玉米地下滴灌適宜的毛管鋪設參數及灌水定額研究

王榮蓮，莫 彥，任志宏，史吉剛，宋日權

(1.內蒙古農業大學職業技術學院，包頭 014109；2.內蒙古自治區水利科學研究院，呼和浩特 010051； 3.中國水利水電科學研究院水利研究所，北京 100048)

0 引 言

地下滴灌一般將毛管埋設于土壤耕作層以下，可以將水和養分直接輸送到作物根區附近[1,2]，相比膜下滴灌，具有更加明顯的減少棵間土壤蒸發及節水增產等優勢[3-8]。地下滴灌不需每年更換滴灌帶[9]，也不需覆膜，避免了膜灼傷滴灌帶[10]，同時也避免了膜殘留造成白色污染[11]。此外，地下滴灌能夠顯著促進作物根系生長[12]。就國內地下滴灌技術的應用現狀而言，其鋪設參數(毛管流量、布置間距等)及灌溉制度大多依然主要借鑒地表滴灌。由于地下滴灌的毛管是埋設在土壤中，其滴頭出水流量與土壤質地類型關系密切，土壤水分運移規律與地面滴灌差異較大[13-15]，故研究適宜的地下滴灌毛管鋪設參數，制定與作物匹配的合理灌水定額至關重要。

Devitt、Lamm和Camp等[16-18]研究認為，毛管埋深需與土壤理化性質、作物根系分布和田間耕作要求等相適應。此外，當使用地下滴灌系統在萌芽期給作物種子供水時，若毛管埋深太大，水分難以上升到種子埋設位置，作物出苗會受抑制[19-21]，也不利于作物生長初期根系較淺時對水肥的吸收和利用；但若毛管埋深太淺，則會影響秋收和春耕時的機械作業。De Tar等[22]通過試驗表明：地下滴灌系統如需多年使用并每年耕作，則毛管埋深宜為20～70 cm。諸葛玉平[23]等認為，地下滴灌適宜的毛管埋深應該是在充分濕潤計劃濕潤層的同時盡可能減少土壤水分深層滲漏。毛管鋪設間距除了與作物種類、種植株行距、土壤類型、氣候條件等有關外[24，25]，還與毛管埋深、滴灌帶類型和滴頭流量有關[26]。在沙質土中，毛管間距宜小些，在黏質土中，毛管間距宜大些。另外，滴頭流量較大時，毛管間距可稍大，滴頭流量較低時，毛管間距應稍小[23]。Ben-Asher[27]等用土壤水分運動模型確定地下滴灌的毛管埋深和間距，但對實際運用的土壤是否適用需要經過試驗驗證。李英能等[28]對地下滴灌毛管的間距進行研究，提出了均質壤土中計算毛管鋪設間距的經驗公式：B=2mH+D，其中B為毛管間距；H為灌水終止時管頂以上土壤水分擴散距離;m為水平與垂直向上擴散距離比;D為毛管直徑。地下滴灌玉米的毛管鋪設參數與多種因素有關，目前的研究成果尚不完善和統一。本研究利用不同土壤質地的土壤，研究了地下滴灌滴頭流量、毛管埋深和灌水定額對濕潤半徑的影響規律，并結合內蒙古中部地區玉米常見的種植行距和滴灌帶鋪設間距之間的關系，確定了玉米不同土壤質地類型下適宜的毛管埋深、灌水定額及相應的毛管鋪設間距，相關結論可為同類型地區地下滴灌技術的應用推廣提供參考與借鑒。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2016年在內蒙古呼和浩特市東郊園藝科技試驗中心的日光溫室內進行。試驗毛管選用目前國內外常用的3種類型毛管：內鑲貼片式、單翼迷宮式以及內鑲圓柱式，在額定工作壓力0.1 MPa條件下，3種毛管額定流量分別為1.53、2.57及3.62 L/h，毛管壁厚分別為0.3、0.2及0.6 mm，滴頭間距均為30 cm。3種質地的試驗土樣分別采自內蒙古自治區具有代表性的東部赤峰市松山區，中部呼和浩特市后桃花村，以及西部巴彥淖爾市磴口縣。試驗前，先對土壤容重、顆粒組成、田間持水量等項目進行取樣測試，用環刀取0～20、20～40、40～60、60～80 cm原狀土，用烘干法測試各層容重；取0～40 cm土壤用篩分法測試土壤顆粒組成，確定土壤質地；用環刀法測試0～20、20～40、40～60、60～80 cm土壤田間持水量及初始含水率。土壤顆粒組成見表1，容重、田間持水量(體積含水量)和初始土壤含水率(體積含水率)見表2。

表1 0～40 cm土壤顆粒組成Tab.1 Composition of soil particles from 0 to 40 cm

表2 土壤容重、田間持水量和初始土壤含水率Tab.2 Soil bulk density, field capacity and initial soil moisture content

根據國際制土壤質地分級標準，采自赤峰市的土壤為黏壤土，呼和浩特市土壤為壤土，巴彥淖爾市土壤為沙壤土。

1.2 試驗裝置及試驗設計

1.2.1 試驗裝置

試驗裝置由供水水箱、水泵、輸水管、土箱、毛管、壓力表、浮子流量計、閥門、回水管、回水水箱及TDR土壤水分測試儀等構成(見圖1)。試驗土箱長、寬、高分別為110、100以及90 cm，每個土箱內沿長邊方向按設計埋深鋪設毛管1條，共3個

圖1 試驗裝置結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the test device structure 注：1-水泵；2-供水水箱；3-回水水箱；4-回水管；5、6-閥門；7-壓力表；8-流量計；9-毛管；10-土箱；11-土壤；12-供水管道。

滴頭，毛管與一側箱壁距離25 cm，與另一側距離75 cm，首末2個滴頭與箱壁的間距也為25 cm(見圖2)。在供水和回水水箱的箱體上有水位刻度標記，用于監測和校核灌水流量。此外，水泵配置的電位調速器可快速、精準地調節灌水壓力。

圖2 土箱試驗布置縱剖面(單位：cm)Fig. 2 Longitudinal section of the earthen box test arrangement

1.2.2 試驗設計

試驗設置滴頭埋深、土壤質地、滴頭額定流量和灌水定額4個因素，其中滴頭埋深設15、25和40 cm 3個水平，土壤質地為黏壤土、沙壤土以及壤土3個水平，滴頭流量設置1.53、2.57和3.62 L/h 3個水平，灌水定額設22.5、37.5、52.5 mm 3個水平。采用4因素3水平正交試驗L9(34)設計方案，共設置9個試驗處理，各處理的實施內容詳見表3，設置3次重復。

表3 試驗處理Tab.3 Test schedule

1.2.3 試驗布置及觀測指標

每個處理的每次重復都單獨設置土箱。將土壤過1 mm篩后，按照表2的田間實測值，每隔5 cm分層夯實制作土樣，層間刨毛，到毛管設計埋深處，穿孔安裝毛管。為了防止滴頭堵塞，除單翼迷宮式滴灌帶外，其他毛管滴頭出水口都向上放置，在毛管尾部設置有小球閥用于排氣。

試驗開始打開水泵時，需打開毛管尾部的小球閥，排除管道內空氣后將小球閥關閉，通過調節水泵電位調速器及回水管閥門，使壓力表讀數穩定在設計壓力值0.10 MPa。

在灌水過程中，通過供水水箱的水位變化以及校核標定后的浮子流量計讀數來同時監測灌水流量的變化，每隔15 min記錄一次數據。試驗過程中每隔15 min在分別距離毛管水平向15、30、45、60 cm(其中15 cm包括距離毛管左右兩側15 cm)，垂直深5、15、25、40、60及80 cm處插入校核好的TDR土壤水分測試儀探頭，記錄各測試點土壤含水量，通過含水量的變化監測土壤濕潤鋒運移的位置變化。當水分濕潤到玻璃箱壁后，每隔15 min在箱壁上繪制土壤濕潤鋒曲線，并測量滴頭周圍各方向濕潤半徑。灌水結束后，記錄入滲穩定后每滴頭周圍各方向濕潤半徑。

1.3 數據分析

使用Office 2010進行試驗數據處理與分析，并用SPSS 24軟件進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 正交試驗結果分析

以入滲穩定后每滴頭周圍各方向最大濕潤半徑平均值(取每條毛管3個滴頭在距離滴頭向上、向下、向左和向右4個方向最大濕潤半徑的平均值)作為正交試驗結果進行方差分析，詳見表4和表5。

表4 方差分析Tab.4 Analysis of variance

由表4和圖3可知，按顯著性水平α=0.05檢驗，灌水定額及土壤質地均對濕潤半徑有顯著影響，其不同水平下各向平均濕潤半徑差異顯著，其中灌水定額對濕潤半徑的影響為極顯著，滴頭埋深及滴頭流量對濕潤半徑影響不顯著。分析認為灌水定額直接決定每次灌水量和持續灌水時間，對濕潤半徑影響很大；土壤質地決定水分擴散的難易，對濕潤半徑影響也較大；而埋深在一定范圍內，對滴灌帶的出流情況影響不是很大，故對水分擴散和濕潤半徑影響也不太明顯；在灌水總量一定情況下，滴頭流量對濕潤半徑的影響也不顯著。

由表5可知，按照極差由大到小的順序分析，4個因素對濕潤半徑影響的程度由主到次依次為灌水定額、土壤質地、滴頭流量及滴頭埋深。

2.2 玉米地下滴灌適宜鋪設參數分析

2.2.1 適宜毛管埋深

地下滴灌毛管埋深必須與土壤條件、作物根系深度、田間耕作深度等相適應。玉米耕地深度一般為20 cm左右，播種深度一般為5～9 cm，為避免耕地時破壞毛管，需將毛管埋到耕層以下，且盡量能灌溉到主根區。本試驗埋深先選擇25～40 cm，通過分析不同處理對應的濕潤半徑及根系生長范圍，驗證此埋深是否合適。

表5 直觀分析結果Tab.5 Visual analysis results

圖3 不同處理對各向平均濕潤半徑的影響Fig.3 Effect of different treatments on average wetting radius in all directions 注：不同字母表示0.05水平下差異顯著。

玉米主根系范圍一般為5～60 cm，毛管埋深25～40 cm。由表5可知，在3種土壤中，各向平均濕潤半徑為28～48 cm，向上最大濕潤半徑為21～28 cm，向下最大濕潤半徑為30～50 cm，分析得出埋深25 cm左右時水分分布基本在玉米的主要根系區，而埋深達到40 cm時，水分向下分布較多，超出了主根系所在范圍，一定程度上易產生深層滲漏。同時綜合考慮在保證毛管不被耕作機械破壞的情況下，玉米地下滴灌毛管的適宜埋深取25～35 cm。

2.2.2 適宜毛管鋪設間距與灌水定額

由表4、表5可知，埋深和滴頭流量對濕潤半徑影響不顯著，故可忽略次要因素，只研究主要因素灌水定額和土壤質地對毛管鋪設間距的影響。

通過對比表5中每一因素水平的均值得出，灌水定額為22.5～37.5 mm時，各向平均濕潤半徑20～38 cm，向上最大濕潤半徑15～27 cm，向下最大濕潤半徑25～46 cm；而灌水定額為52.5 mm時，各向平均濕潤半徑41～48 cm，向上最大濕潤半徑15～28 cm，向下最大濕潤半徑45～50 cm；各向平均濕潤半徑最大同比提高了26%。鑒于毛管埋深在25～35 cm，單次灌水后，試驗過程中記錄水分濕潤最大深度達到地面以下85 cm，而玉米的主要根系多分布在5～50 cm內，在一定程度上易發生深層滲漏，存在降低作物水肥利用效率的風險。從這個角度而言，對于本項目研究中的滴灌帶和土壤類型而言，單次灌水52.5 mm不適合作為玉米生育期地下滴灌適宜的灌水定額，故選擇灌水定額22.5 mm及37.5 mm用于分析玉米生育期的灌水定額。

進一步結合玉米種植的行距和滴灌帶鋪設之間的關系進行分析。玉米的種植方式為條播，采用地下滴灌系統灌溉時，一般按照寬窄行種植，窄行行距為40～50 cm，寬行行距為50～60 cm，每2窄行中間鋪設一條毛管，控制2行玉米(見圖4)。

圖4 玉米行距及毛管布置示意圖(單位：cm)Fig.4 Schematic diagram of planting row spacing and capillary arrangement of alfalfa

由表5可知，在黏壤土中，當灌水定額為22.5 mm時，向下最大濕潤半徑25 cm，按毛管埋深25～35 cm考慮，水分向下分布最深在50～60 cm土層，處于玉米主要根系范圍內，灌水定額合理；該處理各向平均濕潤半徑為20 cm，只能滿足玉米窄行行距為40 cm、寬行行距50～60 cm的情況，行距再增大就可能灌不到作物，故毛管的鋪設間距可布置為90～100 cm。當灌水定額為37.5 mm時，向下最大濕潤半徑45 cm，按毛管埋深25～35 cm考慮，水分向下分布最深在70～80 cm土層，超出了玉米主要根系范圍，易產生深層滲漏，黏壤土中不推薦此灌水定額。

在壤土中，當灌水定額為22.5 mm時，向下最大濕潤半徑30 cm，水分向下分布最深在地面以下55～65 cm，基本在玉米主要根系范圍內，灌水定額合理；該處理平均濕潤半徑為28 cm，可滿足窄行行距40～50 cm、寬行行距50～60 cm的情況，毛管的鋪設間距可布置為90～110 cm；當灌水定額為37.5 mm，向下最大濕潤半徑43 cm，水分向下分布最深在68～78 cm土層，超出了玉米主要根系范圍，易產生深層滲漏，故壤土中也不推薦此灌水定額。

在沙壤土中，當灌水定額為22.5 mm時，向下最大濕潤半徑35 cm，水分向下分布最深在60～70 cm土層，略超出了玉米主要根系范圍，故適宜灌水定額要比22.5 mm略小一些，根據灌水定額與水分分布之間的規律進行分析，推薦灌水定額為15.0～22.5 mm；該處理平均濕潤半徑31 cm，可滿足窄行行距40～50 cm、寬行行距50～60 cm的情況，毛管的鋪設間距為90～110 cm，考慮推薦灌水定額比22.5 mm略小一些，故相應的毛管間距也要略小一些，分析認為取以上的最小間距90 cm較適宜；當灌水定額為37.5 mm，向下最大濕潤半徑46 cm，水分向下分布最深在地面以下71～81 cm，超出了玉米主要根系范圍，易產生深層滲漏，故沙壤土也不推薦此灌水定額。

綜上，由于玉米地下滴灌的毛管埋深相對較大，為盡量避免深層滲漏，宜采用少量多次的灌溉方式，土壤沙性越大，適宜灌水定額越小，毛管鋪設間距也越小；對黏壤土和壤土而言，相同的灌水定額下，壤土的毛管鋪設間距可比黏壤土略大一些。

3 主要結論

基于室內土箱試驗，研究不同土壤條件下毛管鋪設參數和灌水定額對地下滴灌濕潤半徑的影響規律，同時結合內蒙古中部地區玉米常見種植行距，分析了玉米在不同土壤條件下適宜的毛管鋪設參數和灌水定額，得到如下主要結論。

(1)按顯著性水平0.05檢驗，灌水定額對濕潤半徑呈現極顯著影響，土壤質地對濕潤半徑有顯著影響，埋深及滴頭流量對濕潤半徑影響不顯著。

(2)玉米地下滴灌宜采用少量多次的灌溉方式，對黏壤土和壤土而言，相同的灌水定額下，壤土的毛管間距可比黏壤土略大一些。玉米適宜的毛管埋深為25～35 cm；黏壤土適宜灌水定額為22.5 mm左右，毛管鋪設間距為90～100 cm；壤土適宜灌水定額22.5 mm左右，毛管鋪設間距為90～110 cm；沙壤土適宜灌水定額15.0～22.5 mm，毛管鋪設間距為90 cm左右。沙壤土較黏壤土和壤土的適宜灌水定額和毛管鋪設間距都有偏小的趨勢。

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