起垄微沟滴灌土壤水分入渗规律试验研究

刘婧然，程东娟，王丽玄，刘斯嘉，郑欣荣，马 超

(1.河北工程大学水利水电学院，河北 邯郸 056021；2.南水北调中线干线工程建设管理局河北分局，石家庄 050035)

滴灌是一种新型的现代高效节水灌溉技术，在国内外已被广泛应用[1,2,4]。其节水增产效果良好[3]，不足之处在于滴头易堵塞[2]。起垄栽培技术可增大受光面积，提高作物光合能力，防止土壤的次生盐碱化[5-7]。起垄微沟技术是一种新型的种植技术[8]，该技术不仅可以防止滴头堵塞，还可明显提高0～40 cm的土壤含水率和作物产量，但目前针对该技术对土壤水分运动的影响研究较少[9]。因此，本论文研究垄上微沟滴灌条件下土壤水分运动的规律，对垄上微沟技术进一步节水增产有着重要的现实指导意义。

滴灌条件下土壤水分入渗过程常用Richards方程描述[10]，刘晓英、Goldberg、王全九等人均对滴灌条件下土壤水分运动规律进行过试验研究，结果表明滴头湿润范围主要受滴头流量、灌水量等方面的影响[11-13]；此外，国内外许多学者对滴灌水分运动模型也进行过研究，如Sen[14]等人。本文采用垄上微沟进行滴灌，对不同坡度的微沟、不同流速的滴头流量进行土壤水分运动规律的研究，今后可根据作物根系分布来选择适宜的微沟坡度及适合的滴头流量，更充分地利用土壤水[15]，节约水资源，也为滴灌系统设计提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验土壤

试验土样采自河北省邯郸市河北工程大学水资源高效利用工程技术研究中心试验基地。试验前将土过2 mm筛，土壤的机械组成见表1。按土壤容重1.3 g/cm3分层装进试验土箱内。

表1 供试土壤机械组成

1.2 试验设备、设计与方法

试验过程中所用到的设备主要由土箱和供水装置构成。试验用土箱采用厚度为5 mm的有机玻璃土箱(25 cm×20 cm×30 cm)，土箱设有排气孔。试验用供水装置为带有刻度的马氏瓶，定水头供水，通过开关控制供水量。

试验土壤按照试验设计的8%初始含水率配好，为保证土壤的均匀性，按设计容重1.3 g/cm3分层装土。之后，在土壤表面挖微沟，微沟坡度分别为25°、45°和65°。滴头置于土箱一角[图1(a)处A点]，滴头流量分别为0.4、0.6、0.8 L/h。试验共设9个处理，3组重复，各处理方案见表2，各处理灌水量均为75 L。本试验按实际微沟截取二分之一来进行室内试验，断面尺寸示意图如图1(b)所示。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。

图1 起垄微沟滴灌土壤水分入渗示意图

处理坡度/(°)滴头流量/(L·h-1)T1T2T3T4T5T6T7T8T92525254545456565650.40.60.80.40.60.80.40.60.8

2 结果与分析

2.1 微沟滴灌不同滴头流量对湿润峰运移距离的影响

在灌水量一定，微沟坡度相同条件下，改变滴头流量，水平与垂直湿润锋随时间的变化过程如图2～图4所示。滴灌初期，不同滴头流量在水平、垂直方向上的水分入渗速率均较快，且水平、垂直湿润锋运移距离差别不大。随着滴灌时间的延长，水分入渗速率趋于稳定。且滴灌初期，湿润锋水平运移速率大于垂直运移速率，这与卢俊寰、张志刚[16,17]等人的研究规律一致。另外，滴灌水量一定，同一坡度情况下，滴灌完成时，湿润峰在水平和垂直方向上运移距离最短的始终是滴头流量最大的(0.8 L/h)；运移距离最长的始终是滴头流量最小的(0.4 L/h)。如图2～图4所示，相同坡度下，在水平方向上：T3(13.44 cm)比T1(15.37cm)，T6(12.55 cm)比T4(14.9 cm)，T9(11.45)比T7(13.63)的湿润锋运移距离分别约减少12.56%、15.77%、15.99%；在垂直方向上：T3(11.02 cm)比T1(14.8 cm)，T6(10.15 cm)比T4(13.8 cm)，T9(10.3 cm)比T7(13.74 cm)的湿润锋运移距离分别约减少25.54%、26.45%、25.04%；可见，滴头流量的变化对垂直方向上的湿润锋运移距离影响比水平方向上要大。湿润锋运移距离随着滴头流量的减小而增加，产生这一现象的主要原因是在灌水量一定的条件下，减少滴头流量，致使滴灌时间延长，土壤水分入渗时间增加，使水分在重力势和水力梯度的影响下充分移动。

2.2 微沟滴灌不同坡度对湿润峰运移距离的影响

在灌水量一定，滴头流量相同的条件下，改变微沟坡度，湿润锋水平与垂直运移变化过程如图5～图7所示。滴灌初期，不同坡度水平、垂直方向上土壤水分入渗速率均较快，且水平、垂直湿润锋运移距离差别不大。总体上可看出，在水平、垂直方向上的湿润锋运移距离大部分为：25°坡度>45°坡度>65°坡度。土壤水分运移距离及入渗速率在滴灌初期随着坡度的增加而降低，即土壤水分入渗速率与坡度成反比关系。随着滴灌时间的延长，在水平、垂直方向上，不同坡度的滴头入渗速率均下降，在滴灌初期下降较快，之后，入渗速率逐渐缓慢下降。且滴灌初期，土壤水分水平运移速率及运移距离略大于垂直运移速率及运移距离。在垂直及水平方向上，土壤水分入渗速率基本上与坡度成反比。在水平方向上：T7(13.63 cm)比T1(15.37 cm)、T8(12.75 cm)比T2(15.22 cm)、T9(11.45 cm)比T3(13.44cm)的湿润锋运移距离分别约减少11.32%、 16.23%、14.81%；在垂直方向上：T7(13.74 cm)比T1(14.8 cm)，T8(12.33 cm)比T2(13.48 cm)，T9(10.3 cm)比T3(11.02 cm)的湿润锋运移距离分别约减少7.16%、 8.53%、6.53%；可见，坡度的改变对水平方向上的湿润锋运移距离比垂直方向上的影响大。

图2 25°坡度下微沟滴灌土壤水分入渗关系图

图3 45°坡度下微沟滴灌土壤水分入渗关系图

图4 65°坡度下微沟滴灌土壤水分入渗关系图

图5 滴头流量为0.4 L/h时不同坡度微沟水分入渗关系图

图7 滴头流量为0.8 L/h时不同坡度微沟水分入渗关系图

2.3 微沟滴灌累积入渗量变化的模型建立

累积入渗量与湿润峰的变化、入渗率都有着密切的关系，因此本文利用Origin7.5的函数拟合功能，在灌水量一定，改变滴头流量与微沟坡度的条件下对累积入渗量建立了回归模型。滴灌累积入渗量符合幂函数形式[18,19]，R2均在0.8左右。线性函数形式的R2均高于幂函数形式，因此该研究方式下的累积入渗量与时间关系更符合线性函数形式，图8为线性模拟结果图，线性拟合结果见表3，其中W代表入渗量，τ表示时间。可以看出，在同一坡度下，累积入渗量的线性相关性最高的均为0.6 L/h的滴头流量。在25°、45°、65°坡度情况下，累积入渗量与时间的线性相关性从高到低排列分别为：T2>T1>T3； T5>T6>T4； T8>T7>T9。所有处理中，累积入渗量线性相关性最高的为T5，最低的为T3。25°、45°、65°坡度下的平均R2依次为0.962 2、0.999 5、 0.981 0。0.4、0.6、0.8 L/h的滴头流量下平均R2依次为0.997 3、0.999 9、0.945 7。

图8 累积入渗量线性函数拟合图

处理回归模型R2T1W=8.514 17+2.978 32τ 0.997 9T2W=6.820 63+6.124 57τ0.999 8T3W=17.433 00+1.705 08τ0.888 9T4W=-1.180 25+3.862 84τ0.999 0T5W=14.431 28+6.375 33τ0.999 9T6W=-3.669 33+10.1502 3τ0.999 7T7W=-1.530 24+4.341 9τ0.994 8T8W=-0.911 86+6.9796 8τ0.999 9T9W=13.467 39+1.912 7τ0.948 4

2.4 不同滴头流量及微沟坡度对土壤含水率的影响

土壤含水率随着土层厚度的增加，土壤含水率减少，随着距离滴头水平距离的增加，土壤含水率减少，这与李森、刘淑慧等人的结论一致[20]。此外，土壤含水率分布大致为一个半椭球体，微沟附近土壤含水率等值线分布较稀疏，湿润锋附近的等值线分布较密集。由土壤剖面含水率等值线分布图9可以看出：同一灌水量，同一微沟坡度下，滴头流量越大，土壤含水率等值线图分布密集区域在垂直方向上向地表靠近，试验土壤初始含水量在垂直方向上距离土表距离越近。因为本实验测试土样为砂粉土，田间持水量的60%～80%是适宜一般作物的水分条件，所以本论文重点讨论砂粉土60%～80%的田间持水量范围的土壤含水量，分析结果见表4，总体来说，在同一灌水量，相同坡度条件下，随着滴头流量的增加，含水率等值线在水平方向上变化不明显，但是在垂直方向上的变化较大，且土壤含水率等值线分布密集区随着滴头流量的增加向地表方向移动。在相同滴头流量，不同坡度情况下，土壤含水率较大值变化明显，因此本文在不同坡度对比下讨论了27%土壤含水率的等值线的变化。可以看出，在同一灌水量和滴头流量，不同坡度条件下，土壤含水率等值线的分布在垂直方向上的变化小于在水平方向上的变化，在水平方向上，土壤含水率等值线分布密集区随着坡度的减小而远离滴头，向后移动。

图9 T1～T9土壤含水率等值线图

表4 不同滴灌处理8%及12%含水率等值线图变化百分比

3 结 语

本文从4个方面分析了微沟滴灌的入渗规律，得出的主要结论有：

(1)滴灌水量一定，同一坡度的情况下，湿润峰运移距离在水平和垂直方向上随着滴头流量的减少而增加。滴头流量的改变对垂直方向上湿润锋运移距离影响较大。

(2)滴灌水量一定，同一滴头流量的情况下，湿润锋运移距离在水平和垂直方向上随坡度的增加而减少。坡度的改变对水平方向上湿润锋运移距离影响较大。

(3)利用Origin7.5建立的线性函数模型可以较好地模拟砂粉土的累积入渗量与时间的变化规律，试验所有处理R2均大于或近似等于0.9。

(4)滴头流量的大小主要对垂直方向上的土壤含水率产生影响，相同灌水量，相同坡度条件下，滴头流量越大，土壤含水率等值线分布密集区域在垂直方向上距离土表越近；微沟坡度主要对水平方向上的土壤含水率产生影响，相同灌水量和滴头流量，不同坡度条件下，在水平方向上，土壤含水率等值线分布密集区随着坡度的减小而后移。