不同初始含水率下風沙土地下滲灌水分運移特性研究

馬宏秀，孫 權*，魯海濤，馬文禮，蔣 鵬，張曉娟，蔡嶄紅，賈登成

（1.寧夏大學 農學院，銀川 750021；2.寧夏農墾農林牧技術推廣服務中心，銀川 750011；3.寧夏農墾國營簡泉農場，寧夏 石嘴山 753299）

0 引 言

【研究意義】西北地區雖然光熱資源豐富，農業生產潛力巨大，但因缺水且缺乏養分，僅在有水源灌溉的區域零星分布著綠洲農業區。地下滲灌是一種地下微灌形式，是指在低液壓條件下，使灌溉水（含可溶性養分）通過埋設在每株作物根系范圍內的滲水管道，其管壁上分布有均勻的微孔，水分由內向外呈發汗狀滲出，以滴滲方式濕潤作物根系層周圍土壤，即直接向每株作物根系適時適量地供水、供養的一種節水增產的灌溉技術方法[1]。該技術比地表滴灌更進一步減少了水分蒸發與肥料運移的損失，達到良好的節水、節肥效果，從而對干旱半干旱地區水肥資源的高效利用更具有現實意義。

【研究進展】土壤入滲是土壤水分的形成、轉化與消耗的動態變化過程[2]，涉及土壤水分再分布、蒸發以及離子遷移等多方面[3]。土壤水分入滲受土壤體積質量、孔隙度等影響較大[4-5]，其中，土壤初始含水率作為重要的土壤物理性質，主要通過土壤濕潤體內平均土水勢梯度來影響土壤水分入滲過程[6]。康金林等[7]通過室內模擬土柱試驗研究指出，均質紅壤入滲能力與土壤初始含水率負相關，濕潤鋒運移速率隨初始含水率的增大而增大。曾辰等[8]通過研究初始含水率對砂黃土和塿土的線源入滲特征的影響表明，2 種類型土壤的累積入滲量與初始含水率為二次函數關系。介飛龍等[9]基于HYDRUS 模型研究不同初始含水率對膜孔灌濕潤體的影響，結果表明該模型優于Kostiakov 等傳統入滲模型。然而，不同條件下初始含水率對土壤水分入滲過程影響不同，地下滲灌是一種利用土壤吸水作用發揮效能的被動供水方式且可以根據土壤初始含水率調節出水流量，因此，初始含水率對地下滲灌入滲特性有較大的影響[10]。【切入點】受地下滲灌管管材特質與承壓特性的限制，地下滲灌技術尚在初始應用階段，目前對不同初始含水率條件下地下滲灌入滲機制的研究較少。【擬解決的關鍵問題】為此，以西北主要土壤類型風沙土為對象，基于新型地下滲灌技術分析不同初始含水率條件下土壤水分入滲特征，以期為地下滲灌技術推廣提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

試驗土壤風沙土于2022 年8 月取自寧夏銀川市金鳳區良田鎮植物園二村，取土深度為0～30 cm，將取得不同土層深度土壤自然風干后，清除雜質，均勻混合，過2 mm 篩備用。土壤基本物理性質見表1。

表1 供試土壤物理性質Table 1 Physical properties of the soil tested

試驗前按設計含水率（質量含水率）加水，混合均勻后用塑料布覆蓋靜置24 h，次日開展入滲試驗，待土壤水分分布均勻后，按照設計土壤體積質量1.47 g/cm3，每5 cm 為1 層分層裝入試驗土箱。

1.2 試驗材料和裝置

試驗所用滲灌管由南京德水節能科技有限公司提供，其主要參數為：內徑13 mm，壁厚1.5 mm，外表面布滿微孔，工作運行壓力0.06 MPa，穩定壓力下額定流量為6 L/（h·m）。

試驗裝置由土箱和供水裝置組成（圖1），試驗土箱為1 cm 厚有機玻璃制成，箱體規格為200 cm×200 cm×100 cm（長×寬×高），其底部均勻分布有直徑0.2 cm 的小孔便于通氣。供水裝置主要由供水箱、回水箱、水泵、壓力表、流量計等組成。土層總高度100 cm，滲灌管埋深50 cm。為了真實模擬田間應用情況，箱內安插2 條間距為100 cm 的滲灌管，滲灌管長度與土箱長度均為200 cm，進口端連接供水系統，出口端封閉。供水箱和回水箱的箱體上標有刻度，用于測定和校核供水流量。水泵內設置電位調速器，以便調節供水壓力。

圖1 試驗裝置圖Fig.1 Diagram of the test device

1.3 試驗設計

根據前人[11]關于沙土含水率分布情況的研究，試驗設置3 個不同初始含水率水平（土壤自然風干時的含水率），分別為5.1%、11.5%、16.8%，為排除土壤水分蒸發的影響，表層用塑料膜覆蓋，每組試驗設置4 次重復，選取平均值進行數據分析。

試驗開始后，記錄不同時刻濕潤鋒的輪廓和灌水流量。在最初入滲0.5 h 內，分別在2、5、10、15、30 min 用卷尺測量出濕潤體各向濕潤鋒運移距離，0.5 h 之后每隔30 min 觀測1 次；采用L99-TWS-3 型土壤水分記錄儀測定土壤水分，將傳感器預先埋設在水平距管10、20、30、40、50 cm 處，埋設深度在10、20、30、40、60、70、80、90、100 cm 處，長期連續監測，測定前用烘干法測定含水率校正儀器。本試驗設置單次灌水量為600 m3/hm2，即連續滲灌10 h 后，停止供水。

1.4 入滲模型擬合與評價指標

本研究選取Kostiakov、Philip、Horton 和通用經驗型共4 種模型分別對入滲過程進行模擬，并對各模型擬合結果進行評價。

式中：F(t)為入滲速率（cm/min）；A和B為模型參數；t為入滲時間。

Philip 模型：

式中：S為穩定入滲率（cm/min）；V為模型參數。

Horton 模型：

式中：F0為初始入滲率（cm/min）；Fi為穩定入滲率（cm/min）；b為模型參數。

通用經驗模型：

式中：m、n、k為經驗參數。

1.5 累積入滲量擬合

選擇冪函數對累計入滲量變化進行擬合：

式中：Z為累計入滲量；K為入滲系數；a為入滲指數。

1.6 克里斯琴森均勻系數

灌溉均勻度計算式為：

式中：CU為灌溉均勻度（cm3/cm3）；θ?為濕潤體平均含水率（cm3/cm3）；θi為第i節點處土壤含水率（cm3/cm3）；N為濕潤體選取節點數。

1.7 數據處理與分析

采用Microsoft Excel 2016、Sigmaplot 12.5 軟件處理數據及制圖，運用SPSS 18 中的LSD 法進行方差分析，數據處理顯著水平為0.05。

2 結果與分析

2.1 初始含水率對濕潤鋒運移的影響

2.1.1 濕潤體形狀變化特征

為了方便觀測，以濕潤體1/2 橫剖面為研究對象。圖2 為不同初始含水率對應的濕潤鋒動態變化過程，X為水平距離，Y為土層深度，坐標原點（0，0）為滲灌管所在位置，濕潤鋒以滲灌管位置為中心向外緩慢運移。選取不同灌溉時間濕潤體水平移動半徑R，垂直向下移動距離D，垂直向上移動距離L描述濕潤體的形狀和大小。由圖2 可知，隨著初始含水率的增大，濕潤體橫剖面形狀越來越接近橢圓形，初始含水率對地下滲灌下濕潤體形狀具有較大影響。當初始含水率為5.1%時，R∶L∶D從1∶0.8∶1.2 逐漸變為1∶0.8∶1.25；初始含水率為11.5%時，R∶L∶D從1∶0.63∶1.25 逐漸變為1∶0.64∶1.22；初始含水率為16.8%時，R∶L∶D從1∶0.69∶1.48 逐漸變為1∶0.67∶1.43。隨著灌水時間的延長，不同方向的濕潤鋒運移速率無顯著差異，但隨著初始含水率的增加，濕潤鋒垂直向上的擴散速率相對降低，而垂直向下的擴散速率相對增大。

圖2 濕潤體動態分布Fig.2 Dynamic distribution of moisturites

2.1.2 濕潤鋒運移速率

圖3 為初始含水率對濕潤鋒運移速率的影響。由圖3 可知，不同初始含水率下濕潤鋒運移速率均呈下降趨勢，隨著灌水時間的增加，濕潤鋒運移速率逐漸趨于穩定。濕潤鋒在不同方向的推進速率均隨初始含水率的增大而增大，原因是在初始含水率較高的條件下，土壤較快達到飽和狀態，下滲率趨于穩定，然后在毛管水和重力水的作用下滲透移動，濕潤鋒運移速率相對較快[12]。初始含水率5.1%、11.5%、16.8%的垂直向上的平均擴散速率為1.45、1.86、2.54 cm/h，垂直向下的平均擴散速率為2.28、3.57、5.40 cm/h，水平方向的平均擴散速率為1.75、2.96、3.90 cm/h，說明初始含水率對垂直向下的運移過程影響最大，對水平方向的運移過程影響程度最小。

圖3 初始含水率對濕潤鋒運移速率的影響Fig.3 Effect of initial water content on wetting front migration rate

2.2 初始含水率對累計入滲量和入滲率的影響

由圖4 可知，在前15 min，各處理累計入滲量無明顯差異，隨著時間推移，同一時刻下初始含水率越大，累計入滲量越小，變化趨勢越平緩。為了進一步定量分析初始含水率對地下滲灌入滲性能的影響，利用式（5）對不同初始含水率累計入滲量和入滲時間進行擬合，結果見表2。由表2 可得，累計入滲量和入滲時間符合冪函數關系，隨著初始含水率的增加，入滲系數K呈減小趨勢，而入滲指數a逐漸增大，相關系數均能達到0.99 以上。

圖4 初始含水率對累計入滲量的影響Fig.4 Effect of initial water content on cumulative infiltration

表2 累計入滲量與入滲時間擬合結果Table 2 Fitting results of cumulative infiltration and infiltration time

由圖5 可知，不同初始含水率的平均入滲率隨著入滲時間的延長均呈下降趨勢，30 min 后均趨于平緩，達到穩定入滲階段。初始含水率越高，入滲速率越小，入滲曲線較為平緩，到達穩定入滲速率的時間越短。原因是隨著初始含水率的增加，入滲初期的土壤水吸力減小，平均入滲速率變化不大[13]。

圖5 初始含水率對平均入滲率的影響Fig.5 Effect of initial water content on average infiltration rate

2.3 風沙土入滲過程模型擬合

表3 為不同初始含水率的入滲模型擬合結果。由表3 可以看出，不同入滲模型對土壤入滲過程的擬合結果有所差異。Kostiakov 模型回歸結果R2為0.561～0.911，平均值為0.783，該模型在高初始含水率條件下的入滲精確度較低；采用Philip 模型回歸結果R2為0.533～0.992，平均值為0.785，S值為0～0.013，對穩定入滲速率的擬合精度不夠，且在高初始含水率條件下擬合效果較差；Horton 模型回歸結果R2為0.917～0.956，平均值為0.943，對不同處理入滲過程的模擬效果均較好；通用經驗模型中R2為0.897～0.944，平均值為0.923，參數m、n分別表征穩定入滲率和初始入滲率，參數k代表入滲速率隨時間減小的程度，可以看出，隨著初始含水率的增大，m呈增加趨勢，而n呈減小趨勢，與實測值不符。綜上可知，4 種模型中對土壤入滲過程擬合適用性較好的是Horton 模型，其次為Kostiakov 模型、Philip 模型和通用經驗模型。

表3 不同初始含水率的入滲模型擬合結果Table 3 Fitting results of infiltration models with different water content

2.4 初始含水率對濕潤體水分再分布的影響

2.4.1 對濕潤體垂直方向水分再分布的影響

灌水結束后，不同方向的濕潤鋒在滲透壓和重力勢等作用下會繼續擴散和運動[14]。如圖6 所示，坐標（0，50）點為滲灌管所在位置，初始含水率5.1%、11.5%、16.8%處理土壤含水率均隨土層深度的增加呈先增大后減小，最后趨于穩定的趨勢。在表層土壤中濕度較小，說明地下滲灌減少了土壤水分的地表蒸發，將水分儲存在深層土壤，提高了水分利用效率[15]。但同時也需要注意初始含水率過高時深層土壤中平均含水率的變化，以免發生滲漏。

圖6 初始含水率對濕潤體垂直方向水分再分布的影響Fig.6 Effect of initial water content on vertical water redistribution of humidified bodies

灌溉結束時土壤水分主要集中分布在40～70 cm處（滲灌管中心位置附近），停灌1 d 后土壤含水率集中范圍擴大為30～80 cm，停灌3 d 和停灌5 d 后土壤含水率明顯下降，遠低于田間持水率，但總體變化趨勢與停灌1 d 相似。以土層深度30～80 cm 為研究對象，利用式（6）計算濕潤土體均勻度CU，初始含水率為5.1%時，灌溉結束時、停灌1 d、停灌3 d 和停灌5 d 濕潤體內水分分布均勻度CU分別為61.00%、62.59%、56.45%、62.35%；初始含水率為11.5%時，灌溉結束時、停灌1 d、停灌3 d 和停灌5 d 濕潤體內水分分布均勻度CU分別為86.06%、89.88%、84.69%、89.27%；初始含水率為16.8%時，灌溉結束時、停灌1 d、停灌3 d 和停灌5 d 濕潤體內水分分布均勻度CU分別為91.21%、93.54%、91.65%、92.77%。故停灌1 d 后濕潤體內垂直方向含水率分布相對均勻，濕潤體特征可作為田間指導灌水的主要依據。

2.4.2 對濕潤體水平方向水分再分布的影響

圖7 為初始含水率對濕潤體水平方向水分再分布的影響。由圖7 可知，隨著水平距離的增加，土壤停灌時與停灌結束后的含水率均呈先減小后趨于穩定的趨勢。不同初始含水率條件下，濕潤體水平方向水分主要集中在距管0～25 cm 處，在初始含水率為5.1%的水平方向25～35 cm 處，再分布后的土壤含水率大于灌溉結束時，初始含水率為11.5%、16.8%處理的土壤含水率隨著停灌時間的延長整體呈減小趨勢。這主要是由于風沙土質地粗、孔徑大，當土壤含水率低于土壤有效水階段時，濕潤鋒仍將不斷運動，促進了水分的水平運移。

圖7 初始含水率對濕潤體水平方向水分再分布的影響Fig.7 Effect of initial water content on water redistribution in the horizontal direction of wet body

以水平距管0～25 cm 為研究對象，用式（6）計算不同初始含水率條件下濕潤體水平方向水分分布均勻度可得，初始含水率為5.1%時，灌溉結束時、停灌1 d、停灌3 d 和停灌5 d 濕潤體內水分分布均勻度分別為62.85%、71.88%、69.32%、70.21%；初始含水率為11.5%時，灌溉結束時、停灌1 d、停灌3 d和停灌5 d 濕潤體內水分分布均勻度分別為94.82%、96.48%、95.39%、94.94%；初始含水率為16.8%時，灌溉結束時、停灌1 d、停灌3 d 和停灌5 d 濕潤體內水分分布均勻度分別為96.38%、97.31%、97.22%、95.96%。故濕潤體內水平方向土壤含水率分布同樣在停灌1 d 后相對均勻，濕潤體特征可作為田間指導灌水的主要依據。

綜上可知，停灌1 d 后濕潤體內垂直方向和水平方向含水率分布相對均勻，為了進一步探究不同初始含水率對地下滲灌管埋深和間距的影響，對比此階段含水率數值與土壤有效含水率（田間持水率的65%），可知，隨著初始含水率的增大，滲灌管適宜埋深與間距也在增大。其中，風沙土在初始含水率為5.1%時，滲灌管適宜埋深應小于10 cm，管間距應小于30 cm；初始含水率為11.5%時，滲灌管適宜埋深應小于20 cm，管間距應小于60 cm；在初始含水率為16.8%時，滲灌管適宜埋深應小于30 cm，管間距應小于90 cm，以保障作物正常生長。

3 討 論

本研究發現，風沙土地下滲灌下濕潤體形狀近似滲灌管為中心的橢圓形，初始含水率對濕潤體形狀的影響較大。這與張俊等[16]研究結果不同，這可能是由于地下滲灌與微潤灌不同，地下滲灌屬于管道式線源灌溉，管壁滲水孔較多，當初始含水率大于土壤入滲能力時，容易產生積水，使得重力勢及滲灌管側面與土壤作用力變大，濕潤鋒在不同方向的推進速率隨初始含水率增大而增大，且向下運移速率大于向上和水平方向，因此形成左右截距相同、上下截距不同的橢圓體。本研究發現隨著初始含水率的增大，地下滲灌累計入滲量和入滲速率變小。康金林等[17]研究不同初始含水率條件下對均質紅壤水分入滲規律影響也得到相同結論，主要原因是其他條件一致時，初始含水率越高，入滲初期的土壤水吸力越弱，加上水分的持續輸入，土壤含水率逐漸增大，土壤孔隙度減小，相同時間內的入滲率和累積入滲量也就越低。

本研究采用4 種入滲模型對風沙土入滲過程進行擬合，并表明Kostiakov 模型回歸結果R2均值為0.783，對風沙土高初始含水率條件下的擬合效果較差。Philip 模型對均質土壤垂直入滲的適宜性較好[18-19]，而本試驗采用Philip 模型進行擬合，發現對穩定入滲速率和高初始含水率條件下的擬合精度不夠。曾辰等[8]認為Philip 入滲模型能夠較好地描述不同初始含水率條件下砂黃土和塿土的入滲過程。而其試驗結果與本研究不同的原因是二者灌溉裝置與土壤質地不同，地下滲灌原理與其他種類灌水器差異較大。Horton 模型回歸結果R2均值在4 個模型中最高，對不同初始含水率下風沙土水分入滲均有較好的適用性。通用經驗模型中初始含水率與穩定入滲率成正比，與初始入滲率成反比，這與實測數據不一致。綜合分析評價，Horton 模型更適用于擬合地下滲灌風沙土水分入滲特征。

根據灌水結束后濕潤體水分分布情況表明土壤水分主要集中分布在垂直方向40～70 cm 范圍，水平方向0～25 cm 范圍，即土壤水分變化率范圍集中在滲灌管位置附近，繼而向四周逐步擴散，距離滲灌管出水孔位置越遠，水勢梯度增大，土壤含水率不斷減小[20]。灌水均勻度是評價灌水質量的重要指標，也是灌溉系統設計的關鍵參數[21]。本研究發現在濕潤體垂直方向和水平方向，不同處理均在停灌1 d 后含水率分布相對均勻，這與劉顯等[22]研究結果一致，再分布1 d 后濕潤體特征可作為田間指導灌水的主要依據。但再分布后水分主要集中分布在30～80 cm 處，需注意初始含水率過高造成水分深層滲漏和蒸發損失[23]。楊明達[24]通過HYDRUS-2D 模型模擬及田間試驗表明，風沙土條件下滴灌帶埋深30 cm，間距60 cm 是冬小麥-夏玉米的最佳布設參數。焦炳忠[25]研究認為，砂質土條件下地下滲灌灌水器埋深大于30 cm 后，會存在滲漏現象。本研究中不同初始含水率對地下滲灌管埋深和間距有較大的影響，通過對水分再分布后土壤含水率數值的分析可以得出，初始含水率為5.1%、11.5%、16.8%時，滲灌管適宜埋深應分別小于10、20、30 cm，管間距應分別小于30、60、90 cm。在實際應用中，地下滲灌管布設參數的選擇還需要根據土壤質地、作物需水規律等實際情況綜合考慮。

本文采用土箱模擬試驗對不同初始含水率下風沙土入滲特性進行研究，闡明了風沙土入滲過程，但未對不同質地土壤及作物進行系統研究，后續還需要繼續探討影響地下滲灌土壤水分入滲的其他因素，為干旱半干旱地區地下滲灌技術的實際應用與推廣提供理論依據。

4 結 論

1）地下滲灌下濕潤體形狀近似橢圓形，并隨著初始含水率的增大，形狀特征越明顯。濕潤鋒在不同方向的推進速率與初始含水率正相關。

2）同一時刻下初始含水率越大，累計入滲量和入滲速率越小，累積入滲量和入滲時間符合冪函數關系，入滲系數與初始含水率負相關，入滲指數與初始含水率正相關。

3）與Kostiakov 模型、Philip 模型和通用經驗模型相比，Horton 模型對不同初始含水率下風沙土入滲過程擬合效果較好。

4）不同初始含水率對風沙土地下滲灌管埋深和間距有較大的影響，初始含水率為5.1%、11.5%、16.8%時，滲灌管適宜埋深應分別小于10、20、30 cm，滲灌管間距應分別小于30、60、90 cm，即風沙土濕度越大，滲灌管埋深越深，滲灌管間距可相應增大。

（作者聲明本文無實際或潛在的利益沖突）