趙新宇，胡羊羊，彭江涌，朱綠丹

（1.南昌工程學(xué)院，南昌330099；2.鄱陽(yáng)湖流域水工程安全與資源高效國(guó)家地方聯(lián)合工程試驗(yàn)室，南昌330099）

涌泉灌是采用加流量控制器的塑料細(xì)管作為灌水器與毛管相連接，并且可以與田間滲水溝輔助，以細(xì)流或射流局部濕潤(rùn)作物根區(qū)附近土壤進(jìn)行灌溉的一種灌水方法[1]。涌泉根灌是一種將灌水器埋設(shè)于不同土層深度處進(jìn)行地下局部灌溉的一種灌水方法[2,3]，是在滴灌和涌泉灌基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種地下微灌技術(shù)[4]。關(guān)于灌水流量與濕潤(rùn)體的關(guān)系，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了較多的研究，滴灌方面：滴頭流量對(duì)土壤濕潤(rùn)體大小和形狀都有影響[5]，在相同的土壤條件下灌水后土壤形成的濕潤(rùn)體隨灌水量的增加而增大，在相同灌水量下增加滴頭流量能夠顯著增加水平方向的濕潤(rùn)距離[6]，滴頭流量越大，土壤濕潤(rùn)體越寬淺[7]；在相同的灌水時(shí)間內(nèi)，濕潤(rùn)體在水平、垂直方向上濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移距離隨著滴頭流量的增加而不斷增大[8,9]。涌泉灌方面：在相同的入滲時(shí)間內(nèi)，隨著灌水流量的增大，濕潤(rùn)體相應(yīng)變大，土壤水分運(yùn)動(dòng)的各特征值隨之增大[1]。涌泉根灌方面：在相同的入滲時(shí)間內(nèi)，濕潤(rùn)體的水平擴(kuò)散半徑、向上入滲距離、向下入滲距離隨灌水流量的增大而增大[10]，且3 個(gè)入滲特征值均與入滲時(shí)間有顯著的冪函數(shù)關(guān)系[11-14]。綜上所述，相同灌水時(shí)間下，滴灌、涌泉灌、涌泉根灌的灌水流量對(duì)濕潤(rùn)體的影響基本相同。但在相同的灌水量下，不同的灌水流量對(duì)涌泉灌及涌泉根灌濕潤(rùn)體影響的研究還很少，這項(xiàng)研究對(duì)指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)際有重要的意義，文章將通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)此進(jìn)行研究，并比較二者的不同之處。

1 試驗(yàn)裝置與方法

1.1 供試土壤

試驗(yàn)土樣為取自江西省灌溉試驗(yàn)中心站試驗(yàn)基地的粘壤土，利用K-SAT 測(cè)得土壤飽和導(dǎo)水率為0.055 cm/min，利用BT-9300H 激光粒度分析儀測(cè)得土樣的機(jī)械組成土壤的機(jī)械組成見表1。試驗(yàn)前將風(fēng)干土過0.5 mm 孔徑細(xì)篩，按照預(yù)定容重1.35 g/cm3分層裝進(jìn)試驗(yàn)箱內(nèi)，土壤初始含水率為5.4%。

表1 供試土壤的理化特性Tab.1 Physical and chemical properties of experimental soil

1.2 試驗(yàn)裝置

涌泉灌試驗(yàn)裝置是由馬氏瓶、透明玻璃土箱（50 cm×50 cm×50 cm）組成，試驗(yàn)裝置如圖1所示；涌泉根灌試驗(yàn)裝置是由馬氏瓶、透明玻璃土箱（50 cm×50 cm×50 cm）、灌水器等三部分組成。灌水器包括兩個(gè)部分：滴頭、套管，滴頭采用連接馬氏瓶，可控制流量的軟管；套管為長(zhǎng)30 cm 的PVC管，內(nèi)徑4 cm，其下部15 cm 打孔，孔徑0.1 cm，孔距1 cm，套管外包透水的無(wú)紡布。由于試驗(yàn)?zāi)M的是1/4 灌水情景，所以涌泉根灌采用1/4套管，將一個(gè)圓筒套管等分成4份，取其1/4。套管布置在土箱900轉(zhuǎn)角處，埋入土體，其上部與土壤表面齊平，套管與土箱接觸的部分采用膠水粘接。

1.3 試驗(yàn)方法

在土壤密度相同，初始含水率相同的條件下，采用1.0、1.5、2.0、2.5和3.0 L/h等5個(gè)流量水平進(jìn)行試驗(yàn)，灌水量固定為2.5 L。實(shí)驗(yàn)開始前，用量筒校核出水口流量。試驗(yàn)開始后用秒表計(jì)時(shí)，記錄濕潤(rùn)鋒在水平方向的擴(kuò)散距離、垂直方向的入滲距離，并讀取刻馬氏瓶的刻度。由于水分入滲較快，逐一測(cè)量會(huì)存在延遲性造成誤差，故先用記號(hào)筆在土箱側(cè)面描繪濕潤(rùn)鋒的位置，試驗(yàn)結(jié)束后一一記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。剛開始1 h 內(nèi)，每隔5 min 記錄一次，1 h 之后每隔10 min 測(cè)量一次，直至試驗(yàn)完畢。

2 流量對(duì)積水的影響

涌泉灌的灌水流量較大，容易超過土壤的入滲能力，在土壤表面形成積水。試驗(yàn)表明：當(dāng)灌水器流量為1.0 L/h 的時(shí)候，土箱土壤表面沒有積水，此時(shí)為點(diǎn)源入滲；當(dāng)灌水流量為1.5 L/h 的時(shí)候，開始出現(xiàn)積水，入滲逐漸轉(zhuǎn)為面源入滲；積水呈1/4 圓形，灌水流量為1.5、2.0、2.5 和3.0 L/h 時(shí)，土壤表面的最大積水深度分別為0.15、0.30、0.50和0.70 cm，積水的最大半徑分別為2.6、5.4、8.0 和10.2 cm。積水深度、積水面積隨灌水流量的增大而增大，二者均與流量顯著相關(guān)。在田間灌溉中，土壤表面積水，會(huì)增加灌溉水的蒸發(fā)損失，而且導(dǎo)致水分在水平方向的擴(kuò)散距離大于在垂直方向的入滲距離，不利于形成好的濕潤(rùn)體形狀，影響作物對(duì)水分的充分吸收。

對(duì)于滴灌，研究[5]表明當(dāng)灌水流量達(dá)到1.0 L/h 的時(shí)候，黏性土壤表面開始出現(xiàn)積水，隨著滴頭流量的增加，地表積水區(qū)半徑增大，而且積水區(qū)的增大，使?jié)駶?rùn)鋒在水平方向上的運(yùn)移速率增加。流量對(duì)土壤表面積水半徑的影響，滴灌與涌泉灌類似。

相對(duì)于滴灌、涌泉灌的點(diǎn)源（面源）入滲，涌泉根灌是柱面入滲，入滲過程是不同的。試驗(yàn)表明：當(dāng)灌水流量為1.0 L/h 的時(shí)候，灌水器外部的套管中就開始積水，積水的深度隨著流量的增大而增大，灌水流量為1.0、1.5、2.0、2.5和3.0 L/h 時(shí)，套管內(nèi)的最大積水深度分別為1.6、3.7、6.0、8.3 和10.7 cm，流量與積水深度之間顯著線性相關(guān)。所有流量水平的試驗(yàn)中，涌泉根灌在土壤表面沒有形成積水。

涌泉灌與灌泉根灌入滲的灌水流量與積水深度的關(guān)系如圖2所示，二者有兩處不同，一是涌泉根灌由于存在套管，積水都在套管內(nèi)部，不會(huì)像涌泉灌一樣形成土壤表面積水，這對(duì)減少無(wú)效蒸發(fā)、降低水平入滲距離，改善濕潤(rùn)體的形狀，使水分充分入滲到作物根部是有利的；二是相對(duì)于涌泉灌，灌泉根灌流量與積水深度影響的線性關(guān)系更加明顯，這是因?yàn)橛咳嘣谕寥辣砻嫘纬煞e水之后，點(diǎn)源入滲轉(zhuǎn)變?yōu)槊嬖慈霛B，灌水流量對(duì)水分入滲過程的影響比較復(fù)雜，而涌泉根灌由于沒有土壤表面積水，水分一直通過套管開孔處入滲土壤，灌水流量對(duì)入滲過程的影響相對(duì)穩(wěn)定。

3 入滲結(jié)束后濕潤(rùn)體的形狀

涌泉灌濕潤(rùn)體、涌泉根灌的濕潤(rùn)體形狀如圖3所示。涌泉灌入滲剛開始的時(shí)候，基質(zhì)勢(shì)起主要作用，前5 min 土壤水分在水平方向的擴(kuò)散距離遠(yuǎn)大于豎直向擴(kuò)散距離，以流量1.5 L/h 為例，前5 min 水平向運(yùn)移距離為11.2 cm，豎直向運(yùn)移距離僅為5.8 cm，濕潤(rùn)體剖面為1/4橢圓形。隨著入滲時(shí)間的增加，水平向濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速度降低，水平與垂直方向的運(yùn)移距離逐漸接近，并一直持續(xù)到入滲結(jié)束。從圖3可看出涌泉灌入滲結(jié)束后，濕潤(rùn)體的豎直剖面接近于1/4 圓形。涌泉根灌條件下的土壤水分入滲屬于柱面入滲，由于灌水器在土體內(nèi)部有15 cm的埋深，水分不僅會(huì)向下入滲，還會(huì)向上入滲。以流量1.5 L/h為例，入滲開始后，水平方向濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離較大，濕潤(rùn)體剖面呈半扁橢圓形，30 min 時(shí)濕潤(rùn)鋒各向運(yùn)移距離基本趨平，濕潤(rùn)體剖面形狀接近于半圓形，70 min時(shí)濕潤(rùn)鋒向上運(yùn)移即將達(dá)到頂端，垂直向下方向繼續(xù)運(yùn)移，垂直方向與水平方向上的運(yùn)移距離逐漸拉大，到入滲結(jié)束時(shí)濕潤(rùn)體剖面呈近似1/4 橢圓形。

試驗(yàn)表明：涌泉灌土壤水分入滲后，會(huì)形成一個(gè)近似半球體，而涌泉根灌入滲后會(huì)形成一個(gè)近似半橢圓球體；在入滲水量相同，流量不同的條件下，涌泉灌濕潤(rùn)體的水平方向的長(zhǎng)度是涌泉根灌1.25～1.50 倍，垂直方向的長(zhǎng)度是涌泉根灌0.50～0.75 倍。所以，相對(duì)于涌泉灌，涌泉根灌的濕潤(rùn)體形狀更為修長(zhǎng)，在水平方向短，在垂直方向長(zhǎng)，土壤水分分布表層較少，中層、深層較多，這對(duì)于農(nóng)作物、特別是根系分布比較深的果樹對(duì)水分的吸收是有利的。

對(duì)于滴灌，文獻(xiàn)[5]研究表明經(jīng)過180 min 入滲后，濕潤(rùn)體的形狀一個(gè)扁平的半橢圓球體，水平方向的入滲距離遠(yuǎn)大于垂直方向的入滲距離；文獻(xiàn)[8]研究表明經(jīng)過240 min 入滲后，濕潤(rùn)體的形狀一個(gè)扁平的半橢圓球體，但水平、垂直方向上的入滲距離差值較文獻(xiàn)[5]要少；文獻(xiàn)[7]研究表明經(jīng)過480 min入滲后，濕潤(rùn)體的形狀近似半圓球體；文獻(xiàn)[6]研究表明在入滲結(jié)束3 d 后，濕潤(rùn)體的形狀是一個(gè)修長(zhǎng)的半橢圓球體。濕潤(rùn)體形狀由水平方向較大，逐漸變?yōu)榇怪狈较蜉^大的過程，是由于重力勢(shì)在入滲過程的所起的作用隨入滲時(shí)間增加而增加，對(duì)于滲透性能較好的土壤，這種趨勢(shì)更為明顯。滴灌和涌泉灌的濕潤(rùn)體形狀、形成過程非常相似，和涌泉根灌有較大的不同。

4 流量對(duì)濕潤(rùn)體形狀的影響分析

涌泉灌和涌泉根灌土壤水分入滲試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，涌泉灌濕潤(rùn)鋒的水平運(yùn)移距離、垂直運(yùn)移距離，涌泉根灌濕潤(rùn)鋒的水平運(yùn)移距離、垂直向下運(yùn)移距離、垂直向上運(yùn)移距離如表2所示。

表2 不同流量下涌泉灌與涌泉根灌的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離Tab.2 Wetting front of bubble irrigation and bubble root irrigation under different irrigation flow

可以發(fā)現(xiàn)，在相同灌水量不同流量條件下，隨著灌水流量的增大，涌泉灌水平方向的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離逐漸增大，垂直方向的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離逐漸減少，但在水平方向、垂直方向上，灌水流量與濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移距離都不是線性相關(guān)的關(guān)系。涌泉灌水平方向上入滲距離明顯大于在垂直方向上的入滲距離，而且隨著灌水流量的增大，二者之間的差值變得更大，其原因是隨著灌水流量的增大，超過了土壤的入滲能力，造成土壤表面積水，而且積水深度隨著流量的增大而增大，這就導(dǎo)致水體在土壤表面外溢，增大了水平濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移距離，同時(shí)，也減少了土壤在垂直方向的入滲水量，減少了在垂直方向的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離。涌泉灌在實(shí)際應(yīng)用中，也存在灌水器流量增大后，發(fā)生田面積水的情況。水平入滲距離大于垂直入滲距離，使入滲到土壤表層的水量增加，水分的無(wú)效蒸發(fā)增加，到達(dá)作物根系的水量會(huì)減少，對(duì)于節(jié)水灌溉是不利的。在涌泉灌條件下，灌水流量對(duì)濕潤(rùn)體的形狀有顯著的影響，流量越大，濕潤(rùn)體在水平方向的直徑越大，在垂直方向的直徑越小，濕潤(rùn)體越扁平。

在相同灌水量不同流量的條件下，涌泉根灌水平方向濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移距離在20.1±0.8 cm 的范圍內(nèi)波動(dòng)，垂直向下的運(yùn)移距離在18.3±0.8 cm 的范圍內(nèi)波動(dòng)，垂直向上的運(yùn)移距離都到達(dá)了土壤表面（15 cm)，在考慮試驗(yàn)誤差的情況下，灌水流量對(duì)濕潤(rùn)體形狀的影響不明顯。流量對(duì)濕潤(rùn)體形狀影響不明顯的原因，是因?yàn)橛咳鄺l件下水分是通過套管孔進(jìn)行土壤入滲的，在灌水器流量為1.0、1.5、2.0、2.5 和3.0 L/h 時(shí)，套管內(nèi)積水深度分別為1.6、3.7、6.0、8.3 和10.7 cm，但套管長(zhǎng)度30 cm，開孔長(zhǎng)度15 cm，管內(nèi)的積水深度都沒有溢出套管形成土壤表面積水，都是通過開孔處向外入滲，不同灌水流量的入滲邊界條件變化并不大。涌泉根灌技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中，即使在灌水器流量較大的情況下，也很少出現(xiàn)管口溢水，產(chǎn)生田面積水的情況，濕潤(rùn)體直達(dá)作物的根部，減少了水分的無(wú)效蒸發(fā)。

對(duì)于滴灌，從一些文獻(xiàn)[5,7,8]提供的圖表數(shù)據(jù)可以推算得出：在相同灌水量不同流量的滴灌條件下，隨著流量的增大，水平方向的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離增大，垂直方向的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離減少，而且在入滲時(shí)間不是很長(zhǎng)(180 min)的條件下，水平方向的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離大于垂直方向上的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離。由此可見，灌水流量對(duì)濕潤(rùn)體形狀的影響，滴灌與涌泉灌很相似，與涌泉根灌不同。

5 結(jié)論

（1）在灌水流量相同的條件下，涌泉灌比涌泉根灌更容易形成土壤表面積水；隨著灌水流量的增大，涌泉灌土壤表面積水的深度、面積逐漸增大，涌泉根灌灌水套管內(nèi)的積水深度逐漸增大，并且灌水流量與套管內(nèi)的積水深度呈線性相關(guān)關(guān)系。

（2）入滲結(jié)束后，涌泉灌的濕潤(rùn)體形狀是一個(gè)近似半球體，涌泉根灌的濕潤(rùn)體形狀是一個(gè)近似半橢圓球體，而且在垂直方向更為修長(zhǎng)。

（3）灌水流量對(duì)涌泉灌濕潤(rùn)體的形狀有顯著的影響，流量越大，濕潤(rùn)體形狀越扁平，但在一定流量范圍內(nèi)，灌水流量對(duì)涌泉根灌的濕潤(rùn)體形狀無(wú)顯著影響；在相同的灌水量和灌水流量條件下，涌泉灌在水平方向的入滲距離顯著大于涌泉根灌，在垂直方向上的入滲距離顯著小于涌泉根灌。

（4）相對(duì)于涌泉灌，涌泉根灌不易產(chǎn)生土壤表面積水，水分分布更深，入滲的水量更容易到達(dá)作物根區(qū)，減少了水分的無(wú)效蒸發(fā)，有利于作物對(duì)土壤水分的吸引。