不同溝壟規格對土壤濕潤峰運移規律的影響

段紅騰，吳發啟,，向方昕，郝爽敬，湯曉迪

(1.西北農林科技大學水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；2.西北農林科技大學資源環境學院，陜西 楊凌 712100；3.西北農林科技大學園藝學院，陜西 楊凌 712100)

起壟微溝滴灌是一種結合滴灌優勢和溝壟種植特點于一體的新型高效節水灌溉技術[1],具有減少水分深層滲漏、避免水分蒸散損失、提高作物水分利用效率等特點[2-6],該項灌溉技術的推廣應用備受國內外學者關注[7]。滴灌屬于局部濕潤灌溉,而土壤濕潤體的形狀大小又決定作物的生長狀況[8]。因此,研究溝壟滴灌條件下土壤濕潤體的形狀大小、土壤水分運移規律,對制定合理規范的溝壟滴灌制度具有重要意義。目前眾多學者針對滴灌條件下土壤水分運移進行了系統研究,并取得一系列顯著成果[9-13]。Goldberg、王全九等[9,10]分別研究了滴灌條件下土壤水分入滲規律,結果表明濕潤體的基本形態受滴頭流量、灌溉量等灌溉參數的影響。岳海英等[11]模擬分析不同滴頭流量對濕潤體形態的影響特征,結果表明不同流量的濕潤體形態和灌水量之間均符合冪函數關系。鄭園萍等[12]通過室內土箱試驗模擬研究了多點源條件下砂壤土的水分運移特征,提出了在砂壤土滴灌系統中應選取大流量滴頭的結論。然而,土壤濕潤體的形狀不僅受灌水技術參數影響,也與溝壟規格密不可分。上述研究為溝壟滴灌的合理設計提供了參考價值,但大多集中于分析灌水技術參數對土壤水分運移的影響規律,溝壟規格等農藝耕作措施方面很少涉及。此外,溝壟滴灌技術的研究多應用于果樹、油菜花、玉米、馬鈴薯等[7,14],枸杞作為青海等內陸干旱地區重要經濟作物,其研究卻較為薄弱[15]。因此,本文以灰棕漠土為基礎,通過室內土箱模擬試驗,研究滴灌條件下不同溝壟形態對土壤濕潤峰運移規律的影響,以期為溝壟滴灌技術的合理設計提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試土壤與試驗裝置

試驗于西北農林科技大學資源環境學院水工實驗室開展進行。供試土壤選自田間枸杞種植地(青海省海西州德令哈市懷頭他拉鎮)0～40 cm耕層土壤。土壤類型為灰棕漠土,質地砂壤,其基本物理參數見表1。土樣經風干、磨細、均勻混合后過2 mm孔徑篩后以備試驗所需。將處理過篩后的土樣加水配置成設計初始含水量(2.15%)。按1.6 g/cm3干密度每5 cm裝入土箱,夯實且層間打毛。土體表層設計成梯形斷面壟溝規格,用薄膜覆蓋放置24 h,使土壤含水量均勻分配。

表1 土壤基本物理性質

試驗裝置主要由有機玻璃土箱及供水裝置構成(圖1)。土箱規格40 cm×20 cm×80 cm,其底部設置若干排氣孔,以防氣堵。采用馬氏瓶供水,通過調節馬氏瓶進氣口開度來控制滴頭流量的大小。將滴頭置于土箱1/4棱角處,以實際濕潤體的1/4作為研究對象。

1.2 試驗方法

試驗共設2個影響因素：溝底寬度、溝底坡度。其中溝底寬度3個水平,分別為7、11、15 cm(將田間溝壟形態的1/2作為研究對象,因此3種溝底寬度相當于14、22、30 cm的實際寬度)。溝底坡度設置為3個梯度,分別為30°、45°、60°。由于枸杞根系的主要分布范圍及水分活躍層大致位于距地表0～40 cm范圍內[15],因此選取40 cm土層深度作為試驗的計劃濕潤層。采用完全隨機試驗設計,共9組試驗,3次重復。

濕潤峰的繪畫采用先密后疏原則,灌水開始后每隔10 min用馬克筆在土箱外側描繪濕潤峰基本形態特征,待濕潤峰間距明顯變小,隔20 min描繪一次,之后間隔30 min進行記錄。以滴頭位置為原點,通過刻度尺測量不同時刻濕潤峰的位置坐標。由于選取40 cm土層深度作為計劃濕潤層,當垂直濕潤峰運移至35 cm處停止灌水,進行濕潤峰形狀大小的描繪,當濕潤峰垂直距離到達40 cm時試驗結束。為了防止水分蒸發損失,用塑料薄膜進行覆蓋處理。

采用Excel 2016、Origin 8.0、SPASS等軟件進行圖表處理及結果分析。

2 結果與分析

2.1 濕潤峰形態分析

圖2為不同溝底寬度、坡度條件下土壤濕潤峰的運移過程。h為入滲深度,L為水平運移距離,原點坐標為滴頭所在位置。由圖2知：對于不同溝底寬度、溝底坡度的溝壟滴灌而言,在整個灌水過程中,入滲濕潤峰形態均大致表現為1/4橢圓狀,且于表層土壤5 cm附近處發生變形回縮。滴灌開始階段,相同時間間隔內濕潤峰的水平運移距離明顯大于垂直入滲深度。這主要是由于灌水初期土壤含水量相對較低,基質勢在水分入滲過程中發揮主要作用。水平方向土壤孔隙較大,土壤水分在運移過程中所受阻力小擴散速度快。垂直方向土壤孔隙相對較小,水分在運移過程中所受阻力相對較大,擴散速度緩慢。隨著灌水的繼續進行,土壤含水量上升,基質勢減小,水分的入滲過程則由重力勢和基質勢共同支配作用,并且在水平方向,土壤水分運移受到土壟的阻礙作用。土壤水分垂直運移速度逐漸大于水平運移速度,最終出現濕潤峰豎直距離大于水平距離的現象。

根據累計入滲量及水量平衡原理計算可得表2。結合圖2及表2知：溝底寬度、溝底坡度對土壤水分的分布規律、濕潤體的形狀大小均產生不同程度的影響,且溝底坡度的影響程度相對較大。同一溝底坡度條件下,隨著溝底寬度的增加,水平濕潤峰的運移距離變大,垂直濕潤峰到達計劃濕潤層所需時間較長,灌水量增大,灌溉所形成的濕潤面積越大。以上試驗現象說明溝底寬度的增大有利于增大表層土壤的濕潤面積,該種溝壟措施更適合于蔬菜類等淺根系作物的溝壟灌溉。同一溝底寬度條件下,隨著溝底坡度的增加,水平濕潤峰的運移距離變小,垂直濕潤峰到達計劃濕潤層所需時間變短,灌水量減小,灌溉所形成的濕潤面積越小。因此,針對耐旱等深根系植物可以適當增加溝底坡度以達到縮小表層土壤的濕潤面積,促進水分向根系運移的目的。

圖2 不同溝底寬度、溝底坡度條件下濕潤峰運移過程

表2 不同處理下灌水量與灌水歷時

2.2 水平濕潤峰隨時間的變化規律

同一溝底坡度不同溝底寬度條件下水平濕潤峰隨時間的變化規律見圖3。不同溝底寬度、不同溝底坡度條件下水平濕潤距離和時間的擬合關系見表3。水平濕潤峰隨時間的變化規律滿足冪函數關系L=atb。

圖3 水平濕潤峰隨時間的變化規律

表3 水平濕潤峰擬合式及相關系數

從表3知：隨著溝底寬度和溝底坡度的變化冪函數指數b差異性較小,其平均值均為0.35。而冪函數系數a隨溝底寬度的增加而增加,隨溝底坡度的增加而減小。這表明水平濕潤峰運移距離受溝底寬度和坡度的影響。從圖3可以看出在灌水歷時相同時,溝底坡度越大,擬合曲線的斜率越小。同一溝底坡度條件下,溝底寬度越大,擬合曲線斜率越大,即水分水平擴散距離越大,相同時間間隔內水平運移距離越大。以上現象說明同一溝底坡度條件下,增大溝底寬度會增大土壤的濕潤面積。這是因為隨著溝底寬度的增加,灌水時間延長,水分在基質勢的作用下,持續向水平方向運移,而不受土壟的阻擋。當水分運移至溝底邊緣處,受溝底坡度的影響,坡度越大,水分側滲說受的阻力越強,抑制了水分在水平方向的運移。

2.3 垂直濕潤峰隨時間的變化規律

由表4知：垂直濕潤峰運移距離與灌水歷時之間存在冪函數關系。其中冪函數指數b隨溝底坡度和溝底寬度變化差異性不大。而冪函數系數a隨溝底寬度的增加而減小,隨溝底坡度的增加而增加。這表明垂直濕潤距離不僅受溝底寬度的影響,也與溝底坡度密切相關。

表4 垂直濕潤峰擬合式及相關系數

圖4給出不同溝底寬度、溝底坡度條件下垂直濕潤距離隨灌水時間的變化規律。由圖4知：同一溝底寬度條件下隨著溝底坡度的增加,曲線斜率增大,土壤水分垂直運移速度增大。說明增大溝底坡度有利于土壤水分在垂直方向上的運移；同一溝底坡度條件下,隨著溝底寬度的增加曲線斜率下降,水分垂直運移速度減小。說明增大溝底寬度抑制土壤水分的垂直運移。上述試驗現象的出現是由于增大溝底坡度,灌溉水分在水平方向的擴散阻力變大,而垂直方向上灌溉水在重力勢和基質勢的共同作用下運移速率得以提升。在同一溝底坡度條件下,溝底寬度增加,水分側滲距離增加,垂直運移相對受到抑制。

圖4 垂直濕潤峰隨時間的變化規律

3 討 論

在溝壟栽培種植模式下,確定合理規范的溝壟規格尤為重要。因此,根據目標作物根系分布的主要范圍,推斷出土壤濕潤體的最佳濕潤面積及深度,進而確定最適的溝壟規格。在灌水過程中作物不僅可以得到充分灌溉,而且可減少水分深層滲漏,有效提高作物產量,達到水資源高效利用的目的。

本文研究表明,溝底寬度和溝底坡度在一定程度上都會影響灌溉水在土壤中的運移分布。溝底寬度的增大有利于增大表層土壤的濕潤面積,該種溝壟措施更適合于蔬菜類等淺根系作物的溝壟灌溉。同一溝底寬度條件下,隨著溝底坡度的增加,水平濕潤峰的運移距離變小,垂直濕潤峰到達計劃濕潤層所需時間變短,促進水分向深根系運移。灌水形成的水平、垂直濕潤峰均與時間滿足冪函數關系,因此可以通過函數關系來預測一定灌水時間內土壤水分的運移距離。

本試驗假設土壤均質且各向同性,僅選取溝底寬度和坡度作為試驗要素,沒有考慮土壤其他物理性質對灌溉水在土壤中運移分布的影響。之后的研究應從Hydrus軟件出發,結合數學方法對土壤水分運移進行模擬研究。

4 結 論

利用室內土箱模擬試驗,對濕潤峰形態進行觀測,分析了溝底寬度、溝底坡度對土壤水分分布的影響,得出以下結論。

(1)溝底寬度是影響土壤濕潤體形狀大小的重要因素。同一溝底坡度條件下,溝底寬度越大,灌水到達計劃濕潤層時間越長,灌水量越大,形成的濕潤體體積會越大。

(2)溝底坡度影響著濕潤體形狀大小。同一溝底寬度條件下,溝底坡度越大,灌水到達計劃濕潤層時間越短,灌水量越小,形成的濕潤體體積越小。

(3)水平、垂直濕潤峰運移距離與時間均滿足冪函數關系。冪函數指數b與溝底寬度、溝底坡度無明顯函數關系。水平濕潤峰冪函數系數a隨溝底寬度增加而增加,隨溝底坡度增加而減??；垂直濕潤峰冪函數系數a隨溝底寬度增加而減小,隨溝底坡度增加而增加。