沟灌条件下土壤水分运移规律及其影响因素研究

许春娟，贾生海，赵 霞

(甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃 兰州 730070)

在我国广泛应用的地面灌溉方式中沟灌是其中之一[1]。沟灌较畦灌方法的优势在于对土壤结构的破坏性极小，土壤蒸发较低、且田间灌水的有效利用率达80%以上[2-3]。近几年国内外学者对影响沟灌的一些要素和土壤水分运移规律进行了多方面的实验研究。研究表明沟灌灌水效率与灌水技术要素有关，

若灌水技术要素选择不恰当，会出现灌水效率低的问题[4]。近年来，就沟灌技术要素许多学者进行了诸多系统研究。整理沟灌条件下土壤水分运移规律及其影响因素对沟灌技术的了解和应用具有重要意义。

1 沟灌的发展现状及适用条件

1.1 发展现状

沟灌是一种通过灌水沟两侧的土壤对垄上种植的作物进行浸润的灌溉方式，只需要在田间开挖灌水沟便可进行灌溉，具有操作简单、省时省力的优点，主要存在于我国北方[5]。但由于沟灌存在管理复杂、灌水技术要素难以确定和灌水效率低等问题，缩小了其运用范围。近年来有学者将沟灌灌水技术向节水灌溉方向进行了延伸，主要有垄作沟灌、交替隔沟灌、覆膜沟灌、波涌沟灌等[6]。研究表明这些延伸的节水灌溉方式比传统的沟灌具有更高的效率和价值。因此对沟灌技术的研究不能只停留在本身，应将其进行优化改进和扩展延伸，对解决我国水资源紧缺和浪费等方面的问题作出贡献。

1.2 适用条件

沟灌是中耕作物广泛采用的灌水技术，对于中等透水性的土壤和地面坡度介于1/50～5/1000之间的地块[3]也较适宜。许多学者运用沟灌方式对一些作物的产量、生长指标、耗水规律、水分利用效率等进行研究并取得了较好的成果，主要有玉米、马铃薯、番茄、棉花、枣树、小麦、向日葵、油葵、紫花苜蓿、西瓜、甜瓜、白杨等。对于大面积种植模式下既要节约成本又追求产量的作物一般采用沟灌方式。目前对于沟灌技术的研究多基于理论方面且一维入渗较成熟，二维入渗较欠缺。因此运用已有的研究成果来指导灌溉系统设计和田间管理并不准确，在实际农业生产中还需进一步深入探究。

2 研究进展

2.1 影响因素

沟灌属于二维入渗[7]，在沟灌过程中，影响土壤湿润锋水分运移规律的因素有土壤质地和结构、体积质量、有机质含量、孔隙率、容重、沟型、沟间距、沟中水深等，沟底宽、土壤初始含水率对其影响微小，一般忽略不计[8]。孙西欢[9-11]以红油土为基础，采用抛物线的沟型对沟距、湿周、侧向影响数进行分析，促进了加科夫模型在沟灌中的应用。并得出沟距和湿周与沟灌累计入渗量为正相关而与侧向影响数则为负相关。路蒙蒙等[12]发现沟灌灌水量对水分入渗速度和入渗量均有较大影响。因此在保证作物正常生长的条件下，灌溉量的合理选择不仅可以节约水资源而且提高水分利用率。曾爱国[13]开展了不同灌水量梯度对沟灌玉米产量影响的研究，确定出在全膜垄作沟灌条件下石羊河流域适宜的灌水量为5175m3。张勇勇[14]基于砂壤土和重壤土对沟灌土壤水分入渗过程进行研究，研究表明75cm为重壤土适宜的垄宽，合理的垄沟比为60cm∶75cm；70cm为砂壤土适宜的垄宽，合理的垄沟比为60cm∶70cm。孟鹏涛等[4]通过试验表明：影响累计入渗量的因素主要是沟宽、沟深和垄宽。增大入沟流量使得水流推进速度、灌溉水利用效率和储水效率上升，灌水均匀度下降，灌溉水利用效率、储水效率和灌水均匀度达到93.21%、91.83%、92.78%时对应的入沟流量为1.65L/s。翟士旭等[5]通过验证沟宽和沟深与Hydrus-2D模型中各参数的函数关系，得出Hydrus-2D模型具有较好的适用性以及沟宽、沟深为50、20cm灌水质量最优。张凡[15]对玉米地进行沟灌试验提出了在灌水定额一定的条件下如何对沟长和入沟流量进行优化的方法，建议关中地区沟长小于50m时，适宜入沟流量为3～4L/s。王文娟[16]在考虑产量及水分利用效率(WUE)的情况下，进行了春小麦垄作沟灌入渗试验，得出蓄水、保墒效果较优的垄宽40cm、沟深15cm、沟底宽15cm，为小麦在干旱区的最优种植模式提供了依据。沟灌条件下土壤水分运移规律受多因素的影响，对这些复杂因素进行随机组合的研究还相对较少，可以进行拓展研究。

2.2 采用的模型

掌握土壤水分的入渗规律对促进作物根系有效吸收养分、盐分以及微生物活性等方面具有重大意义。随着对水分运移规律的进一步论证，专家发现大田试验和室内实验都有来自自然因素和人为主观因素的干扰，并会产生较大误差[17]。因此国内外学者运用建立模型的方法对土壤水分运移规律进行探究，主要有Green-Ampt模型、Philip模型、Kostiakov模型、BIDISUL模型、Horton模型和Holton模型，以及沟灌入渗的基本方程：Richards方程[5]。

Green-Ampt模型产生于1911年，因其具有表达式简单易懂、涉及参数少且物理意义明确的特点而得到了广泛的运用[18]。经过不断地探究和改进，Green-Ampt模型可以用于不同黏粒含量土壤、夹砂层土壤、和浑浊水中。Neuman等[19]运用有限元法和计算机程序能够对非均匀流动区域进行处理并且建立了沟灌条件下土壤水分入渗的二维模型：SWM II，模型具有较高的准确性。孙西欢等[11]以考斯加柯夫模型为出发点提出了多参数(沟距、沟道水面宽度、湿周、水深)沟灌入渗模型，为数学模拟在沟灌中的应用奠定了基础。Mailapalli D R[20]运用零惯性、Green一维和Ampt二维入渗方程以及Kostiakov-Lewis入渗模型为基础进行建模，对均质和分层土壤进行模拟且考虑了各种犁沟的形状，结果表明该模型在设计和预测等方面具有较好的使用性。聂卫波等[21]运用一定的假设条件在综合考虑(容重、初始含水率、不同土壤质地、沟间距、沟底宽度和沟中水深)多种因素的情况下建立了沟灌二维入渗模型，通过土箱试验用多组试验资料对模型进行验证得出该模型完全可以用于模拟沟灌的二维入渗，并得出在研究沟灌累计入渗量时应该重视土壤质地、容重、沟底宽和沟中水深的影响；而在研究土壤湿润体分布时应该关注土壤质地和容重。聂卫波在上述基础上又建立了包含土壤容重、沟中水深和土壤初始含水量的沟灌入渗湿润体运移距离预测模型[22]，以黏壤土和砂土为基础进行了入渗试验验证了模型的准确性。Tabuada等[23]将BIDISUL模型与Richards方程进行了结合并且得到了比Richards方程更简单优化的模型，此模型不仅可以用于不同部分的入渗还可以计算灌溉效率。为组合模型在灌溉中的应用提供了便捷。张新民等[24]结合田间实际布置运用Hydrus软件模拟对两种沟型(V型、梯型)和不同垄宽条件下沟灌土壤水分运动进行比较分析，计算垂向入渗和水平入渗下对灌水均匀度，不仅对灌水沟参数的优化有所启发且在提高灌水效率方面也大有裨益。

2.3 土壤水分运移规律

在诸多影响沟灌土壤湿润体运移特性的因素中灌水方案的设计和管理是根本。为此，众多学者研究总结出了土壤入渗过程中湿润体运移特性预测的主要方法[25](解析法、数值模拟法、经验公式法)。倪东宁以玉米为试验作物观察水盐运移规律为适宜玉米的生长发育探究出了适宜的灌溉技术即畦沟分灌灌溉技术，不仅可以实现水资源的高效利用还能保障作物的良好生长发育，并研究得出灌溉时间和灌水量与土壤含水量在不同的土层深度处均呈现正相关关系[26]。贾瑞琪等[27]设置了3个灌水量梯度(60、100、140m3/亩)，以枣树为对象对不同土层深度处土壤的湿润区进行了探究，得出能满足9cm枣树正常生长发育的灌水量为100m3，为沟灌灌水方式下对枣树的种植提供了参考。王术礼等[28]为了探究沟灌累计入渗量和入渗时间的关系进行了室内试验并且引入了参数减渗率进行分析计算得到了较好的结果，为沟灌灌水技术的优化提供了新方向。栗博等[29]通过室内试验将理论分析和HYDRUS-2D数值模拟相结合建立了累积入渗量和入渗时间的模型，并运用数据支撑对模型进行求证得到了满意的结果。并且在研究土壤水分入渗时还加入了氮素运移为肥料高效利用和水肥一体化研究提供了基础。在宽垄沟灌入渗过程中压力水头和初始含水率对垂直和水平方向湿润锋运移都有促进作用。王利环等以土壤水动力学为理论基础对波涌沟灌条件下的土壤扩散率、土壤饱和导水率进行测定[30-31]，得出在波涌沟灌中灌溉水主要受到重力势和基质势的作用而湿润锋随着时间的变化从1/4圆形变成了椭圆。并且灌水量与累积入渗量和湿润距离均为正相关，影响土壤水分入渗的关键是循环率和周期。

3 存在的问题

在沟灌条件下，影响土壤水分运移规律的因素复杂多样，国内外学者对影响因素的研究主要集中在土壤质地、孔隙率、容重、沟间距、沟中水深、灌水量、入沟流量等方面，以上研究成果都是在宏观层面初步阐明了各因素对土壤水分运移影响的机理，还需进一步深入探究。

(1)在进行实验的过程中对变量的控制不够严格，同类实验无法进行较好的对比分析。对土壤水分运移规律的研究多集中在垂直和水平方向上，没有很好的与当时作物的根系分布情况结合，进行更加完整的分析。

(2)在影响因素的研究中，很大一部分通过室内试验和模拟实验完成，没有将室内实验的结论在大田试验中进行验证，导致部分结论可能无法应用在田间试验中。

(3)对土壤水分运移规律及湿润体的特征研究只基于传统的灌溉方式和技术参数，在砂管灌、涌泉根灌及其结合肥液浓度、施肥种类等方面研究较浅。

4 研究改进方法

在孙西欢[9-11]研究的基础上可以采用不同的沟型、不同类型的土壤对沟距、湿周、侧向影响数与累计入渗量的关系进行验证，使加科夫模型得到更广泛的应用。路蒙蒙等[12]的研究可以进一步探究满足作物生长的经济灌溉量，实现精准灌溉。曾爱国[13]得出玉米产量最优时的灌水量、全膜垄作沟灌技术和张凡[15]对玉米地进行试验得出的适宜入沟流量可以向其他作物和地区进行推广应用。将张勇勇[14]得出的砂壤土和重壤土的合理垄宽比例对其他类型土壤进行试验，使沟灌灌水技术更全面的应用。在翟士旭等[5]运用Hydrus-2D模型确定出最优沟宽和沟深的基础上可以对王文娟[16]得出适宜春小麦的较优垄宽、沟深、沟底宽进行组合验证Hydrus-2D模型的适用性。

目前，土壤水分运移规律在国内外大都采用室内试验和大田试验相结合的方法，干扰因素较多并且误差较大。模型不仅可以精准计算且与计算机程序的结合对实现智能化灌溉奠定了坚实的基础，因此模型的研究具有较大的发展潜力和广阔的前景。然而这些模型的建立有些基于一些假设和理想条件，对其广泛应用和试验条件的准确契合还有一定的误差。

倪东宁[26]对水盐运移规律的研究在避免盐渍化的同时可以进行微咸水灌溉。在贾瑞琪等[27]研究的基础上可以对不同树龄枣树土壤的湿润区展开研究确定出不同树龄枣树适宜的灌水量。在栗博等[29]研究的基础上可以进一步探究满足垂直和水平方向湿润锋运移的压力水头、初始含水率值。土壤湿润锋扩展规律受多种因素的影响，因此还有待进一步在优化组合各影响因素的基础上进行系统研究。