許春娟，賈生海，趙 霞

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

在我國廣泛應(yīng)用的地面灌溉方式中溝灌是其中之一[1]。溝灌較畦灌方法的優(yōu)勢在于對土壤結(jié)構(gòu)的破壞性極小，土壤蒸發(fā)較低、且田間灌水的有效利用率達(dá)80%以上[2-3]。近幾年國內(nèi)外學(xué)者對影響溝灌的一些要素和土壤水分運移規(guī)律進行了多方面的實驗研究。研究表明溝灌灌水效率與灌水技術(shù)要素有關(guān)，

若灌水技術(shù)要素選擇不恰當(dāng)，會出現(xiàn)灌水效率低的問題[4]。近年來，就溝灌技術(shù)要素許多學(xué)者進行了諸多系統(tǒng)研究。整理溝灌條件下土壤水分運移規(guī)律及其影響因素對溝灌技術(shù)的了解和應(yīng)用具有重要意義。

1 溝灌的發(fā)展現(xiàn)狀及適用條件

1.1 發(fā)展現(xiàn)狀

溝灌是一種通過灌水溝兩側(cè)的土壤對壟上種植的作物進行浸潤的灌溉方式，只需要在田間開挖灌水溝便可進行灌溉，具有操作簡單、省時省力的優(yōu)點，主要存在于我國北方[5]。但由于溝灌存在管理復(fù)雜、灌水技術(shù)要素難以確定和灌水效率低等問題，縮小了其運用范圍。近年來有學(xué)者將溝灌灌水技術(shù)向節(jié)水灌溉方向進行了延伸，主要有壟作溝灌、交替隔溝灌、覆膜溝灌、波涌溝灌等[6]。研究表明這些延伸的節(jié)水灌溉方式比傳統(tǒng)的溝灌具有更高的效率和價值。因此對溝灌技術(shù)的研究不能只停留在本身，應(yīng)將其進行優(yōu)化改進和擴展延伸，對解決我國水資源緊缺和浪費等方面的問題作出貢獻(xiàn)。

1.2 適用條件

溝灌是中耕作物廣泛采用的灌水技術(shù)，對于中等透水性的土壤和地面坡度介于1/50～5/1000之間的地塊[3]也較適宜。許多學(xué)者運用溝灌方式對一些作物的產(chǎn)量、生長指標(biāo)、耗水規(guī)律、水分利用效率等進行研究并取得了較好的成果，主要有玉米、馬鈴薯、番茄、棉花、棗樹、小麥、向日葵、油葵、紫花苜蓿、西瓜、甜瓜、白楊等。對于大面積種植模式下既要節(jié)約成本又追求產(chǎn)量的作物一般采用溝灌方式。目前對于溝灌技術(shù)的研究多基于理論方面且一維入滲較成熟，二維入滲較欠缺。因此運用已有的研究成果來指導(dǎo)灌溉系統(tǒng)設(shè)計和田間管理并不準(zhǔn)確，在實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中還需進一步深入探究。

2 研究進展

2.1 影響因素

溝灌屬于二維入滲[7]，在溝灌過程中，影響土壤濕潤鋒水分運移規(guī)律的因素有土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)、體積質(zhì)量、有機質(zhì)含量、孔隙率、容重、溝型、溝間距、溝中水深等，溝底寬、土壤初始含水率對其影響微小，一般忽略不計[8]。孫西歡[9-11]以紅油土為基礎(chǔ)，采用拋物線的溝型對溝距、濕周、側(cè)向影響數(shù)進行分析，促進了加科夫模型在溝灌中的應(yīng)用。并得出溝距和濕周與溝灌累計入滲量為正相關(guān)而與側(cè)向影響數(shù)則為負(fù)相關(guān)。路蒙蒙等[12]發(fā)現(xiàn)溝灌灌水量對水分入滲速度和入滲量均有較大影響。因此在保證作物正常生長的條件下，灌溉量的合理選擇不僅可以節(jié)約水資源而且提高水分利用率。曾愛國[13]開展了不同灌水量梯度對溝灌玉米產(chǎn)量影響的研究，確定出在全膜壟作溝灌條件下石羊河流域適宜的灌水量為5175m3。張勇勇[14]基于砂壤土和重壤土對溝灌土壤水分入滲過程進行研究，研究表明75cm為重壤土適宜的壟寬，合理的壟溝比為60cm∶75cm；70cm為砂壤土適宜的壟寬，合理的壟溝比為60cm∶70cm。孟鵬濤等[4]通過試驗表明：影響累計入滲量的因素主要是溝寬、溝深和壟寬。增大入溝流量使得水流推進速度、灌溉水利用效率和儲水效率上升，灌水均勻度下降，灌溉水利用效率、儲水效率和灌水均勻度達(dá)到93.21%、91.83%、92.78%時對應(yīng)的入溝流量為1.65L/s。翟士旭等[5]通過驗證溝寬和溝深與Hydrus-2D模型中各參數(shù)的函數(shù)關(guān)系，得出Hydrus-2D模型具有較好的適用性以及溝寬、溝深為50、20cm灌水質(zhì)量最優(yōu)。張凡[15]對玉米地進行溝灌試驗提出了在灌水定額一定的條件下如何對溝長和入溝流量進行優(yōu)化的方法，建議關(guān)中地區(qū)溝長小于50m時，適宜入溝流量為3～4L/s。王文娟[16]在考慮產(chǎn)量及水分利用效率(WUE)的情況下，進行了春小麥壟作溝灌入滲試驗，得出蓄水、保墑效果較優(yōu)的壟寬40cm、溝深15cm、溝底寬15cm，為小麥在干旱區(qū)的最優(yōu)種植模式提供了依據(jù)。溝灌條件下土壤水分運移規(guī)律受多因素的影響，對這些復(fù)雜因素進行隨機組合的研究還相對較少，可以進行拓展研究。

2.2 采用的模型

掌握土壤水分的入滲規(guī)律對促進作物根系有效吸收養(yǎng)分、鹽分以及微生物活性等方面具有重大意義。隨著對水分運移規(guī)律的進一步論證，專家發(fā)現(xiàn)大田試驗和室內(nèi)實驗都有來自自然因素和人為主觀因素的干擾，并會產(chǎn)生較大誤差[17]。因此國內(nèi)外學(xué)者運用建立模型的方法對土壤水分運移規(guī)律進行探究，主要有Green-Ampt模型、Philip模型、Kostiakov模型、BIDISUL模型、Horton模型和Holton模型，以及溝灌入滲的基本方程：Richards方程[5]。

Green-Ampt模型產(chǎn)生于1911年，因其具有表達(dá)式簡單易懂、涉及參數(shù)少且物理意義明確的特點而得到了廣泛的運用[18]。經(jīng)過不斷地探究和改進，Green-Ampt模型可以用于不同黏粒含量土壤、夾砂層土壤、和渾濁水中。Neuman等[19]運用有限元法和計算機程序能夠?qū)Ψ蔷鶆蛄鲃訁^(qū)域進行處理并且建立了溝灌條件下土壤水分入滲的二維模型：SWM II，模型具有較高的準(zhǔn)確性。孫西歡等[11]以考斯加柯夫模型為出發(fā)點提出了多參數(shù)(溝距、溝道水面寬度、濕周、水深)溝灌入滲模型，為數(shù)學(xué)模擬在溝灌中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。Mailapalli D R[20]運用零慣性、Green一維和Ampt二維入滲方程以及Kostiakov-Lewis入滲模型為基礎(chǔ)進行建模，對均質(zhì)和分層土壤進行模擬且考慮了各種犁溝的形狀，結(jié)果表明該模型在設(shè)計和預(yù)測等方面具有較好的使用性。聶衛(wèi)波等[21]運用一定的假設(shè)條件在綜合考慮(容重、初始含水率、不同土壤質(zhì)地、溝間距、溝底寬度和溝中水深)多種因素的情況下建立了溝灌二維入滲模型，通過土箱試驗用多組試驗資料對模型進行驗證得出該模型完全可以用于模擬溝灌的二維入滲，并得出在研究溝灌累計入滲量時應(yīng)該重視土壤質(zhì)地、容重、溝底寬和溝中水深的影響；而在研究土壤濕潤體分布時應(yīng)該關(guān)注土壤質(zhì)地和容重。聶衛(wèi)波在上述基礎(chǔ)上又建立了包含土壤容重、溝中水深和土壤初始含水量的溝灌入滲濕潤體運移距離預(yù)測模型[22]，以黏壤土和砂土為基礎(chǔ)進行了入滲試驗驗證了模型的準(zhǔn)確性。Tabuada等[23]將BIDISUL模型與Richards方程進行了結(jié)合并且得到了比Richards方程更簡單優(yōu)化的模型，此模型不僅可以用于不同部分的入滲還可以計算灌溉效率。為組合模型在灌溉中的應(yīng)用提供了便捷。張新民等[24]結(jié)合田間實際布置運用Hydrus軟件模擬對兩種溝型(V型、梯型)和不同壟寬條件下溝灌土壤水分運動進行比較分析，計算垂向入滲和水平入滲下對灌水均勻度，不僅對灌水溝參數(shù)的優(yōu)化有所啟發(fā)且在提高灌水效率方面也大有裨益。

2.3 土壤水分運移規(guī)律

在諸多影響溝灌土壤濕潤體運移特性的因素中灌水方案的設(shè)計和管理是根本。為此，眾多學(xué)者研究總結(jié)出了土壤入滲過程中濕潤體運移特性預(yù)測的主要方法[25](解析法、數(shù)值模擬法、經(jīng)驗公式法)。倪東寧以玉米為試驗作物觀察水鹽運移規(guī)律為適宜玉米的生長發(fā)育探究出了適宜的灌溉技術(shù)即畦溝分灌灌溉技術(shù)，不僅可以實現(xiàn)水資源的高效利用還能保障作物的良好生長發(fā)育，并研究得出灌溉時間和灌水量與土壤含水量在不同的土層深度處均呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系[26]。賈瑞琪等[27]設(shè)置了3個灌水量梯度(60、100、140m3/畝)，以棗樹為對象對不同土層深度處土壤的濕潤區(qū)進行了探究，得出能滿足9cm棗樹正常生長發(fā)育的灌水量為100m3，為溝灌灌水方式下對棗樹的種植提供了參考。王術(shù)禮等[28]為了探究溝灌累計入滲量和入滲時間的關(guān)系進行了室內(nèi)試驗并且引入了參數(shù)減滲率進行分析計算得到了較好的結(jié)果，為溝灌灌水技術(shù)的優(yōu)化提供了新方向。栗博等[29]通過室內(nèi)試驗將理論分析和HYDRUS-2D數(shù)值模擬相結(jié)合建立了累積入滲量和入滲時間的模型，并運用數(shù)據(jù)支撐對模型進行求證得到了滿意的結(jié)果。并且在研究土壤水分入滲時還加入了氮素運移為肥料高效利用和水肥一體化研究提供了基礎(chǔ)。在寬壟溝灌入滲過程中壓力水頭和初始含水率對垂直和水平方向濕潤鋒運移都有促進作用。王利環(huán)等以土壤水動力學(xué)為理論基礎(chǔ)對波涌溝灌條件下的土壤擴散率、土壤飽和導(dǎo)水率進行測定[30-31]，得出在波涌溝灌中灌溉水主要受到重力勢和基質(zhì)勢的作用而濕潤鋒隨著時間的變化從1/4圓形變成了橢圓。并且灌水量與累積入滲量和濕潤距離均為正相關(guān)，影響土壤水分入滲的關(guān)鍵是循環(huán)率和周期。

3 存在的問題

在溝灌條件下，影響土壤水分運移規(guī)律的因素復(fù)雜多樣，國內(nèi)外學(xué)者對影響因素的研究主要集中在土壤質(zhì)地、孔隙率、容重、溝間距、溝中水深、灌水量、入溝流量等方面，以上研究成果都是在宏觀層面初步闡明了各因素對土壤水分運移影響的機理，還需進一步深入探究。

(1)在進行實驗的過程中對變量的控制不夠嚴(yán)格，同類實驗無法進行較好的對比分析。對土壤水分運移規(guī)律的研究多集中在垂直和水平方向上，沒有很好的與當(dāng)時作物的根系分布情況結(jié)合，進行更加完整的分析。

(2)在影響因素的研究中，很大一部分通過室內(nèi)試驗和模擬實驗完成，沒有將室內(nèi)實驗的結(jié)論在大田試驗中進行驗證，導(dǎo)致部分結(jié)論可能無法應(yīng)用在田間試驗中。

(3)對土壤水分運移規(guī)律及濕潤體的特征研究只基于傳統(tǒng)的灌溉方式和技術(shù)參數(shù)，在砂管灌、涌泉根灌及其結(jié)合肥液濃度、施肥種類等方面研究較淺。

4 研究改進方法

在孫西歡[9-11]研究的基礎(chǔ)上可以采用不同的溝型、不同類型的土壤對溝距、濕周、側(cè)向影響數(shù)與累計入滲量的關(guān)系進行驗證，使加科夫模型得到更廣泛的應(yīng)用。路蒙蒙等[12]的研究可以進一步探究滿足作物生長的經(jīng)濟灌溉量，實現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉。曾愛國[13]得出玉米產(chǎn)量最優(yōu)時的灌水量、全膜壟作溝灌技術(shù)和張凡[15]對玉米地進行試驗得出的適宜入溝流量可以向其他作物和地區(qū)進行推廣應(yīng)用。將張勇勇[14]得出的砂壤土和重壤土的合理壟寬比例對其他類型土壤進行試驗，使溝灌灌水技術(shù)更全面的應(yīng)用。在翟士旭等[5]運用Hydrus-2D模型確定出最優(yōu)溝寬和溝深的基礎(chǔ)上可以對王文娟[16]得出適宜春小麥的較優(yōu)壟寬、溝深、溝底寬進行組合驗證Hydrus-2D模型的適用性。

目前，土壤水分運移規(guī)律在國內(nèi)外大都采用室內(nèi)試驗和大田試驗相結(jié)合的方法，干擾因素較多并且誤差較大。模型不僅可以精準(zhǔn)計算且與計算機程序的結(jié)合對實現(xiàn)智能化灌溉奠定了堅實的基礎(chǔ)，因此模型的研究具有較大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的前景。然而這些模型的建立有些基于一些假設(shè)和理想條件，對其廣泛應(yīng)用和試驗條件的準(zhǔn)確契合還有一定的誤差。

倪東寧[26]對水鹽運移規(guī)律的研究在避免鹽漬化的同時可以進行微咸水灌溉。在賈瑞琪等[27]研究的基礎(chǔ)上可以對不同樹齡棗樹土壤的濕潤區(qū)展開研究確定出不同樹齡棗樹適宜的灌水量。在栗博等[29]研究的基礎(chǔ)上可以進一步探究滿足垂直和水平方向濕潤鋒運移的壓力水頭、初始含水率值。土壤濕潤鋒擴展規(guī)律受多種因素的影響，因此還有待進一步在優(yōu)化組合各影響因素的基礎(chǔ)上進行系統(tǒng)研究。