風沙土條件下滴灌灌水定額與深層滲漏量關系研究

余小青，洪 輝，宋 蕊，馬業輝，洪 明

（1.新疆農業大學水利與土木工程學院，烏魯木齊830052；2.新疆水利工程安全與水災害防治重點實驗室，烏魯木齊830052；3.新疆塔里木河流域干流管理局，新疆庫爾勒841000；4.新疆塔里木河流域巴音郭楞管理局，新疆庫爾勒841003）

0 引 言

和田地處塔克拉瑪干沙漠西南緣，人均耕地面積不足0.087 hm2，地均水資源量390 m3∕hm2，水土資源極度匱乏[1,2]，伴隨著社會經濟的進一步發展，和田地區農業生產面臨的水土資源短缺問題將進一步加劇。發展高附加值的設施農業，成為破解上述難題的關鍵，同時也將和田地區優勢的光熱資源進行了有效的利用。在北京市的對口援建下，和田地區在沙漠邊緣的和諧新村、團結新村累積建設標準化大棚9 000 余座，設施農業已逐漸成為當地群眾脫貧致富的新途徑。由于大棚內耕作層土壤主要為風沙土[3]，其有機質及粘粒含量低，保水保肥性差。再加之當地設施農業灌溉管理粗放，導致高投入、低產出的問題突出，致使很多群眾“望棚興嘆”，很多新建大棚被閑置，造成了資源的二次浪費。研究當地風沙土條件下農田的灌水定額與深層滲漏量關系，提高灌溉水利用效率，減少農業面源污染具有積極的作用，對當地設施農業健康可持續發展具有重要意義。已有諸多關于土壤水深層滲漏的研究報道，任玉忠[4]等人運用HYDRUS-1D 模型分析了地面灌條件下棗園的灌水量與深層滲漏量的轉化關系。杜志達[5]等人采用VADOSE∕W 程序構建的一維有限元模型，對不同灌溉條件下玉米地土壤水分的變化過程進行了模擬，分析了深層滲漏量的發生規律。李麗艷[6,7]等人借助土壤深層滲漏記錄儀[8]，研究了灌水定額與土壤深層滲漏的轉化關系，上述研究均為本研究提供了可借鑒的方法。目前有關和田地區風沙土條件農田深層滲漏研究鮮有報道。本文旨在研究以和田地區風沙土條件下日光溫室蘿卜地為對象，分析風沙土條件下滴灌灌水定額與地面以下60 cm 處深層滲漏的關系，以期為和田地區設施農業的科學灌溉提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗于2019年9月至2020年1月在和田地區和安新村的日光溫室中進行。試驗點地理坐標：北緯37°16′，東經79°52′，海拔1 370 m，屬溫帶大陸性氣候，降雨量少、蒸發量大、氣候干燥。年平均氣溫12.2 ℃、年平均降水量33.5 mm、多年平均降水量33 mm，年潛在蒸發量為2 600 mm，年總輻射量138.1～151.5 kJ∕cm2，全年日照時數2 470～3 000 h，無霜期210 d 左右[9,10]。土壤田間持水量為15%（質量含水率），0～100 cm平均干容重為1.48 g∕cm3，耕作層土壤速效氮、速效磷和速效鉀的含量分別為0.046 g∕kg、0.007 g∕kg 和0. 205 g∕kg，有機質含量1.25%，耕作層土壤pH 值8.12，土壤含鹽量在0.06%～0.09%之間變化，區域地下水埋深6.0 m 左右，地下水礦化度1.625 g∕L，灌溉水源取自地下水。

1.2 試驗材料

供試蘿卜（Raphanus sativus L.）選用當地的主栽品種“雪玉”，試驗點土壤均一性良好，試驗開始前對試驗點土壤進行了篩分，土壤的機械組成如表1所示，根據《中國土壤質地分類標準》（1985年），屬于粗砂。

表1 試驗點土壤機械組成Tab.1 Soil mechanical composition of the experiment site

1.3 試驗方法

試驗中的蘿卜于2019年9月15日播種，在2020年1月14日收獲。采用起壟穴播、一壟兩行的種植方式，壟頂寬0.4 m，壟距0.8 m，壟高0.15 m，壟長8 m，株行距0.2 m×0.25 m，整體呈南北向種植。蘿卜的灌溉方式為膜下滴灌，滴灌帶采用單翼邊縫式，鋪設方式為一行一帶，滴頭間距0.2 m、滴頭流量3.2 L∕h。試驗設置了5 個灌水定額水平，中水平T3 灌水定額采用《微灌工程技術規范》（GB∕T50485-2009）推薦的公式（1）計算。

灌水定額計算公式：

式中：m為設計灌水定額，mm∕次；z為計劃土壤濕潤深度，cm；p為土壤濕潤比，%；W1與W2分別為適宜土壤體積含水率上下限（體積百分比），%；上限取田間持水量，下限在苗期、葉部生長旺盛期、肉質根生長盛期依次取田間持水量的60%、70%、70%；η為灌溉水利用系數，滴灌取0.95。

由T3 處理的灌水定額向下遞減20%、40%得到T1、T2 處理的灌水定額，向上遞增20%和40%得到T4、T5 處理的灌水定額。為了減少試驗誤差，各處理設3 個重復，共15 個小區，各小區隨機布置。為了確保蘿卜幼苗的成活率，在發芽期未做灌溉處理，待進入苗期，開始進行控水，實際采用的灌溉制度見表2。蘿卜施肥及其他農耕管理措施與當地菜農管理方式相同。

表2 試驗處理及采用的灌溉制度Tab.2 Treatment and irrigation program used in experiment

1.4 試驗觀測項目與方法

（1）灌溉水量：在各處理小區進口處安裝機械旋翼式水表監測控制每次灌水量。

（2）土壤含水量：采用Diviner 2000 在灌水前后測定各小區0～80 cm范圍內的土壤含水量（見圖1）。

（3）深層滲漏量。原理：本研究采用深層滲漏儀測定深層滲漏量，該儀器包括三部分：集水坑、集水桶與抽水裝置（見圖2），集水坑采用不透水的塑料薄膜包裹監測土壤，在剖面底部修整成倒梯形狀，使得深層滲漏液能匯流入集水坑的底部，集水坑底部與集水桶的連接處采用透水桶蓋，并在桶蓋上鋪設石英砂及濾網以防止土壤顆粒進入深層滲漏水采集桶，抽液裝置采用兩根導管連接采集桶，一根用于連接大氣平衡氣壓，另外一根用于連接集水瓶與真空泵用來抽取集水桶里的深層滲漏量。

布設：張娟[11]等人通過土壤含水率的變化得出了蘿卜的根系主要活動層為0～50 cm。考慮到本文研究土壤為風沙土，土壤質地疏松，故深層滲漏儀的布設深度定為地面以下60 cm，即深層滲漏至地面以下60 cm 的土壤水分為深層滲漏量。故依次在5個處理中各試驗小區中部垂直挖出長寬深為120 cm×80 cm×60 cm 見方的坑，60 cm 土層以下布設1 套試驗儀器觀測深層滲漏量。

觀測：深層滲漏量在每次灌水前用真空泵抽出并采用稱重法測定。

1.5 數據處理

采用EXCEL2010 和Origin8.0 進行試驗數據的處理分析與畫圖。

2 結果與分析

2.1 各處理灌水前后土壤水分動態

在蘿卜苗期、葉部生長旺盛期、肉質根生長盛期各選取1次灌水前后的土壤水分數據（滴灌帶正下方的）分析土壤水分動態（圖3）。由圖3可以發現，在苗期T1～T5處理灌水影響的土層深度依次為20、30、30、40、40 cm。在葉部生長旺盛期，灌水后T1～T5 處理明顯影響的土層深度依次為30、40、50、50、60 cm。在肉質根生長盛期，灌水后T1～T5 處理影響的土層深度依次為40、50、60、70、70 cm。表明土壤水分的垂向入滲深度隨著灌水定額的增大而增大。對60 cm 深度土壤含水率的分析可以看出：在苗期T1、T2 處理60 cm 處土壤含水率基本沒有變化，T3～T5 處理60 cm 處的土壤含水率有變化，其中T3 處理變化最小。在葉部生長旺盛期，T1 處理60 cm深度的土壤含水率基本沒有變化，T2～T5處理60 cm處土壤含水率有變化，其中T2 處理變化最小。在肉質根生長盛期，T1～T5處理60 cm深度的土壤含水率均有變化，其中T1處理變化較小。

2.2 各處理灌水后深層滲漏量隨時間的變化

在蘿卜苗期、葉部生長旺盛期、肉質根生長盛期各選擇3次灌水，進行灌水后不同時間的深層滲漏量觀測，并將3次深層滲漏過程中不同時間段的滲漏量取平均值，得到各生育期深層滲漏量隨時間的變化關系如圖4所示。灌水后不同灌水定額處理的深層滲漏量隨時間變化差異明顯。在苗期，T3、T4、T5處理依次在開始灌水后12、10、8 h出現深層滲漏，過程持續時長依次為15、20、24 h，峰值出現時間在開始灌水后14、11.5、11 h。在葉部生長旺盛期，T2、T3、T4、T5處理依次在開始灌水后8、7、6、4.5 h 出現深層滲漏，持續時長依次為24、28、31、37 h，峰值出現時間在開始灌水后10、8、6、5 h。在肉質根生長盛期，T1、T2、T3、T4、T5 處理依次在開始灌水后6、5、4、3、1.5 h 出現深層滲漏，持續時長依次為33、42、46、49、52 h，峰值出現時間在開始灌水后7、6、5、4、2.5 h；表明灌水下滲至60 cm 深度進而形成深層滲漏需要一定時間，深層滲漏量對灌水定額的響應具有滯后性和延遲性，隨著灌水定額的增大，出現深層滲漏量的時間前移，滯后性減小。深層滲漏量峰值隨灌水定額的增大而增大，且峰值發生時間前移，深層滲漏結束時間隨著灌水定額的增大而延后。

2.3 各處理全生育期深層滲漏量

試驗中蘿卜整個生育期共灌水25 次。各灌水處理在蘿卜全生育期的深層滲漏量如圖5所示。由圖5（a）可以看出，在苗期T1、T2沒有深層滲漏量，T3、T4、T5的單次平均深層滲漏量依次為0.5、1.10、1.40 mm。在葉部生長旺盛期，T1沒有深層滲漏量，T2、T3、T4、T5 的單次平均深層滲漏量依次為0.94、1.85、2.71、3.97 mm。在肉質根生長盛期T1～T5 的單次平均深層滲漏量依次為2.31、4.99、7.87、13.38、18.22 mm。可以看出灌水定額越大則深層滲漏量越大。整體來看，苗期T3 處理與葉部生長旺盛期T2 處理的單次平均深層滲漏量基本處于同一水平，葉部生長旺盛期T4 處理與肉質根生長盛期T1處理基本處于同一水平。苗期出現深層滲漏量的灌水定額臨界值為8.1 mm∕次，葉部生長旺盛期出現深層滲漏量的灌水定額臨界值為10.4 mm∕次，產生深層滲漏量的灌水定額有所上升；分析認為可能的原因是隨著蘿卜生長發育，蘿卜根系產生了一定的固沙保水作用；由于肉質根生長盛期T1到T5都有深層滲漏量，無法直接得到具體深層滲漏發生時灌水定額臨界值，但由于葉部生長旺盛期T4（15.6 mm∕次）與肉質根生長盛期T1（15.2 mm∕次）二者灌水定額基本相同，且深層滲漏量基本在一個水平上，故推測肉質根生長盛期發生深層滲漏量時灌水定額臨界值應該與葉部生長盛期變化不大。故肉質根生長盛期深層滲漏量的灌水定額臨界值為10.4 mm∕次。由圖4（b）可以看出，T1～T5 的深層滲漏量分別為26、66.6、110.5、186.2 和254.7 mm，占灌溉定額的比例依次為9.8%、18.7%、24.9%、35.0%、41.0%，表明灌水定額越大，導致全生育期深層滲漏量占灌溉定額的比例越大。

2.4 灌水定額與深層滲漏量的關系

灌溉為和田地區日光溫室大棚內土壤水分補給的唯一來源，段良霞[12]指出深層滲漏量與降雨量或灌溉量的關系可表示為以降雨量或灌溉量為自變量的一次函數。李麗艷等人[13]研究中也采用了一次函數來擬合深層滲漏量與灌水定額的關系，任玉忠等人[14]的研究中分別采用一次函數和二次函數對地面灌與滴灌條件下紅棗園全生育期的累積深層滲漏量與灌溉定額進行擬合。故本文分別采用一次函數與二次函數對深層滲漏量與灌水定額進行擬合，探尋二者之間最優的擬合函數關系。通過在不同處理灌水定額與地面下60 cm 深度處深層滲漏量相關性分析，建立了風沙土條件下日光溫室蘿卜地深層滲漏量與灌水定額的回歸方程的表達式如表3所示。

表3 灌水定額與深層滲漏量擬合關系Tab.3 Fitting relationship between irrigation quota and deep percolation

從回歸方程的相關指數來看，相關指數均在0.9 以上，表現出較好的擬合度，且從相關系數來看二次函數擬合效果明顯優于一次函數擬合。

3 討 論

對于水資源嚴重不足的和田地區而言，減少農業灌溉過程中的深層滲漏是提高農業水資源利用效率的重要途徑之一。試驗中灌水前后土壤含水率隨著土層深度的增加而逐漸減小，灌水定額越大，灌水后影響的土層深度越深，研究結果與袁寧寧等人[15]的結果一致，表明灌水定額是影響土壤水分的重要因素。試驗中隨著灌水定額的增加深層滲漏量隨之增大，且灌水定額越大深層滲漏發生的時間越早，深層滲漏的持續時間越長；深層滲漏速率在產生深層滲漏后快速達到最大值，然后急劇降低，并且深層滲漏量對灌水定額的響應具有滯后性和延遲性。研究結果與程一本[16]、吳麗麗[17]、劉玉春[18]等人研究結果一致，表明灌水定額是影響深層滲漏量的關鍵因素，灌水定額過大會導致嚴重的深層滲漏量。本文得到的灌水定額與深層滲漏量關系與李麗艷[13]與任玉忠[14]等人的研究結果存在一定的差異，分析認為主要是由于研究的深度及土壤質地不同所導致。有研究表明在沙區農田進行合理的耕作、灌溉、施肥等措施有助于增加土壤微生物進而改善土壤結構，增加生物量、根系碳以及其他有機物從而明顯加速土壤的發育過程[19-22]，也有相關研究表明灌水均勻度、土壤質地、灌水定額和作物根系交錯等因素對深層滲漏有很大影響[23]，這些結論與本試驗中隨作物的生長，開始發生深層滲漏的灌水定額臨界點出現隨著生育期的推進而略有上升的結論是一致的。Liwen Zhao 等人[24]關于甘肅黑河中游地區玉米地深層滲漏量研究表明深層滲漏量占降雨量和灌溉量之和的20%～30%，本文中T3 處理的深層滲漏量占灌溉定額的24.9%，與上述研究結果相似。通過對試驗區附近當地菜農的灌溉制度的調查走訪，秋茬蔬菜灌水定額在800 mm 左右，根據本文的研究結果可以推算出深層滲漏量可達400 mm，深層滲漏量可占到灌溉量的50%，根據文獻[1]中統計的和田地區設施農業面積1 873.14 hm2，可以推算出和田地區僅秋茬蔬菜的深層滲漏損失就高達7.5×106m3，當地的設施農業節水潛力巨大。從減少深層滲漏損失的角度出發，和田風沙土條件下日光溫室蔬菜凡根系在地面以下60 cm 內的作物，以生育前期灌水定額為8.1 mm∕次，生育中后期灌水定額為10.4 mm∕次為宜。

4 結 論

（1）蘿卜不同生育期各處理的深層滲漏規律基本一致，深層滲漏與灌水定額呈正相關關系；灌水后深層滲漏速率快速達到最大值，然后急劇下降，深層滲漏量對灌水定額的響應具有滯后性和延遲性。

（2）試驗條件下蘿卜各生育期產生深層滲漏的灌水定額臨界值依次為：在苗期8.1 mm∕次，在葉部生長盛期與肉質根生長盛期10.4 mm∕次。

（3）T1～T5 處理全生育期的深層滲漏量在26.0～254.7 mm 之間變化。

（4）風沙土條件下日光溫室蘿卜地深層滲漏量與灌水定額之間的關系可用以灌水定額為變量的一次與二次函數進行擬合，其中二次函數擬合效果較優。