齊偉,和玉璞,紀(jì)仁婧,麥紫君,王策,江曉星

(1. 南京水利科學(xué)研究院,江蘇 南京 210029;2. 河海大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 211100; 3. 南京江寧湖熟街道水務(wù)站,江蘇 南京 211121)

微潤(rùn)灌是由中國(guó)率先研發(fā)、提出并逐步應(yīng)用的一種高效節(jié)水灌溉技術(shù).該技術(shù)核心部件是微潤(rùn)管,系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)管多埋在地下,管內(nèi)水分在管內(nèi)水壓力和管外土壤基質(zhì)勢(shì)的作用下從管壁孔隙緩慢滲出,然后在土壤基質(zhì)勢(shì)作用下向周?chē)鷶U(kuò)散從而向作物根區(qū)供水[1].微潤(rùn)管出流速率可根據(jù)土壤質(zhì)量含水量自行調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)、連續(xù)、適時(shí)和適量灌溉.與傳統(tǒng)灌溉技術(shù)相比,微潤(rùn)灌具有節(jié)水效果明顯、灌水均勻度高和運(yùn)行成本低等特點(diǎn)[2],是一種有廣闊應(yīng)用前景的節(jié)水灌溉技術(shù).

微潤(rùn)灌水分運(yùn)移規(guī)律的研究可為其灌溉制度的制定和進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供理論依據(jù).近些年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)室內(nèi)入滲試驗(yàn)、大田觀測(cè)試驗(yàn)和模型模擬等方法對(duì)微潤(rùn)灌水分運(yùn)移規(guī)律開(kāi)展了較多研究,主要集中在微潤(rùn)管出流特性、微潤(rùn)灌水分運(yùn)移分布特征及其影響因素等方面[3-5].薛萬(wàn)來(lái)等[6]研究了壓力水頭對(duì)微潤(rùn)灌水分運(yùn)動(dòng)特性的影響,結(jié)果表明,累積入滲量、濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離和入滲后土壤平均質(zhì)量含水率與壓力水頭均呈正相關(guān),濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率初期較快,后期減緩,此外微潤(rùn)管在土壤中的出流量明顯大于空氣出流量.牛文全等[5]研究表明,微潤(rùn)管埋深對(duì)濕潤(rùn)體形狀有顯著影響,主要表現(xiàn)為濕潤(rùn)鋒水平運(yùn)移距離和寬深比隨埋深增大而減小,垂直運(yùn)移距離隨埋深增大而小幅增加,累積入滲量與埋深呈負(fù)相關(guān),土壤濕潤(rùn)均勻系數(shù)與埋深呈正相關(guān).KANDA等[7]探究了灌溉水質(zhì)對(duì)微潤(rùn)管出流特性的影響,結(jié)果表明,用含雜質(zhì)的水灌溉會(huì)降低微潤(rùn)管出流速率,且含懸浮性雜質(zhì)水大于含可溶性雜質(zhì)水的影響.DIRWAI等[8]研究了管外蒸發(fā)強(qiáng)度對(duì)微潤(rùn)管出流速率的影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)管外蒸發(fā)強(qiáng)度越大,微潤(rùn)管出流速率越快.

農(nóng)田土壤在干濕凍融交替、根系延展與腐爛及動(dòng)物活動(dòng)等因素的影響下普遍存在大孔隙結(jié)構(gòu)[9].土壤干縮開(kāi)裂形成的裂隙是一種常見(jiàn)的大孔隙[10].干縮裂隙多在土壤表層發(fā)育,但也可發(fā)育至五六十厘米深度[11].裂隙的存在改變了土壤結(jié)構(gòu)和水力特性,從而對(duì)水分溶質(zhì)運(yùn)移造成影響.有研究表明,裂隙可導(dǎo)致優(yōu)先流現(xiàn)象[12],在農(nóng)田中可導(dǎo)致深層滲漏[13].也有研究發(fā)現(xiàn),裂隙的存在切斷了土壤基質(zhì)和毛管的連續(xù)性,嚴(yán)重阻礙了水分的橫向運(yùn)移[14].目前,對(duì)裂隙及其影響效應(yīng)的研究已成為農(nóng)業(yè)、土壤、水文等學(xué)科領(lǐng)域共同關(guān)注的熱點(diǎn)之一[15].微潤(rùn)灌作為一種高度依賴(lài)土壤基質(zhì)勢(shì)驅(qū)動(dòng)入滲的地下灌溉方式,其水分運(yùn)移特征勢(shì)必受土壤大孔隙結(jié)構(gòu)尤其是裂隙的影響.因此,文中通過(guò)室內(nèi)微潤(rùn)灌水分入滲試驗(yàn),研究不同發(fā)育形式的裂隙對(duì)微潤(rùn)灌水分運(yùn)移和分布規(guī)律的影響,以期為微潤(rùn)灌優(yōu)化設(shè)計(jì)和科學(xué)管理提供理論參考.

1 材料與方法

1.1 供試土壤

試驗(yàn)在河海大學(xué)江寧校區(qū)節(jié)水園開(kāi)展.供試土壤取自園內(nèi)稻麥輪作試驗(yàn)大田0～20 cm土層.在田間將土壤收集后碾碎并通過(guò)2 mm孔徑的篩網(wǎng),后置于陰涼通風(fēng)處風(fēng)干備用(土壤水分質(zhì)量比約為0.04 g/g).土壤黏粒[0,0.002) mm、粉粒[0.002,0.02) mm、砂粒[0.02,2) mm質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為21.1%, 56.2%和22.7%.根據(jù)國(guó)際制土壤質(zhì)地分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)(ISSS),供試土壤質(zhì)地為粉砂質(zhì)黏壤土.回填后土壤水分飽和體積比為0.502 cm3/cm3,田間持水體積比為0.467 cm3/cm3,有機(jī)碳質(zhì)量比為11.7 g/kg.

1.2 入滲試驗(yàn)

研究試驗(yàn)裝置與文獻(xiàn)[16]的研究中類(lèi)似,主要由有機(jī)玻璃土箱、微潤(rùn)灌溉系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成.土箱采用1 cm厚透明有機(jī)玻璃板制作而成,規(guī)格為長(zhǎng)40 cm×寬40 cm×高60 cm.土箱后面板按上下左右間距5 cm的布局打有直徑1 cm的土壤體積含水率測(cè)量孔,前后面板打有直徑2 cm的對(duì)稱(chēng)微潤(rùn)管安裝孔.土箱底部打有排水孔,并鋪設(shè)5 cm厚的礫石層,從而構(gòu)成排水系統(tǒng).將風(fēng)干土按1.25 g/cm3干容重分層回填至土箱內(nèi),填土高度為50 cm,分5層回填,每層回填高度為10 cm,單層回填后平整上表面,輕微壓實(shí)至設(shè)定容重,然后對(duì)表面進(jìn)行打毛處理,以保證層與層之間的水力連續(xù)性.微潤(rùn)管、橡膠管和馬氏瓶組成簡(jiǎn)易微潤(rùn)灌溉系統(tǒng).微潤(rùn)管產(chǎn)自深圳微潤(rùn)灌溉技術(shù)有限公司,為第三代管,四折痕雙層結(jié)構(gòu),水平鋪設(shè)于土箱中,埋深為20 cm.微潤(rùn)管通過(guò)橡膠管與馬氏瓶連接.調(diào)節(jié)馬氏瓶高度,將微潤(rùn)管內(nèi)壓力水頭控制在100 cm.通過(guò)預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),入滲120 h時(shí)濕潤(rùn)鋒接近土箱邊緣,因此,限于土箱幾何尺寸影響,將試驗(yàn)各處理總?cè)霛B時(shí)間設(shè)置為120 h.試驗(yàn)過(guò)程中采集濕潤(rùn)體、入滲量和含水率數(shù)據(jù),采用數(shù)碼相機(jī)拍照記錄濕潤(rùn)體變化,拍照時(shí)間按照先密后疏原則,并同時(shí)記錄相應(yīng)時(shí)刻馬氏瓶?jī)?nèi)液面高度以推算入滲量.入滲結(jié)束采用TDR(時(shí)域反射儀)快速測(cè)量土壤剖面含水率,在30 min內(nèi)完成測(cè)量,忽略水分再分布的影響.

試驗(yàn)處理如表1所示,表中J為裂隙間距,S為裂隙深度.C1—C6為不同處理,CK為無(wú)裂隙處理.

表1 試驗(yàn)處理Tab.1 Experimental treatments cm

根據(jù)節(jié)水園試驗(yàn)大田內(nèi)土壤裂隙發(fā)育情況和試驗(yàn)裝置有機(jī)玻璃土箱幾何尺寸情況設(shè)置裂隙間距和深度,間距設(shè)6和8 cm這2個(gè)水平(對(duì)應(yīng)裂隙條數(shù)分別為5和3條),深度設(shè)5,10和15 cm這3個(gè)水平,共6組處理,設(shè)空白對(duì)照(無(wú)裂隙),各處理重復(fù)3次.為精準(zhǔn)控制裂隙發(fā)育形式以便對(duì)比分析,采用人造裂隙的方式,將金屬篩網(wǎng)制成頂部寬度為1 cm的楔狀裂隙,在填土過(guò)程中根據(jù)設(shè)定高度和位置嵌入土中,篩網(wǎng)材質(zhì)的人造裂隙可較好地模擬天然裂隙的透水透氣性.試驗(yàn)裝置和裂隙布置情況如圖1所示.為了簡(jiǎn)便,示意圖僅展示了10 cm裂隙深度下2種裂隙間距的布置情況.

圖1 試驗(yàn)裝置和裂隙布置示意圖(單位:cm)Fig.1 Schematic diagram of experimental setup and crack layout (unit: cm)

1.3 圖像處理

濕潤(rùn)體圖像采用Photoshop和MATLAB軟件處理.首先采用Photoshop進(jìn)行圖像裁剪,截取試樣區(qū)域(寬40 cm×高50 cm),圖像分辨率設(shè)置為1 600 pixel×2 000 pixel.試樣濕潤(rùn)區(qū)域和干燥區(qū)域顏色對(duì)比明顯,因此采用“快速選擇工具”選中濕潤(rùn)區(qū)域并填充為白色,選中干燥區(qū)域填充為黑色,實(shí)現(xiàn)區(qū)域分割,并將圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像.將分割后的灰度圖像導(dǎo)入MATLAB軟件,通過(guò)自編程序,將灰度圖像轉(zhuǎn)化為二值圖像,并計(jì)算各方向的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離,其中向上和向下運(yùn)移距離為該方向上距離微潤(rùn)管中心的最大距離,水平運(yùn)移距離為向左和向右2個(gè)方向上距離微潤(rùn)管中心最大距離的平均值.

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2019記錄和整理.數(shù)據(jù)分析均取3組重復(fù)平均值,使用IBM SPSS Statistics 20.0軟件,以裂隙間距和裂隙深度作為主效應(yīng)因素進(jìn)行方差分析,采用最小顯著性差異檢驗(yàn)進(jìn)行多重比較(顯著性水平P<0.05),最后采用Origin軟件制圖.

采用分散度指標(biāo)描述微潤(rùn)灌濕潤(rùn)體形態(tài)規(guī)則度[17].幾何圖形的分散度定義為

(1)

式中:D為圖形分散度;C為濕潤(rùn)鋒周長(zhǎng);A為濕潤(rùn)體面積.幾何形態(tài)越不規(guī)則,分散度則越高.在常見(jiàn)的幾何圖形中,圓形的分散度最小,為4π.

采用冪函數(shù)對(duì)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離變化進(jìn)行擬合,即

L=atb,

(2)

式中:L為濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離,下文L1,L2,L3分別為濕潤(rùn)鋒向上、向下和水平運(yùn)移距離;a為濕潤(rùn)鋒擴(kuò)散系數(shù);b為濕潤(rùn)鋒擴(kuò)散指數(shù);t為入滲時(shí)間.

采用克里斯琴森均勻系數(shù)計(jì)算入滲結(jié)束時(shí)土壤剖面水分分布均勻度,計(jì)算公式為

(3)

2 結(jié)果與分析

2.1 入滲特征

圖2為不同處理微潤(rùn)灌累積入滲量Q隨入滲時(shí)間t的變化關(guān)系.由圖可以看出,各處理下的累積入滲量變化趨勢(shì)基本一致,均呈一條直線.同時(shí)可以看出,各處理之間及與CK之間的差異均較小.入滲前期,各處理之間累積入滲量幾乎重合,入滲結(jié)束時(shí),CK和C1—C6處理的最終累積入滲量分別為10 000.8,9 785.2,10 211.2,10 403.5,10 234.2,10 421.5,10 542.1 mL,處理間相對(duì)差異小于10%,通過(guò)方差分析發(fā)現(xiàn),各處理的最終累積入滲量之間差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05).綜合上述分析發(fā)現(xiàn),不同裂隙間距和深度對(duì)微潤(rùn)灌的水分入滲速率無(wú)明顯影響.

圖2 不同處理累積入滲量隨時(shí)間變化Fig.2 Variation of cumulative infiltration amount related to infiltration time for different treatments

2.2 濕潤(rùn)體形態(tài)特征

2.2.1形態(tài)演變過(guò)程

圖3為不同處理微潤(rùn)灌土壤濕潤(rùn)體(截面)隨入滲時(shí)間(3,24,48,96,120 h)的演變情況.無(wú)裂隙時(shí),不同時(shí)刻的濕潤(rùn)體呈近似圓形,隨入滲時(shí)間的增加,濕潤(rùn)鋒不斷向外擴(kuò)展.觀察有裂隙處理組發(fā)現(xiàn),當(dāng)裂隙深度為5 cm時(shí)(C1,C4處理),入滲結(jié)束時(shí)濕潤(rùn)鋒未到達(dá)裂隙區(qū)域,因而濕潤(rùn)體形態(tài)與CK處理類(lèi)似,也呈近似圓形.當(dāng)裂隙深度為10 cm時(shí)(C2,C5處理),入滲96 h時(shí)濕潤(rùn)鋒已到達(dá)裂隙區(qū)域,濕潤(rùn)鋒不再以同心圓方式向外擴(kuò)展,與裂隙相遇后水分水平運(yùn)動(dòng)受到一定抑制,豎直向上運(yùn)動(dòng)得到一定加強(qiáng),相鄰裂隙之間濕潤(rùn)體呈近似矩形分布.這一現(xiàn)象在裂隙深度為15 cm時(shí)表現(xiàn)得更加明顯,C3和C6處理中濕潤(rùn)鋒到達(dá)裂隙區(qū)域時(shí)間更早,C3處理中濕潤(rùn)鋒約在第48 h到達(dá)裂隙區(qū)域,C6處理中約在第24 h到達(dá)裂隙區(qū)域.

圖3 不同處理微潤(rùn)灌濕潤(rùn)體形態(tài)演變Fig.3 Evolution of wetting body morphology under different treatments of moistube irrigation

可以觀察到,入滲結(jié)束時(shí),C3處理中濕潤(rùn)體呈墨水瓶狀,上部為近似矩形,下部為近似橢圓形,C6處理中濕潤(rùn)體上部為多個(gè)矩形,靠近中間的裂隙之間矩形長(zhǎng)度明顯大于位于邊緣裂隙之間的矩形長(zhǎng)度,濕潤(rùn)體下部也接近橢圓形.綜上可以得出,裂隙對(duì)微潤(rùn)灌水分運(yùn)動(dòng)的影響發(fā)生在濕潤(rùn)鋒與裂隙相遇之后,裂隙會(huì)一定程度上抑制附近區(qū)域水分水平方向的運(yùn)移,而促進(jìn)水分上移,從而影響濕潤(rùn)體形態(tài).

2.2.2形態(tài)規(guī)則度

由上可知,裂隙的存在改變了微潤(rùn)灌濕潤(rùn)體形態(tài),使?jié)駶?rùn)體呈現(xiàn)不規(guī)則形狀.對(duì)所有處理不同時(shí)刻的濕潤(rùn)體分散度D進(jìn)行統(tǒng)計(jì),得出其隨入滲時(shí)間變化趨勢(shì)如圖4所示.

圖4 不同處理濕潤(rùn)體分散度隨時(shí)間變化Fig.4 Variation of dispersity of wetting body related to infiltration time for different treatments

由圖可知,所有處理中入滲起始階段濕潤(rùn)體分散度值較為接近,均在13.0～14.0,隨入滲時(shí)間增加各處理之間差異逐漸增大.CK處理中濕潤(rùn)體分散度隨入滲時(shí)間變化不大,一直穩(wěn)定在13.7左右.當(dāng)裂隙深度為5 cm時(shí),入滲結(jié)束時(shí)濕潤(rùn)鋒未到達(dá)裂隙區(qū)域,裂隙對(duì)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移基本無(wú)影響,因此C1和C4處理中濕潤(rùn)體分散度隨時(shí)間變化幅度也較小,分散度值約為14.0.當(dāng)裂隙深度為10 cm及以上時(shí),裂隙對(duì)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移的影響較為明顯.C2—C6處理中濕潤(rùn)體分散度均隨入滲時(shí)間的推移而快速增加,其中,C2和C5處理的變化趨勢(shì)較為接近,C3和C6處理的變化趨勢(shì)較為接近,這說(shuō)明隨入滲時(shí)間推移,裂隙深度越大,濕潤(rùn)體分散度增加幅度也越大.入滲結(jié)束時(shí),C2和C5處理濕潤(rùn)體分散度約為16.0,C3和C6處理濕潤(rùn)體分散度高于18.0.

表2為不同處理入滲結(jié)束時(shí)濕潤(rùn)體分散度、濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離、水分分布均勻度方差分析結(jié)果.由表可知,裂隙深度和裂隙間距無(wú)交互效應(yīng),裂隙間距對(duì)入滲結(jié)束時(shí)刻濕潤(rùn)體分散度影響不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05),而裂隙深度對(duì)其影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01).

表2 濕潤(rùn)體分散度、濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離、水分分布均勻度方差分析Tab.2 Analysis of variance for dispersity of wetting body, advancing distance of wetting front and uniformity of soil water distribution

圖5為不同裂隙深度對(duì)入滲結(jié)束時(shí)濕潤(rùn)體分散度的影響.裂隙深度為5 cm時(shí),濕潤(rùn)體分散度與CK相比差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05);裂隙深度為10 cm時(shí),濕潤(rùn)體分散度與CK相比差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),增加了約18.3%;裂隙深度為15 cm時(shí),濕潤(rùn)體分散度與CK相比差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),增加了約34.5%.

注:圖中不同小寫(xiě)字母表示不同處理間差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),下同圖5 不同裂隙深度處理下濕潤(rùn)體分散度比較Fig.5 Comparison of dispersity of wetting body among treatments of different crack depth

2.2.3濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離

圖6為不同處理微潤(rùn)灌濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離L隨時(shí)間的變化情況.

圖6 不同處理濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離隨時(shí)間變化Fig.6 Variation of wetting distance related to infiltration time for different treatments

由圖6可以看出,各處理濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離隨時(shí)間的變化趨勢(shì)基本一致,呈先快后慢的變化趨勢(shì).在入滲開(kāi)始階段,濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率較快.入滲10 h后濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率開(kāi)始減緩,且各方向運(yùn)移距離逐漸出現(xiàn)差異,具體表現(xiàn)為豎直向上的運(yùn)移距離小于豎直向下和水平方向的運(yùn)移距離,且隨入滲時(shí)間增加差異不斷增大.這主要是由于在入滲前期土壤體積含水率較低,土壤基質(zhì)勢(shì)較大,水分運(yùn)動(dòng)主要受基質(zhì)勢(shì)驅(qū)動(dòng),各方向驅(qū)動(dòng)力差異不大,因此各方向濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離接近.而隨著入滲時(shí)間增加,土壤體積含水率升高,基質(zhì)勢(shì)減小,重力勢(shì)影響越來(lái)越大,在重力勢(shì)影響下水分向上運(yùn)移速率逐漸小于水平和向下方向,因此運(yùn)移距離也表現(xiàn)為豎直向上方向相對(duì)較小.

由圖6還可以看出,所有處理中濕潤(rùn)鋒各方向運(yùn)移距離與入滲時(shí)間均符合冪函數(shù)關(guān)系,擬合決定系數(shù)為0.984～0.999.各處理間擴(kuò)散系數(shù)和擴(kuò)散指數(shù)無(wú)明顯規(guī)律,擴(kuò)散系數(shù)為1.599～2.947,擴(kuò)散指數(shù)為0.396～0.525.

由表2可以看出,裂隙深度和裂隙間距在濕潤(rùn)鋒向上、向下和水平方向最終運(yùn)移距離上不存在交互效應(yīng),且對(duì)濕潤(rùn)鋒向下運(yùn)移距離和水平方向運(yùn)移距離的影響均不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05),但裂隙深度對(duì)濕潤(rùn)鋒向上運(yùn)移距離的影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01).圖7為不同裂隙深度處理濕潤(rùn)鋒最終向上運(yùn)移距離L1比較.

圖7 不同裂隙深度處理濕潤(rùn)鋒最終向上運(yùn)移距離比較Fig.7 Comparison of final advancing distance of upward wetting front among treatments of diffe-rent crack depth

由圖7可以看出,裂隙深度為5 cm和10 cm時(shí),濕潤(rùn)鋒最終向上運(yùn)移距離與CK差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05);而裂隙深度為15 cm時(shí),濕潤(rùn)鋒最終向上運(yùn)移距離與CK差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),其運(yùn)移距離較CK約增加12.9%,這表明當(dāng)微潤(rùn)灌裂隙深度達(dá)到一定值時(shí),水分向上運(yùn)移距離將會(huì)明顯增加.

2.3 水分分布特征

2.3.1含水率分布

圖8為不同處理入滲結(jié)束時(shí)土壤中水分分布情況.圖中l(wèi)為土壤寬度;h為土壤深度;θ為土壤水分體積比.

圖8 不同處理入滲結(jié)束時(shí)刻土壤水分分布Fig.8 Soil water distribution at end of infiltration for different treatments

由圖8可知,微潤(rùn)灌后水分主要集中在微潤(rùn)管周?chē)?在各組處理中,越靠近微潤(rùn)管,土壤水分體積比越高,各處理中微潤(rùn)管附近的土壤水分體積比約為0.40～0.48 cm3/cm3.在以微潤(rùn)管為圓心半徑大約7 cm的圓形范圍內(nèi),土壤水分體積比都高于0.36 cm3/cm3,當(dāng)距離微潤(rùn)管10 cm及以上時(shí),土壤水分體積比基本低于0.26 cm3/cm3.比較不同處理之間水分分布特征,可以發(fā)現(xiàn)水分分布與濕潤(rùn)體形態(tài)類(lèi)似,當(dāng)土壤中無(wú)裂隙或裂隙深度較淺時(shí),水分分布區(qū)域呈近似橢圓狀.隨著裂隙深度的增大和裂隙間距的減小,水分分布范圍呈現(xiàn)出明顯的不規(guī)則性,在C2,C3,C5和C6處理中,土壤上層20 cm中的水分分布都表現(xiàn)為明顯的指狀特征.

2.3.2分布均勻度

水分分布均勻度反映了灌水均勻性,而灌水均勻性很大程度上決定了灌溉質(zhì)量[18].表2結(jié)果表明,裂隙深度和裂隙間距在水分分布均勻度上不存在交互效應(yīng),裂隙間距對(duì)水分分布均勻度影響不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05),而裂隙深度對(duì)其影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01).圖9為不同裂隙深度處理入滲結(jié)束時(shí)刻土壤水分分布均勻度.可以看出,裂隙深度為5 cm時(shí)水分分布均勻度與CK差異較小,均在40.0%左右.當(dāng)裂隙深度達(dá)到10 cm及以上時(shí),水分分布均勻度與CK差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05).裂隙深度為10 cm時(shí)水分分布均勻度顯著降低了約15.2%,裂隙深度為15 cm時(shí)水分分布均勻度顯著降低了約27.5%.

圖9 不同裂隙深度處理入滲結(jié)束時(shí)刻水分分布均勻度比較Fig.9 Comparison of uniformity of soil water distribution at end of infiltration among treatments of different crack depth

3 討 論

在含有不同發(fā)育形式裂隙的土壤中,微潤(rùn)灌水分入滲速率差異不大(見(jiàn)圖2),即微潤(rùn)管出流速率基本一致.這主要是因?yàn)榱严兜拇嬖谖疵黠@影響微潤(rùn)管周?chē)耐寥浪畡?shì).由圖8可以看出,各處理中管附近土壤體積含水率較為接近.微潤(rùn)灌水分入滲過(guò)程中,管內(nèi)和管外具有水勢(shì)差,管中水則在水勢(shì)差的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)入土壤.當(dāng)管附近土壤體積含水率相互接近時(shí),管內(nèi)外水勢(shì)差也較為接近,因而微潤(rùn)管出流速率基本一致,可認(rèn)為裂隙對(duì)微潤(rùn)灌水分入滲速率基本無(wú)影響.

裂隙對(duì)微潤(rùn)灌水分運(yùn)移路徑有明顯影響.圖10為均質(zhì)土和開(kāi)裂土水分運(yùn)移示意圖.由于微潤(rùn)管出流緩慢,土壤內(nèi)未形成飽和區(qū),故可忽略壓力勢(shì)影響,進(jìn)入土壤后的水分主要靠土壤基質(zhì)勢(shì)作用運(yùn)移,不斷向濕潤(rùn)體四周擴(kuò)散.在均質(zhì)土中,濕潤(rùn)鋒處土壤基質(zhì)勢(shì)ψ1高于濕潤(rùn)鋒外圈土壤基質(zhì)勢(shì)ψ2,從t1時(shí)刻至t2時(shí)刻,在水勢(shì)差的驅(qū)動(dòng)下,水分基本呈同心圓式擴(kuò)散.相比之下,在含裂隙土壤中,裂隙切斷了土壤基質(zhì)和毛管的連續(xù)性,產(chǎn)生毛管阻隔效應(yīng).當(dāng)濕潤(rùn)鋒擴(kuò)展到裂隙邊緣處時(shí),裂隙區(qū)與大氣接觸,可看作基質(zhì)勢(shì)為0,因此靠近裂隙的濕潤(rùn)鋒處土壤水勢(shì)低于裂隙區(qū)土壤水勢(shì),水分不再?gòu)臐駶?rùn)鋒處往外圈擴(kuò)散,在裂隙毛管阻隔效應(yīng)下,水分的擴(kuò)散被直接切斷,原本應(yīng)往外圈擴(kuò)散的水分沿著裂隙臨水側(cè)邊緣向上方運(yùn)動(dòng),使裂隙臨水側(cè)水分增多,而背水側(cè)水分減少,濕潤(rùn)體形狀不規(guī)則程度增加,同時(shí)水分分布均勻度降低,當(dāng)裂隙間距較小時(shí),濕潤(rùn)體在裂隙之間的形狀接近矩形,土壤水分分布呈指狀特征.

圖10 微潤(rùn)灌下均質(zhì)土和開(kāi)裂土中水分運(yùn)移示意圖Fig.10 Schematic diagram of water movement in homogeneous soil and cracked soil under moistube irrigation

裂隙深度對(duì)微潤(rùn)灌水分運(yùn)移分布起決定性作用.微潤(rùn)灌作為一種地下灌溉方式,水分自微潤(rùn)管滲出后逐漸向四周以近似圓形或橢圓形擴(kuò)散,濕潤(rùn)鋒與裂隙的相遇時(shí)間和裂隙深度密切相關(guān),裂隙深度的增加明顯縮短濕潤(rùn)鋒與裂隙相遇時(shí)間,水分運(yùn)移受裂隙影響的時(shí)間提前,受影響程度也相應(yīng)增大.深裂隙的存在可明顯增大局部水分上移量和上移速率,當(dāng)裂隙深度為15 cm時(shí)濕潤(rùn)鋒向上運(yùn)移距離顯著增加(見(jiàn)圖7).從圖3也可看出,裂隙或裂隙較淺的處理中濕潤(rùn)鋒向上尚未到達(dá)土壤表面,而C6處理中濕潤(rùn)鋒向上已基本到達(dá)土壤表面.由此不難推測(cè),當(dāng)土壤蒸發(fā)強(qiáng)度較大時(shí),深裂隙將增大土壤表層無(wú)效蒸發(fā),降低微潤(rùn)灌水分利用效率.此外,考慮微潤(rùn)灌大田應(yīng)用,若采用一管控制2行作物的管道布置方式,深裂隙將顯著降低裂隙背水側(cè)區(qū)域供水強(qiáng)度,減少該區(qū)域水分入滲量,延緩水分運(yùn)移到達(dá)時(shí)間,將對(duì)作物根系吸水造成不利影響.因此,在易開(kāi)裂土壤中應(yīng)用微潤(rùn)灌時(shí),應(yīng)當(dāng)采取有效措施如翻耕、秸稈添加等控制裂隙發(fā)育,減小裂隙深度.本次試驗(yàn)和得出的結(jié)論是基于室內(nèi)人造裂隙且無(wú)作物的情況,在實(shí)際大田中氣候條件、土壤性質(zhì)和作物根系等均會(huì)影響裂隙發(fā)育特征[19],致使裂隙對(duì)微潤(rùn)灌水分運(yùn)移及分布的影響規(guī)律發(fā)生變化,所以還需在大田尺度下進(jìn)一步研究,綜合考慮多方面因素,以消除或最小化土壤裂隙對(duì)微潤(rùn)灌的不利影響.

4 結(jié) 論

1) 裂隙對(duì)微潤(rùn)灌水分入滲速率無(wú)明顯影響.不同裂隙發(fā)育形式處理下微潤(rùn)灌累積入滲量隨時(shí)間變化趨勢(shì)一致,且各處理最終累積入滲量相對(duì)差異小于10%.

2) 裂隙對(duì)微潤(rùn)灌水分運(yùn)移路徑有明顯影響,可降低濕潤(rùn)體形態(tài)規(guī)則度和水分分布均勻度,其中裂隙深度影響顯著.相比無(wú)裂隙處理,裂隙深度為15 cm時(shí)濕潤(rùn)體分散度約增加了34.5%,濕潤(rùn)鋒最終向上運(yùn)移距離約增加了12.9%,水分分布均勻度約降低27.5%.

3) 裂隙深度對(duì)微潤(rùn)灌水分運(yùn)移和分布起決定性作用,裂隙達(dá)到一定深度時(shí)會(huì)對(duì)灌溉質(zhì)量產(chǎn)生不利影響,在大田應(yīng)用微潤(rùn)灌技術(shù)時(shí)應(yīng)控制田間裂隙深度發(fā)育.