入渗水头对膜下小管岀流垄沟灌土壤水分运移影响

马 超，张运鑫，程东娟，王利书，胡浩云，李 菲，张 策

(河北工程大学水利水电学院，河北 邯郸 056021)

0 引 言

水资源短缺一直都是阻碍我国农业可持续发展的障碍，尤其是在干旱半干旱地区，因此发展新型高效节水灌溉技术尤为重要[1,2]。膜下小管岀流灌溉是近些年来先进的节水灌溉方式之一，不仅具有覆膜保墒、保温等特点，而且通过空间三维入渗，提高了灌水均匀度和水肥的利用效率，投入低，增产效果好[3,4]。垄沟灌溉技术以复合群体间(套)作技术为载体，将目前旱地农业中的垄沟技术与灌溉农业中的沟灌技术进行有机结合，它是伴随种植结构调整而产生新型灌水技术，通过沟中灌水侧渗实现水分在垄沟间的分配,同时水肥大部分在地面以上的垄上运移，不会对下层土壤造成影响，防止土壤的次生盐碱化[5-8]。目前，国内外学者对膜下小管岀流和垄沟灌分别进行了大量的研究，但把两种节水灌溉方式结合在一起的研究少之又少。因此，开展了室内不同入渗水头的膜下小管岀流垄沟灌入渗试验，以期研究其土壤水分运移特性，为推广高效节水灌溉方法提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

为了研究不同入渗水头膜下小管岀流垄沟灌条件下土壤水的运移、分布规律，在室内利用膜下小管岀流垄沟入渗装置进行了不同入渗水头的纯水膜下小管岀流入渗试验。膜下小管岀流入渗装置由土箱和供水装置组成，如图1所示：试验土箱采用5 mm厚的有机玻璃板制作而成，试验土箱尺寸为20 cm×25 cm×30 cm，为了便于观测湿润锋的发展过程,将1/2垄沟设置在土箱的一侧，如图1中的A-D-I-J-K-L位置，在垄沟沟底设置小管，管距为15 cm。模拟膜下垄沟滴灌时，将膜下小管岀流的出水口处安装上滴灌滴头即可。供水装置为马氏瓶，马氏瓶采用透明的有机玻璃制作而成，瓶身带有刻度，截面积为30 cm2。

图1 膜下小管岀流垄沟灌自由入渗装置Fig.1 The device of indoor infiltration experiments

试验土壤采用大田0～30 cm的土壤，供试土壤为壤土，经过碾压、粉碎、风干，过2 mm筛子，土壤初始质量含水率为8.0%，初始含盐量为2.69 g/kg，饱和导水率为3.235 mm/h，容重为1.3 g/cm3。垄沟顶宽8 cm，深5 cm，入渗水头设置3个水平，分别为3、4、5 cm，对照为膜下垄沟滴灌(入渗水头为4 cm)，重复3次，取平均值。

1.2 试验方法

试验时将马氏瓶调整至所需水头，装入纯水，排气备用。按图1所示，按照预定的土壤容重分层(5 cm厚)装入试验土箱，每层之间做刮毛处理，共6层，然后根据垄沟大小切出垄沟形状然后覆膜，通过供水管连接试验土箱和马氏瓶，调整马氏瓶到所需水头。实验开始，打开马氏瓶出水阀门，纯水进入垄沟内，模拟膜下小管出流垄沟灌。试验灌水量为750 mL，试验过程中由密到疏观测马氏瓶水面下降刻度以计算累积入渗量，并描绘以沟底J点为基点的湿润锋曲线。试验结束后，在土壤A-B-E-F剖面沿水平和垂直两个方向按网格(2.5 cm×2.5 cm×2.5 cm)取土。每个取土点取一个土样，采用烘干法测定含水率。

2 结果与分析

2.1 入渗水头对膜下小管岀流垄沟灌累积入渗量的影响

入渗水头对膜下小管岀流垄沟灌累积入渗量的影响如图2所示，由图可知，膜下小管岀流垄沟灌的累积入渗量与膜下垄沟滴灌(CK)存在很大差异，相同时间膜下垄沟滴灌的累积入渗量明显少于膜下小管岀流，并且入渗时间明显大于膜下小管岀流。不同入渗水头的膜下小管岀流垄沟灌累积入渗量随着时间的增加而逐渐增加。相同入渗时间时，累积入渗量随着入渗水头的增加而增加，入渗前期变化不明显，随着时间增加变化越来越明显，尤其当灌水水头达到5 cm时，由于垄沟内积水较多，与土体表面接触面积较大，累积入渗量明显大于其他处理，后期逐渐入渗至750 mL。入渗至750 mL时各处理所用时间为39′20″(CK)、20′03″(3 cm)、17′54″(4 cm)和16′13″(5 cm)，随着入渗水头的增加，用时逐渐减少。将累积入渗量与入渗时间用Kostiakov模型进行幂函数拟合，由实测资料可得拟合结果，如表1。

图2 不同入渗水头累积入渗量Fig.2 The cumulative infiltration volume

灌溉方式入渗水头/cm拟合结果膜下垄沟滴灌(CK)4I=18.969t0.9988 R2=0.99853I=131.68t0.6192 R2=0.9924膜下小管岀流垄沟灌4I=142.79t0.6062 R2=0.99125I=153.22t0.5976 R2=0.9809

注：I为累积入渗量，mL；t为入渗时间，min。

2.2 入渗水头对膜下小管岀流垄沟灌湿润锋运移距离的影响

湿润锋是指在湿润带的末端，土壤含水量突变，与下层干土有明显的界面，它是体现土壤水分运移特点一个重要的理论根据[9,10]。图3是不同入渗水头膜下小管岀流垄沟灌不同时间湿润锋运移距离，图4和图5分别为不同入渗水头时(图4中y轴0～5 cm为沟深)，膜下小管岀流垄沟灌水平湿润锋和垂直湿润锋运移距离及再分布随时间变化曲线。从图中可以看出，在水平和垂直方向，湿润锋运移距离均随时间延长而增大；相同入渗时间，随着入渗水头的不断增加，水平湿润锋运移距离不断增大，但垂直湿润锋运移距离逐渐减小，与膜下垄沟滴灌相比，差异都很大，再分布过程中规律与其相似。灌水水头为5 cm时，水平湿润锋运移距离最远达到了16 cm，与灌水水头为3 cm时的14.1 cm相比增加了13.48%，而入渗水头为5 cm时的垂直湿润锋运移距离为9.2 cm，与入渗水头为3 cm时的11.3 cm相比，减少了18.58%，这说明灌水入渗水头对土体中湿润锋的运移有较明显的影响，而且灌水水头为5 cm时，水平和垂直湿润锋的运移距离与CK相比，分别增加了25.98%和减少29.23%，变化更为明显。

图3 不同入渗水头不同时间湿润锋运移距离Fig.3 Wetting front transport distance at different time

图4 不同入渗水头水平湿润锋运移距离Fig.4 The level of wetting front transport distance

根据实测资料，对不同入渗水头膜下小管岀流垄沟灌入渗的水平湿润锋和垂直湿润锋运移及再分布距离与时间之间进行幂函数拟合[11]，拟合情况如表2所示。

图5 不同入渗水头垂直湿润锋运移距离Fig.5 The vertical of wetting front transport distance 注：图4、5中，a、b、c、d四条虚线分别是膜下垄沟滴灌和水头为3、4、5 cm处理的水分入渗过程和水分再分布过程的时间分界线，其前段时间为水分入渗过程，后段时间为水分再分布过程。

灌溉方式入渗水头/cm水平方向垂直方向膜下垄沟滴灌(CK)4RZ=2.1416t0.4106R2=0.9836Rx=6.2863t0.2281R2=0.98693RZ=3.5733t0.3315R2=0.9262Rx=6.5376t0.219R2=0.9446膜下小管岀流垄沟灌4RZ=4.1422t0.3095R2=0.9433Rx=7.1146t0.1847R2=0.92935RZ=4.0244t0.3336R2=0.9391Rx=6.4093t0.1902R2=0.9518

注:RZ是水平湿润锋运移距离；Rx是垂直湿润锋运移距离；t是入渗时间。

由表2可知：滴灌CK和小管岀流灌溉相比，虽然湿润锋运移距离与入渗时间均呈现良好的幂函数关系，但差异比较大；入渗水头对水分入渗也有很大影响，入渗水头越大，水平湿润锋运移距离越大，垂直湿润锋运移距离却越小，这可能是因为水分与垄沟的接触面随着入渗水头的增加而增大，相同入渗时间，水平入渗随之增大，垂直入渗相对减少。

2.3 灌水入渗水头对膜下小管岀流垄沟灌水分运移的影响

图6为膜下小管岀流垄沟灌条件下，不同入渗水头土壤质量含水率等值线图，由图6可知，土壤中含水率分布大致为一个半椭球体；在垄沟附近等值线分布较稀疏，在湿润锋附近等值线图分布较密集；土壤含水率随着距垄沟距离中心的增大而逐渐减小，而且湿润锋位置有明显的干湿交界。

图6 不同入渗水头土壤含水量分布等值线图 Fig.6 Contour map of soil moisture distribution

对比膜下垄沟滴灌和入渗水头为3、4、5 cm四幅图可知，膜下垄沟滴灌的湿润体比其他入渗水头的深度大、宽度小。随着入渗水头的增加，土壤湿润体的水平湿润范围增大，垂直湿润范围减小，入渗水头为5 cm的湿润体水平湿润长度比入渗水头为3 cm的湿润体增将近14%，而垂直湿润长度却减小了将近19%。这说明入渗水头对水分的水平和垂直入渗影响很大。入渗水头为3 cm的湿润体含水率高的部分集中在垄沟垂直方向，而入渗水头为5 cm的湿润体含水率分布相对集中在垄沟水平方向。湿润体内相同位置土壤的含水率随着入渗水头的增大而减小，其中各处理与CK的对比，从图中看出，均变化比较明显。

不同入渗水头的土壤含水率的分布情况由其均匀性系数来表示，主要反映土壤湿润体内的土壤含水率分布的均匀程度以及土壤含水率大小与其平均值的偏差，土壤含水率的均匀性系数采用克里斯琴森公式来计算:

表3是利用克里斯琴森公式计算的不同入渗水头土壤含水率的均匀性系数。从中可以看出湿润体的含水率分布均匀度随着入渗水头的增加而逐渐减小。这是由于随着入渗水头的增大，水与土壤的接触面积也随之增大，湿润体的含水率均匀度也就随之减小。但都小于膜下垄沟滴灌(CK)，原因是滴灌灌水比较慢，相同灌水量，灌水时间相对较长，所以均匀度较好。

表3 不同入渗水头土壤含水率均匀系数Tab.3 The soil moisture content uniformity coefficient

3 结 语

(1)相同入渗时间内，随着入渗水头的增加，累积入渗量增大，且累积入渗量与入渗时间符合幂函数关系；水平湿润锋运移距离随着入渗水头的增加而增大，而垂直湿润锋运移距离逐渐减小，可能是由于随着入渗水头的增大，水与土壤的接触面积增大，从而导致水平湿润锋运移距离相对增加。

(2)不同入渗水头对土壤水的运移分布影响有相同的地方，表现为：土壤含水率随着距垄沟距离的增大而减小；但不同的是随着入渗水头的增加，土壤中的含水率分布均匀度会相对更好一些。

(3)膜下小管岀流垄沟灌与膜下垄沟滴灌在累积入渗量、湿润锋运移距离和土壤含水率分布都存在较大差异，表现为：膜下小管岀流垄沟灌的累积入渗量在相同入渗时间均大于膜下垄沟滴灌；膜下垄沟滴灌的水平湿润锋相对小一些，垂直湿润锋更大；膜下小管岀流含水率的分布相对靠近表面一些。

综上所述，膜下小管出流垄沟灌适用于番茄等一些经济作物，不同的经济作物根生长情况和需水规律会有所不同。根据作物的根系生长情况，选择不同的灌水水头，结合根系需水规律和作物不同生育期的生长需要，为确定适宜的灌水水头提供一些理论依据。

4 讨 论

对于膜下垄沟滴灌条件下的土壤水分运移规律已经研究比较充分，而对于膜下小管岀流灌溉的土壤水分运移规律的研究较少，其与垄沟灌结合在一起更是一种新的思路。

膜下小管出流垄沟灌对水源的要求要比滴灌低。由于其抗堵塞能力强，如果是无大泥沙颗粒的水源，可省略过滤设施，提高能源利用率。还有就是其适用范围应该很广，不仅适用于经济作物灌溉,同时结合少量的田间沟畦工程,也能广泛地应用于大田农作物的灌溉，也能水肥结合灌溉，提高灌水质量，保证作物需求的正常灌水均匀度。最重要的是其节能，节水，保水效果好，灌溉工作入渗水头相对比较低，很适合现在的农业灌溉的发展趋势。

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