

4 結(jié) 論

通過(guò)集流滲灌裝置室內(nèi)土箱試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

（1）3種雨量條件下：累積入滲量隨入滲時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增大，入滲速率隨著入滲時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸減小；累積入滲量隨入滲時(shí)間變化符合Kostiakov入滲模型，入滲過(guò)程中，K值在不斷地增加、α逐漸減小，說(shuō)明隨雨量的逐漸增加，水分在土壤中入滲的能力逐漸減弱。

（2）3種雨量條件下：垂向土壤含水率增量隨深度的增加呈先增加后減小的趨勢(shì)，在30 cm 的深度處土壤含水率增量達(dá)到最大值，10 cm 的深度處土壤含水率增量最??；土壤含水率增量隨水平距離的增加而逐漸減小，在距滲灌器徑向0～15 cm 的范圍土壤含水率達(dá)到了最大值，但均未到達(dá)水平45 cm處，表明雨量對(duì)水平土壤含水率增量的影響較低。

（3）3 種雨量條件下：土壤水分經(jīng)再分布得變化規(guī)律相同，濕潤(rùn)體大體呈半橢球狀，重心偏向下。濕潤(rùn)范圍隨雨量的增加而擴(kuò)大，隨時(shí)間推移，水分逐漸向外擴(kuò)散且逐漸趨于一個(gè)穩(wěn)定值；濕潤(rùn)體輪廓線很清晰，表明集流滲灌條件下不會(huì)造成土壤凝結(jié)，阻止土壤水分運(yùn)移。