唐士劼，竇超銀

(揚州大學(xué)水利與能源動力工程學(xué)院，江蘇 揚州 225009)

土壤濕潤鋒分布一方面可以反映灌溉水量是否滿足灌溉要求，另一方面可以反映灌溉質(zhì)量，其運動規(guī)律是灌溉管理的理論基礎(chǔ)。不同灌溉技術(shù)因濕潤土壤的方式不同，濕潤鋒運移規(guī)律存在明顯差異，而同一灌溉技術(shù)條件下，因土壤理化性質(zhì)和灌溉參數(shù)的變化，濕潤鋒運移也不一致。滴灌是目前最先進的節(jié)水灌溉技術(shù)之一，可根據(jù)作物需水特性定時定量補充灌溉，滴灌濕潤體和主要根系分布區(qū)域的一致性是提高灌溉水利用效率的基礎(chǔ)[1]，因此，研究滴灌濕潤鋒運移規(guī)律對調(diào)控濕潤體形狀，充分發(fā)揮滴灌的技術(shù)優(yōu)勢具有重要意義。

一般來說，滴灌水分進入土壤后，根據(jù)水平和垂直擴散特征可將移動過程分為3個階段：等速移動階段、不等速階段和垂直擴散階段[2]，各階段土壤水分運動受灌水時間、滴頭流量、灌水量、土壤初始含水量、土壤質(zhì)地等因素的影響[3]，如水平/垂直濕潤鋒運移距離與時間有良好的冪函數(shù)關(guān)系[4-6]；濕潤半徑隨灌水量增加而擴展[7]；高初始含水量促進水分垂直入滲，減小水分水平擴散等等[8]。當?shù)貐^(qū)和種植作物確定時，土質(zhì)、適宜灌溉下限和灌水定額相對穩(wěn)定，滴頭流量是影響土壤濕潤鋒運移的主要因素[9]，隨著滴頭流量的增加，水平/垂直濕潤鋒運移距離不同程度的增大[5,10]，但也有研究認為濕潤鋒運移距離與滴頭流量間沒有明顯的關(guān)系[11]，這主要由于不同地區(qū)土質(zhì)差異導(dǎo)致。

風沙土是一種發(fā)育于風成沙性母質(zhì)的土壤，土壤貧瘠且保水保肥性差，生產(chǎn)率低，現(xiàn)有研究表明沙土滴灌能夠為作物提供良好的生長環(huán)境[12]，對土壤肥力質(zhì)量起著明顯的正向貢獻[13]，即滴灌水肥調(diào)控技術(shù)可作為風沙土可持續(xù)利用的有效途徑。但在生產(chǎn)實踐中，由于缺乏基礎(chǔ)研究，目前風沙土滴灌工程布置和灌溉管理多參考其他類型土壤，未能充分發(fā)揮滴灌技術(shù)優(yōu)勢。因此，本文以風沙土滴灌試驗為基礎(chǔ)，通過對滴灌過程中濕潤鋒隨時間的變化進行分析，研究風沙土滴灌水分運移規(guī)律，從而為滴灌技術(shù)的合理應(yīng)用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗在遼寧省水科院阿爾鄉(xiāng)沙漠生態(tài)園內(nèi)進行，試驗園位于遼寧省彰武縣北甸子村(E122°23′，N42°50′)，地處科爾沁沙地南緣，屬于溫帶半干旱季風氣候區(qū)，其主要特征是干燥，風沙大。多年平均降雨量412 mm，降水量年內(nèi)分布不均，夏季降水量占全年降水量的60%～70%；多年平均蒸發(fā)量1 781 mm；年平均氣溫6.1 ℃，平均風速3.7～4.2 m/s，最大瞬時風速達24 m/s，沙塵暴天氣10～15 d；植物生長期145～150 d，無霜期154 d。試驗區(qū)土壤主要為流動風沙土，干容重1.54 g/cm3，田間持水量為6.3%，凋萎含水量為1.7%。土壤機械組成以細沙為主，占70%，物理性黏粒和粗沙很少；有機質(zhì)含量為0.66 g/kg。

1.2 供試材料與試驗設(shè)計

試驗于2017年7-9月進行，選用試驗站表層0～30 cm土層風沙土，風干后用2 mm篩子過篩，按容重1.54 g/cm3分層每隔10 cm一層裝入有機玻璃土箱。試驗有機玻璃土箱規(guī)格為60 cm×40 cm×90 cm(長×寬×高)，厚10 mm，每隔10 cm布置一個小孔用于取土，垂直方向第一個孔位于距離頂端10 cm處，水平方向位于距離邊緣5 cm處，試驗時用膠塞將孔堵??；試驗用自制馬氏瓶供水，保持恒定水頭的條件下，調(diào)節(jié)開關(guān)的開度來控制滴頭流量(圖1)。灌水量以玉米大壟雙行(寬行距0.8 m，窄行距0.4 m)膜下滴灌單次灌水定額(30 mm)為參考，單滴頭灌水量約8.5 L。

圖1 試驗裝置示意圖(單位：cm)

試驗以滴頭布置形式和滴頭流量為試驗因素，其中滴頭布置分單點源和雙點源滴灌試驗，滴頭流量設(shè)1.7、2.0、3.0、4.0 L/h 4個水平，共8個處理，每個處理重復(fù)3次，計24次試驗。

試驗開始前，將流量調(diào)至設(shè)計流量，待流量穩(wěn)定后，把針頭放在土箱的直角處，雙點源試驗則把兩個針頭分別放在土箱40 cm窄面兩端的直角處。開始入滲后，用秒表開始計時，依據(jù)先密后疏的原則，在試驗土箱的外壁上畫出相應(yīng)時刻的濕潤鋒。整個滴灌試驗結(jié)束后，將濕潤鋒圖形繪制成CAD圖。試驗過程中，每隔0.5 h記錄瓶內(nèi)水面下降的高度，通過計算灌溉水量校核滴頭流量。灌水結(jié)束后，立即用內(nèi)壁直徑為2 cm的土鉆取土用烘干法測土壤含水率。

試驗常規(guī)數(shù)據(jù)整理由Excel2010完成，等值線圖通過Surfer8.0繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 單點源滴灌土壤水分運動特征

2.1.1 單點源滴灌濕潤鋒運移距離

不同滴頭流量處理濕潤鋒水平運移距離隨時間和灌水量的變化如圖2所示。各處理濕潤鋒水平距離均隨灌溉時間或灌溉水量的增加而增大，灌溉初始階段，水平運移距離迅速增大，約20 min后，水平距離變化趨于緩慢；濕潤鋒運移速度均隨灌溉時間的增加而持續(xù)減小，在灌溉初始的10 min內(nèi)，下降迅速，20 min后速度變化緩慢，趨于穩(wěn)定。不同滴頭流量處理之間，當灌水時間相同時，水平濕潤距離隨著滴頭流量的增大而增大，如在灌水的第10 min，4.0 L/h處理水平運移距離較3.0、2.0和1.7 L/h處理遠25.4%、43.3%和62.1%，30 min時分別遠16.0%、21.2%和28.6%，120 min時分別遠5.4%、16.5%和28.6%[見圖2(a)]。當灌溉水量相同時，各處理水平運移距離相近；且隨著灌水量的增加，處理之間的差異越來越小，如在灌溉240、360和510 L時，各處理之間水平運移距離最大值與最小值相差25.2、19.0和7.8 mm，變幅分別為13.1%、8.2%和3.2%[見圖2(b)]。試驗結(jié)果表明在灌水過程中，大流量滴頭短時間內(nèi)較小流量滴頭可濕潤更遠的距離，但灌水量相同時，小流量滴頭灌水時間長，濕潤鋒在水平方向持續(xù)運動，最終水平運移距離與大流量滴頭相近。

圖2 不同滴頭流量濕潤峰水平距離變化

圖3 不同滴頭流量濕潤峰垂直入滲深度變化

濕潤鋒垂直入滲深度變化特征與濕潤鋒水平方向距離變化特征相似，隨著灌水時間或灌水量的增加，濕潤鋒垂直入滲深度持續(xù)增大，不同滴頭流量條件下入滲深度變化趨勢一致(圖3)。不同處理之間，入滲時間相同時，在灌水初期差異不明顯，隨著灌溉時間的增加，入滲深度隨著滴頭流量的增大而增大，且差異逐漸明顯，在灌水8～120 min，2.0、3.0和4.0 L/h處理分別較1.7 L/h處理深10%～20%、40%～50%和50%～60%[見圖3(a)]。在灌水量相同時，少量灌溉(如灌水量小于5 L)不同流量處理入滲深度相近，隨著灌水量增加，滴頭流量2.0、3.0和4.0 L/h處理之間差異仍不明顯，但均大于1.7 L/h處理，深出15%～20%[見圖3(b)]。即試驗表明大流量滴頭濕潤土層深度較小流量滴頭深。

2.1.2 單點源滴灌濕潤鋒運移速度

不同滴頭流量處理濕潤鋒水平和垂直方向濕潤鋒運移速度隨時間變化如圖4所示。試驗表明，水平和垂直方向濕潤鋒運移速度均隨著灌水時間的增加而減小，灌水開始時，水平運移速度達到30～45 mm/min，垂直入滲速度約23～36 mm/min；在灌水開始后短時間內(nèi)運移速度即迅速下降，4 min時水平方向和垂直方向運移速度均下降70%以上，20 min時下降90%以上；20 min后水平和垂直方向運移速度低于2 mm/min并持續(xù)緩慢減小，120 min時運移速度低于1 mm/min。不同滴頭流量處理之間，在灌溉開始時，滴頭流量越大，水平和垂直方向濕潤鋒運移速度越大，如4.0 L/h處理分別較1.7 L/h處理快53.5%和42.2%；隨著灌水的進行，處理之間差異越來越小，但大流量滴頭濕潤鋒在各方向運移速度仍大于小流量滴頭。結(jié)合圖2可知，盡管滴頭流量在灌水初始階段對濕潤鋒運移速度影響較大，但由于時間短，對濕潤鋒運移距離的影響較小，而運移速度相對穩(wěn)定后，雖然不同滴頭流量處理濕潤鋒運移速度差異較小，但在長時間累積作用下，大流量滴頭增大了濕潤鋒的運移距離。

圖4 不同滴頭流量濕潤峰運移速度隨時間的變化

2.2 雙點源滴灌土壤水分運動特征

雙點源滴灌條件下濕潤鋒在交匯前運動特征與單點源一致。交匯時，水平方向濕潤鋒在兩滴頭中間位置相交，隨后，交點持續(xù)下移；灌水結(jié)束時，交點在垂直方向的位置與濕潤鋒垂直入滲深度接近，即濕潤區(qū)域形狀接近于長方形[6]。

2.2.1 交匯時間與交匯時灌水量

治療后，觀察組和對照2組的臨床治療總有效率均顯著高于對照1組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）；觀察組的臨床治療總有效率顯著高于對照2組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。見表2。

不同滴頭流量處理濕潤鋒交匯時間如圖5所示，1.7 L/h處理濕潤鋒交匯所需時間最長，在灌水后102 min發(fā)生交匯；2.0和3.0 L/h處理用時接近，用時較1.7 L/h處理少30%；4.0 L/h處理交匯時間最短，僅58 min，為1.7 L/h處理所需時間的57%，回歸分析表明濕潤鋒交匯時間與滴頭流量有較好的冪函數(shù)關(guān)系，這說明交匯所需時間隨著滴頭流量的增大而減小，在滴頭流量較小時作用更為明顯，少量增加即造成交匯時間的顯著減小。圖5為濕潤鋒交匯時各處理單滴頭灌水量，1.7 L/h處理濕潤鋒交匯所灌水量最小，交匯時灌水量2.89 L；2.0、3.0和4.0 L/h處理灌水量分別高出2.4%、22.8%和33.8%，在試驗設(shè)置的滴頭流量范圍內(nèi)，濕潤鋒交匯時灌水量與滴頭流量線性正相關(guān)，回歸系數(shù)達0.98，即交匯所需的灌水量隨著滴頭流量的增加而增加。

圖5 交匯發(fā)生時間與交匯時灌水量

2.2.2 交匯濕潤鋒運移速度與濕潤面積

濕潤峰交匯后，交匯處土壤濕潤體在垂直方向的運移速度如圖6所示，濕潤體交匯后，交匯處土壤濕潤體在垂直方向的運移速度大幅加快，在交匯前濕潤體垂直入滲速度已降至2.0 mm/min以下，而在交匯后的1 h內(nèi)，各種不同流量交匯處垂直濕潤峰的平均運移速度都大于4.0 mm/min。隨著處理的滴頭流量增大，交匯后濕潤峰運移速度會隨之增大，3.0 L/h流量組的平均運移速度是1.7 L/h小流量組的大約2倍；但滴頭流量進一步增大后，濕潤峰運移速度反減小，4.0 L/h流量處理速度較3.0 L/h處理下降13.4%。由于雙點源滴灌交匯后交匯處垂直濕潤峰的迅速下移，濕潤體很快呈現(xiàn)近似長方形，各處理在灌水結(jié)束時濕潤體面積如圖6所示，當?shù)晤^流量在1.7～3 L/h時，濕潤面積約為0.12 m2，當?shù)晤^流量4 L/h時，濕潤面積明顯減小，約為0.1 m2，較3.0 L/h處理時面積減少16.8%，這可能是由于雙點源滴灌灌水量相同時，大流量滴頭灌溉時間短，垂直入滲深度小，而水平方向濕潤鋒在交匯后濕潤長度相同導(dǎo)致的。

圖6 交匯處濕潤鋒運移速度和濕潤面積

2.2.3 滴頭流量對雙點源滴灌土壤含水量分布的影響

雙點源滴灌各處理灌水結(jié)束時土壤含水量空間分布如圖7所示，土壤含水量自滴頭正下方徑向減小，1.7、2.0組與3.0 L/h流量處理均從近滴頭處的17%下降到最遠處不足12%，4 L/h流量處理近滴頭處土壤的含水量近20%下降到含水量不足13%。在水平方向上，0～30 cm土層土壤含水量均值隨著距兩側(cè)滴頭水平距離的增大而減小，如4 L/h流量處理，左右側(cè)滴頭水平距離5 cm處，土壤含水量分別為17.38%和16.95%，15 cm處，土壤含水量分別為14.0%和14.2%。在垂直方向，隨著土層深度增加，各層土壤含水量均值逐漸減小，如以1.7 L/h流量處理，5 cm深處，土壤含水量均值為15.58%，15和25 cm處分別減小了8.2%和15.2%。

圖7 不同滴頭流量土壤含水量分布圖

不同滴頭流量處理土壤含水量分布表明，隨著滴頭流量的增大，滴頭正下方同一位置土壤的含水量有增大的趨勢。如在距左側(cè)滴頭水平距離5 cm，深15 cm處，1.7 L/h處理含水量為14.8%，2.0 L/h處理的含水量為15.10%，3.0 L/h處理的含水量為16.0%，4.0 L/h處理的含水量為17.1%；在兩滴頭中間位置，各處理土壤含水量相近，均為12%～14%；因此，從圖7可以明顯看出隨著滴頭流量的增大，滴頭下方含水量等值線密度增加，即徑向梯度增大；變異系數(shù)計算結(jié)果表明滴頭流量從1.7 L/h到4.0 L/h 4個處理分別為13.4%、13.0%、13.8%和17.2%，滴頭流量的增大增加了土壤含水量空間分布的不均勻性。

3 討 論

滴灌條件下土壤水分運動規(guī)律是滴灌工程設(shè)計的理論依據(jù)，一般來說，沙性土壤保水保肥性差，深層滲漏明顯，濕潤鋒水分運動主要以垂直下滲為主，水平擴散弱，濕潤鋒深寬比大[13]。本試驗中，風沙土滴灌條件下水平濕潤鋒運動距離約25 cm，垂直入滲深度25～30 cm，如果在工程設(shè)計時，滴灌灌水器的選擇和布置參數(shù)參考其他類型土壤的工程經(jīng)驗，灌溉效果將受到影響。如試驗站周邊地區(qū)近年來主推的膜下滴灌大壟雙行技術(shù)模式，單條滴灌帶灌溉兩行玉米，玉米距離滴灌帶20 cm；土壤水分分布與作物根系分布不一致，導(dǎo)致應(yīng)用效果遠低于其他“節(jié)水增糧”項目區(qū)[14]。

增加入滲點源從根本上改變了滴灌土壤水分水平運動過程，已有研究結(jié)果表明多點源滴灌條件下土壤水分運動在交匯前遵循單點源入滲規(guī)律，交匯后逐漸形成濕潤帶；濕潤體上部水分分布較為復(fù)雜，下部相對簡單[17]。本試驗雙點源滴灌水分運動規(guī)律與前人研究結(jié)果一致，同時，研究結(jié)果表明滴頭流量增加，只是減小了交匯發(fā)生所需的時間和交匯時的濕潤面積，當灌水量相同時，濕潤面積并沒有增加，而是增加滴頭附近各節(jié)點的含水率值，尤其大流量滴頭滴灌時含水率大于飽和含水率，形成積水區(qū)，易發(fā)生蒸發(fā)損失，且土壤透氣性差，不利于作物生長。因此風沙土種植寬行作物時，滴灌帶鋪設(shè)宜采用雙管鋪設(shè)方式，且采用較小水量滴灌的方法，以增加入滲時間，提高水分分布的均勻度。

4 結(jié) 語

通過室內(nèi)物理試驗?zāi)M了不同滴頭流量條件下單點源和雙點源滴灌土壤水分運移過程，研究了濕潤鋒的運移規(guī)律，主要取得如下結(jié)論：

(1)單點源滴灌條件下，灌溉時間相同時，滴頭流量越大，濕潤鋒水平和垂直運動距離越大；灌水量相同時，大流量滴頭運移速度大，但運移時間短，小流量滴頭運移速度小，運移時間長，最終不同流量滴頭濕潤鋒水平運動距離相近，垂直方向大流量滴頭入滲較深，即滴頭流量對濕潤鋒水平運移影響較小，對水分垂直入滲有促進作用。

(2)灌水開始時，滴頭流量越大，濕潤鋒在各向運移速度越大；隨著灌水的進行，水平和垂直方向濕潤鋒運移速度均迅速下降，并趨于穩(wěn)定；運移速度相對穩(wěn)定后，雖然不同滴頭流量處理濕潤鋒運移速度差異較小，但在長時間累積作用下，大流量滴頭增大了濕潤鋒的運移距離。

(3)雙點源入滲交匯前，水分運動規(guī)律與單點源入滲規(guī)律相同；滴頭流量越大，兩側(cè)濕潤體交匯所需的時間就越短，交匯處濕潤鋒的運動速度越快；滴頭流量較小時，水分運動時間越長，交匯所需的灌水量越小，相同灌水量時濕潤面積越大。

(4)雙點源滴灌灌水結(jié)束時土壤含水量自滴頭正下方徑向減?。浑S著滴頭流量的增大，滴頭正下方同一位置土壤的含水量有增大的趨勢，兩滴頭中間位置土壤含水量受滴頭流量影響較??；大流量滴頭土壤含水量徑向變化較大，空間分布不均勻。