不同立地类型根灌、滴灌水分扩散规律

刘晓泉，严子柱，李得禄，唐卫东，张芝萍

(1.甘肃省古浪县水务技术推广中心，甘肃 古浪 733100； 2.甘肃省治沙研究所 甘肃省荒漠化与风沙灾害防治重点实验室----省部共建国家重点实验室培育基地，兰州 730070)

水是农业的命脉，也是国民经济和人类生活的命脉。水资源的占有状况和利用水平已成为评价一个国家一个地区经济能否持续发展的重要指标[1]。我国是一个水资源相对贫乏的国家，年平均淡水资源总量为2.8 万亿m3，人均占有水量仅2 300 m3，只相当于世界人均水平的1/4，居世界第109位，是世界上人均占有水资源最贫乏的13个国家之一。农业用水每年亏缺300 亿m3,有2 000多万人口饮水困难[2]。农业用水量在水资源总量中约占65%，浪费现象严重。其中灌溉水利用系数仅45%，用水效率低，节水灌溉改造工程仅为30%[3]。因此，加强农业节水灌溉，有效改善水资源短缺现状，对促进我国农业可持续发展、保护与恢复生态环境具有重要意义[4]。

近年来，我国高效节水灌溉技术取得了很大突破，一些技术含量高、使用效果好、节水率高的高效节水灌溉技术相继研发成功。但受地区经济状况限制和群众观念意识约束，高效节水灌溉技术的推广利用十分不足，高效节水灌溉所占比例仍然相对比较低[5]。目前，我国采用最多、水利用效益最高的节水灌溉是微灌，包括：微喷灌、滴管和渗灌。该技术采用管道输水，将有压水通过微灌系统输送至植物根部土壤，蒸发损失及渗漏相对较小，较漫灌节水50%～70%，较喷灌节水15%～20%，节水率可达80%～90%[6]。而根灌技术是中国科学院寒区旱区环境与工程研究所杜虎林研究员，于2012发明的一项节水专利技术，依托于传统滴灌设施，采用直插式渗灌滴头和导水微管将灌溉水直接输送至植物根系土壤层，实现了灌溉水分低蒸发、甚至无蒸发损失的新型节水灌溉技术[7,8]。它实际是渗灌的一种，俗称根灌。目前，国内外对渗灌的研究已经相当深入和广泛，有大量的研究报道[9-24]，内容涉及非常广泛，但对于根灌节水技术的研究，仅涉及风沙土滴灌和根灌对比研究[4]、沙漠公路防护林带根灌节水研究[8]、农田根灌与滴灌条件下土壤蒸发[25]这几个方面。而我们知道，土壤水分入渗是地面水转化为土壤水的途径，合理确定土壤水分入渗参数是实施地面灌溉优化灌水的前提条件，也是全面实现农业水资源利用效率的基础[26]。因此，开展根灌水分在不同立地类型的扩散规律进行研究十分必要。本文采用根灌和滴灌，对民勤沙区生态防护林、生态经济林和防风固沙林的水分扩散规律进行对比研究，旨在为该区根灌节水技术的推广应用提供技术支持和伦理指导。

1 材料与方法

1.1 试验地概括

试验地设在甘肃省民勤治沙综合试验站民勤沙生植物园内，地处巴丹吉林沙漠东南缘和腾格里沙漠交汇地带，温带大陆性极干旱气候，地理位置E 102°58′，N 38°34′，海拔1 375.3 m，年均气温7.6 ℃，极端高温40.6 ℃，最低气温- 28.8 ℃，年均降水量113.2 mm，年均蒸发量2 604.3 mm，干燥度>10，地下水位27 m以下，全年风沙日74.8 d，8级以上大风天气40.5 d，沙尘暴日数37 d，年均风速2.5 m/s，最大风速20 m/s，全年盛行西北风。日照时数2 833 h，≥ 10 ℃积温3 248.8 ℃，无霜期164 d。土壤类型主要是风沙土、壤质沙土和灰棕漠土，土壤粒径组成见表1。土壤有机质含量0.15%～0.8%，含盐量高，pH值8.0～8.5；0～120 cm层土壤阴、阳离子组成及含量见表2。

表1 不同土壤立地类型粒子构成 %

注：黏粒0.01～2 μm;粉粒2～20 μm；细沙粒20～200 μm;粗沙粒200～2 000 μm。

1.2 试验材料与方法

参试根灌材料有滴灌配套系统、外镶式滴头，根灌滴头和根灌导水微管(见图1)等。参试植物有梭梭、沙枣、榆树和柠条锦鸡儿等苗木，参试植物地上、地下部分生物量和根系结构特征见表3。

试验方法：在试验区安装滴灌系统，按根灌、滴灌交替排列方式布置试验。每种土壤立地类型设置3个试验小区，每个小区各装2根滴灌带和根灌带，选根灌带和滴灌带的中间部位，距供水支管相同位置，以灌溉时间0.5、1.0、1.5 h设置3个处理，重复3次。然后在对应的根灌和滴灌滴头上用事先称重的容器接同等时间内滴出的水，用称重法计算水量，并用挖剖面法，测定根灌和滴灌在不同立地类型土壤中水分的扩散速度。

1.3 数据观测与处理

数据观测采用直接观测法。用钢卷尺分别测定剖面上含水体的纵轴和横轴长，并观察含水体横截面的形状，并将测定的数据在Excel软件中进行分析处理和作图。

表2 不同土壤立地类型阴、阳粒子含量 mg/g

2 结果与分析

2.1 风沙土根灌、滴灌水分扩散规律

通过风沙土定植梭梭滴灌和根灌试验，其水分垂直和水平扩散速率结果见图2、图3。

从图2可以看出，根灌在风沙土中水分的扩散规律总体表现为：水平扩散速率>垂直扩散速率，且水分扩散速率与灌溉时间呈负相关对数关系。水平扩散速率与灌水时间存在：y=-15.71 lnx+27.217(R2= 0.999 2)的相关性对数关系；垂直扩散速率与灌水时间存在：y=-15.86 lnx+20.869(R2=0.998 7)的相关性对数关系。从相关系数R2值来看，水平和垂直扩散速率与时间的相关性都达到了极显著水平。从图3可以看出，滴灌风沙土水分扩散速率与根灌规律相似，总体也表现为水平扩散速率大于垂直扩散速率，灌溉时间与水分扩散速率呈负相关对数关系。但滴灌水分的水平扩散速率要比垂直扩散速率更大，差异更明显。水平扩散速率与灌水时间的相关性对数方程为：y=-17.38 lnx+27.81(R2= 0.996 1)；垂直扩散速率与灌水时间的相关性对数方程为：y=-12.35 lnx+14.649(R2=0.929 9)。从相关系数R2值来看，水平扩散速率与时间的相关性都达到了极显著水平，垂直扩散速率也达到了显著水平。

图1 根灌、滴灌试验材料及方法示意图

cm

图2 风沙土根灌水分扩散速率

图3 风沙土滴灌水分扩散速率

2.2 沙质壤土根灌、滴灌水分扩散规律

沙质壤土实际上是风沙土的改良土壤，比风沙土多了些黏性，比壤土多了些沙性。从剖面的情况来看，沙质壤土的结构和质地都不如风沙土均匀，因此，根灌和滴灌在沙质壤土中的扩散速率情况要复杂一些。通过沙质壤土柽柳和沙枣滴灌和根灌对比观测，土壤水分垂直和水平扩散速率结果见图4、图5。

图4 沙质壤土根灌水分扩散速率

图5 沙质壤土滴灌水分扩散速率

从图4可以看出，根灌沙质壤土水分扩散规律总体也表现为：水平扩散速率>垂直扩散速率，灌溉时间与水分扩散速率呈负相关对数关系。水平扩散速率与灌水时间的相关性对数方程为：y=-26.7 lnx+47.059(R2=0.977 9)；垂直扩散速率与灌水时间的相关性对数方程为：y=-20.2 lnx+23.786(R2=0.938 3)。从R2值来看，水平和垂直扩散速率与时间的相关性都达到了显著水平。从图5可以看出，沙质壤土滴灌与根灌的水分扩散速率规律极相近，且水分垂直扩散速率和水平扩散速率也相近，差异不明显。水平扩散速率与灌水时间的对数方程为：y=-16.74 lnx+29.309(R2= 0.988)；垂直扩散速率与灌水时间的相关性对数方程为：y=-18.68 lnx+28.828(R2=0.996 6)。从相关系数R2值来看，水平和垂直扩散速率与时间的相关性都达到了极显著水平。

2.3 灰棕漠土根灌、滴灌水分扩散规律

通过灰棕漠土上定植榆树根灌和滴灌试验观测，土壤水分的垂直和水平扩散规律结果见图6、图7。

图6 灰棕漠土根灌水分扩散速率

图7 灰棕漠土滴灌水分扩散速率

从图6可以看出，灰棕漠土上根灌水分扩散速率总体表现为：起始至0.5 h，水平和垂直扩散速率基本一致，但随灌溉时间增加，水平扩散速率逐渐大于垂直扩散速率，且与灌溉时间也呈负相关对数关系。水平扩散速率与灌水时间的对数方程为：y=- 8.199 lnx+24.77(R2=0.947 1)；垂直扩散速率与灌水时间的相关性对数方程为：y=-12.23 lnx+21.384(R2=0.997 5)；从R2值来看，水平和垂直扩散速率与时间的负相关性都达到了显著水平。从图7可以看出，灰棕漠土滴灌与根灌的水分扩散速率规律基本一致，且水分垂直扩散速率和水平扩散速率也很接近，垂直扩散速率略大于水平扩散速率。水平扩散速率与灌水时间的对数方程为：y=-21.05 lnx+30.758(R2=0.983)；垂直扩散速率与灌水时间的相关性对数方程为：y=-20.31 lnx+28.942(R2=1)。从相关系数R2值来看，水平和垂直扩散速率与时间的相关性都达到了极显著水平。

2.4 不同立地类型根灌、滴灌土壤水分扩散规律比较

通过不同立地类型根灌、滴灌对比观测，土壤水分在垂直和水平方向上的扩散规律见图8、图9示。

图8 不同立地类型根灌滴灌水分垂直扩散速率

图9 不同立地类型根灌滴灌水分水平扩散速率

从图8可以看出，不同立地类型根灌、滴灌土壤水分垂直扩散速率变化都各有不同。根灌水分的垂直扩散速率总体为：沙质壤土>风沙土>灰棕漠土，滴灌则总体表现为：灰棕漠土>沙质壤土>风沙土，两者规律不太相同。特别是灰棕漠土水分的扩散速率，根灌表现为前期小后期大，滴灌则一直较大；而风沙土的水分垂直扩散速率，在滴灌状态下则表现的相对较小。从图9可以看出，不同立地类型根灌、滴灌土壤水分水平扩散速率变化也各不相同。根灌在灌溉0～1 h内，水分水平扩散速率总体为：沙质壤土>风沙土>灰棕漠土；在1 h之后，水分扩散速率有所改变，但3种立地类型土壤中的水分扩散规律大致相同。滴灌水分水平扩散速率则总体表现为：灰棕漠土>沙质壤土>风沙土，3者扩散规律相同，且扩散速率差异也不大。

3 结论与讨论

风沙土无论根灌还是滴灌，水分水平扩散速率都明显大于垂直扩散速率，且灌水时间与扩散速率均呈负相关对数关系，相关水平极显著。风沙土是发育于风成沙性母质的土壤，其主要特征是土壤矿质部分几乎全由细沙颗粒(直径在0.25～0.05 mm)组成[7]，因此，质地比较均一。但风沙土大都是由流动性沙粒积聚而成，因此具有层积性，从其垂直剖面可以清楚地看到层积现象。因此，根灌和滴灌水分入渗到风沙土中，滴头水产生的水势推动水分向各个方向自由扩散，由于风沙土的层积性，使得水平扩散速率明显大于垂直扩散速率。

沙质壤土根灌、滴灌水分扩散规律总体也表现为水平扩散速率大于垂直扩散速率，灌溉时间与水分扩散速率呈负相关对数关系，相关性水平显著。沙质壤土虽含沙量仍相当多，但因亦含有少量粉粒及黏粒，具有土粒间的结合性。因此，沙质壤土的质地均匀度不及风沙土，但由于黏粒数量的增加，土壤孔隙度增大，因此水分的垂直和水平扩散速率仍基本遵守风沙土中水分的扩散规律。但从图8可以知道，其垂直和水平扩散速率明显大于风沙土。

灰棕漠土根灌、滴灌水分的扩散规律与风沙土及沙质壤土的水分扩散规律基本一致。灰棕漠土是民勤沙区常见的土壤类型，其黏性较大，未经改良的灰棕漠土层积性非常明显，又称平土，是由于上游水土流失携带下来的大量黏粒层积形成的，因此，水分垂直渗透性差。但经过改良的灰棕漠土，都掺入了大量的沙土，使其土壤结构有了很大的改善，土壤理化性质变好，因此渗水性增加，根灌、滴灌的垂直和水平扩散规律与风沙土、沙质壤土有了相似性。

不同立地类型，无论根灌还是滴灌，水分垂直扩散速率均为沙质壤土>风沙土>灰棕漠土，而水平扩散速率则是灰棕漠土>沙质壤土>风沙土，两者规律相同。风沙土由于质地较细，有明显的层积性，因此，水分垂直扩散速率小于水平扩散速率；灰棕漠土层积性更强，因此，水平扩散速率更大，垂直扩散性更差；而沙质壤土没有明显的层积性，土壤质地也较风沙土和灰棕漠土松散，因此，水分垂直扩散性好于风沙土和灰棕漠土，而水平扩散性则差于两者。

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