房云杰，李援農(nóng)，陳朋朋，黃 鵬，方 恒，楊金宇，楊 靖

(西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點試驗室，陜西 楊凌 712100)

地膜覆蓋種植技術(shù)具有保溫保墑、節(jié)水抑鹽、改善土壤水肥氣熱等條件、促進作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)[1-3]、提高作物品質(zhì)[4]等優(yōu)點，是我國主要的種植模式之一，特別是將滴灌技術(shù)與覆膜種植相結(jié)合的膜下滴灌技術(shù)近些年來在我國北方干旱地區(qū)呈現(xiàn)出飛躍式發(fā)展。隨著農(nóng)膜的大量使用，農(nóng)膜殘留造成的“白色污染”問題卻越來越嚴重[5]。然而農(nóng)膜的成分是一種分子結(jié)構(gòu)異常穩(wěn)定的聚乙烯材料，難以在自然條件下進行降解，故隨著殘膜逐年積累，不僅會影響土壤物理特性、土壤透氣性[6]，而且會對土壤水分入滲過程產(chǎn)生影響，最終降低作物產(chǎn)量[7]。

近年來，在殘膜污染對滴灌條件下土壤水分入滲的影響方面，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究。李元橋等[8]研究發(fā)現(xiàn)殘膜會阻礙土壤濕潤鋒運移，濕潤鋒在0～10和10～20 cm土層之間存在明顯差異，且殘膜能夠增加土壤穩(wěn)定入滲率和濕潤比；王志超等[9]發(fā)現(xiàn)隨著殘膜埋深的增加，土體內(nèi)最高含水率增加，濕潤體縮小，不同滴頭流量處理下殘膜埋深對入滲的影響相似；李仙岳等[10]研究發(fā)現(xiàn)濕潤鋒運移距離和濕潤體均隨殘膜量增加而減小，且通過貝葉斯分析得出入滲速率的不確定性增加。同時，在地表點源及線源濕潤體特性方面，國內(nèi)外學(xué)者也進行了大量研究。李明思等[11]通過等效圓柱濕潤體模型，分析模型中各因子隨滴頭流量的變化情況，同時建立了點源滴灌滴頭流量的數(shù)學(xué)模型 ；曾辰等[12]通過設(shè)計一種垂直線源灌水器，結(jié)合室內(nèi)土箱試驗，研究了不同初始含水率條件下2種土壤的垂直線源入滲特征；趙文舉等[13]以室內(nèi)模擬土槽試驗，研究了滴灌條件下容重對壓砂土壤水分入滲規(guī)律的影響；Cote等[14]通過Hydrus-2D軟件，研究了地下滴灌條件下土壤水分及溶質(zhì)的運移情況；胡和平等[15]在地表滴灌條件下，運用SWMS-2D模型對滴頭流量、土壤初始含水率和飽和導(dǎo)水率等多種濕潤體運移情況進行模擬分析，同時建立了土壤濕潤體運移的經(jīng)驗方程。

然而，目前對于含殘膜污染的農(nóng)田在應(yīng)用滴灌時，不同條件下入滲濕潤體特性的變化規(guī)律研究甚少。僅有張振華[16]、孫海燕等[17]研究了不同因素對滴灌土壤濕潤體的影響，但土壤中并未摻雜殘膜。本文以室內(nèi)模擬試驗為基礎(chǔ)，選取不同土壤初始含水率、土壤容重和滴頭流量等因素進行研究，試圖建立不同條件下含殘膜土壤滴灌入滲過程濕潤體運移的預(yù)測模型，為含有殘膜污染的農(nóng)田應(yīng)用滴灌灌水技術(shù)時提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與裝置

試驗在西北農(nóng)林科技大學(xué)教育部旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程重點實驗室進行。供試土壤取自試驗站大田表層土壤，質(zhì)地為壤質(zhì)黏土，基本理化性質(zhì)見表1。土壤先去除大粒徑雜質(zhì)，經(jīng)自然風(fēng)干、碾壓后過2 mm篩，制備成試驗土樣。供試地膜為陜西楊凌瑞豐環(huán)?？萍加邢薰旧a(chǎn)，為無色透明的全生物降解膜，厚度為0.008 mm，斷裂標(biāo)稱應(yīng)變≥300 N，直角撕裂負荷≥1.4 N，總灰分≤0.5%，拉伸負荷≤2.7 N，拉伸負荷較低，模擬田間易破碎殘膜。

表1 土壤基本理化性質(zhì)Tab.1 Soil basic physical and chemical properties

試驗裝置主要包括土箱、馬氏瓶和輸水管，見圖1。土箱采用12 mm厚有機玻璃制成，規(guī)格(長×寬×高)為50 cm×50 cm×60 cm；馬氏瓶高100 cm，半徑7 cm，2個馬氏瓶串聯(lián)作為穩(wěn)壓灌溉水源；用醫(yī)用針頭模擬滴灌器，由于點源入滲濕潤體具有對稱性，為了便于觀測入滲過程中濕潤鋒的形狀變化情況，將滴頭放置在土箱的一角，模擬點源入滲濕潤面積的1/4。

圖1 試驗裝置示意(單位：cm)Fig.1 Sketch map of the experiment equipment

1.2 試驗設(shè)計

本試驗主要研究在殘膜存在條件下，不同土壤含水率、土壤容重和滴頭流量對滴灌入滲濕潤體特性的影響，每個因素設(shè)3個水平，共9個處理，3次重復(fù)，取其平均值作為試驗結(jié)果，具體處理見表2。

表2 不同處理試驗設(shè)計Tab.2 Design of different treatments

根據(jù)嚴昌榮等[5，18]全國殘膜量調(diào)查結(jié)果，試驗選取360 kg/hm2殘膜量，同時為排除殘膜形狀和大小對試驗結(jié)果的影響，統(tǒng)一將地膜控制為2 cm×1 cm的長方形。據(jù)調(diào)查，我國西北內(nèi)陸地區(qū)殘膜污染最為嚴重[18]，其耕作主要為大型農(nóng)機具，耕作深度一般為25～40 cm，此外劉建國等[19]研究表明土層30 cm以下殘膜含量較少，因此本試驗設(shè)計殘膜埋深為0～40 cm。

裝土前，需按不同處理制配土壤含水率，配制完成后用塑料防水布裹好密閉放置24 h，讓水分充分分布均勻。將試驗用土與殘膜混合均勻，分層裝入土箱，每5 cm為一層，層間打毛，避免土層間產(chǎn)生結(jié)構(gòu)和水動力學(xué)特征突變。裝土深度為40 cm，土箱底部裝有5 cm砂石反濾層和5 cm土壤緩沖層。

制配不同含水率所需加水量的計算公式如下：

(1)

式中：m為加水量，g；M為土樣質(zhì)量，g；ω為需配制含水率，%；ω′為土樣風(fēng)干含水率，%。

每層裝土質(zhì)量的計算公式如下：

M=γLWH(1+ω)

(2)

式中：M為每層土的質(zhì)量，g；γ為不同處理的容重，g/cm3；L為土箱長度，cm；W為土箱寬度，cm；H為裝土深度，cm；ω為配制土壤含水率，%。

1.3 測定指標(biāo)和方法

試驗開始后用秒表計時，按照前密后疏原則設(shè)置時間間隔，前1 h間隔為5 min，1～5 h間隔為30 min，5 h后間隔為1 h，10 h后間隔為2 h，當(dāng)垂直濕潤鋒運移到40 cm時結(jié)束灌水，同時記錄馬氏瓶刻度并用標(biāo)記筆在滴頭兩側(cè)土箱的有機玻璃上描出濕潤體的形狀，試驗結(jié)束后用卷尺量取濕潤鋒運移距離。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

文中試驗數(shù)據(jù)均取3次重復(fù)的平均值，用Excel 2010對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理和繪制表格，AutoCAD 2014軟件繪制裝置示意圖，Origin Pro 8.5軟件繪圖和函數(shù)擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤初始含水率對濕潤體特性的影響

土壤初始含水率是大田土壤入滲能力和入滲參數(shù)的重要因素之一，它主要從入滲水流濕潤區(qū)內(nèi)的平均勢梯度方面影響土壤水分的入滲能力[20]。點源滴灌入滲過程中，地表水平擴散距離與垂直入滲深度是濕潤體運移過程中2個重要的特征值。圖2為不同土壤初始含水率的水平和垂直濕潤鋒運移曲線。

由圖2數(shù)據(jù)分析可知，初始含水率顯著地影響了水平和垂直方向濕潤鋒的運移速度，隨著土壤初始含水率的增大，試驗結(jié)束時間越來越短，分別為1 490、840、390 min，且在相同的入滲時間內(nèi)(以300 min為例)，水平和垂直向濕潤鋒運移距離均隨土壤初始含水率的增大而增大，相應(yīng)的土壤濕潤體也增大。這與張振華等[16]在滴灌土壤濕潤體上研究的結(jié)果較為一致，與孫海燕等[17]的研究結(jié)果在水平濕潤鋒運移上恰好相反。出現(xiàn)這種現(xiàn)象，是由于水分在土壤入滲過程中，土壤中所含孔隙需要部分水分的填充，初始含水率越大，從而所需填充的水分也就越少，土壤達到飽和所需的時間就越短，濕潤鋒運移速度越快；同時土壤初始含水率越大，基質(zhì)勢越大，土壤水吸力越小，從而產(chǎn)生的基質(zhì)勢梯度就越小，土壤水分運動速率也就越慢。不同的學(xué)者在進行試驗時，上述2方面存在著差異，導(dǎo)致了研究結(jié)果也不同。此外Lado M等[21]的研究表明，土團的快速濕潤會產(chǎn)生使土團破碎的崩解力，而崩解力的大小取決于土壤含水率，土壤初始含水率越高，土團崩解被分散后的細小土粒對透水孔隙結(jié)構(gòu)的堵塞和擠壓越弱，入滲能力降低幅度越小。通過上述分析，土壤初始含水率越高，一是減小了濕潤鋒邊緣的基質(zhì)勢梯度，抑制水分入滲，二是減弱了土團濕潤后的崩解力，利于水分入滲，土壤更易達到飽和，同時本試驗土壤存在殘膜，也增加了試驗差異的不確定性，進一步導(dǎo)致了不同學(xué)者對濕潤鋒運移與土壤初始含水率關(guān)系的研究結(jié)果也不同。

圖2 不同土壤初始含水率的濕潤鋒運移曲線Fig.2 Curves of wetted front with different initial soil moistures

通過對上述數(shù)據(jù)的分析，可以得到入滲濕潤鋒運移距離水平向 和垂直向 與入滲時間 呈冪函數(shù)關(guān)系，即：

Rx=At0.28，Rz=Bt0.45

(3)

式中：Rx為水平運移距離；Rz為垂直運移距離；t為入滲時間；A、B為擬和參數(shù)，定義A為水平入滲系數(shù)(下同)，B為垂直入滲系數(shù)(下同)。

對圖2中的試驗數(shù)據(jù)進行擬合，可得土壤入滲濕潤鋒運移距離與入滲時間的關(guān)系見表3。

由表3分析知，水平入滲系數(shù)和垂直入滲均隨土壤初始含水率的增大而增大，決定系數(shù)均在0.98以上，且在同一初始含水率下，水平入滲系數(shù)均大于垂直入滲系數(shù)，這一點從圖2中也可明顯看出。經(jīng)分析入滲系數(shù)和初始含水率ω之間為線性關(guān)系，則可得在殘膜參與下滴灌入滲Rx和Rz與初始含水率的擬合關(guān)系為:

Rx=(4.527+0.144ω)t0.28R2=0.990

Rz=(0.866+-0.113ω)t0.45R2=0.907

2.2 土壤容重對濕潤體特性的影響

土壤容重對土壤的持水性和導(dǎo)水性有著顯著的影響，在滴灌土壤入滲過程中，容重的改變必然會對濕潤體產(chǎn)生一定的影響，故研究土壤容重與濕潤體特性的關(guān)系具有重要的現(xiàn)實意義。圖3是不同土壤容重下滴灌入滲的水平和垂直濕潤鋒隨時間運移曲線。

圖3 不同土壤容重的濕潤鋒運移曲線Fig.3 Curves of wetted front with different soil bulk densities

由圖3數(shù)據(jù)分析可知，在相同的入滲時間內(nèi)，水平濕潤鋒運移距離隨土壤容重的增大而增大，垂直濕潤鋒運移距離隨土壤容重的增大而減小。以入滲300 min時為例，T4、T5、T6處理的濕潤鋒水平運移距離分別為27.8、30.1和35.7 cm；垂直運移距離分別為28.2、25.5和23.0 cm。通過數(shù)據(jù)也可看出，伴隨著土壤容重的增大，濕潤體的幾何形狀發(fā)生了改變，即容重較小的土壤濕潤體形狀窄且深，而容重較大的濕潤體形狀寬且淺。同一土壤容重下，入滲初期時濕潤鋒水平運移距離大于垂直運移距離，但隨著時間的推進，2者的差距在逐漸縮小。

影響土壤容重的因素有土粒密度和土壤孔隙，但土壤孔隙是主要的影響因素，故土壤容重實質(zhì)上是土壤緊實程度及氣相比例的間接反映。土壤中的水分在土體中流動時，其速率主要受土壤孔隙的影響。李卓等[22]容重對土壤水分入滲能力的研究表明，隨著土壤容重增大，土壤中較大孔隙的含量和土壤入滲能力均有所降低。所以，容重較小的土壤，大孔隙的含量就較多，同時各種尺寸的孔隙也比較豐富，土壤內(nèi)部的連通性較好，在土壤入滲過程中，孔隙內(nèi)部遇水時氣體可較快地排放出來從而減小水分入滲的氣相阻力。但是容重較大的土壤，大孔隙的含量較少，從而使土壤內(nèi)部連通性變差，氣相比例減小，導(dǎo)致水分入滲能力降低。此外，試驗土壤中還摻雜著殘膜，水分入滲還取決于殘膜堵塞的孔隙和殘膜之間的新孔隙，增加了土壤中水分入滲的不確定性。如圖3(a)中T6處理的水平濕潤鋒運移曲線，在100 min左右時曲線運移發(fā)生突變，可能是因為土壤表層的殘膜抑制了濕潤鋒的運移，但隨著積水的增多，在下一時刻沖破殘膜的阻礙而使運移距離大幅度增加。同時在試驗時還發(fā)現(xiàn)，容重大的土壤表面在入滲過程中會出現(xiàn)了較大面積的積水，進一步加速了水分在地表的擴散，這也意味著土壤容重的增大，會使水分橫向分布距離加大，這與張振華等[16]在土壤容重對濕潤體影響上的研究結(jié)果一致。

通過對上述數(shù)據(jù)的分析，可以得到不同土壤容重下水平濕潤鋒運移距離 和垂直濕潤鋒運移距離 與入滲時間 呈冪函數(shù)關(guān)系，即同樣符合式(3)。用式(3)對圖3中的數(shù)據(jù)進行擬合，得到土壤入滲濕潤鋒運移距離與入滲時間的關(guān)系見表4。

表4 不同土壤容重入滲濕潤鋒運移距離與時間的關(guān)系Tab.4 Relationship between wetted migration distances with infiltration time for different soil bulk densities

由表4可知，水平入滲系數(shù)隨土壤容重的增大而增大，而垂直入滲系數(shù)隨土壤容重的增大而減小，這與試驗觀測結(jié)果一致，決定系數(shù)均不小于0.98，且在同一土壤容重下，水平入滲系數(shù)均大于垂直入滲系數(shù)。經(jīng)分析入滲系數(shù)與土壤容重γ之間為線性關(guān)系，通過對試驗的分析擬合，可得在殘膜參與下滴灌入滲Rx和Rz與土壤容重的擬合關(guān)系為：

Rx=(-3.220+7.025γ)t0.28R2=0.864

Rz=(4.336-1.775γ)t0.45R2=0.998

2.3 滴頭流量對濕潤體特性的影響

2.3.1 滴頭流量對濕潤鋒運移距離的影響

圖4是不同滴頭流量下滴灌土壤入滲的水平和垂直濕潤鋒隨時間運移曲線，在滴灌灌水方式下，研究特定土壤條件下不同滴頭流量在入滲過程中橫縱濕潤鋒運移距離與時間的關(guān)系，是確定滴灌滴頭間距和毛管田間布置方式的重要依據(jù)。

圖4 不同滴頭流量的濕潤鋒運移曲線Fig.4 Curves of wetted front with different dripper flow rates

從圖4數(shù)據(jù)分析可知，在相同的入滲時間內(nèi)，無論是水平濕潤鋒運移距離，還是垂直濕潤鋒運移距離，均隨滴頭流量的增大而增大。在入滲初期，相同流量條件下，濕潤鋒水平運移距離大于垂直運移距離，但隨著入滲時間的進行，垂直入滲距離逐漸追趕水平運移距離，在入滲結(jié)束時，即垂直濕潤鋒運移到40 cm時，2者運移距離基本一致，這表明在土壤滴灌入滲后期，濕潤鋒垂直運移速率大于水平運移速率。出現(xiàn)上述現(xiàn)象主要是由于滴灌入滲初期，土壤的基質(zhì)勢起主導(dǎo)作用，此外滴頭流量的大小也直接決定著地表積水范圍[23]，故濕潤鋒在水平方向上擴散的速度大于垂直向入滲速度，此外根據(jù)李元橋等[8]在研究殘膜對土壤水分運移的影響時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)殘膜量過多時也會加快土壤水分運移(設(shè)計殘膜量為360 kg/hm2)，使橫向運移速率增加。隨著試驗的進行，灌水量的增加，土壤中水分重力勢作用和水勢梯度力逐漸增強，導(dǎo)致水分在水平向運移緩慢，從而垂直入滲距離逐漸增加。

通過對試驗數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)土壤入滲濕潤鋒運移距離水平向Rx和垂直向Rz與入滲時間t呈冪函數(shù)關(guān)系，即同樣符合式(3)。對圖4中的數(shù)據(jù)進行擬合，同樣可以得到在不同流量條件下土壤入滲濕潤鋒運移距離與入滲時間的關(guān)系見表5。

表5 不同滴頭流量入滲濕潤鋒運移距離與時間的關(guān)系Tab.5 Relationship between wetted migration distances with infiltration time for different dripper flow rates

由表5分析知，水平入滲系數(shù)和垂直入滲系數(shù)均隨滴頭流量的增大而增大，決定系數(shù)均大于0.97，在同一滴頭流量條件下，水平入滲系數(shù)均大于垂直入滲系數(shù)。經(jīng)分析入滲系數(shù)和滴頭流量q之間為線性關(guān)系，則可得在殘膜參與下滴灌入滲Rx和Rz與滴頭流量的擬合關(guān)系為：

Rx=(4.452+3.460q)t0.28R2=0.952

Rz=(1.105+1.564q)t0.45R2=0.980

2.3.2 滴頭流量對入滲橫縱比的影響

在滴灌系統(tǒng)設(shè)計中，除濕潤鋒的水平和垂直運移距離外，橫縱比也是一個確定滴灌灌水參數(shù)的指標(biāo)，它與滴頭流量和灌水時間有關(guān)。為了計算簡便，本文中定義2者的比值Rx/Rz為橫縱比。對一般作物來講，其株距和根深之比小于1.0，故實際生產(chǎn)實踐中滴灌的橫縱比以小于1.0為宜。圖5是不同滴頭流量的入滲橫縱比與時間的關(guān)系曲線，從圖5可以看出，入滲橫縱比與時間存在冪函數(shù)關(guān)系，可以用公式Rx/Rz=Ytc表示，擬合結(jié)果見表6，決定系數(shù)均在0.98以上。

圖5 不同滴頭流量的入滲橫縱比曲線Tab.5

滴頭流量/(L·h-1)YcR20.253.922-0.1800.9920.503.337-0.1840.9810.753.880-0.2160.981

由圖5可知，在滴灌入滲過程中，橫縱比隨著滴頭流量的增大而減小，這與張振華等[16]研究結(jié)果不一致，可能是因為在滴灌過程中，土壤水分水平運移基質(zhì)勢起主導(dǎo)作用，水平擴散速率大于垂直運移速率，但本試驗中土壤初始含水率較高，土壤水分垂直入滲在較大流量下更易達到飽和，在土壤基質(zhì)勢和水分重力勢的雙重作用下，致使大流量下水平和垂直濕潤鋒推進速度均較快，從而出現(xiàn)滴頭流量越大橫縱比越小的現(xiàn)象。隨著入滲的進行，橫縱比逐漸減小，這是因為在入滲后期濕潤體內(nèi)土壤含水率增大，水勢梯度減小，這導(dǎo)致了重力勢作用相對的增大，垂直入滲速率高于水平擴散率，從而濕潤鋒的橫縱比逐漸減小。

從圖5中還可看出，T8(0.50 L/h)、T9(0.75 L/h)2個處理的橫縱比曲線相接近，表明當(dāng)實際滴頭流量大于2 L/h時，增大滴頭流量對橫縱比的影響較小。入滲結(jié)束后，橫縱比趨近于1.0，并未小于1.0，說明土壤中殘膜的存在一定程度上抑制了濕潤鋒的運移[10]。所以對含有一定殘膜的農(nóng)田應(yīng)用滴灌灌水方式時，為獲得合適的橫縱比且使滴灌灌水均勻，需合理地延長灌水時間，增加灌水量，或減小灌水器之間的距離。

3 結(jié) 論

本文通過室內(nèi)模型試驗，對含殘膜土壤的滴灌點源入滲過程進行了研究，分析了不同土壤初始含水率、土壤容重和滴頭流量對滴灌入滲濕潤體特性的影響，同時分析了不同滴頭流量對入滲橫縱比的影響，得到如下結(jié)論。

(1)隨著土壤初始含水率的增加，灌水時土壤更易達到飽和，濕潤鋒運移在水平和垂直向推進的速度加快；土壤容重愈大，垂直濕潤鋒運移速率越低，水平濕潤鋒運移速率卻隨土壤容重的增加而增加，2者相反；滴頭流量增大，濕潤鋒水平和垂直運移距離也相應(yīng)增大。

(2)建立了不同土壤初始含水率、土壤容重和滴頭流量條件下，入滲水平和垂直濕潤鋒隨時間運移的冪函數(shù)模型，決定系數(shù)R2均在0.864以上，擬合效果較好。根據(jù)以往研究，地表和地下點源入滲濕潤鋒運移與時間的關(guān)系模型一般也為冪函數(shù)，但其冪指系數(shù)一般為0.5，而含有殘膜污染的土壤點源入滲濕潤鋒在水平和垂直向冪指系數(shù)分別為0.28和0.45。

(3)入滲過程中，滴頭流量減小，橫縱比反而增大，隨著灌水歷時的增加，橫縱比逐漸減小，但并未小于1.0，表明含有殘膜污染的土壤適宜種植淺根系作物。不同滴頭流量下，橫縱比與入滲時間也呈冪函數(shù)關(guān)系，決定系數(shù)R2均大于0.98。

(4)通過本文研究，可為含有殘膜污染的農(nóng)田在應(yīng)用滴灌灌水方式時提供理論依據(jù)，也為滴灌灌水器在田間的布設(shè)間距和方式提供參考依據(jù)。但本文在建立濕潤鋒運移距離的模型時也存在著不足，試驗條件下與生產(chǎn)實際相比，尚存在一定差異。生產(chǎn)實際中殘膜在土壤中多呈片狀、棒狀、球狀和卷曲筒狀等不規(guī)則形態(tài)，其分布多為水平、傾斜和垂直狀且大小不一，而試驗條件下，雖然用攪拌機將土壤與殘膜充分混合攪拌，使其與田間實際情況更接近，但仍可能存在一定差異，同時所涉及的土壤類型(壤質(zhì)黏土)、殘膜量(360 kg/hm2)和殘膜大小(2 cm×1 cm)較單一，是否具有較強的通用性，還有待后續(xù)試驗的進一步研究。