黑鈣土不同土層在兩種材質負壓滲水器下的吸滲特性①

丁亞會，龍懷玉*，王 鵬，蔣雨州，方珍娟

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黑鈣土不同土層在兩種材質負壓滲水器下的吸滲特性①

丁亞會1，龍懷玉1*，王 鵬2，蔣雨州2，方珍娟3

(1 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081； 2 黑龍江八一農墾大學，黑龍江大慶 163319；3長江大學生命科學院，湖北荊州 434025)

基于–5 kPa負壓灌水條件下的一維垂直水分吸滲試驗，分析了陶土和聚乙烯醇縮甲醛泡沫塑料(PVFM)兩種材質負壓滲水器在黑鈣土A、B層的滲水性能，測定累計吸滲量、吸滲率、濕潤峰及土壤含水率等指標，并利用它們考察了Kostiakov，Horton、Philip 3種常用的土壤水分吸滲模型及垂直一維非飽和土壤水分運動代數模式描述負壓吸滲過程的適用性，進一步比較了不同處理下的模型參數。結果表明：①–5 kPa灌水條件下，PVFM滲水器和陶土滲水器的累計吸滲量沒有明顯差異，前者能有效替代后者作為負壓滲水器；②黑鈣土B層土壤水分吸滲特性比A層差，同時間內累計吸滲量較少，吸滲率降低速度更快；③短時間負壓灌溉條件下，不同土層的累計吸滲量與濕潤峰、吸滲率與濕潤峰倒數、濕潤峰平方與時間均存在明顯的線性關系；④負壓灌溉后距離滲水器上下各15 cm范圍內，土壤含水率維持于20% ~ 33% 范圍內，變異系數均在10% 左右；⑤擬合結果表明，Kostiakov與Philip模型能很好地描述–5 kPa負壓灌溉下不同處理的水分吸滲特性，而Horton模型描述黑鈣土A、B層較長時間的吸滲效果較差。

土壤層次；滲水器；負壓灌溉；滲水性能；吸滲模型

入滲是指水分進入土壤的過程，是田間水循環中降水與灌水轉化為土壤水分的重要環節，水分吸滲特性直接影響灌溉效率和灌溉質量。目前，水分入滲的相關研究多是基于農業生產和應用中的常規灌溉方式如微、噴、滴灌等正水頭或零水頭供水，而這會導致部分土體水分飽和、干濕交替、旱澇脅迫等不良后果。相比而言，負壓灌溉使水分在土壤中呈非飽和態運動，是在基質勢驅動下的水分運動，其入滲運動是一種吸滲運動，土壤內部水氣條件更為協調，具有大幅度提高作物生產力的潛力[1]。因此，研究負壓灌水條件下的土壤水分吸滲特性具有十分重要的意義。

對于負壓灌水條件下的土壤水分吸滲特性已有一些相關的研究報道。范軍亮和張富倉[2]在3種土壤上進行不同負水頭的土壤水分吸滲試驗，并基于Brooks-Corey 模型，結合非飽和土壤動力學方程，推導分析了各吸滲參數間的理論關系，驗證了Philip 入滲公式在負水頭條件下的適用性；梁錦陶等[3]通過室內模擬試驗研究了黏壤土與砂土和供水水頭對負壓灌溉濕潤峰動態變化和累計吸滲量的影響；辛琛等[4]基于黃綿土、紅膠土與黑壚土的一維水平吸滲試驗，并根據Brooks-Corey 模型推求了描述負水頭條件下土壤吸滲公式，并分析了各參量間的函數關系；上官玉鐸等[5]對比分析了不同負水頭高度下的土壤吸滲規律，并采用 3 種吸滲模型分析了吸滲特點。但是，以上研究所采用的土壤均采自剖面上的某個層次或者不同層次的混合土壤，缺乏對土壤剖面不同層次吸滲特性的深入研究；而實際田間的吸滲往往是在具有明顯層次的剖面上發生的，因而研究同一土壤不同層次間(尤其以根系分布較多的A、B土層更為重要)的吸滲特性對指導實際農田灌水具有更大價值。

負壓滲水器是連接負壓灌溉系統與土壤的媒介，也是決定負壓灌水連續性和均勻性的重要因素，尋找性能優良的負壓滲水器是研究與推廣負壓灌溉的重要環節。目前，試驗中常用的滲水器多為陶土頭與陶瓷盤[6-9]，但存在著韌性脆、易堵塞、重復使用率低等諸多問題。江培福等[10]曾使用纖維滲水器與陶土滲水器進行對比研究，但僅處于理論和實驗室研究階段；此后，叢萍等[11]研制出新型負壓滲水器材料——出新型負滲水器，大大降低了滲水器制作成本。

綜合考慮土層變化的吸滲差異性及滲水器因素，本研究擬定采用PVFM滲水器與傳統陶土滲水器，基于黑鈣土A、B層的土壤水分一維垂直吸滲試驗，測定累計吸滲量、吸滲率、濕潤峰及土壤含水率等指標，以此對比分析兩種材質滲水器在不同土壤層次的一維垂直吸滲特性，并基于這些指標分析常用的Kostiakov、Horton、Philip入滲模型和土壤水分運動代數模式評價在負壓吸滲運動上的適用性，以期進一步驗證負壓灌溉可行性和負壓滲水器的可選性，為深入了解不同土壤層次的吸滲特性變化過程，發展基于負壓灌溉的土壤水力參數和指導農田灌水提供一定的參考和依據。

1 材料與方法

1.1 供試負壓滲水器

陶土頭滲水器：由江蘇宜興工業陶瓷廠提供；PVFM滲水器：參照叢萍《聚乙烯醇縮甲醛負壓滲水材料的制備及可行性分析》[11]。兩種滲水器規格及發泡點如表1所示。

表1 不同材質滲水器的規格及發泡點

1.2 供試土壤

供試土壤取自黑龍江省大慶市肇州縣的黑鈣土A層和B層，土壤顆粒組成如表2所示，根據美國農業部土壤質地分類標準，供試土壤為壤質砂土。試驗前將土樣分別經碾壓、粉碎、風干、過篩(2 mm)，備用。烘干法測得A、B層風干土樣含水率分別為2.8% 和2.6%。試驗時將黑鈣土A、B層分別按照實際土壤體積質量(容重)1.17 g/cm3和1.34 g/cm3均勻裝入土柱內。

表2 供試土壤的基本物理性質

注：土壤質地按照美國農業部制分類。

1.3 試驗方案

如圖1所示，試驗設計采用高50 cm、寬30 cm、厚3 cm的有機玻璃土箱，以PVC塑料管將兩種材質滲水器與作為負壓水源的馬氏瓶(標有刻度、直徑10 cm)連接，裝置連接完畢后檢查其密封性。試驗包括滲水器、土壤等兩個因素，滲水器分為陶土滲水器和PVFM滲水器，土壤因素包括黑鈣土A層、黑鈣土B層，采用完全試驗設計，共4個處理。試驗時，將滲水器放入土箱中與土壤表面平齊，迅速填好土并開始計時，觀測內容包括累計吸滲量、吸滲率、濕潤峰運移和土壤含水率等參數。采用Microsoft Excel、Get Data、SAS8.0等軟件進行數據采集、整理及統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同滲水器下黑鈣土的累計吸滲量與吸滲率

不同滲水器下，黑鈣土累積吸滲量與吸滲率隨時間的變化過程如圖2所示。由圖2A可以看出，累計吸滲量曲線在不同土層之間差異明顯，黑鈣土A層的累計吸滲量明顯大于B層，而在不同滲水器之間差異不大。當使用陶土滲水器對黑鈣土A層灌水時，3 300 min的累積吸滲量為7.6 ml，而B層為5.2 ml，A層比B層高出46.2%；用PVFM滲水器，相同時間內(3 300 min)黑鈣土A層累計吸滲量為7.5 ml，而B層為4.9 ml，A層比B層高出53.1%。這表明其他因素相同時，土壤層次對負壓灌溉累計吸滲量有明顯的影響。從累計吸滲量的變化趨勢來看，黑鈣土A層的累計吸滲量曲線的斜率在試驗時段內呈緩慢遞減趨勢，而B層在吸滲過程開始后不久，累計吸滲量曲線的斜率基本不變，說明黑鈣土B層較A層能較早地達到穩定吸滲階段，反映在2B圖中尤為明顯，這可能是由于黑鈣土B層黏、粉粒含量較多、體積質量較大，相同負水頭條件下的土壤水分吸滲特性變差所致。由圖2b可以看出，–5 kPa灌水條件下兩種材質滲水器所達到的穩定吸滲率相差不大，黑鈣土A層的平均穩定吸滲率為0.001 4 cm/min，B層略低為0.001 1 cm/min。

2.2 不同滲水器下黑鈣土各吸滲參數的相互關系

負壓灌溉過程中，水分通過滲水器滲入至周圍土壤，在基質勢和重力勢的作用下，向垂直和水平方向運動，逐漸潤濕土壤并形成濕潤峰。王全九等[13]曾利用垂直一維非飽和土壤水分運動的Darcy定理結合Parlange假定[14]和Brooks-Corey[15]模式分析了田間土壤水分運動特征，提出了一種預測預報土壤水分特征的新方法，具體形式為：

(2)

(3)

式中：為吸滲率，為累計吸滲量，z為濕潤峰深度，θθθ分別表示飽和含水率、殘留含水率和初始含水率；k為土壤表征飽和導水率，主要取決于土壤封閉空氣對吸滲的影響程度；定義為土壤水分特征曲線和非飽和導水率綜合形狀系數式，定義為非飽和土壤吸力分配系數(1/cm)。

1) 累計吸滲量和濕潤峰關系。從推導的濕潤峰與累計吸滲量之間的理論關系式(2)可知，理論上累計吸滲量和濕潤峰z之間呈線性關系。從圖3中可以看出，兩種材質滲水器在不同土層的濕潤峰和累計吸滲量之間均為顯著的線性關系，決定系數均在0.97以上。結合表3分析，相同累計吸滲量下，黑鈣土A層中PVFM滲水器濕潤峰運移距離略小于陶土滲水器，而B層兩滲水器濕潤峰運移無明顯差別。比較不同土層濕潤峰運移狀況，發現相同累計吸滲量下黑鈣土B層的濕潤峰運移距離明顯大于A層，說明相同土水勢條件下A層土壤具有更高的非飽和土壤含水率。

2) 吸滲率與濕潤峰倒數的關系。由推導的濕潤峰與吸滲率之間的理論關系式(1)可知，吸滲率和濕潤峰z倒數之間呈線性關系。從圖4可以看出，4個處理下吸滲率和濕潤峰倒數均呈現出顯著的線性關系，決定系數2在0.945 ~ 0.985。

3) 吸滲時間與濕潤峰平方的關系。從Boltzmann表征的水分吸滲模型z2=2(為Boltzmann變量)式中可以看出，濕潤峰的平方z2與吸滲時間呈線性關系，從圖5可以看出兩者表現為顯著的線性關系，其擬合決定系數均超過了0.977。進一步比較發現，相同土層內兩種滲水器的值有明顯差異，且陶土滲水器大于PVFM滲水器，說明一定時間內，使用陶土滲水器時濕潤峰運移快于使用PVFM滲水器；比較相同滲水器不同土層的值，顯示兩種滲水器A層值均大于B層，表明一定時間內，相同滲水器進行負壓灌溉時A層濕潤峰運移要大于B層。

綜上可以看出，累計吸滲量、吸滲率、濕潤峰及吸滲時間存在著較好的線性關系，這與前人的研究結果相同[16-17]。由于初始含水率較低，故取滯留含水率等于初始含水率，即θ=θ；則累計吸滲量與濕潤峰擬合關系為：

化簡為，=kz(5)

根據式(5)對試驗數據進行直線擬合計算得到、值，根據式(1)計算值，由此得到了–5 kPa灌水條件兩種材質滲水器下黑鈣土A、B層的擬合參數如表3。可以看出，兩種材質滲水器在黑鈣土A層水分吸滲擬合的值差異較大，而B層擬合值差異較小，說明不同材質滲水器在黑鈣土A層擬合得到的土壤基質吸力與該吸力下導水率變化差異性較大；通過比較k值發現，使用陶土滲水器的土壤表征飽和導水率明顯小于PVFM滲水器，說明使用陶土作為負壓滲水器時，土壤封閉空氣對吸滲影響較小；進一步比較值，發現–5 kPa灌水條件下不同土層及不同滲水器間的土壤吸力分配系數均有較大差異。

表3 土壤累計吸滲量、吸滲率及濕潤峰擬合參數

注：為經驗系數，定義為土壤水分特征曲線和相應吸力下導水率的綜合形狀系數式，定義為非飽和土壤吸力分配系數， k為土壤表征飽和導水率，12、22分別為和的擬合系數。

2.3 不同滲水器下黑鈣土含水率分布狀況

灌溉后的土壤含水率分布狀況直接決定了灌水質量的優劣與否。常規灌溉與地下水補給方式下水勢梯度差異導致了不同深度土壤含水率差異：常規灌溉下隨土層深度的增加，土壤含水率減小，地下水補給方式則相反[18]，而負壓灌溉正是二者的有機結合。圖6顯示了負壓灌水后土壤含水率的分布狀況，從圖6中可以看出，在本試驗的終止時刻，在距離負壓滲水器上下各15 cm，土壤含水率維持在20% ~ 33% 范圍內，且兩種材質滲水器在不同土層的土壤含水率變化趨勢相同，表現為土壤含水率隨取樣點與負壓滲水器距離的增加呈現遞減趨勢，由此可保證作物根系有更大的土壤含水率，從而提高水分的吸收利用效率；同時由于重力勢作用，滲水器下方土壤含水率變化幅度要小于上方。相同土壤層次，使用陶土滲水器進行灌水后的土壤含水率大于使用PVFM滲水器，其中土壤含水率最大差值出現在滲水器上方10 cm處，A、B層分別為1.9% 和1.8%。而滲水器下方土壤含水率差值呈現遞增趨勢，至15 cm處已達到2.7% 和2.5%；比較同種材質滲水器發現，黑鈣土A層灌水后的土壤含水率大于B層同位置3% ~ 6%，這是由于黑鈣土A層體積質量較小，可儲存更多的土壤水分。土壤含水率變異系數能夠在一定程度上反映灌水均勻度，這是檢測和評判灌溉系統設計好壞的重要依據，也是進行系統管理的基礎，還可以作為診斷系統設施完好與否的重要參考[16]。灌水后采集7個取樣點的土壤(負壓滲水器和上下方距離滲水器5、10和15 cm處)測量含水率，發現A層+陶土、A層+PVFM、B層+陶土、B層+PVFM 4種處理的含水率變異系數分別為10.5%、11.0%、9.3% 和10.6%，說明負壓灌水后的土壤含水率變異系數相對較小，能有效控制滲水器濕潤體的灌水均勻性，進一步驗證了負壓節水灌溉技術的可行性。該結果是基于未施肥條件下的室內模擬土柱試驗得出的，而有研究指出長期施用有機肥會增加土壤水分含量波動性、砂層埋深對砂層土壤含水率分布有一定影響、氣溫與30 cm土層土壤含水率呈極顯著負相關等[17-18]，因此有關不同生境下負壓灌溉后的土壤含水率變化狀況還有待進一步研究。

2.4 不同滲水器下黑鈣土中3種入滲模型的適用性

Kostiakov[22]1932年在前蘇聯土壤上做了大量試驗后提出吸滲公式：

=γt(6)

=γt1(7)

式中：是從0到時段的累計吸滲量，γ和為吸滲經驗系數，可通過試驗數據擬合求得。Kostiakov模型由于形式簡單，計算方便，而應用比較廣泛。

Horton[23]1933年在大量土壤吸滲試驗基礎上建立起來的經驗吸滲模型，實用性較強，具體形式為：

吸滲率形式為：

(9)

式中：為累計吸滲量，i是=0時的初始吸滲率，i是穩定吸滲率，是描述吸滲率降低速率的一個參數。

Philip[24]于1957年應用數值方法求解一定邊界條件下均質多孔介質的吸滲問題解析了土壤水流的Richards方程，獲得了Philip模型的最終之解，一般形式為：

(11)

式中：是從0到時段的累計吸滲量，為土壤吸滲率(cm/min0.5)，為穩定吸滲率，可通過吸滲試驗測得。Philip模型有明確的物理意義，可由此推求土壤水分運動參數，便于建立其特征參數與土壤物理特征間參數，因而得以廣泛應用。

3種吸滲模型都是基于表面土壤飽和條件下推求出來的，在負壓灌水條件下是否同樣適用不得而知。利用式(6)和(10)對累計吸滲量隨時間變化過程的試驗資料進行處理，得到兩種吸滲模型的擬合參數列于表4中。結合圖2分析表明，利用Kostiakov與Philip吸滲模型對–5 kPa下土壤累計吸滲量與時間及時間平方根進行相關分析得到的決定系數2均在0.99以上，說明Kostiakov和Philip吸滲模型均可以很好地描述負壓灌水條件下的土壤水分吸滲過程。因此，此兩種模型可較好預測相應灌溉條件下的累計吸滲量、吸滲率等，并可由此作為灌溉的基礎參數。進一步分析表3可知，Philip模型中模擬黑鈣土A、B層的穩定吸滲率沒有明顯差異，而吸滲率表現為A層顯著大于B層，說明黑鈣土B層持水保水能力比A層強，而土壤水分吸滲能力較弱，到達穩定吸滲階段需要的時間相對較少，這與上面的分析結果一致。相同土層不同滲水器下PVFM滲水器吸滲率小于陶土滲水器，說明使用PVFM，毛管力對土壤中水分的吸收能力減弱[25]，分析原因可能PVFM孔隙結構對灌溉水的吸力大于陶土，從而導致土壤毛管吸力對水的吸滲效果減弱。

在Horton模型中是描述入滲率降低速率的一個參數，可以看出B層值明顯大于A層，即B層吸滲率降低速率大于A層，同樣說明黑鈣土B層能夠更短時間內達到穩定吸滲狀態，這與上述分析結果一致；分析同一土層、不同滲水器下的值發現，A層沒有顯著差異，而B層值差異顯著，表現為使用PVFM作為負壓滲水器的值明顯大于A層值，說明使用PVFM作為滲水器在黑鈣土B層能夠短時間內達到穩定吸滲狀態。結合圖7對比分析顯示，Horton入滲模型不能準確、完整描述負壓下土壤水分吸滲特性，可以看到Horton模型在預測黑鈣土A、B層吸滲時有較大差異，表現為A層最擬合優度高于B層；但兩種材質滲水器在黑鈣土A層不同吸滲時期擬合程度又有較大差異，表現為前期擬合較好，以陶土滲水器為例相對誤差達到了–5.5% 與–4.7%，而對于吸滲后期相對誤差較大，最高誤差達27.2%。綜上可知，Horton模型不能準確描述較長時間的負壓吸滲過程，這與前人研究結果一致[26]。

表4 3種吸滲模型的擬合參數

3 結論

1) –5 kPa灌水條件下，PVFM滲水器和陶土滲水器對黑鈣土的累計吸滲量沒有明顯差異，前者能有效替代后者作為負壓滲水器；黑鈣土B層土壤水分吸滲特性比A層差，同時間內累計吸滲量較少、吸滲率降低速度更快；兩種材質滲水器在不同土層的累計吸滲量與濕潤峰、吸滲率與濕潤峰倒數、濕潤峰平方與吸滲時間均存在明顯的線性關系；距離滲水器上下各15 cm范圍內，土壤含水率維持在20% ~ 33%，且變異系數均在10% 左右。

2) 擬合結果表明，Kostiakov與Philip吸滲模型能較好描述–5 kPa負壓灌溉下黑鈣土A、B土層的水分吸滲過程，而Horton模型描述黑鈣土A、B層較長時間的吸滲效果較差。

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Infiltration Characteristics of Two Kinds of Negatively Pressurized Infiltration Devices in Different Layers of Chernozem

DING Yahui1, LONG Huaiyu1*, WANG Peng2, JIANG Yuzhou2, FANG Zhenjuan3

(1 Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China;2 Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing, Heilongjiang 163319, China; 3 Collge of Life Science, Yangtze University, Jingzhou, Hubei 434025, China)

Based on the vertical one-dimensional infiltration under the condition of –5 kPa, the water permeability of pot clay and PVFM in Chernozem zone A and zone B were analyzed. And the infiltration capacity, infiltration rate, humid peak and soil moisture content were measured and used to test the applicability of Kostiakov model, Horton model, Philip model and algebraic method of vertical one-dimensional unsaturated soil water movement in evaluating negative pressure infiltration, and further compared the model parameters under different treatments. The results indicate: 1) PVFM can replace pot clay as negative pressure infiltration device due to no significant difference in their measured accumulated infiltration; 2) Chernozem zone B has worse infiltration characteristics, less cumulative infiltration capacity and faster infiltration rate decrease compared with zone A in the same time; 3) In short time negative pressure irrigation, significant linear correlation exist between infiltration capacity and humid peak, between infiltration rate and reciprocal humid peak, between humid peak squared and time; 4) When using negative pressure irrigation, soil moisture contents within 15 cm up and down from infiltration device keep within 20%—33% with a variation coefficient of about 10%; 5) Fitting calculation proves that Kostiakov model and Philip model describe better the infiltration characteristics, while Horton model describes poorly in later period.

Different soil layers; Infiltration devices; Negatively pressurized infiltration；Infiltration property; Infiltration model

10.13758/j.cnki.tr.2017.04.024

S152.7

A

國家高技術研究發展計劃項目(2013AA102901)資助。

(hylong@caas.ac.cn)

丁亞會(1990—)，男，山東濟寧人，碩士研究生，主要從事農業節水技術研究。E-mail: dingyahui00@163.com