降雨集流滲灌系統室內模擬土壤水分運動研究

馬 芳，張維江，2，3，李 娟，2，3，黃 艷，馮 娜，王旭東，丁 廣

（1.寧夏大學土木與水利工程學院，銀川750021；2.寧夏節水灌溉與水資源調控工程技術研究中心，銀川750021；3.旱區現代農業水資源高效利用教育部工程研究中心，銀川750021）

寧夏中南部地區（以下簡稱為“寧南山區”）地處黃土高原腹地，屬于干旱半干旱地帶，該地區常年干旱少雨，其中小于10 mm 的降雨量占年平均降雨量的50%以上，這部分降雨量直接落至地表，尚未到達作物根系就已經蒸發消耗，從而會導致表層土壤干化現象。該地區農業以雨養為主，為使農業充分利用這部分降雨，提高土壤儲水量，大力發展節水灌溉技術，推廣節水農業，是解決缺水問題的主要出路[1]，對實現水資源可持續發展也具有重要意義。

針對旱作農業最先提出微集雨技術，隨后集雨農業這一現代旱地農業思想出現，滴灌、噴灌、滲灌等眾多節水技術結合農業生產，實現高效節水的同時促進提高作物產量。其中滲灌技術是把灌溉用水通過地下管道輸送到田間地下的滲水管，利用土壤毛細管作用來濕潤土壤[2]，該技術對作物實施根部區域供水，可減少蒸發、提高水資源利用效率，為作物提供良好的土壤生長條件。學者對滲灌器已有大量研究，重力式地下孔灌具有集雨和灌溉的雙重功能，水分入滲主要受壓力水頭、豎管孔徑等因素的影響[3]；馬小剛[4]針對在沙地中增加林木成活率，進行了低壓毛管滲灌器水分運移特性的研究；何會云[5]就低壓毛管滲灌器在沙質土壤中的入滲進行了研究；王霞玲[6]以排水帶作為滲灌系統的灌水器，研究不同水頭壓力下灌水器的出水量及出水均勻度，結果表明壓力水頭對出水量影響明顯，但對出水均勻度影響不明顯；任改萍[7]通過試驗得出：微孔陶瓷滲灌可以使作物根系處于適宜土壤含水率范圍，從而使作物根系緩慢吸水，更有利用作物生長，且入滲始終沒有到達土體的表面，可以抑制土壤表層蒸發；Khan 等[8]模擬了蒸發條件下微孔陶瓷灌水器在土壤中的滲水情況。以上滲灌技術均在有壓灌溉條件下進行，采用引流管進行作物根部供水，不能實現降雨集流直接供給作物，因此，研制一種兼具集流和主動灌溉的滲灌器，是提高滲灌技術在干旱雨養地區推廣的前提和基礎。

本文基于滲灌技術自主研發了一種新型降雨集流的滲灌器[9]，該滲灌器系統在野外可以直接通過覆膜進行雨水收集，同時所收集的雨水在無壓的條件下直接對旱地經濟林根部實施補水供給，屬于“主動抗旱”模式，符合旱區雨水集蓄的發展理念，但降雨集流滲灌系統目前尚處于初級階段，因此有必要進行室內模擬土壤水分運動試驗。本文選取不同等級的雨量，針對集流滲灌條件下的土壤含水率增量在垂向和水平向的運移規律進行系統分析，為集流滲灌裝置的田間推廣應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗土壤

供試土壤取自寧夏固原彭堡鎮紅梅杏示范基地。土壤的初始含水率為6.4%，飽和含水率為46.8%（體積含水率），土壤容重為1.6 g∕cm3，田間持水率為20.1%。試驗區土壤為壤土，土壤機械組成沙粒、粉粒和黏粒3 種成分所占比例如表1所示。

表1 土壤機械組成Tab.1 Soil mechanical composition

1.2 試驗裝置

降雨集流滲灌系統模擬試驗設備由滲灌器、試驗土箱、供水系統三部分組成。試驗所用的滲灌器為自主創新研發，滲灌器底部直徑為14 cm，頂部直徑為16 cm，高為35 cm，頂部封口并打孔，滲灌器器身距頂部5 cm，底部5 cm，中間全打孔，孔徑4 mm，孔密度1個∕cm2，將其安裝在土箱的中心位置，蓋部與土層表面齊平，為防止打孔區域堵塞，在滲灌器外圍套設一層土工布；試驗土箱由均質鐵皮制作而成，其規格為100 cm×100 cm×100 cm，實際土柱填筑規格為100 cm×100 cm×80 cm；供水系統由固定支架、馬氏瓶、橡膠管、旋鈕開關等構成，由馬氏瓶供水以保持恒定的流量。具體試驗設備裝置及集流滲灌器如圖1和圖2所示。（本實驗假設土壤均質各向同性，沒有考慮除雨量以外其他因素對土壤水分運移的影響）

土壤水分測定系統由EC5土壤水分傳感器和em 50數據采集器兩大部分組成，該套系統可長期觀測16 個點土壤動態含水率變化。

1.3 試驗方法

試驗前土壤自然風干、粉碎、過2 mm 篩后，將土樣按設計容重分層裝入鐵箱，5 cm 一層進行分層裝土，共16 層，80 cm，為防止各層土壤分層，在各分層處進行打毛。裝土后均勻沉降24 h，使得土壤水分剖面土壤初始條件基本相同，土壤均勻沉降后進行土壤水分傳感器埋設。將滲灌器固定在土箱的中心位置，以滲灌器為中心沿土箱的兩個對角線安裝土壤水分傳感器，水平距離分別為距滲灌器15、25、35、45 cm；垂向深度依次為10、20、30、40 cm。每4 個監測點連接一個采集器，采集不同時刻的各深度土壤含水率值；試驗過程中采用定水頭，通過控制土壤初始含水率、灌水時間等因素，研究單因素不同雨量條件土壤水分變化規律。模擬集流面積為6.6 m2，設定3 個降雨量，分別為4、8、12 mm，灌水量通過降雨量和集流面積換算，分別為26.4、52.8、79.2 L，灌水歷時分別為1.5、3.8、10.2 h。試驗開始時記錄不同時刻馬氏瓶中水位下降的刻度、水分入滲量、及灌水結束后垂向和水平向的土壤含水率，設定時間間隔為5 min記錄一次。

2 結果與分析

2.1 累計入滲量和入滲速率變化過程分析

圖3和圖4為3 種雨量條件下累計入滲量和入滲速率的變化曲線。由圖3和圖4可以看出：累積入滲量隨入滲時間的延長而逐漸增大；入滲速率隨著入滲時間的延長而逐漸減小；這一結論與朱燕琴[10]利用室內土柱試驗，研究土壤濕潤體的形狀和灌水量對水分入滲特性影響的結果一致。

入滲開始時，土壤含水率較低，滲灌器附近無積水，且連續不斷地出流，并未在土壤中發生堵塞，入滲能力強，累計入滲量快速增加；隨入滲時間的延長，土壤含水率逐漸增大，趨于飽和，累計入滲量增加緩慢，曲線變得相對平緩。與累計入滲量對應，初期入滲速率較大，隨土壤含水率的增大，入滲速率逐漸呈降低趨勢。

由此可以將累計入滲量和入滲速率變化過程分為兩個階段，第一階段入滲20 min 之前，為快速變化階段，累計入滲量呈遞增趨勢，入滲速率呈遞減趨勢；第二階段為入滲20 min后，直到灌水結束為穩定階段，累計入滲量和入滲速率逐漸降低，最后趨于穩定。

擬合不同雨量條件下累計入滲量與入滲時間的關系曲線，均符合Kostiakov入滲模型，關系式可表示為：

式中：I(t)為累計入滲量，L；t為入滲時間，min；K為入滲系數；α為入滲指數。

擬合結果如表2所示。灌水量與入滲時間的相關系數R2＞0.99，擬合效果較好，系數K逐漸增大、α逐漸減小，說明隨灌水量增大，水分在土壤中入滲的能力逐漸減弱，這是因為累計入滲量，主要受土壤結構及孔隙的影響[11]，初始條件均相同的均質土壤，隨著灌水逐漸增加，使土壤孔隙逐漸減小，因此入滲能力逐漸減弱。

表2 不同雨量累計入滲量擬合參數Tab.2 Fitting parameters of cumulative infiltration of different rainfall amounts

2.2 雨量對垂向土壤含水率增量分布的影響

選取灌水前和灌水結束后24 h 的土壤含水率值，計算各水平測點處土壤含水率沿垂向的增量值的大小，分析3種雨量條件下垂向的土壤含水率增量的變化規律，研究雨量對土壤水分垂向分布的影響。

如圖5所示為雨量4、8、12 mm 條件下各土層深度土壤含水率增量值垂向變化分布。從圖中可以看出：3種雨量條件下土壤含水率增量在垂向分布變化趨勢基本一致，即土壤含水率增量在0～40 cm 土層深度范圍內，隨土層深度的增加呈先增加后減小的趨勢；在同一深度范圍內，土壤含水率增量隨雨量的增加逐漸增加，雨量越大，土壤含水率增量則就越大。0～10 cm 的深度范圍內，3種雨量條件下土壤含水率增量相差較大，雨量12 mm 條件下土壤含水率增量最大值為23.3%，8 mm 條件下土壤含水率增量最大值為18.4%，4 mm 條件下土壤含水率增量最大值為7.3%；10～30 cm的深度范圍內，土壤含水率增量呈增加趨勢，徑向15、25、35、45 cm 位置處土壤含水率增量差別較大，雨量4 mm 時，土壤含水率增量均值分別為12.8%、4.0%、0.2%、0.1%；8 mm 時，土壤含水率增量均值分別為23.3%、9.1%、3.2%、0.2%；12 mm時，土壤含水率增量均值分別為26.4%、12.9%、9.0%、2.0%，且在深度30 cm 處土壤含水率增量達到最大值；30～40 cm 的深度范圍內，三種雨量條件下土壤含水率增量均呈減小趨勢，減幅較明顯，其土壤含水率增量差值也較大，雨量12 mm 時土壤含水率增量最大差值為25.8%、8 mm 時土壤含水率增量的最大差值為23.6%、4 mm 時土壤含水率增量的最大差值為22.3%；由此可以得出雨量對垂向土壤含水率增量影響較大。

隨雨量的增加，高含水率分布區沿垂向深度逐漸增加，雨量12 mm最大土壤含水率增量深度范圍比8 mm和4 mm明顯偏大，12 mm 時，除徑向45 cm 處以外，10 cm 以下均保持較高的土壤含水率增量，尤其30 cm 深度處更加明顯，產生這種現象的主要原因是滲灌器桶身打孔位置主要在-5 ～-25 cm 處，通過將水采用軟管直接注入滲灌器，使其沿滲灌器孔壁打孔的位置向四周入滲，水分在到達滲灌器底部5 cm 處時開始出流，此位置正好對應土壤深度30 cm 處，隨滲灌器中水量的增加，重力勢逐漸增加，水分垂直向下的運移量就越大。除此之外，3種雨量條件下受距滲灌器遠近位置的影響各測點處土壤含水率增量也不同，距滲灌器越遠，土壤含水率增量越低。雨量4 mm 時徑向運移至水平測點25 cm 處土壤水分發生變化，其土壤含水率增量為4%；8 mm 時徑向運移至水平測點35 cm處，其土壤含水率增量為6%；12 mm 時徑向運移至水平測點45 cm處，此測點深度范圍內土壤含水率增量最小，為3%。

2.3 雨量對徑向土壤含水率增量分布的影響

圖6為3 種雨量條件下徑向土壤含水率增量在深度10、20、30、40 cm 土層深度的分布圖。3 種雨量條件下土壤含水率增量沿徑向的變化規律基本一致，以滲灌器為中心，逐漸向四周遞減，在距滲灌器徑向0～15 cm 的范圍土壤含水率增量達到了最大值。隨徑向距離的增加，土壤含水率增量逐漸減小，這是因為距滲灌器越遠土壤水吸力和基質勢的吸附作用越來越弱。在徑向15 cm 測點處土壤含水率增量值最大，最大土壤含水率增量分別為22.3%、28.6%、28.9%；距滲灌器最遠的測點45 cm 處土壤含水率增量最小，其中雨量4 mm 和8 mm時此測點土壤含水率增量為零，表明這兩種雨量條件下，水分未運移至水平45 cm 處，因此本試驗研究認為雨量4 mm和8 mm對土壤水分水平運移距離影響不大。

分析圖6可以看出，3 種雨量條件下，在各土壤深度范圍內，隨雨量增加，徑向土壤含水率增量相應增加，尤其在距滲灌器水平距離15 cm 處最為明顯。由于滲灌器埋在土層中，頂邊與土壤表層齊平，水分沿打孔區開始不斷的出流向四周擴散，在重力勢和基質勢的共同作用下，此入滲方式對地表附近的水分含量影響較小，而對深度20、30、40 cm 的水分影響較大，在20～40 cm 的深度處土壤含水率增量明顯較深度10 cm處高。

2.4 雨量對土壤水分再分布的影響

為研究3種雨量條件下灌水結束時及之后的土壤含水率在垂向和徑向的再分布規律，以滲灌器所在位置的坐標（0，-30）為原點，規定豎直向下為負，采用surfer 軟件繪制3 種雨量結束時[圖7(a)]、灌水結束1 d[圖7(b)]、灌水結束3 d[圖7(c)]的土壤含水率等值線分布圖，X和Z軸的物理意義是距滲灌器的徑向距離與垂向深度。

如圖7所示，可以看出灌水剛結束時，滲灌器附近土壤含水率較高，以滲灌器為中心含水率逐漸向四周遞減，且濕潤體的范圍隨雨量的增加而擴大。12 mm雨量的濕潤范圍明顯高于4 mm 和8 mm，水分主要集中在垂向15～40 cm、徑向0～20 cm，最大土壤含水率為46%，幾乎接近飽和含水率；8 mm時，水分主要集中在垂向20～30 cm、徑向0～20 cm，最大土壤含水率值為44%；4 mm 時，水分主要集中在垂向25～30 cm、徑向5～10 cm，最大土壤含水率值為38%，較降雨量12 mm、8 mm低8%和6%。

灌水結束后1 d 和3 d 的含水率等值線逐漸稀疏，土壤濕潤體大致呈半橢球狀分布，重心向下。土壤含水率隨降雨量增加在垂向的運移距離較徑向大，這主要是受水勢梯度的影響，水分必然由水勢高的地方向水勢低的地方運移，高含水率區水分減少的同時，四周的土壤水分由原來的狀態有所提高，于是此處的土壤含水率又向更低的含水率區運移，對土壤中水分進行重新分配。隨著時間推移，水勢梯度逐漸減小，水分含量變化逐漸減小趨于穩定。

3 討 論

水資源短缺是長期制約寧南山區經濟林發展的瓶頸，本文主要針對寧南山區水資源“量少、分散、質差、蒸滲損失大、利用效率低”等特點，在400 mm 左右降水地區，為挖掘降水資源潛力，通過安裝自主研發的一種新型降雨集流滲灌裝置對旱地經濟林實施根部補水，由于集流滲灌系統尚處于初級階段，因此開展室內集流滲灌系統的土壤水分運移研究，對干旱地區經濟林小降雨高效利用具有很強的針對性和現實意義。

集流滲灌裝置條件下，隨土層的增加土壤含水率增量呈先增加后減小的趨勢，距離滲灌器越近土壤含水率增量越高，且在深度10～40 cm處土壤含水率增量較0～10 cm處高，這一結論與錢志豪[12]進行點源滴灌研究結果相似。以旱區5 a 紅梅杏為例，其主要根系分布在垂向20～60 cm 深度范圍，通過集流滲灌系統收集小降雨，提高此深度范圍內土壤含水率，進而有效緩解紅梅杏生育期缺水現狀，促進紅梅杏生長和產出。

3 種雨量條件下，灌水結束后5 d 水分經再分布，從整體可以看出：垂向20～40 cm及徑向0～20 cm的分布范圍內土壤含水率基本達到田間持水率，認為此范圍屬于水分高含水率區，這與孫媛等[13]人降雨再分布的研究結果相似。對于旱地經濟林，這一范圍深度內根系分布較多，且是根部主要吸收水分的區域，對于其生長環境最為有利，同時可以從局部改善生態環境。

本試驗中4 mm 和8 mm 的雨量通過集流滲灌裝置都會引起深度40 cm 處的土壤含水率發生變化，表明集流滲灌裝置可用于寧夏南部干旱地區，使得該地區小降雨量得到有效利用，避免傳統小降雨無法入滲到經濟林根部區域而蒸發損失。

4 結 論

通過集流滲灌裝置室內土箱試驗研究，得出以下結論：

（1）3種雨量條件下：累積入滲量隨入滲時間的延長而逐漸增大，入滲速率隨著入滲時間的延長而逐漸減小；累積入滲量隨入滲時間變化符合Kostiakov入滲模型，入滲過程中，K值在不斷地增加、α逐漸減小，說明隨雨量的逐漸增加，水分在土壤中入滲的能力逐漸減弱。

（2）3種雨量條件下：垂向土壤含水率增量隨深度的增加呈先增加后減小的趨勢，在30 cm 的深度處土壤含水率增量達到最大值，10 cm 的深度處土壤含水率增量最小；土壤含水率增量隨水平距離的增加而逐漸減小，在距滲灌器徑向0～15 cm 的范圍土壤含水率達到了最大值，但均未到達水平45 cm處，表明雨量對水平土壤含水率增量的影響較低。

（3）3 種雨量條件下：土壤水分經再分布得變化規律相同，濕潤體大體呈半橢球狀，重心偏向下。濕潤范圍隨雨量的增加而擴大，隨時間推移，水分逐漸向外擴散且逐漸趨于一個穩定值；濕潤體輪廓線很清晰，表明集流滲灌條件下不會造成土壤凝結，阻止土壤水分運移。