无压地下灌溉条件下土壤水分入渗特性研究

李 蕊，张宽地，陈俊英

(1. 杨凌职业技术学院，陕西 杨凌 712100；2. 西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100)

0 引 言

无压地下灌溉是一种新型的根区点源局部灌溉技术，与传统的加压灌溉方式不同，它通过在耕作层埋设打孔的输水管道，将灌溉系统首端的供水压力控制为无压、微小的正压或负压，利用土壤水吸力自动补给灌溉，使灌溉水通过灌水器孔口进入作物根系层，满足作物生长的用水需求，以达到减少棵间蒸发和深层渗漏及节水、节能的目的[1]。目前，对于无压地下灌溉的原理、不同技术指标对土壤含水率分布、作物根系生长发育、果实产量和品质的影响已有研究报道。陈新明等[2,3]从理论上分析了无压地下灌溉的水动力学机理，同时通过试验发现出水孔径和压力越大，灌水器出水量越大，入渗到土壤的水量也越多。赵伟霞等[4]发现不同供水压力下的土壤湿润体呈球冠状，最大水平和垂直湿润距离相等且与时间存在显著幂函数关系。陈新明等[5]与沟灌比较发现无压地下灌溉不但没有降低黄瓜产量，反而能够提高作物水分利用率、水分生产率和黄瓜品质。王燕等[6]研究发现无压灌溉可满足番茄生育期需水量，不同供水压力对番茄根区土壤水分、生理特性和产量影响不同，但其能够提高番茄的糖酸比、可溶性蛋白和Vc量。然而，对于无压地下灌溉条件下的土壤入渗特性，特别是不同供水压力和灌水器孔径下的土壤水分运移规律还缺乏一定的试验研究。土壤水分入渗特性直接影响不同灌溉方式下灌溉水的利用过程和作物的生长发育[7]。因此，通过室内无压灌溉试验研究分析不同供水压力和灌水器孔径对土壤累积入渗量、湿润峰动态变化以及湿润体内土壤含水率分布的影响，从而为选用合理的无压灌溉技术参数提供重要的理论依据和技术指导。

1 材料与方法

1.1 试验概况

试验于2014年3―5月在西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院节水试验大厅进行。供试土壤为取自陕西杨凌渭河滩地樱桃园的砂壤土，土壤经碾压、粉碎和自然风干后过2 mm孔径的筛。将过筛的土以原状土体积质量1.45 g/cm3分层(5 cm)回填到试验土箱中，装填上层土时将下层土表面打毛，从而使各层土之间紧密接触。砂壤土的田间持水率和饱和含水率分别为21.47 %和32.53 %(质量)。试验设供水压力和灌水器孔径2个因素，共设置9个处理，每处理设3次重复，观测值取3次重复试验的平均值。其中，供水压力设-3、0及3 cm 3个水平，灌水器孔径设4、6和8 mm 3个水平。

1.2 试验装置

试验装置由试验土箱和供水系统两大部分组成(图1)。试验土箱采用四方体有机玻璃制作，长40 cm，宽40 cm，高60 cm。采用有机玻璃柱制作的马氏瓶恒压供水，内径10 cm, 高60 cm。灌水器通过在内径为10 mm的PVC管上打孔而成，灌水器用纱布进行包裹，以防土壤颗粒堵塞孔口。试验过程中，试验土箱和马氏瓶由PE软管相连，灌水器埋深为10 cm。试验所用供水压力通过调节灌水器和马氏瓶出水口之间的高度差Δh来实现。入渗开始前先将整个输水管道行排气，使输水管道中充满水，然后开展灌水试验。

图1 试验装置图

1.3 测定项目及方法

在入渗过程中，用秒表记录入渗时间；由马氏瓶上的刻度记录累积入渗水量；用记号笔在与灌水器相邻的土箱两侧绘出不同时间湿润锋的动态分布。试验结束后，用描图纸描绘湿润锋形状，并在坐标纸上标定湿润锋的精确位置；取2个侧面的平均值作为水平向和垂直向最大湿润距离；用直径为2 cm的土钻沿试验土箱的对角纵剖面在湿润体内分层取样，取样后用烘干法测量土壤质量含水率。

2 结果与分析

2.1 累积入渗量随入渗时间的动态变化

不同供水压力和灌水器孔径下所得的累积入渗量随入渗时间的变化过程如图2所示。由图2可以看出，开始时入渗较快，而后入渗率逐渐变慢。灌水器孔径相同时，不同供水压力条件下所得的累积入渗量随入渗时间的变化曲线走势相近，即随着压力水头的增大，相同时段内的土壤入渗量逐渐变大；但其最终累积入渗量差异较大，例如，8 mm孔径下，-3 cm水头时最终累积入渗量为32 cm，而3 cm水头时为44 cm。供水压力相同时，不同灌水器孔径条件下所得的累积入渗量随入渗时间的变化曲线走势基本相同，并表现出随着灌水器孔径的增大，相同时段内的累积入渗量逐渐增大；但其最终入渗累积量差异较大，例如，3 cm水头下，4 mm孔径时最终累积入渗量为30 cm，8 mm孔径时则为44 cm。随着灌水器孔径变化，不同供水压力条件下累积入渗量也存在较大差异，并随着灌水器孔径变大差异愈明显，特别是大孔径(8 mm)时0 cm 和3 cm供水压力下的差异较大。这是由于在供水压力为零水头和负压时水的入渗主要靠土壤基质势，而在正压时重力作用对入渗过程逐渐显著，孔径越大，重力作用下灌水器出水量就越大。

图2 不同供水压力和灌水器孔径下累积入渗量与入渗时间的关系

利用幂函数I=atb对不同供水压力和灌水器孔径下累积入渗量与入渗时间之间进行拟合，分析结果如表1所示，其决定系数R2均在0.98以上。对表1分析表明，幂函数形式可以很好地描述无压地下灌溉条件下累积入渗量与入渗时间的关系。由表1可知，不同灌水器孔径下，系数a和指数b均表现为：8 mm > 6 mm > 4 mm，并随着供水压力的增大，幂函数系数a表现出整体增大的趋势，但指数b逐渐减小。

表1 不同供水压力和灌水器孔径下累积入渗量和入渗时间的拟合情况

2.2 土壤湿润体最大湿润锋随入渗时间的变化

无压地下灌溉土壤水分入渗过程为三维入渗，不同供水压力和灌水器孔径下水平向最大湿润距离zx、垂直向最大湿润距离zh随入渗时间t的变化如图3所示。由图3可知，湿润锋开始时迁移速率较大，然后逐渐减小。灌水器孔径相同时，不同供水压力条件下所得的水平向最大湿润距离、垂直向最大湿润距离随入渗时间的变化趋势相同，即压力水头越大，相同时段内的湿润锋迁移速率也越大；但其最大湿润距离差异较大，例如，8 mm孔径下，-3 cm水头时最大水平和垂直湿润锋分别为23 cm和23 cm，而3 cm水头时分别为31cm和32 cm。相同供水压力时，不同灌水器孔径下所得的最大水平向湿润距离、最大垂直向湿润距离随入渗时间走势基本相同，并表现出随着灌水器孔径的增大，相同时段内的湿润锋迁移越快；但其最大湿润距离差异较大，例如，3 cm水头下，4 mm孔径时最大水平和垂直湿润锋分别为23 cm和24 cm，而8 mm水头时分别为31 cm和32 cm。随着灌水器孔径变化，不同供水压力条件下最大水平向湿润距离、最大垂直向湿润距离也存在较大差异，并随着灌水器孔径变大差异愈明显。当供水压力为负压和无压时(-3和0 cm)，最大垂直向湿润距离与最大水平向湿润距离接近；而当压力水头为正值时(3 cm)，最大垂直向湿润距离较最大水平向湿润距离大，说明此时重力作用已开始有所显现。

图3 不同供水压力和灌水器孔径下最大水平向湿润距离、最大垂直向湿润距离与入渗时间的关系

利用幂函数zx=atb和zh=atb对不同供水压力和灌水器孔径下水平向最大湿润距离zx、垂直向最大湿润距离zh与入渗时间t之间关系进行拟合(表2)。由表2可知，拟合结果决定系数R2均大于0.98，说明幂函数形式可以很好地描述无压地下灌溉条件下水平向最大湿润距离、垂直向最大湿润距离与入渗时间的关系。由表2可知，不同灌水器孔径下，系数a和指数b均表现为：8 mm > 6 mm > 4 mm，并随着压力水头的增大，幂函数系数a表现出整体增大的趋势，但指数b逐渐减小。

表2 不同供水压力和灌水器孔径下最大水平向湿润距离、最大垂直向湿润距离和入渗时间的拟合情况

2.3 土壤含水率沿湿润球体半径方向分布规律

试验结果表明在土壤基质势梯度作用下，无压地下灌溉土壤湿润体内土壤含水率在以出水口为中心的同心球面上近似相等。湿润体内不同位置处的土壤含水率θ与其所在湿润球体半径r(r2=z2x+z2h)之间的关系如图4所示。分析可知，湿润体内最大土壤含水率介于饱和含水率(32.53%)和田间持水率(21.47%)之间，说明在无压灌溉条件下土壤湿润体内不存在饱和区，灌水器出水主要依靠土壤水吸力。这种土壤含水率分布可使作物根区保持良好的通气状况，有利于协调土壤的水气条件，进而提高作物的生产力[6]。由图4可知，随湿润球体半径的增大，土壤含水率呈现减小趋势，但不同供水压力和灌水器孔径下减小速率有所不同。在中大灌水器孔径条件下，土壤含水率随供水压力增大而增大，而小孔径情况下差异显著。

利用二次抛物线曲线拟合θ=arb+br+c对不同供水压力和灌水器孔径下湿润体内土壤含水率沿湿润球体半径方向之间关系进行拟合(表3)。对表3可知，拟合结果决定系数R2都大于0.93，说明二次抛物线形式可以较好地描述无压地下灌溉条件下湿润体内土壤含水率沿球体半径方向的关系。由表3可知，不同灌水器孔径下，系数a和常数c整体表现为：8 mm>6 mm>4 mm，系数b整体表现为：4 mm>6 mm>8 mm。随着压力水头的增大，系数a和常数c表现出整体减小的趋势，而系数b总体有增大的趋势。

图4 不同供水压力和灌水器孔径下土壤含水率沿湿润球体半径方向分布规律

表3 不同供水压力和灌水器孔径下湿润体内土壤含水率沿球体半径方向分布的拟合情况

3 结 论

(1)不同供水压力和灌水器孔径下累积入渗量、土壤湿润体水平向和垂直向最大湿润距离均随入渗时间的增加而增大，但其增加的速率均在减小，说明随着入渗时间的增大，土壤湿润体内和湿润锋面由基质势所引起的水势梯度逐渐减小；整个入渗过程均可以采用幂函数形式进行描述。

(2)土壤湿润体内含水率在以出水点源为中心的同心球面上近似相等，且沿湿润球体半径方向逐渐减小，这与赵伟霞等[1]研究结论相同；土壤含水率分布可用二次抛物线形式进行描述。

(3)供水压力和灌水器孔径对无压地下灌溉土壤水分入渗过程有显著的影响，供水压力越小，同一灌水器孔径下的土壤水分入渗特性就愈差；灌水器孔径越小，同一供水压力下的土壤水分入渗特性也愈差。然而，当供水压力为正值(3 cm)时，重力作用已开始有所显现，这与无压灌溉依靠土壤基质势主动吸水的理念不符，故建议采用负压、零水头或微小的正压(< 3 cm)进行无压灌溉。

[1] 赵伟霞,蔡焕杰,陈新明,等.无压灌溉土壤湿润体含水率分布规律与模拟模型研究[J].农业工程学报,2007,23(3):7-10.

[2] 陈新明,蔡焕杰,单志杰,等.作物根区局部控水无压灌溉的土壤水动力学机理[J].农业机械学报,2006,37(11):80-83.

[3] 陈新明,蔡焕杰,王占兵,等.无压根区地下灌溉技术实验研究[J].农业工程学报,2004,20(1):76-79.

[4] 赵伟霞,蔡焕杰,陈新明,等.无压灌溉土壤湿润体特征值变化规律与经验解[J].灌溉排水学报,2009,28(2):30-33.

[5] 陈新明,蔡焕杰,单志杰,等.根区局部控水无压地下灌溉技术对黄瓜和番茄产量及其品质影响的研究[J].土壤学报,2006,43(3):486-492.

[6] 王 燕,蔡焕杰,陈新明。根区局部控水无压地下灌溉对番茄生理特性及产量、品质的影响[J].中国农业科学,2007,40(2),322-329.

[7] 范军亮,张富仓.负水头条件下的土壤水分垂直一维入渗特性研究[J].土壤学报,2010,47(3):415-421.