下襯阻水板寬度對地下滴灌土壤水分運移的影響

孫 浩 ，黃修橋 *，韓啟彪 ，李 浩 ，陳 震 ，孫秀路

（1.中國農業科學院 農田灌溉研究所，河南 新鄉 453002；2.河南省節水農業重點實驗室，河南 新鄉 453002）

0 引 言

地下滴灌可以直接將水和肥料施入到作物根區，具有地表無效蒸發小，水、肥利用率高，不影響耕作，地表雜草少等諸多優點[1]，已成為溫室蔬菜生產中一種重要的節水灌溉方式[2]。眾多研究表明，采用地下滴（滲）灌后，不僅節水效果明顯[3-4]，而且提高蔬菜產量[5]，改善蔬菜品質[6-7]；另外，棵間蒸發也大大下降，能有效控制室內空氣濕度，抑制作物病蟲害的發生[8]。但當地下滴灌灌水器埋深過大（超過30～40 cm）時，又面臨著作物生長初期水分難以保障及水、肥的深層滲漏等問題。因此，一些學者提出了通過工程措施[9-11]（即在地下滴灌管（帶）下方增設一層阻水材料）的配合來實現地下滴灌土壤水分供應，市場上也出現了相應的灌溉產品，如由中國農業大學研發的包膜地下滴灌帶[12]以及澳大利亞 IWT研發的KISSS[13]等。在灌水器下面加設阻水材料后，明顯改變了地下滴灌的濕潤模式，使得土壤水分向下運動減弱，而土壤濕潤峰縱向向上和側向運移距離增大[10]。但是，已有研究中關于阻水材料寬度的結果差別較大，有僅為6.5 cm[12]的，也有高達50～60 cm[9]的，而且前人研究時都僅僅采用了單一寬度，沒有明確阻水材料寬度對地下滴灌土壤水分運移的影響程度。因此，有必要開展該方面的研究，為灌溉設備企業進行產品生產提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

土槽試驗在中國農業科學院新鄉綜合試驗基地（新鄉縣七里營鎮，35°18′N，113°54′E）日光溫室內進行。供試土壤取自溫室內耕作層，為粉砂壤土（黏粒量（＜2 μm）6.32%，粉粒量（2～20 μm）47.39%，砂粒量（＞20 μm）46.29%，按國際制土壤分類），干體積質量為1.43 g/cm3，飽和含水率30.03%，田間持水率 22.56%（均為占干土質量百分比）。土樣經自然晾干后過2 mm篩，按1.43 g/cm3分層（單層10 cm）裝入規格為100 cm（長）×60 cm（寬）×90 cm（高）的玻璃土槽中，層間打毛，裝土50 cm深后，在橫向（長度方向）中線位置沿縱向（寬度方向）安裝阻水板及灌水器，阻水板長度58 cm，置于灌水器下方，而后再分層裝土30 cm。試驗裝置如圖1所示，其中，潛水泵流量1.5 m3/h，揚程18 m，通過回水閥門調整供水壓力為100 kPa左右；過濾器采用120目的網式過濾器；水表采用精度為0.1 L的干式冷水表；壓力表采用精度為0.1 kPa的數顯壓力表；灌水器采用美國雨鳥公司生產的壓力補償式內鑲貼片滴灌管，外徑16 mm，內徑13.6 mm，在40～100 kPa下的滴頭流量為2.32 L/h，滴灌管安裝長度為30 cm，含1個灌水器，受末端堵頭安裝限制，灌水器距槽壁6 cm。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of test equipment

1.2 試驗設計及方法

試驗中設計3個灌水量，分別為5、10 L和15 L（其中10 L由溫室蔬菜常用的滴灌灌水定額換算而來）。阻水材料采用PVC管切割而成的弧形板，弧口長度分別為7.8 cm（T1）和9.4 cm（T2），以不襯阻水板（CK）為對照，分別測定其在不同灌水量時的土壤濕潤鋒運移情況。入滲開始后，按照先密后疏的原則，定時（5、10、20、30、60、90、120 min、……）觀測土壤濕潤鋒擴展情況，同時在玻璃土槽外壁上定時描出不同時刻所對應的濕潤鋒形狀。土壤水分再分布24 h左右后，用土鉆取樣（各方向間距10 cm，阻水板下方的土層取土是在上層30 cm內土層取完土樣后整體挖出，移除阻水板后進行），并用烘干法測定土壤質量含水率。每個灌水量重復3次，采用平均值作為分析計算結果，利用Excel 2007進行數據分析及繪圖。

2 結果與分析

2.1 灌水量對地下滴灌土壤濕潤鋒運移的影響

灌水量是影響滴灌土壤濕潤范圍的重要因素之一，對地下滴灌同樣如此[14]。圖 2為 CK、T1（T2與之類似，不再列出）在灌水量分別為5、10、15 L時的土壤濕潤鋒運移過程圖（單側）。從圖2可以發現，每個處理任一時刻的土壤濕潤鋒形狀都近似于扁橢圓形，只是在徑長上有所差別。無阻水板條件下，隨著入滲水量的增加，土壤濕潤鋒水平方向和垂直方向（向上、向下）的運移距離都在增加，初期運移速度較快，但是隨著時間的進行，濕潤鋒水平方向運移的速度在逐漸地變緩，垂直向下方向的濕潤鋒運移速度要大于垂直向上方向。這是由于，在同一個條件下，控制土壤水分運動的土水勢主要是基質勢和重力勢。灌水初始階段，土壤較為干燥，以基質勢為主，且基質勢在各個方向基本相等，因此水就在各個方向上均勻流動（包括向上流動）。隨著入滲水量的增加，灌水器附件的土壤趨于飽和，基質勢基本為零，重力勢占據主導作用，從而使水分向下流動，故而圖2（a）、圖2（c）、圖2（e）中3個灌水量下灌水結束時的土壤濕潤鋒向下運移距離都比向上運移距離大。但是在有阻水板條件下，初始階段的水分只能向水平方向和上方擴散，只有當水分運移距離超過阻水板邊界后才會有向下的水分擴散。因此，T1處理（圖2（b）、圖 2（d）、圖 2（f））表現為各個時刻的土壤濕潤鋒水平運移距離和垂直向上運移距離都遠大于垂直向下運移距離。另外，還可發現，灌水量為5 L時，T1處理在灌水結束時的土壤濕潤鋒垂直向上運移距離比垂直向下運移距離多達7 cm，而灌水量為10 L和15 L時，灌水結束時的土壤濕潤鋒垂直向上運移距離與垂直向下運移距離之差僅為4 cm左右，說明灌水量較多時重力勢可以削弱阻水板對土壤水分運移的調控能力。這也可能與阻水板寬度較小有關，因為從圖2中可以看出，在土壤水分入滲開始后的5 min內，土壤水分運移距離已超出阻水板的控制范圍，使得重力勢早早發揮作用，其發揮作用時間隨灌水時間的延長而增大。

2.2 阻水板寬度對地下滴灌土壤水分運移距離的影響

在相同灌水量條件下，CK、T1、T2處理的土壤濕潤鋒運移距離（水平方向、垂直向上、垂直向下）與入滲時間的對應關系如圖3所示。灌水量為5 L時，下襯阻水板對土壤濕潤鋒水平方向運移距離影響不大，2種下襯阻水板處理在初始階段的土壤濕潤鋒水平運移距離僅比無阻水板處理略大，后期基本一致。但添加阻水板后，對土壤濕潤鋒垂向運移距離影響較大，2種下襯阻水板處理都增加了土壤濕潤鋒垂直向上運移距離，而減小了土壤濕潤鋒垂直向下運移距離，但總的土壤濕潤深度與無阻水板處理相比，差別基本在1 cm之內。這說明下襯阻水板后，改變了地下滴灌的土壤濕潤模式，使土壤濕潤體整體向上層遷移，但2種阻水板寬度處理之間的差別不甚明顯。灌水量為10 L和15 L時，2種下襯阻水板處理在初始階段的土壤濕潤鋒水平方向運移速度較快，運移距離接近無阻水板處理的2倍，但30 min后差距逐漸減小，到停止灌水時已基本無甚大的差別。而土壤濕潤鋒垂向運移情況與灌水量為5 L時類似，下襯阻水板后改變了土壤水分運移方向，使土壤濕潤層向上層遷移，使得該2種灌水量下的土壤都濕潤到了地表。

圖2 不同灌水量下的地下滴灌土壤濕潤鋒運移過程Fig.2 The migration process of soil wetting front in subsurface drip irrigation under different irrigation amounts

圖3 阻水板寬度對地下滴灌土壤濕潤鋒運移范圍的影響Fig.3 Effect of water-blocking plate width on the migration range of soil wetting front under subsurface drip irrigation

另外，通過對比各處理不同灌水量下的土壤濕潤鋒水平運移距離及垂向運移距離與入滲時間的關系，可知各處理的土壤濕潤鋒運移距離（水平方向、垂直向上、垂直向下）與入滲時間都呈很好的冪函數關系或對數函數關系，可用式（1）或式（2）表示，與前人研究結果[15-17]一致。

或

式中：D為土壤濕潤鋒運移距離（水平方向、垂直向上、垂直向下）（cm）；t為入滲時間，t>0（min）；α、β分別為入滲系數和入滲指數；A、B為擬合參數。

各處理不同灌水量條件下，土壤濕潤鋒運移距離（水平方向、垂直向上、垂直向下）與入滲時間用冪函數關系表示時的入滲系數和入滲指數如表1所示。各處理不同灌水量條件下，土壤濕潤鋒運移距離（水平向、垂向向上、垂向向下）與入滲時間用對數函數關系表示時的擬合參數如表2所示。

表1 地下滴灌土壤濕潤鋒運移距離與入滲時間的冪函數關系Table 1 The power function relationship between the migration distance of soil wetting front and infiltration time under subsurface drip irrigation

由表1、表2可知，在一定的灌水量和土壤條件下，地下滴灌土壤濕潤鋒運移距離與入滲時間呈現良好的數學關系，因此可以通過灌水時間來預測土壤濕潤鋒的運移距離。另外，通過對比表1、表2相關參數可以發現，土壤濕潤鋒水平運移距離與入滲時間用冪函數關系表達與用對數函數關系表達時的決定系數R2差別不大；土壤濕潤鋒垂直向上運移距離與入滲時間之間的對數函數關系優于冪函數關系，而土壤濕潤鋒垂直向下運移距離與入滲時間之間的關系用冪函數關系表達更佳。下襯阻水板后仍然呈現這種規律，但改變了函數關系的擬合參數，而且水平方向擬合參數的變化幅度要小于垂直方向。以對數函數關系為例，垂直向上方向的擬合參數A隨著下襯阻水板寬度的增大而增大，而垂直向下方向的擬合參數A隨著下襯阻水板寬度的增大有減小趨勢，也說明了下襯阻水板對地下滴灌土壤水分運移的影響趨勢，即使得土壤濕潤體整體向上層遷移。

2.3 阻水板寬度對地下滴灌土壤水分分布的影響

圖4為各處理在土壤水分再分布24 h左右后的灌水器位置垂直方向和水平方向的土壤含水率分布圖。垂直方向，從圖4（a）、圖4（b）、圖4（c）中可以發現，隨著下襯阻水板寬度的增大，淺層（0～10 cm土層）土壤含水率增大，而深層（50～60 cm土層）土壤含水率減小，說明下襯阻水板可以促進土壤水分向上層土壤運移，而且呈現出阻水板寬度越大，上層土壤含水率越高的趨勢。水平方向，在灌水量為5 L（圖4（d））時，下襯阻水板雖然未能明顯增大土壤濕潤鋒水平方向運移距離（圖3（a）），但卻增大了距灌水器20 cm處的土壤含水率；灌水量為10 L（圖4（e））時，下襯阻水板增大了灌水器位置水平方向的土壤含水率；而灌水量為15 L（圖4（f））時，由于下襯阻水板增大了土壤濕潤鋒水平運移距離（圖3（g）），使得距灌水器20 cm內的土壤含水率變化不明顯。總之，下襯阻水板可以調整土壤濕潤體內的土壤水分分布，使得土壤水分集中于灌水器附近及其上層土壤，將會更有利于保障作物水分供應。

表2 地下滴灌土壤濕潤鋒運移距離與入滲時間的對數函數關系Table 2 The logarithmic function relationship between the migration distance of soil wetting front and infiltration time under subsurface drip irrigation

圖4 阻水板寬度對地下滴灌土壤水分分布的影響Fig.4 Effect of water-blocking plate width on soil water distribution under subsurface drip irrigation

3 討論與結論

1）下襯阻水板對地下滴灌土壤濕潤鋒形狀沒有明顯影響，灌水任一時刻的地下滴灌土壤濕潤鋒仍近似于扁橢圓形，但卻改變了地下滴灌土壤濕潤模式。下襯阻水板對地下滴灌土壤濕潤鋒水平方向運移距離影響不大，但明顯增加了土壤濕潤鋒垂直向上運移距離，而減小了土壤濕潤鋒垂直向下運移距離，使得地下滴灌土壤濕潤體整體向上層遷移，阻水板越寬，土壤濕潤體向上層遷移的越明顯。

2）地下滴灌土壤濕潤鋒運移距離（水平方向、垂直向上、垂直向下）與入滲時間呈現良好的冪函數或對數函數關系。下襯阻水板后改變了函數關系的擬合參數，而且水平方向擬合參數的變化幅度要小于垂直方向。

3）下襯阻水板可以調整土壤濕潤體內的土壤水分分布，使得土壤水分集中于灌水器附近及其上層土壤，將會更有利于保障作物生長初期的水分供應。

文中僅采用了 2種下襯阻水板寬度對地下滴灌土壤水分運移的影響進行了初步探索，但已呈現出一種阻水板越寬、影響程度越大的趨勢。但是由于阻水板寬度略窄且差別過小，使得2種寬度處理間的差別不甚明顯，后期有必要增加阻水板寬度及處理間的差距進行進一步的試驗驗證。