可雙向鉆土自升降噴灌對土壤墑情的影響研究

王文冬　王利軍　高曉薇　武少偉

摘 要：以土壤墑情的時空變化規律為試驗對象，將一種可雙向鉆土式自升降噴灌裝置在延慶生態試驗基地露天植物種植區內進行實際應用，并對該裝置應用前后的土壤進行分層取樣以及含水量監測分析，結果表明：①該裝置能夠將土壤體積含水量、質量含水量、相對含水量3個指標分別由裝置實施前的均不足15%、11%、50%提高到31%、22%、103%以上，有效解決了作物生長階段經常出現的土壤水分供應不足問題;②該裝置顯著提高了淺層土壤的含水量，能夠最大限度滿足作物生長對水分的需求;③該裝置具有顯著的節水效果，灌溉用水量從3 150 m3/hm2減少到2 800 m3/hm2。

關鍵詞：可雙向鉆土式;自升降噴灌裝置;土壤墑情;時空變化;節水效果

中圖分類號：X703.1?? 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.03.032

Study on the Influence of the Two-Way Earth-Boring Self-Lifting Sprinkler Irrigation

Device on the Changes of Soil Moisture in Time and Space

WANG Wendong， WANG Lijun， GAO Xiaowei， WU Shaowei

（Beijing Institute of Water， Beijing 100048）

Abstract：Taking the temporal and spatial variation of soil moisture as the test object， this study applied the two-way earth-boring self-lifting sprinkler irrigation technology into Yanqing Ecological Test Base. Whats more， the stratified sampling and water content monitoring analysis of the base soil before and after the application of the device were carried out. The main conclusions show that： a） the device can increase the volumetric water content， mass water content and relative water content of the base from less than 15%， 11% and 50% before the implementation of the device to more than 31%， 22% and 103%， effectively solving the problem of insufficient soil water supply in crop growth stage; b） the device significantly increases the water content of shallow soils and maximizes the metabolic requirements of crop growth for water and; c） the device has a significant water-saving effect and the water used for irrigation has been controlled to 2，800 m3/hm2 from 3，150 m3/hm2.

Key words： two-way earth-boring; self-lifting sprinkler Irrigation device; soil moisture; temporal and spatial variation; water-saving effect

1 引 言

我國水資源的人均占有量為2 240 m3，僅為世界人均占有量的1/4，屬于世界上最缺水的13個國家之一。然而，在資源性缺水問題嚴重的同時，我國又是一個水資源利用率相對較低的農業大國，如果繼續沿襲現有的灌溉制度和技術方法，農業灌溉年用水量按4 000億m3計算，灌區對水資源的有效利用率為0.45，僅灌溉過程的水資源浪費量就高達2 200億m3，占國內水資源浪費總量的80%[1]。因地制宜開展對灌區土壤墑情的實時監測，以準確把握土壤含水量與作物需水量的平衡點，采取科學合理的灌溉制度，并采用經濟有效的灌溉技術，可以實現提高作物產量的同時，顯著提高農業灌溉對水資源的利用水平，最終達到緩解我國水資源供需矛盾日益緊張現狀的目的[2-4]。

土壤墑情是衡量土壤干濕狀況以及土壤水可被作物吸收利用程度的重要參數，常用土壤含水量、土壤相對含水量兩個指標進行描述。積極開展土壤墑情研究工作，對土壤含水量以及相對含水量進行動態監測[5-6]，能夠為我國種植結構的合理調整以及重要農事活動的實時變化提供科學依據，同時也可以為高效節水灌溉以及抗旱減災增效技術的集成研發提供理論支持，對有效解決當下存在的水資源日益短缺與農業灌溉水資源浪費嚴重的雙重問題具有重要意義。

本研究將一種可雙向鉆土式自升降噴灌裝置在延慶生態試驗基地（以下簡稱基地）的露天植物種植區內進行實際工程應用，開展相關的野外現場布點以及取樣監測工作，并著重將該裝置應用后基地土壤的體積含水量、質量含水量、相對含水量3個指標隨時間以及空間的變化規律進行對比分析，以期了解可雙向鉆土式自升降噴灌裝置應用對土壤墑情時空變化規律的影響，同時對該裝置的推廣應用所能產生的實際節水能力進行初步探討。

2 試驗裝置與布點方法

2.1 試驗裝置

本研究采用的高效節水灌溉裝置是基于傳統固定管道式噴灌設備所存在的地上安裝不利于早期機耕和后期收獲等問題，由水利部科技推廣中心推薦、中國灌溉排水發展中心牽頭組織研發的一種可雙向鉆土式自升降噴灌裝置（見圖1）。該裝置通過將內管、外管、旋轉式噴頭以及進、出水口等主要設備元件進行一體化集成，安裝完成后，深埋于耕作層以下（通常入土深度控制在20～40 cm之間）。灌溉時，設備能夠自動升至設計高度，進行均勻噴水灌溉;非灌溉時設備可自動回縮至土壤耕作層以下，有效避免了設備占地對田間耕作所帶來的空間阻礙，具有占地面積小、安裝及運行維護成本低、灌溉節水效果好等特點[7-9]。目前已在北京順義、河南許昌等地區進行了小規模的工程示范應用，并取得了較好的經濟效益，具備進一步開展推廣應用的可行性。

2.2 考核指標與計算方法

本研究主要考核對象為可雙向鉆土式自升降噴灌裝置應用對土壤墑情時空變化規律的影響。土壤墑情是衡量土壤干濕狀況以及土壤水可被作物吸收利用程度的重要參數，常用土壤含水量（包括質量含水量、體積含水量）、土壤相對含水量兩個指標進行描述，為此，選取該裝置應用后基地土壤質量含水量、體積含水量、相對含水量隨時間以及空間的變化規律作為土壤墑情變化的主要指標進行考量。

（1）質量含水量，是指土壤中水分的質量與干土質量的比值，因在同一地區重力加速度相同，所以又稱作重量含水量。其計算公式為

θm=w1-w2w2×100%（1）

式中：θm為質量含水量（自然含水率或絕對含水量）;w1為濕土質量;w2為烘干土質量。

（2）體積含水量，是指單位土壤總容積中水分所占的容積分數，又稱容積濕度。其計算公式為

θv=VwVs×100%（2）

式中：θv為土壤實際含水量的體積百分率;Vs為土壤總體積，cm3;Vw為水所占的體積，cm3。

（3）相對含水量，指土壤含水量占田間持水量的百分數。其計算公式為

β=θmθ×100%（3）

式中：β為土壤相對含水量;θm為質量含水量;θ為田間持水量。

2.3 采樣布點與監測周期

2.3.1 采樣布點設計

參照《土壤墑情監測規范》（SL 364—2006），遵循均勻分布原則，并按照三點垂向取樣的方法，采用土壤水分空間快速測試儀對取樣點處10、20、40 cm深度的土壤質量含水量、體積含水量、相對含水量進行定期監測，布點間隔為20 m，共設置取樣點90個[10]。

2.3.2 監測周期設計

土壤墑情的監測周期參照《土壤墑情監測規范》（SL364—2006）進行設計，2018年每月的1日、11日、21日從早晨8時開始，每隔6 h采用土壤水分空間快速測試儀對取樣點處10、20、40 cm深度的土壤質量含水量、體積含水量、相對含水量進行取樣監測。

2.3.3 試驗條件設計

土壤類型、裝置安裝間距、工作壓力、設計日凈噴時間以及試驗期間的風速、氣溫等氣象條件是影響試驗區內用水定額以及灌溉周期的主要因素，主要試驗控制參數見表1。

3 試驗結果與討論

3.1 裝置應用對土壤墑情隨時間變化規律的影響

裝置應用后土壤質量含水量、體積含水量、相對含水量隨時間變化的情況見圖2。由圖2可知：可雙向鉆土式自升降噴灌裝置應用后基地土壤含水量出現了較大的改觀，土壤質量含水量、體積含水量、相對含水量3個指標分別由裝置應用前（2018年1月至3月）的不足15%、11%、50%大幅度提高到裝置應用后（2018年4月至12月）的31%、22%、103%以上，土壤3個重要含水量指標均成倍提高。在相同的灌溉用水量條件下，土壤墑情從裝置安裝前的輕旱，逐漸過渡到裝置安裝后的適墑，局部區域甚至出現了含水量過多的現象，需要根據實際情況，降低灌溉用水定額或者減小灌溉頻率，進而達到節約灌溉用水的目的。另外，一般農作物的正常生長所需的土壤相對含水量為60%～80%，可雙向鉆土式自升降噴灌裝置應用后的2018年4月至12月共計9個月內，基地內部的土壤相對含水量保持在103%以上，徹底解決了作物生長階段經常出現的土壤水分供應不足問題，是一種有效的增墑、保墑措施。

3.2 裝置應用對土壤墑情空間變化規律的影響

裝置應用前、后土壤墑情空間變化規律見圖3、圖4。由圖3、圖4可知：可雙向鉆土式自升降噴灌裝置的應用促使基地內部的土壤含水量隨空間發生了較為明顯的變化，裝置應用前，基地內部土壤的質量含水量、體積含水量、相對含水量3個指標在土壤深層40 cm處的監測值最大，中間20 cm處次之，表層10 cm處最低;而在可雙向鉆土式自升降噴灌裝置應用后，基地內部土壤的質量含水量、體積含水量、相對含水量3個指標在土壤表層10 cm處的監測值最大，中間20 cm處次之，深層40 cm處最低。裝置應用后，相同取樣點、相同深度處的土壤質量含水量、體積含水量、相對含水量3個指標監測值均較應用前出現了明顯的提高，土壤含水量尤其是淺層土壤含水量的提高，有助于表層灌溉水對深層地下水的補給，增加了灌溉區的田間持水量。同時，淺層土壤含水量的提高顯著提高了作物根區周邊的土水勢，可在根土接觸區形成較大的水勢梯度，有利于土壤水向植物根部擴散進而向植物地上部分擴散，能夠最大限度滿足作物各個階段生長發育的水分需求。

3.3 可雙向鉆土式自升降噴灌裝置節水效果分析

可雙向鉆土式自升降噴灌裝置在試驗設定的安裝間距、工作壓力以及噴灌強度下，可將灌溉區土壤相對含水量保持在103%以上，而一般農作物正常生長所需的土壤相對含水量為60%～80%，土壤含水量的持續增大會使得局部區域土壤出現含水量過多而造成水資源浪費的問題，為此，本研究在維持可雙向鉆土式自升降噴灌裝置安裝間距及工作壓力不變的情況下，通過調整可旋轉噴頭的開度，將灌溉用水定額由3 150 m3/hm2降低至2 800 m3/hm2，使得項目區土壤墑情控制在適墑范圍內，實現了在滿足作物正常生長發育對水分需求的同時，顯著提高灌溉水資源的利用率，水資源利用率提高了11.11%，具有良好的經濟效益。

4 結 論

本研究將一種可雙向鉆土式自升降噴灌裝置成功應用于延慶生態試驗基地露天植物種植區，并參照《土壤墑情監測規范》（SL 364—2006）進行布點采樣，利用土壤水分空間快速測試儀對采樣點處的土壤質量含水量、體積含水量、相對含水量進行定期監測，分析了該裝置應用對土壤墑情時空變化規律的影響，得出主要結論如下。

（1）該裝置的成功應用，將基地內部土壤質量含水量、體積含水量、相對含水量3個指標監測值提高了1倍以上，分別由應用前的不足15%、11%、50%大幅度地提高到裝置應用后的31%、22%、103%以上，徹底解決了作物生長階段經常出現土壤水分供應不足的問題，是一種有效的增墑、保墑措施。

（2）該裝置明顯改變了基地內部土壤含水量的空間分布狀況，顯著提高了淺層土壤的含水量，有助于表層灌溉水對深層地下水的補給，增加灌溉區的田間持水量，能夠最大限度地滿足作物各個階段生長發育的水分需求。

（3）通過調整可旋轉噴頭的開度，將灌溉用水定額由3 150 m3/hm2降低至2 800 m3/hm2，使試驗區土壤墑情控制在適墑范圍內，在滿足作物正常生長對水分需求的同時，將灌溉水資源利用率提高了11.11%，具有良好的經濟效益。

參考文獻：

[1] 李茂松，李森，李育慧. 中國近50年旱災災情分析[J].中國農業氣象，2003，24（1）：7-10.

[2] 孫仕軍，陳長卿，邱振存.我國農業用水現狀和農業節水發展方向[J].遼寧農業科學，1999（1）：35-37.

[3] 李彩鳳，陳建中.我國灌溉的發展概況和應重視的問題[J].水利科技與經濟，2008（2）：159-160.

[4] 段夢詩.節水灌溉技術在農田水利工程中的應用[J].水利建設，2016（4）：265-266.

[5] 李玉山，史竹葉，張孝忠，等. 長武王東溝小流域土壤水分性質及土壤墑情分布特征[J].水土保持通報，1990，10（6）：2-6.

[6] 馬孝義，李新平，趙延風. 土壤含水量的Kriging 和Cokriging估值的研究[J].水土保持通報，2001，21（6）：59-62.

[7] 徐敏，李紅，陳超，等.提高噴灌均勻性的噴頭結構改進措施[J].節水灌溉，2001（2）：17-18.

[8] 王利軍，王文冬，高曉薇，等. 可雙向鉆土式自升降噴灌裝置在延慶生態試驗基地中的應用[J].北京水務，2019（2）：20-26.

[9] 謝崇寶，張國華，魯少華，等.雙向鉆土型埋地式自升降噴灌設備研發[J].節水灌溉，2016（11）：121-126.

[10] 孫凱，王一鳴，楊紹輝. 墑情監測取樣方法的研究[J].農業工程學報，2004，20（6）：74-78.

【責任編輯 許立新】

收稿日期：2019-09-19

基金項目：國家水體污染控制與治理科技重大專項（2017ZX07101004）;水利部技術示范項目（SF-201721）

作者簡介：王文冬（1987—），男，河北滄州人，工程師，主要從事水處理設計工作

E-mail：819509617@qq.com