溝灌條件下土壤水分運移規律及其影響因素研究

許春娟，賈生海，趙 霞

(甘肅農業大學水利水電工程學院，甘肅 蘭州 730070)

在我國廣泛應用的地面灌溉方式中溝灌是其中之一[1]。溝灌較畦灌方法的優勢在于對土壤結構的破壞性極小，土壤蒸發較低、且田間灌水的有效利用率達80%以上[2-3]。近幾年國內外學者對影響溝灌的一些要素和土壤水分運移規律進行了多方面的實驗研究。研究表明溝灌灌水效率與灌水技術要素有關，

若灌水技術要素選擇不恰當，會出現灌水效率低的問題[4]。近年來，就溝灌技術要素許多學者進行了諸多系統研究。整理溝灌條件下土壤水分運移規律及其影響因素對溝灌技術的了解和應用具有重要意義。

1 溝灌的發展現狀及適用條件

1.1 發展現狀

溝灌是一種通過灌水溝兩側的土壤對壟上種植的作物進行浸潤的灌溉方式，只需要在田間開挖灌水溝便可進行灌溉，具有操作簡單、省時省力的優點，主要存在于我國北方[5]。但由于溝灌存在管理復雜、灌水技術要素難以確定和灌水效率低等問題，縮小了其運用范圍。近年來有學者將溝灌灌水技術向節水灌溉方向進行了延伸，主要有壟作溝灌、交替隔溝灌、覆膜溝灌、波涌溝灌等[6]。研究表明這些延伸的節水灌溉方式比傳統的溝灌具有更高的效率和價值。因此對溝灌技術的研究不能只停留在本身，應將其進行優化改進和擴展延伸，對解決我國水資源緊缺和浪費等方面的問題作出貢獻。

1.2 適用條件

溝灌是中耕作物廣泛采用的灌水技術，對于中等透水性的土壤和地面坡度介于1/50～5/1000之間的地塊[3]也較適宜。許多學者運用溝灌方式對一些作物的產量、生長指標、耗水規律、水分利用效率等進行研究并取得了較好的成果，主要有玉米、馬鈴薯、番茄、棉花、棗樹、小麥、向日葵、油葵、紫花苜蓿、西瓜、甜瓜、白楊等。對于大面積種植模式下既要節約成本又追求產量的作物一般采用溝灌方式。目前對于溝灌技術的研究多基于理論方面且一維入滲較成熟，二維入滲較欠缺。因此運用已有的研究成果來指導灌溉系統設計和田間管理并不準確，在實際農業生產中還需進一步深入探究。

2 研究進展

2.1 影響因素

溝灌屬于二維入滲[7]，在溝灌過程中，影響土壤濕潤鋒水分運移規律的因素有土壤質地和結構、體積質量、有機質含量、孔隙率、容重、溝型、溝間距、溝中水深等，溝底寬、土壤初始含水率對其影響微小，一般忽略不計[8]。孫西歡[9-11]以紅油土為基礎，采用拋物線的溝型對溝距、濕周、側向影響數進行分析，促進了加科夫模型在溝灌中的應用。并得出溝距和濕周與溝灌累計入滲量為正相關而與側向影響數則為負相關。路蒙蒙等[12]發現溝灌灌水量對水分入滲速度和入滲量均有較大影響。因此在保證作物正常生長的條件下，灌溉量的合理選擇不僅可以節約水資源而且提高水分利用率。曾愛國[13]開展了不同灌水量梯度對溝灌玉米產量影響的研究，確定出在全膜壟作溝灌條件下石羊河流域適宜的灌水量為5175m3。張勇勇[14]基于砂壤土和重壤土對溝灌土壤水分入滲過程進行研究，研究表明75cm為重壤土適宜的壟寬，合理的壟溝比為60cm∶75cm；70cm為砂壤土適宜的壟寬，合理的壟溝比為60cm∶70cm。孟鵬濤等[4]通過試驗表明：影響累計入滲量的因素主要是溝寬、溝深和壟寬。增大入溝流量使得水流推進速度、灌溉水利用效率和儲水效率上升，灌水均勻度下降，灌溉水利用效率、儲水效率和灌水均勻度達到93.21%、91.83%、92.78%時對應的入溝流量為1.65L/s。翟士旭等[5]通過驗證溝寬和溝深與Hydrus-2D模型中各參數的函數關系，得出Hydrus-2D模型具有較好的適用性以及溝寬、溝深為50、20cm灌水質量最優。張凡[15]對玉米地進行溝灌試驗提出了在灌水定額一定的條件下如何對溝長和入溝流量進行優化的方法，建議關中地區溝長小于50m時，適宜入溝流量為3～4L/s。王文娟[16]在考慮產量及水分利用效率(WUE)的情況下，進行了春小麥壟作溝灌入滲試驗，得出蓄水、保墑效果較優的壟寬40cm、溝深15cm、溝底寬15cm，為小麥在干旱區的最優種植模式提供了依據。溝灌條件下土壤水分運移規律受多因素的影響，對這些復雜因素進行隨機組合的研究還相對較少，可以進行拓展研究。

2.2 采用的模型

掌握土壤水分的入滲規律對促進作物根系有效吸收養分、鹽分以及微生物活性等方面具有重大意義。隨著對水分運移規律的進一步論證，專家發現大田試驗和室內實驗都有來自自然因素和人為主觀因素的干擾，并會產生較大誤差[17]。因此國內外學者運用建立模型的方法對土壤水分運移規律進行探究，主要有Green-Ampt模型、Philip模型、Kostiakov模型、BIDISUL模型、Horton模型和Holton模型，以及溝灌入滲的基本方程：Richards方程[5]。

Green-Ampt模型產生于1911年，因其具有表達式簡單易懂、涉及參數少且物理意義明確的特點而得到了廣泛的運用[18]。經過不斷地探究和改進，Green-Ampt模型可以用于不同黏粒含量土壤、夾砂層土壤、和渾濁水中。Neuman等[19]運用有限元法和計算機程序能夠對非均勻流動區域進行處理并且建立了溝灌條件下土壤水分入滲的二維模型：SWM II，模型具有較高的準確性。孫西歡等[11]以考斯加柯夫模型為出發點提出了多參數(溝距、溝道水面寬度、濕周、水深)溝灌入滲模型，為數學模擬在溝灌中的應用奠定了基礎。Mailapalli D R[20]運用零慣性、Green一維和Ampt二維入滲方程以及Kostiakov-Lewis入滲模型為基礎進行建模，對均質和分層土壤進行模擬且考慮了各種犁溝的形狀，結果表明該模型在設計和預測等方面具有較好的使用性。聶衛波等[21]運用一定的假設條件在綜合考慮(容重、初始含水率、不同土壤質地、溝間距、溝底寬度和溝中水深)多種因素的情況下建立了溝灌二維入滲模型，通過土箱試驗用多組試驗資料對模型進行驗證得出該模型完全可以用于模擬溝灌的二維入滲，并得出在研究溝灌累計入滲量時應該重視土壤質地、容重、溝底寬和溝中水深的影響；而在研究土壤濕潤體分布時應該關注土壤質地和容重。聶衛波在上述基礎上又建立了包含土壤容重、溝中水深和土壤初始含水量的溝灌入滲濕潤體運移距離預測模型[22]，以黏壤土和砂土為基礎進行了入滲試驗驗證了模型的準確性。Tabuada等[23]將BIDISUL模型與Richards方程進行了結合并且得到了比Richards方程更簡單優化的模型，此模型不僅可以用于不同部分的入滲還可以計算灌溉效率。為組合模型在灌溉中的應用提供了便捷。張新民等[24]結合田間實際布置運用Hydrus軟件模擬對兩種溝型(V型、梯型)和不同壟寬條件下溝灌土壤水分運動進行比較分析，計算垂向入滲和水平入滲下對灌水均勻度，不僅對灌水溝參數的優化有所啟發且在提高灌水效率方面也大有裨益。

2.3 土壤水分運移規律

在諸多影響溝灌土壤濕潤體運移特性的因素中灌水方案的設計和管理是根本。為此，眾多學者研究總結出了土壤入滲過程中濕潤體運移特性預測的主要方法[25](解析法、數值模擬法、經驗公式法)。倪東寧以玉米為試驗作物觀察水鹽運移規律為適宜玉米的生長發育探究出了適宜的灌溉技術即畦溝分灌灌溉技術，不僅可以實現水資源的高效利用還能保障作物的良好生長發育，并研究得出灌溉時間和灌水量與土壤含水量在不同的土層深度處均呈現正相關關系[26]。賈瑞琪等[27]設置了3個灌水量梯度(60、100、140m3/畝)，以棗樹為對象對不同土層深度處土壤的濕潤區進行了探究，得出能滿足9cm棗樹正常生長發育的灌水量為100m3，為溝灌灌水方式下對棗樹的種植提供了參考。王術禮等[28]為了探究溝灌累計入滲量和入滲時間的關系進行了室內試驗并且引入了參數減滲率進行分析計算得到了較好的結果，為溝灌灌水技術的優化提供了新方向。栗博等[29]通過室內試驗將理論分析和HYDRUS-2D數值模擬相結合建立了累積入滲量和入滲時間的模型，并運用數據支撐對模型進行求證得到了滿意的結果。并且在研究土壤水分入滲時還加入了氮素運移為肥料高效利用和水肥一體化研究提供了基礎。在寬壟溝灌入滲過程中壓力水頭和初始含水率對垂直和水平方向濕潤鋒運移都有促進作用。王利環等以土壤水動力學為理論基礎對波涌溝灌條件下的土壤擴散率、土壤飽和導水率進行測定[30-31]，得出在波涌溝灌中灌溉水主要受到重力勢和基質勢的作用而濕潤鋒隨著時間的變化從1/4圓形變成了橢圓。并且灌水量與累積入滲量和濕潤距離均為正相關，影響土壤水分入滲的關鍵是循環率和周期。

3 存在的問題

在溝灌條件下，影響土壤水分運移規律的因素復雜多樣，國內外學者對影響因素的研究主要集中在土壤質地、孔隙率、容重、溝間距、溝中水深、灌水量、入溝流量等方面，以上研究成果都是在宏觀層面初步闡明了各因素對土壤水分運移影響的機理，還需進一步深入探究。

(1)在進行實驗的過程中對變量的控制不夠嚴格，同類實驗無法進行較好的對比分析。對土壤水分運移規律的研究多集中在垂直和水平方向上，沒有很好的與當時作物的根系分布情況結合，進行更加完整的分析。

(2)在影響因素的研究中，很大一部分通過室內試驗和模擬實驗完成，沒有將室內實驗的結論在大田試驗中進行驗證，導致部分結論可能無法應用在田間試驗中。

(3)對土壤水分運移規律及濕潤體的特征研究只基于傳統的灌溉方式和技術參數，在砂管灌、涌泉根灌及其結合肥液濃度、施肥種類等方面研究較淺。

4 研究改進方法

在孫西歡[9-11]研究的基礎上可以采用不同的溝型、不同類型的土壤對溝距、濕周、側向影響數與累計入滲量的關系進行驗證，使加科夫模型得到更廣泛的應用。路蒙蒙等[12]的研究可以進一步探究滿足作物生長的經濟灌溉量，實現精準灌溉。曾愛國[13]得出玉米產量最優時的灌水量、全膜壟作溝灌技術和張凡[15]對玉米地進行試驗得出的適宜入溝流量可以向其他作物和地區進行推廣應用。將張勇勇[14]得出的砂壤土和重壤土的合理壟寬比例對其他類型土壤進行試驗，使溝灌灌水技術更全面的應用。在翟士旭等[5]運用Hydrus-2D模型確定出最優溝寬和溝深的基礎上可以對王文娟[16]得出適宜春小麥的較優壟寬、溝深、溝底寬進行組合驗證Hydrus-2D模型的適用性。

目前，土壤水分運移規律在國內外大都采用室內試驗和大田試驗相結合的方法，干擾因素較多并且誤差較大。模型不僅可以精準計算且與計算機程序的結合對實現智能化灌溉奠定了堅實的基礎，因此模型的研究具有較大的發展潛力和廣闊的前景。然而這些模型的建立有些基于一些假設和理想條件，對其廣泛應用和試驗條件的準確契合還有一定的誤差。

倪東寧[26]對水鹽運移規律的研究在避免鹽漬化的同時可以進行微咸水灌溉。在賈瑞琪等[27]研究的基礎上可以對不同樹齡棗樹土壤的濕潤區展開研究確定出不同樹齡棗樹適宜的灌水量。在栗博等[29]研究的基礎上可以進一步探究滿足垂直和水平方向濕潤鋒運移的壓力水頭、初始含水率值。土壤濕潤鋒擴展規律受多種因素的影響，因此還有待進一步在優化組合各影響因素的基礎上進行系統研究。