滴灌條件下砂壤土棗林的水分入滲及再分布過程

李長城，李 宏，張志剛，程 平，劉 幫，韓瑩瑩，孫明森，刁 凱

(1.新疆農業大學林學與園藝學院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆林業科學院，新疆 烏魯木齊 830000；3.新疆師范大學，新疆 烏魯木齊 830054)

滴灌條件下砂壤土棗林的水分入滲及再分布過程

李長城1，李 宏2*，張志剛2，程 平2，劉 幫1，韓瑩瑩3，孫明森1，刁 凱1

(1.新疆農業大學林學與園藝學院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆林業科學院，新疆 烏魯木齊 830000；3.新疆師范大學，新疆 烏魯木齊 830054)

本文研究了水分在砂壤土中入滲和再分布的規律特征，為棗樹的合理灌溉及有效節水提供依據。以各徑級棗樹根系在沙壤土中的分布為依據，運用Decagon公司生產的ECH20 土壤水分傳感器與48通道的自動數據采集器動態測量其合理的布置，得到灌水期及灌水結束后水分分布的特征值。根據被采集數據的特征值對水分的運移距離、運移時間、運移速率在水平和垂直方向上進行比較,了解土壤水分運移及含水率的變化，繪出灌水結束及水分再分布濕潤體模型。結果表明，①在灌水初期，不同滴頭流量的水分運移距離，運移速率水平方向均大于垂直方向；②水分再分布濕潤體大于灌水結束時濕潤體，而在相同位置灌水結束時濕潤體含水率大于再分布濕潤體含水率；③砂壤土中水分特征值及濕潤體分布范圍為棗樹的灌溉制度提供依據，達到節水目的。

滴灌；濕潤體特征值；水分運移距離；土壤含水率

在中國西北地區，水資源的短缺已經制約了社會的發展，減少浪費，節約用水是現今有效的解決辦法。新疆是西北缺水嚴重的地區之一，新疆林果業的發展受到了水的限制，但隨著國家對新疆林果業的重視，解決水問題勢在必得。新疆年降水量較少，地下水資源短缺，年蒸發量大，我們要利用有限的水去發展更多的林果業這就需要提高水的利用效率，減少蒸發量。為了提高水分利用率，弄清水分在土壤中的運移規律及分布狀況是必不可少的[1-6]。前人對不同灌溉方式與不同土壤關系的研究有很多，為了解清楚在自然條件下地表滴灌對原狀沙壤土的水分運移規律，本研究主要根據砂壤土中不同徑級棗樹根系的分布來進行砂壤土中水分的運移規律研究，探究在相同的灌水歷時情況下，不同滴頭流量在沙壤土中水分的運移變化規律[7-14]。

表1 試驗地土壤的主要理化性質

采用由Decagon公司生產的ECH2O 土壤水分傳感器并與48通道的自動數據采集器相連進行動態測量，采集數據，對灌水前、灌水結束時、灌水結束12 h后土壤含水率3個重要時刻的數據進行處理分析，從分析的特征值中可以看出在相同的灌水歷時下，不同滴頭流量其水分運移規律及含水率都不相同，水分再分布范圍隨灌水量的增加分布范圍越大。因此，在同一棗園內、同一灌水歷時的情況下，根據不同徑級的棗樹采用不同流量的滴頭，達到節水灌溉目的，同時為棗園灌水的精細管理提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗地位于新疆三大棗產業之一的阿克蘇地區溫宿縣境內的新疆林業科學院佳木良種試驗站，E80°32’，N41°15’，海拔1103.8 m。基地總面積80 hm2，呈長方形，地勢北高南低，南北長1600 m，東西長650 m，地下水位深2.8～3.3 m；屬溫帶大陸性氣候，太陽輻射強，晝夜溫差大，年降水量少，四季分配不均；春秋季節短，夏冬季節長，時常有倒春寒現象發生；年均氣溫10.1 ℃，極端低溫可達-30 ℃，年均日照時數2747.7 h，≥10 ℃積溫2916.8～3198.6 ℃，無霜期195 d。由高山融水沖擊形成平原地形[14]。

1.2 試驗土壤

試驗地土壤的主要理化性質見表1。

1.3 樣地選擇及布置

在盛果期棗園旁選擇一塊5 m×5 m的空白地，由于棗園采用大水漫灌，1月灌水1次，平均灌水量300 m3/667m2，因此灌水量較大，在試驗地四周向下深挖1.8 m，周圍坑壁鋪上防滲膜，防滲膜高出地面1 m,然后深坑填土埋實并打起高于地面0.8 m的土壟，將防滲膜多余部分折疊覆蓋在土壟上，在填土打壟將防滲膜用土覆蓋。

1.4 試驗設備與試驗方法

1.4.1 試驗設備 滴灌設備為滴頭流量為q= 4、8、12、16、20 L/h的滴頭，自制恒壓灌水器(可更換不同流量滴頭)，數據監測設備采用Decagon公司生產的ECH2O 土壤水分傳感器和48通道的自動數據采集器。

1.4.2 試驗方法 本試驗于2014年5-9月進行，灌水方式采用自制恒壓水器進行滴管(可更換不同流量滴頭)，根據棗樹根系在沙壤土分布范圍設計滴灌歷時為8 h，滴頭流量為q=4、8、12、16、20 L/h(無重復)實驗。以距樣樹根部15 cm處為原點，與樹行垂直挖長2 m、寬0.5 m、深1.8 m的剖面，將ECH2O水分探頭插入沒有經過擾動的土壤剖面，水分探頭布置好后再將土壤回埋澆水壓實。在水平方向上，以樣地原點(距樹干15 cm)0點為起點，距離樹干20、40、60、80、100、120、140、160、180 cm布置探頭，探頭埋深20 cm；在垂直方向上，以0點為頂點，距離地面20、40、60、80、100、120、140、160 cm的深度布置探頭。另外布置2條鋪設線路，分別與水平方向成30°、60°夾角均勻布置兩排探頭，總共布置探頭31個(圖1)。設置數據采集器每隔10 min采集1次數據，試驗完畢后待實驗樣地土壤含水率恢復到原物理狀態時(土壤體積含水率約12 %～15 %)，再進行下一流量試驗。

1.5 數據分析

采用SPSS 18.0、Excel2010軟件進行統計分析，采用SURFER8.0軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同滴頭流量對濕潤體分布范圍及水分運移距離的影響

圖2為4、8、12、16、20 L/h不同流量的滴頭歷時8 h灌水結束時濕潤體的分布范圍。由圖2可知，灌水8 h結束時滴頭流量越大其濕潤體分布范圍也就越大。當q=4L/h時，灌水總量為32 L，水平擴散半徑為60 cm，垂直入滲距離為50 cm，水平方向上水分擴散距離大于垂直方向上的入滲距離；當q=20L/h時，灌水總量為160 L，水平方向的水分擴散距離可達120 cm，垂直入滲距離可達140 cm。因此，隨著灌水時間的增加，濕潤鋒運移距離由水平擴散距離大于垂直入滲距離逐漸轉變成水平擴散距離小于垂直入滲距離。從濕潤體分布范圍可以看出水平擴散最大半徑深度≥20 cm，與前人研究較為符合[1]。

2.4 兩組患者滿意度比較 觀察組與對照組患者滿意度評分分別為(87.6±9.4)分和(72.1±10.5)分，差異有統計學意義(t=3.14，P<0.05)；觀察組與對照組滿意度分別為84.4%(38/45)和66.7%(30/45)，差異有統計學意義(χ2=6.74，P<0.05)。

圖1 ECH2O水分探頭布局Fig.1 ECH2O moisture probe layout

圖2 灌溉歷時8 h時不同滴頭流量下濕潤體的形狀Fig.2 Moist body shape for different dripper discharges in 8 hours

單點源滴灌水分運移過程中的水平擴散半徑x(t)與垂直入滲距離z(t)是2個重要特征值，是合理制定灌水系統確定滴頭間距的重要依據[17]。圖3為灌水歷時8 h，5種滴頭流量下土壤濕潤水平擴散半徑x(t)和垂直入滲距離z(t)隨著時間t的變化過程。由圖3可知，水分垂直入滲距離最大達到160 cm，入滲時間持續到800 min停止；水平擴散距離最大達到180 cm，擴散時間持續到700 min停止，較符合前人對不同徑級棗樹根系地下分布的研究[14]。在相同的灌水時間下，濕潤鋒的垂直入滲距離和水平擴散半徑都會隨著滴頭流量的增加逐漸增加，但灌水初期滴頭流速對水平擴散半徑影響較大，灌水200 min時擴散半徑就達到100 cm的位置；灌水結束后，垂直方向水分入滲持續300 min左右，而水平擴散持續200 min左右[16-17]。

圖3 濕潤鋒水平擴散半徑與垂直入滲距離變化過程Fig.3 Change of horizontal wetting front and vertical wetting front during infiltration

滴頭流量(L/h)Dripperdischarge水平擴散半徑Horizontal垂直入滲距離Vertical公式R2公式R24x=2．472t0．5640．997z=1．723t0．5730．9968x=2．166t0．6200．993z=1．653t0．6440．99712x=2．410t0．6330．997z=1．855t0．6420．99316x=2．262t0．6610．995z=2．461t0．6070．99620x=3．331t0．6280．995z=2．534t0．6310．994

注：長度單位(cm)，入滲時間t單位(min)。

Note: The unit of length is ‘cm’, and that of time is minute.

灌水歷時8 h的水平擴散半徑x(t)、垂直入滲距離z(t)與灌水入滲時間t進行擬合，其冪函數關系如表2，水平擴散半徑及垂直入滲距離其決定系數(R2)均在0.993以上?？筛鶕笖岛瘮店P系式推測出在一定灌水歷時下，水分在水平和垂直方向上的運移距離，這為不同徑級棗樹精細灌水制度提供理論基礎。

2.2 濕潤鋒平均運移速率分析

2.3 滴頭流量對濕潤體含水率的影響

用繪圖軟件SURFER8.0對灌溉過程中各個ECH2O水分探頭實測的體積含水率進行繪圖(圖6)，繪制出灌水時間為8h時，滴頭流量分別為4、8、12、16、20L/h的等值線圖。對比5幅不同的含水率等值線圖，可以得出在滴頭下方以及剖面上的含水率變化趨勢和規律。

圖4 灌溉歷時8 h濕潤鋒平均運移速率Fig.4 Average migration rate of wetting front

滴頭流量(L/h) Dripperdischarge水平運移速率Horizontalmigrationrate垂直運移速率Verticalmigrationrate公式R2公式R24x=2．472t-0．4360．996z=1．723t-0．4270．9938x=2．166t-0．3800．983z=1．653t-0．3560．99212x=2．410t-0．3670．992z=1．855t-0．3580．97916x=2．262t-0．3400．983z=2．461t-0．3940．99120x=3．331t-0．3720．985z=2．534t-0．3690．984

注：平均運移速率單位:cm/min，對應入滲時間t單位:min。

Note:The unit of average migration rate is 'cm/min' and that of time is minute.

圖5 灌水歷時為8 h時不同滴頭流量含水率變化Fig.5 The of soil water content in wetted soil under different dripper discharge in 8 hours

2.4 灌水結束后濕潤體含水率再分布

由圖6可知，當灌水結束后經過12 h水分再分布，當q=4L/h時，水分距離擴散到75 cm,比灌水結束時距離增加了15 cm,垂直距離擴散到78 cm, 比灌水結束時距離增加了28 cm；當q=20L/h時，水分距離擴散到150 cm,比灌水結束時距離增加了30 cm,垂直距離擴散到150 cm, 比灌水結束時距離增加了10 cm；根據上述土壤質地的分布狀況，從中可以看出土壤質地不均勻是濕潤體在水分再分布過程中的關鍵因素。圖2與圖6對比可以看出，滴頭中心位置含水率等值線最密集，距離滴頭越遠等值線越稀疏；經過12 h水分再分布濕潤體分布范圍增大；中心含水率最大值有所下降。

圖6 灌水結束后12 h時不同滴頭流量水分含水率變化Fig.6 The soil water content in wetted soil under different dripper discharge after 12 h

3 小 結

(1)在相同的灌水歷時下，不同滴頭流量造成灌水總量不同，灌水量小的濕潤鋒水平距離大于垂直距離，灌水量大的濕潤鋒水平距離小于垂直距離。因此，隨著灌水時間的增加，濕潤鋒運移距離由水平擴散距離大于垂直入滲距離逐漸轉變成水平擴散距離小于垂直入滲距離。從濕潤體分布范圍可以看出水平擴散最大半徑深度≥20 cm，與前人研究較為符合[1]。

(2)對水平擴散半徑x(t)、垂直入滲距離z(t)與灌水入滲時間t進行擬合，其關系為指數函數，決定系數(R2)均在0.993以上，隨著灌水時間的增加，水平擴散半徑、垂直入滲距離也隨之增加，但幅度逐漸減??；利用冪函數Vx(t)=a1te，Vz(t)=c1tf對水平、垂直運移速率和時間進行擬合，R2均在0.979以上，灌水初期運移速率最大，隨著灌水時間的增加，水分運移速率逐漸減小。

(3)對比灌水結束時和灌水結束12 h后水分再分布情況，滴頭中心位置含水率等值線最密集，距離滴頭越遠等值線越稀疏；經過12 h水分再分布濕潤體分布范圍增大，中心含水率最大值有所下降，綜上分析可得濕潤體的分布范圍及特征值會受到灌水時間、滴頭流量大小、土壤質地均勻程度的影響。

本實驗是在自然條件下沙壤土空白地進行單點源滴灌實驗，灌水歷時8 h，得到水分的特征值及變化規律，再結合沙壤土中不同徑級棗樹根系分布狀況，為棗樹制定有效的灌溉措施以及合理的管理方式提供理論依據，但本研究只是砂壤土灌水歷時8 h的研究狀況，后期的不同土壤，不同灌水方式及歷時需要進一步的研究[16]。

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[16]張志剛, 李 宏. 地表滴管條件下滴頭流量對土壤水分入滲過程的影響[J]. 干旱地區農業研究，2014(7):32-40.

(責任編輯 陳 虹)

Infiltration and Redistribution of Water in Sandy Loam Soil under Drip Irrigation

LI Chang-cheng1, LI Hong2*, ZHANG Zhi-gang2, CHENG Ping2, LIU Bang1, HAN Ying-ying3, SUN Ming-sen1, DIAO Kai1

(1.Forestry and Horticulture College, Xinjiang Agricultural University, Xinjiang Urumqi 830052, China; 2.Xinjiang Academy of Forestry Sciences, Xinjiang Urumqi 830000, China; 3.Xinjiang Normal University,Xinjiang Urumqi 830054, China)

In this study, the infiltration and redistribution law characteristics of water in sandy loam soil were investigated to provide the basis for the rational and efficient water-saving irrigation of jujube. Based on jujube root distribution in the sandy loam, ECH2O soil moisture sensors and 48-channel automatic data loggers made by Decagon Company were set to obtain the characteristics value of wetting soil in the stage of irrigation and after irrigation. According to these characteristic values, the moist ratio, time of migration and migration rate in horizontal and vertical direction were compared, understood the changes of soil moisture content and draw wet body distribution range. The result showed that (i) In the early stage of irrigation, the water movement distance and velocity of the different emitter flow rate in the level direction were higher than that in the vertical direction. (ii) The wetted body redistribution water was greater than that of the end of the irrigation water, the water content rate of the end of the irrigation water was greater than that of the wetted body redistribution water in the same position. (iii)The water characteristic values and moist body distributions in sandy loam soil would provide the basis for the irrigation-saving water system of jujube.

Drip irrigation; Characteristic value of wetting soil; Moist ratio; Moisture content of soil

1001-4829(2016)09-2155-07

10.16213/j.cnki.scjas.2016.09.025

2015-09-15

國家林業公益性行業專項項目“新疆特色林果提質增效關鍵技術研究與示范”(201304701-2)

李長城(1969-)，男，新疆烏魯木齊人，研究生，專業：森林培育，E-mail: 1097263031@qq.com,*為通訊作者。

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