滴灌技術對不同容重綠化土壤滲透性試驗研究

陳慶斌 王素君 趙立偉

摘要：本文采用有機玻璃土柱，研究了水分在不同類型、不同容重土壤下的滲透規律。試驗研究對象為不同容重的綠化鹽堿土、綠化種植土和容器苗土壤，保持水頭恒定480分鐘。試驗結果表明，3種類型的土壤在試驗初始階段，垂直滲透速率變化較大，隨著試驗時間的延長，水分在土壤中的垂直滲透速度均逐漸變小。隨著容重的減小，水分在土壤中的垂直濕潤距離隨之增加，相同滲透時間內垂直濕潤距離呈增加趨勢。

關鍵詞：滴灌;土壤容重;滲透速率

土壤滲透性是土壤的一項重要物理參數，不僅是影響坡面徑流、土壤侵蝕發生的重要因素，同時也是合理調控土壤水分、預防季節性干旱的關鍵和基礎。因此，研究水分在土壤中的下滲速度及深度具有重要的理論和實踐意義。在滴灌系統的設計中，土壤的垂直濕潤距離是非常重要的。水分在土壤中的垂直濕潤距離必須到達植物根部區域，滿足植物正常生長的需水要求。通常情況下，滴灌系統的設計和土壤質地有很大關系。但由于濕潤體形狀是由土壤的水力特性決定的，其水力特性不僅與土壤質地有關，而且與土壤結構有關。因此，在滴灌系統的設計中，要考慮土壤結構是和土壤質地情況。

本試驗探尋水分在不同容重土壤條件下的滲透速度，水到達土層某一深度的時間，為采用滴灌方式澆灌綠地的，水到達植物根系所在土層深度的時間提供參考。

1 ?材料與方法

1.1 ?供試材料

采用80厘米高的有機玻璃土柱，供試土壤為容器苗土壤、綠化種植土，綠化鹽堿土，土壤理化指標如表1。

1.2 ?試驗設計

天津市綠化種植土土壤的容重應為 1.30克/立方厘米以下，但是大部分的城市綠地土壤的容重都高于此值。因此，根據不同土壤類型，設置不同容重梯度，測定滲透速度。

試驗所用土柱高度為80厘米、直徑14厘米，裝土高度為50厘米。根據公式計算達到試驗容重所需的土壤質量。

裝土體積：V=πr2H=7693立方厘米

裝填土壤密度：ρ=dv*（100+W）/100

裝填土壤質量：m=ρ*V

式中，V：裝土體積;W：含水率（%）;dv：設計容重;ρ：裝填土壤密度;m：裝填土壤質量。

為了保證土柱初始含水率均勻和密度均一，處理土樣經過風干、破碎和過篩（孔徑2毫米）。在準備好土樣后，先測定土的初始含水率。在有機玻璃底部墊有一層加厚無紡布，用于防止土壤顆粒流失，然后按照一定的容重和初始含水率分層裝填土樣，每5厘米裝一層。裝土時，首先要稱取每層所要填土的重量，每層裝入土后都要先整平，然后用工具夯實，使得裝入的土與該層事先標定好的線相平齊，然后用小刷子適當拋毛，以保證土體密度的均一性，在澆水時不會出現分層，避免會產生邊緣效應，然后進行下一層裝填，直到達到設計高度為止。考慮到澆水沉降，稱取土的質量不變，添加到土柱的高度可比設計高度高一些。土壤層頂部覆蓋加厚無紡布，以減少進水對土層的擾動。在有機玻璃土槽的側面貼好標尺，用來記錄濕潤鋒的變化過程。

1.3 ?試驗方法

試驗時用注射器針頭模擬滴頭，采用馬氏瓶供水保持水壓恒定，通過調節注射器和馬氏瓶進氣口和出水口的高差來控制滴頭流量。保持水頭基本恒定，使液面高度在2厘米左右。試驗開始后，分別在1分鐘、2分鐘、3分鐘、5分鐘、10分鐘、20分鐘、30分鐘、60分鐘、90分鐘、120分鐘、150分鐘、180 分鐘（若水下滲慢則延長觀察時間）記錄土柱濕潤深度，選3處點測量，并計算總用水量。

2 結果與分析

根據用水量及水下滲深度，繪制滲透速度圖，計算滲透速率。

圖1、圖2、圖3為水分在不同容重的綠化鹽堿土、綠化種植土和容器苗中的濕潤鋒運移特征。試驗持續8小時。圖1對比了1.4克/立方厘米、1.5克/立方厘米和1.6克/立方厘米容重下的綠化鹽堿土垂直濕潤距離，結果顯示，1.4克/立方厘米容重下的土壤在480分鐘內下滲的垂直距離最大，為7.03厘米。其次，1.5克/立方厘米容重下土壤下滲垂直距離為6.83厘米，1.6克/立方厘米容重下土壤下滲垂直距離最短，為5.33厘米。圖2對比了1.3克/立方厘米、1.4克/立方厘米和1.5克/立方厘米容重下的綠化種植土垂直濕潤距離。結果顯示，1.3克/立方厘米容重下的土壤在480分鐘內下滲的垂直距離最大，為19.66厘米。其次，1.4克/立方厘米容重下土壤下滲垂直距離為15.47厘米，1.6克/立方厘米容重下土壤下滲垂直距離最短，為12.97厘米。圖3對比了1.1克/立方厘米、1.2克/立方厘米和1.3克/立方厘米容重下的容器苗土壤垂直濕潤距離。結果顯示，1.1克/立方厘米容重下的土壤在480分鐘內下滲的垂直距離最大，為33.30厘米。其次，1.2克/立方厘米容重下土壤下滲垂直距離為32.20厘米，1.3克/立方厘米容重下土壤下滲垂直距離最短，為22.10厘米。

3種類型的土壤試驗初始階段的垂直滲透速率均較大，尤其在0～30分鐘以內，滲透速率變化很大。隨著試驗時間的延長，滲透速率均逐漸減小。但是隨著容重的增大，相同滲透時間內垂直濕潤距離呈減小趨勢，這是因為當土壤容重小時，孔隙度較大，滲透速率也較大，此時垂直方向滲透速率主要受重力勢和基質勢影響。由達西定律可得垂直方向的滲透速率公式。

公式1：Vh=Kh（Ψz +Ψm）

公式2：Vh=Kh（Ψz +Ψp）

式中，Vh為垂直方向滲透速率，Kh為垂直方向滲透系數，Ψz為重力勢，Ψm為基質勢，Ψp 為壓力勢。由公式1可以看出，水分在垂直方向上受力為重力勢和基質勢之和，所以水分優先沿著垂直方向滲透。隨著土壤容重的增加，孔隙度減小，水分在土壤中的滲透速率也隨之減小。當滲透速率減小到低于試驗模擬流速時，在濕潤面附近便逐漸有水分聚集，形成了飽和水帶，垂直方向上的滲透速率變為由重力勢和壓力勢控制（公式2）。在垂直方向上，由于因滲透系數減小引起的滲透速率減小，造成壓力勢增大程度不足以抵消因滲透系數減小造成的滲透速率減小程度，因此，垂直方向滲透速率隨容重增大呈減小趨勢。

3 ?結論

3種類型的土壤，在試驗初始階段，垂直滲透速率均較大，隨著試驗時間的延長，滲透速率均逐漸減小。隨著容重的增大，水分在土壤中的垂直濕潤距離隨之增加，相同滲透時間內垂直濕潤距離呈減小趨勢。

基金項目：天津市互聯網跨界融合創新科技重大專項（18ZXRHNC00120）。

天津市規劃和自然資源局2019年規劃和自然資源系統科研項目（ML2019-HP-F161）。

作者簡介：陳慶斌（1986-），男，副高級工程師。從事土壤退化研究及治理工作。