無壓地下灌溉條件下土壤水分入滲特性研究

李 蕊，張寬地，陳俊英

(1. 楊凌職業技術學院，陜西 楊凌 712100；2. 西北農林科技大學 水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100)

0 引 言

無壓地下灌溉是一種新型的根區點源局部灌溉技術，與傳統的加壓灌溉方式不同，它通過在耕作層埋設打孔的輸水管道，將灌溉系統首端的供水壓力控制為無壓、微小的正壓或負壓，利用土壤水吸力自動補給灌溉，使灌溉水通過灌水器孔口進入作物根系層，滿足作物生長的用水需求，以達到減少棵間蒸發和深層滲漏及節水、節能的目的[1]。目前，對于無壓地下灌溉的原理、不同技術指標對土壤含水率分布、作物根系生長發育、果實產量和品質的影響已有研究報道。陳新明等[2,3]從理論上分析了無壓地下灌溉的水動力學機理，同時通過試驗發現出水孔徑和壓力越大，灌水器出水量越大，入滲到土壤的水量也越多。趙偉霞等[4]發現不同供水壓力下的土壤濕潤體呈球冠狀，最大水平和垂直濕潤距離相等且與時間存在顯著冪函數關系。陳新明等[5]與溝灌比較發現無壓地下灌溉不但沒有降低黃瓜產量，反而能夠提高作物水分利用率、水分生產率和黃瓜品質。王燕等[6]研究發現無壓灌溉可滿足番茄生育期需水量，不同供水壓力對番茄根區土壤水分、生理特性和產量影響不同，但其能夠提高番茄的糖酸比、可溶性蛋白和Vc量。然而，對于無壓地下灌溉條件下的土壤入滲特性，特別是不同供水壓力和灌水器孔徑下的土壤水分運移規律還缺乏一定的試驗研究。土壤水分入滲特性直接影響不同灌溉方式下灌溉水的利用過程和作物的生長發育[7]。因此，通過室內無壓灌溉試驗研究分析不同供水壓力和灌水器孔徑對土壤累積入滲量、濕潤峰動態變化以及濕潤體內土壤含水率分布的影響，從而為選用合理的無壓灌溉技術參數提供重要的理論依據和技術指導。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

試驗于2014年3―5月在西北農林科技大學中國旱區節水農業研究院節水試驗大廳進行。供試土壤為取自陜西楊凌渭河灘地櫻桃園的砂壤土，土壤經碾壓、粉碎和自然風干后過2 mm孔徑的篩。將過篩的土以原狀土體積質量1.45 g/cm3分層(5 cm)回填到試驗土箱中，裝填上層土時將下層土表面打毛，從而使各層土之間緊密接觸。砂壤土的田間持水率和飽和含水率分別為21.47 %和32.53 %(質量)。試驗設供水壓力和灌水器孔徑2個因素，共設置9個處理，每處理設3次重復，觀測值取3次重復試驗的平均值。其中，供水壓力設-3、0及3 cm 3個水平，灌水器孔徑設4、6和8 mm 3個水平。

1.2 試驗裝置

試驗裝置由試驗土箱和供水系統兩大部分組成(圖1)。試驗土箱采用四方體有機玻璃制作，長40 cm，寬40 cm，高60 cm。采用有機玻璃柱制作的馬氏瓶恒壓供水，內徑10 cm, 高60 cm。灌水器通過在內徑為10 mm的PVC管上打孔而成，灌水器用紗布進行包裹，以防土壤顆粒堵塞孔口。試驗過程中，試驗土箱和馬氏瓶由PE軟管相連，灌水器埋深為10 cm。試驗所用供水壓力通過調節灌水器和馬氏瓶出水口之間的高度差Δh來實現。入滲開始前先將整個輸水管道行排氣，使輸水管道中充滿水，然后開展灌水試驗。

圖1 試驗裝置圖

1.3 測定項目及方法

在入滲過程中，用秒表記錄入滲時間；由馬氏瓶上的刻度記錄累積入滲水量；用記號筆在與灌水器相鄰的土箱兩側繪出不同時間濕潤鋒的動態分布。試驗結束后，用描圖紙描繪濕潤鋒形狀，并在坐標紙上標定濕潤鋒的精確位置；取2個側面的平均值作為水平向和垂直向最大濕潤距離；用直徑為2 cm的土鉆沿試驗土箱的對角縱剖面在濕潤體內分層取樣，取樣后用烘干法測量土壤質量含水率。

2 結果與分析

2.1 累積入滲量隨入滲時間的動態變化

不同供水壓力和灌水器孔徑下所得的累積入滲量隨入滲時間的變化過程如圖2所示。由圖2可以看出，開始時入滲較快，而后入滲率逐漸變慢。灌水器孔徑相同時，不同供水壓力條件下所得的累積入滲量隨入滲時間的變化曲線走勢相近，即隨著壓力水頭的增大，相同時段內的土壤入滲量逐漸變大；但其最終累積入滲量差異較大，例如，8 mm孔徑下，-3 cm水頭時最終累積入滲量為32 cm，而3 cm水頭時為44 cm。供水壓力相同時，不同灌水器孔徑條件下所得的累積入滲量隨入滲時間的變化曲線走勢基本相同，并表現出隨著灌水器孔徑的增大，相同時段內的累積入滲量逐漸增大；但其最終入滲累積量差異較大，例如，3 cm水頭下，4 mm孔徑時最終累積入滲量為30 cm，8 mm孔徑時則為44 cm。隨著灌水器孔徑變化，不同供水壓力條件下累積入滲量也存在較大差異，并隨著灌水器孔徑變大差異愈明顯，特別是大孔徑(8 mm)時0 cm 和3 cm供水壓力下的差異較大。這是由于在供水壓力為零水頭和負壓時水的入滲主要靠土壤基質勢，而在正壓時重力作用對入滲過程逐漸顯著，孔徑越大，重力作用下灌水器出水量就越大。

圖2 不同供水壓力和灌水器孔徑下累積入滲量與入滲時間的關系

利用冪函數I=atb對不同供水壓力和灌水器孔徑下累積入滲量與入滲時間之間進行擬合，分析結果如表1所示，其決定系數R2均在0.98以上。對表1分析表明，冪函數形式可以很好地描述無壓地下灌溉條件下累積入滲量與入滲時間的關系。由表1可知，不同灌水器孔徑下，系數a和指數b均表現為：8 mm > 6 mm > 4 mm，并隨著供水壓力的增大，冪函數系數a表現出整體增大的趨勢，但指數b逐漸減小。

表1 不同供水壓力和灌水器孔徑下累積入滲量和入滲時間的擬合情況

2.2 土壤濕潤體最大濕潤鋒隨入滲時間的變化

無壓地下灌溉土壤水分入滲過程為三維入滲，不同供水壓力和灌水器孔徑下水平向最大濕潤距離zx、垂直向最大濕潤距離zh隨入滲時間t的變化如圖3所示。由圖3可知，濕潤鋒開始時遷移速率較大，然后逐漸減小。灌水器孔徑相同時，不同供水壓力條件下所得的水平向最大濕潤距離、垂直向最大濕潤距離隨入滲時間的變化趨勢相同，即壓力水頭越大，相同時段內的濕潤鋒遷移速率也越大；但其最大濕潤距離差異較大，例如，8 mm孔徑下，-3 cm水頭時最大水平和垂直濕潤鋒分別為23 cm和23 cm，而3 cm水頭時分別為31cm和32 cm。相同供水壓力時，不同灌水器孔徑下所得的最大水平向濕潤距離、最大垂直向濕潤距離隨入滲時間走勢基本相同，并表現出隨著灌水器孔徑的增大，相同時段內的濕潤鋒遷移越快；但其最大濕潤距離差異較大，例如，3 cm水頭下，4 mm孔徑時最大水平和垂直濕潤鋒分別為23 cm和24 cm，而8 mm水頭時分別為31 cm和32 cm。隨著灌水器孔徑變化，不同供水壓力條件下最大水平向濕潤距離、最大垂直向濕潤距離也存在較大差異，并隨著灌水器孔徑變大差異愈明顯。當供水壓力為負壓和無壓時(-3和0 cm)，最大垂直向濕潤距離與最大水平向濕潤距離接近；而當壓力水頭為正值時(3 cm)，最大垂直向濕潤距離較最大水平向濕潤距離大，說明此時重力作用已開始有所顯現。

圖3 不同供水壓力和灌水器孔徑下最大水平向濕潤距離、最大垂直向濕潤距離與入滲時間的關系

利用冪函數zx=atb和zh=atb對不同供水壓力和灌水器孔徑下水平向最大濕潤距離zx、垂直向最大濕潤距離zh與入滲時間t之間關系進行擬合(表2)。由表2可知，擬合結果決定系數R2均大于0.98，說明冪函數形式可以很好地描述無壓地下灌溉條件下水平向最大濕潤距離、垂直向最大濕潤距離與入滲時間的關系。由表2可知，不同灌水器孔徑下，系數a和指數b均表現為：8 mm > 6 mm > 4 mm，并隨著壓力水頭的增大，冪函數系數a表現出整體增大的趨勢，但指數b逐漸減小。

表2 不同供水壓力和灌水器孔徑下最大水平向濕潤距離、最大垂直向濕潤距離和入滲時間的擬合情況

2.3 土壤含水率沿濕潤球體半徑方向分布規律

試驗結果表明在土壤基質勢梯度作用下，無壓地下灌溉土壤濕潤體內土壤含水率在以出水口為中心的同心球面上近似相等。濕潤體內不同位置處的土壤含水率θ與其所在濕潤球體半徑r(r2=z2x+z2h)之間的關系如圖4所示。分析可知，濕潤體內最大土壤含水率介于飽和含水率(32.53%)和田間持水率(21.47%)之間，說明在無壓灌溉條件下土壤濕潤體內不存在飽和區，灌水器出水主要依靠土壤水吸力。這種土壤含水率分布可使作物根區保持良好的通氣狀況，有利于協調土壤的水氣條件，進而提高作物的生產力[6]。由圖4可知，隨濕潤球體半徑的增大，土壤含水率呈現減小趨勢，但不同供水壓力和灌水器孔徑下減小速率有所不同。在中大灌水器孔徑條件下，土壤含水率隨供水壓力增大而增大，而小孔徑情況下差異顯著。

利用二次拋物線曲線擬合θ=arb+br+c對不同供水壓力和灌水器孔徑下濕潤體內土壤含水率沿濕潤球體半徑方向之間關系進行擬合(表3)。對表3可知，擬合結果決定系數R2都大于0.93，說明二次拋物線形式可以較好地描述無壓地下灌溉條件下濕潤體內土壤含水率沿球體半徑方向的關系。由表3可知，不同灌水器孔徑下，系數a和常數c整體表現為：8 mm>6 mm>4 mm，系數b整體表現為：4 mm>6 mm>8 mm。隨著壓力水頭的增大，系數a和常數c表現出整體減小的趨勢，而系數b總體有增大的趨勢。

圖4 不同供水壓力和灌水器孔徑下土壤含水率沿濕潤球體半徑方向分布規律

表3 不同供水壓力和灌水器孔徑下濕潤體內土壤含水率沿球體半徑方向分布的擬合情況

3 結 論

(1)不同供水壓力和灌水器孔徑下累積入滲量、土壤濕潤體水平向和垂直向最大濕潤距離均隨入滲時間的增加而增大，但其增加的速率均在減小，說明隨著入滲時間的增大，土壤濕潤體內和濕潤鋒面由基質勢所引起的水勢梯度逐漸減小；整個入滲過程均可以采用冪函數形式進行描述。

(2)土壤濕潤體內含水率在以出水點源為中心的同心球面上近似相等，且沿濕潤球體半徑方向逐漸減小，這與趙偉霞等[1]研究結論相同；土壤含水率分布可用二次拋物線形式進行描述。

(3)供水壓力和灌水器孔徑對無壓地下灌溉土壤水分入滲過程有顯著的影響，供水壓力越小，同一灌水器孔徑下的土壤水分入滲特性就愈差；灌水器孔徑越小，同一供水壓力下的土壤水分入滲特性也愈差。然而，當供水壓力為正值(3 cm)時，重力作用已開始有所顯現，這與無壓灌溉依靠土壤基質勢主動吸水的理念不符，故建議采用負壓、零水頭或微小的正壓(< 3 cm)進行無壓灌溉。

[1] 趙偉霞,蔡煥杰,陳新明,等.無壓灌溉土壤濕潤體含水率分布規律與模擬模型研究[J].農業工程學報,2007,23(3):7-10.

[2] 陳新明,蔡煥杰,單志杰,等.作物根區局部控水無壓灌溉的土壤水動力學機理[J].農業機械學報,2006,37(11):80-83.

[3] 陳新明,蔡煥杰,王占兵,等.無壓根區地下灌溉技術實驗研究[J].農業工程學報,2004,20(1):76-79.

[4] 趙偉霞,蔡煥杰,陳新明,等.無壓灌溉土壤濕潤體特征值變化規律與經驗解[J].灌溉排水學報,2009,28(2):30-33.

[5] 陳新明,蔡煥杰,單志杰,等.根區局部控水無壓地下灌溉技術對黃瓜和番茄產量及其品質影響的研究[J].土壤學報,2006,43(3):486-492.

[6] 王 燕,蔡煥杰,陳新明。根區局部控水無壓地下灌溉對番茄生理特性及產量、品質的影響[J].中國農業科學,2007,40(2),322-329.

[7] 范軍亮,張富倉.負水頭條件下的土壤水分垂直一維入滲特性研究[J].土壤學報,2010,47(3):415-421.