曹 睿，賈生海，趙 霞，白有帥，許春娟，王艷萍

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.民勤縣給排水管理站，甘肅 民勤 733300)

滴灌節(jié)水增產(chǎn)效果是當(dāng)今世界上學(xué)者普遍認(rèn)同的，也是當(dāng)前農(nóng)業(yè)及林果業(yè)節(jié)水灌溉使用較多的一種灌溉方式[1- 4]。隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，滴灌時(shí)的地表棵間蒸發(fā)直接影響作物根系對(duì)水分的吸收利用。間接地下滴灌技術(shù)是在滴灌基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新型節(jié)水灌溉技術(shù)，由地表滴灌系統(tǒng)和布設(shè)在滴頭下方的導(dǎo)水介質(zhì)2部分組成，其優(yōu)點(diǎn)在于能把作物需要的水分快速導(dǎo)入根部附近。1997年Meshkat等提出的砂管灌是間接地下滴灌技術(shù)的起源，Meshkat等通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)砂管灌可以明顯降低土壤地表蒸發(fā)[5]。2004年Yanni等以果樹(shù)為研究對(duì)象進(jìn)行灌溉試驗(yàn)研究，研究方法與Meshkat使用的相似，得出灌溉結(jié)束的14d內(nèi)，同一灌水量下垂直砂覆蓋灌比常規(guī)滴灌的灌水效果顯著[6]。國(guó)內(nèi)學(xué)者開(kāi)展間接地下滴灌技術(shù)較晚，安巧霞等研究間接地下滴灌在不同流量下的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)濕潤(rùn)體形狀近似橢圓體，同一灌水時(shí)間下，滴頭流量越大，濕潤(rùn)體體積越大；同一灌水量下，滴頭流量越大，濕潤(rùn)體體積越小[7]。李道西等通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，研究了灌水要素(灌水量和滴頭流量)對(duì)土壤水分運(yùn)動(dòng)的影響情況，發(fā)現(xiàn)同一灌水量下，滴頭流量增大，保水性差的砂土垂直方向濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移明顯，而保水性較好的輕壤土水平方向上的運(yùn)移更加明顯[8]。吳繼強(qiáng)等研究了大孔隙對(duì)土壤水分入滲特性的影響，發(fā)現(xiàn)大孔隙的連通性對(duì)土壤水分的優(yōu)先入滲起主要作用[9]。目前針對(duì)不同粒徑導(dǎo)水材料對(duì)土壤濕潤(rùn)體情況的研究較少。鑒于此，本文通過(guò)對(duì)不同砂管粒徑下的土壤水分運(yùn)移規(guī)律研究分析，結(jié)合灌水結(jié)束24h后的土壤含水率情況，以期獲得更好的數(shù)據(jù)為田間實(shí)驗(yàn)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)場(chǎng)地與裝置

室內(nèi)試驗(yàn)場(chǎng)地為甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工科樓土工實(shí)驗(yàn)室，試驗(yàn)在自制的有機(jī)玻璃箱中進(jìn)行(圖1)，規(guī)格尺寸為120cm×55cm×75cm(長(zhǎng)×寬×高)的長(zhǎng)方體無(wú)蓋土箱。滴灌水源裝置為馬氏瓶，保證試驗(yàn)所需的穩(wěn)定恒壓水源，通過(guò)引水管連接恒通量水管進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)[10]。

圖1 試驗(yàn)裝置圖(單位：cm)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)所用土樣取自民勤縣勤鋒林業(yè)試驗(yàn)站棗樹(shù)基地，取回后風(fēng)干，過(guò)2mm篩，分析實(shí)驗(yàn)所用土壤粒徑得出試驗(yàn)土樣為容重1.5g/cm3的沙壤土。將土樣按每層5cm厚夯入土箱中，導(dǎo)水裝置為砂管，制作時(shí)采用直徑為10cm的PVC管的一半作為邊界，扣到土箱邊，土樣裝滿土箱后將砂子裝入PVC管，裝填石英砂完畢后抽出PVC管形成砂管，砂管深度為20cm。試驗(yàn)過(guò)程中使用秒表計(jì)時(shí)，按擬定時(shí)間間隔(3、10、30、60、120、180min)，用黑色記號(hào)筆在土箱上描繪出濕潤(rùn)鋒位置，并且用鋼尺測(cè)量各個(gè)時(shí)刻水平濕潤(rùn)鋒和垂直濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移距離[11]。滴灌過(guò)程中以時(shí)間控制灌水量，當(dāng)灌水時(shí)長(zhǎng)達(dá)到3h時(shí)停止灌水。試驗(yàn)砂采用3個(gè)粒徑，分別為1～2mm、2～3mm、3～5mm。處理情況見(jiàn)表1。土壤含水率使用烘箱烘干法測(cè)定，灌水結(jié)束24h后取土，取土?xí)r采用直徑1cm的土鉆，在導(dǎo)水裝置外圍沿水平方向每隔5cm設(shè)置一取樣點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)處垂直向下每隔5cm取樣，共計(jì)取樣80個(gè)。

表1 試驗(yàn)方案

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Origin2018、Excel 2010、SURFER15.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤中濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移

2.1.1濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移形狀

為了清晰準(zhǔn)確的觀察濕潤(rùn)體的形狀，將實(shí)測(cè)的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移曲線表現(xiàn)在二維坐標(biāo)系中[12- 13]。本試驗(yàn)中3個(gè)處理的灌水時(shí)間和灌水量相同，因此對(duì)濕潤(rùn)鋒形狀的影響基本相似，故選擇其中1個(gè)處理繪圖并進(jìn)行分析，如圖2所示即為T(mén)2處理所對(duì)應(yīng)的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移曲線。觀察圖2可以發(fā)現(xiàn)，T2處理下濕潤(rùn)鋒的形狀近似表現(xiàn)為橢球體，這是由于均質(zhì)土壤各向同性的特點(diǎn)，所以呈現(xiàn)出左右基本對(duì)稱的現(xiàn)象。水平方向及垂直方向上的濕潤(rùn)鋒隨著灌水時(shí)間的增加而逐漸增大。灌水初期，水平方向濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移距離大于垂直方向。隨著灌水時(shí)間的增加，在y方向上，濕潤(rùn)鋒垂直向下的運(yùn)移距離要大于垂直向上的運(yùn)移距離[14]。灌水結(jié)束后，4個(gè)方向中運(yùn)移距離最大的是水平方向，運(yùn)移距離最小的是垂直向上方向，這是垂直向上方向上水自身的重力與土壤吸力共同作用的結(jié)果。灌水結(jié)束的24h中濕潤(rùn)鋒運(yùn)移較灌水時(shí)明顯減緩，運(yùn)移距離較小，24h后垂直向下方向的總運(yùn)移距離大于水平方向[15]。

圖2 土壤濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移

2.1.2濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離隨時(shí)間變化情況

如圖3—4所示是濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離隨時(shí)間變化的情況。開(kāi)始灌水時(shí)，土壤中含水率較低，土壤入滲能力大，入滲速度快。隨著灌水的增加，土壤中水分不斷積累，土壤中含水率提高，入滲能力較灌水初期減弱，入滲速度減緩。入滲初期，水平方向的入滲速度快，入滲距離比垂直向下的入滲距離大，這是由于灌水初期，土壤水受到的土壤的持水作用大于重力產(chǎn)生的作用，即土壤基質(zhì)的吸附力和毛管力產(chǎn)生的勢(shì)能大于重力產(chǎn)生的勢(shì)能。隨著入滲的進(jìn)行，濕潤(rùn)鋒在水平方向的運(yùn)移距離依然大于垂直向下方向上的運(yùn)移距離[16]，這是土壤容重與流速共同影響的結(jié)果，本文所用土壤屬于質(zhì)地比較粗的沙壤土，容重越大，土壤非飽和導(dǎo)水能力越大，濕潤(rùn)鋒在水平方向上的運(yùn)移就會(huì)越快；此外流速也是影響因素之一，當(dāng)流速大于土壤入滲能力時(shí)，豎直向下方向的入滲變慢，地表積水會(huì)引起水平運(yùn)移距離的增大。

由圖3可以看出，土壤容重、初始含水率、灌水量相同，導(dǎo)水裝置所用材料中粒徑為2～3mm的砂子產(chǎn)生的水平運(yùn)移距離大于砂子粒徑為1～2mm和3～5mm的運(yùn)移距離。圖4中各個(gè)處理下的運(yùn)移距離差異不明顯，灌水結(jié)束后入滲距離最大的是T2處理，即導(dǎo)水裝置砂子粒徑為2～3mm。這是由于粒徑小的砂子滲透系數(shù)小，入滲慢，運(yùn)移距離小，而粒徑較大的砂子，初始入滲較快，但會(huì)在砂管底層與土壤的交界處出現(xiàn)積水，向下的入滲距離較T2處理小。對(duì)水平入滲距離(x)、豎向入滲距離(y)與灌水時(shí)間(t)進(jìn)行擬合，見(jiàn)表2。由表2可以看出濕潤(rùn)鋒水平、豎向入滲距離與灌水時(shí)間均存在著顯著的二次函數(shù)關(guān)系，決定系數(shù)(R2)均大于0.97。因此當(dāng)土壤基本性質(zhì)已知，流量固定的情況下，可以通過(guò)灌水時(shí)間來(lái)確定濕潤(rùn)鋒各個(gè)方向運(yùn)移的距離，從而達(dá)到精準(zhǔn)灌溉的目的。

圖3 濕潤(rùn)鋒水平入滲距離變化過(guò)程

圖4 濕潤(rùn)鋒豎向入滲距離變化過(guò)程

2.2 灌溉停止后濕潤(rùn)體的變化規(guī)律

灌水結(jié)束后，地表積水慢慢消失，土壤入滲過(guò)程接近結(jié)束，但由于濕潤(rùn)體內(nèi)部及濕潤(rùn)體與周?chē)寥乐g存在著水勢(shì)梯度，土壤水分的運(yùn)移并沒(méi)有結(jié)束，即土壤水分進(jìn)入再分布階段，濕潤(rùn)體會(huì)繼續(xù)擴(kuò)散，在水平方向和豎直方向上均有所增加，土壤水的再分布過(guò)程是非飽和狀態(tài)下的土壤水分運(yùn)動(dòng)，最后會(huì)趨于平穩(wěn)[17]。滴灌結(jié)束后24h濕潤(rùn)體尺寸的變化見(jiàn)表3。

表3 滴灌停止后濕潤(rùn)體尺寸的變化

分析表3中數(shù)據(jù)可得：灌水結(jié)束的24h內(nèi)，濕潤(rùn)體運(yùn)移距離變化較明顯。水平方向上的平均相對(duì)變化值為21.9%，垂直方向上的平均相對(duì)變化值為29.8%，比水平方向上的擴(kuò)散變化大7.9%。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是土壤水分的再分布過(guò)程中，在垂直方向受土壤基質(zhì)(固體)的毛管力和吸附力與重力共同作用，而在水平方向上僅受土壤基質(zhì)的吸附力和毛管力作用[18]，所以再分布過(guò)程垂直方向上的運(yùn)移速率比水平方向的大，這也是濕潤(rùn)體呈半橢球狀的原因之一。

2.3 土壤含水率的分布規(guī)律

如圖5所示為不同處理灌水24h后土壤含水率的變化情況。由于導(dǎo)水材料粒徑不同，3種處理的含水率分布有明顯的差異。間接地下滴灌下水分從導(dǎo)水材料底部及邊界向周?chē)霛B，隨著入滲的進(jìn)行砂管底部及邊界的水分接近飽和，水分就會(huì)向更深處入滲。灌水結(jié)束24h后，在水平方向上，距離滴頭越近，含水率越高，距離滴頭越遠(yuǎn)，含水率越低；在垂直方向上，含水率自上而下先增大后減小。

表2 濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離的擬合方程參數(shù)

圖5 灌水結(jié)束24h后土壤含水率變化的影響

從圖5可以看出，在導(dǎo)水材料粒徑為1～2mm的條件下，土壤最大含水率出現(xiàn)在圖5(a)中坐標(biāo)(5，-25)處，即砂管底部以下5m處，最大含水率為10.89%；在導(dǎo)水材料粒徑為2～3mm的條件下，土壤最大含水率出現(xiàn)在圖5(b)中坐標(biāo)(5，-25)處，和T1處理一致，最大含水率為11.07%；在導(dǎo)水材料粒徑為3～5mm的條件下，土壤最大含水率出現(xiàn)在圖5(c)中坐標(biāo)(5，-20)處，即砂管的底部，最大含水率為9.31%[19]。

結(jié)果表明，3種不同粒徑導(dǎo)水材料中，土壤整體含水率最大的為T(mén)2處理，即砂子粒徑為2～3mm的處理。

3 結(jié)論

(1)不同粒徑下濕潤(rùn)鋒運(yùn)移形狀基本呈橢球體狀，水平及垂直方向上濕潤(rùn)鋒隨著灌水時(shí)間的增加而增大。灌水結(jié)束24h后，水平方向上滴頭處含水率最大，距離滴頭越遠(yuǎn)含水率越??；垂直方向上含水率先增大后減小，最大含水率均出現(xiàn)在地表以下20～25cm中。

(2)砂子粒徑為1～2mm時(shí)，出現(xiàn)地表積水，在干旱地區(qū)推廣會(huì)增大蒸發(fā)；砂子粒徑為3～5mm時(shí)，砂礫空隙太大，入滲不均勻，通氣管內(nèi)氣性太大，增大蒸發(fā)；砂子粒徑為2～3mm時(shí)，入滲達(dá)到了作物主要根系層，蒸發(fā)小，含水率高，因此選擇2～3mm的砂子，以更好地指導(dǎo)河西地區(qū)的實(shí)際生產(chǎn)。