黏土条件下小管出流灌溉不同灌水量土壤水运移特性研究

马筱建，杨素苗，石海强，段鹏伟，杜纪壮，秦立者

（1.河北省农林科学院石家庄果树研究所，河北石家庄 050061；2.河北省农林科学院，河北石家庄 050000）

小管出流是在改善滴灌设施基础之上发展起来的节水灌溉技术，与滴灌相比，小管出流具有抗堵塞性能强、所需工作压力较低、灌水均匀、不受地形或压力变化影响、单位投资较一般微灌系统少等优点。近年来，小管出流在内蒙、新疆、河北、山东等缺水地区的果树灌溉上已进行较大面积推广使用。研究表明，小管出流灌溉能大大提高水分利用效率和灌水均匀度。

土壤水分运移能够对植物根区水分状况造成一定的影响。对于微灌的水分运移相关研究有很多，如李明思等研究了滴灌点源滴头流量与土壤湿润体之间的关系，陈佰鸿等研究了不同滴灌条件下土壤水分分布与运移规律，刘杨研究了滴灌系统设计参数及土壤水分运移规律。目前，微灌水分入渗的研究对象主要是流量小于3 L·h的滴灌，对于流量较大的小管出流水分在土壤中的分布和运移规律的研究较少。

本研究通过室内试验，模拟了黏土条件下不同灌水量小管出流灌溉的土壤湿润体变化过程和含水量变化，为黏土条件下制定小管出流灌溉制度提供了理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验设计

试验地点为河北省农林科学院石家庄果树研究所果树根系系统观测平台避雨棚内，自制规格（长×宽×高）为80 cm×80 cm×80 cm 的方形无盖有机玻璃土箱，供试土壤为黏土，经过平铺、晾晒后，各处土壤含水量要保持一致，之后将土填入玻璃砂箱中，每5 cm 为一层进行夯实，经夯实后的土壤容重为1.43 g·cm。试验开始时，土壤初始含水率为6.2%，供试土壤田间持水量实测值为27.6%，其余土壤物理特性指标见表1。为保证小管出流的灌溉流速一致，采用的给水装置为蠕动泵（DIPump550-B146），抽取自来水进行试验，设置的流速为7.5 L·h，出水口距离土壤表面距离固定为10 cm。试验共设置3 个灌水量处理，分别为30，40，50 L（对应处理标记为I30，I40，I50），3 个处理的对应灌水时间分别为4，5.33，6.67 h。

表1 供试土壤物理特性

1.2 数据采集及分析方法

灌水试验采用秒表计时，并实时观测土壤湿润锋横向运移半径和垂直入渗深度。由于初始入渗速率较快，随着时间的推移，运移速率逐渐变慢，需要根据实际湿润锋运移轨迹在有机玻璃上描出湿润体形状、记录时间，并用卷尺测量湿润峰距离。土壤含水率使用烘箱烘干法测定，第24 h 时采用直径2 cm 的土钻取土，距离灌水点沿横向方向每隔10 cm 设置1 个取样点，每个点处垂直向下每隔5 cm 取土样。

采用Excel2016 及Golden surfer 8 进行数据处理和绘图。

2 结果与分析

2.1 不同灌水量处理的土壤水分运移

试验开始到结束共分为2 个过程：一是灌水时土壤水分入渗，土壤湿润体发生运移的过程；二是灌水停止后，由于土壤水势梯度和基质势的存在，土壤水分的运动并没有随即停止，而是在土壤中进行了再分布的过程。

灌水处理24 h 内，土壤水分的横向、垂直运移距离如图1 所示。灌水试验设置的变量仅是最终灌水量不同，灌水期间不同处理湿润锋运移情况基本保持一致。停止灌水时，I30 处理对应的横向、垂直运移距离分别为32.7，29.57 cm；停止灌水后，受水势梯度和基质势影响，土壤湿润锋仍在运动，I30 处理湿润锋横向运移距离为6.93 cm，垂直运移距离为7.24 cm。总体上，24 h 内，I30 处理横向运移距离为39.63 cm，垂直运移距离为36.81 cm。停止灌水时，I40 处理对应的横向、垂直运移距离分别为37.0，34.9 cm；停止灌水后，湿润锋横向运移距离为5.3 cm，垂直距离为8.8 cm；24 h 内，I40 处理横向运移距离为42.3 cm，垂直运移距离为43.7 cm。停止灌水时，I50 处理对应的横向、垂直运移距离分别为41.4，39.7 cm；停止灌水后，湿润锋横向运移距离为7.71 cm，垂直距离为11.13 cm；24 h 内，I50 处理横向运移距离为49.11 cm，垂直运移距离为50.83 cm。各个处理停止灌水后土壤水分再分布的过程中，垂直运移距离均大于横向运移距离，说明停止灌水后土壤水分受重力的影响大于受土壤基质势产生拉力的影响。停止灌水后的横向运移距离与灌水量无关，垂直运移距离随着灌水量的增加而增大，因为灌水量越大，单位体积的土壤含水量就越大，重力势也越大。

图1 湿润锋运移距离随灌水时间变化情况

由于灌水时与灌水后土壤水分运移是2 个过程，在研究运移距离s（cm）与灌溉时间t（h）的关系时，可将2 个过程中的数据分别进行拟合。灌水过程中，3 个处理基本无差异，可用一条幂函数曲线对入渗过程进行拟合。

停止灌水后，土壤水分再分布的过程，横向与垂直方向均可以采用对数进函数行拟合。

由表2 可以看出，土壤水分横向运移和垂直运移的拟合方程决定系数均大于0.95，相关性较好，参数a 和b 均随着灌水量的增大而增大。

表2 土壤水分运移距离与灌溉时间的拟合参数

2.2 不同灌水量处理土壤含水量变化

试验选取小管出流正下方水流与土壤接触位置为原点，用土壤含水率数据绘制等值线图（图2），等值线图对称分布。由图2 可知，距离原点越远等值线分布越密集，土壤水势梯度逐渐增大，土壤含水率逐渐降低。假定不同水量的入渗范围边界为有效入渗范围，I30 处理中，横向距离10，20，30，40 cm 处的平均土壤质量含水量为17.31%，16.05%，13.48%，8.17%，垂直距离10，20，30，40 cm 处的平均土壤质量含水量为15.7%，13.95%，11.10%，8.09%；I40 处理中，横向距离10，20，30，40，50 cm 处的平均土壤质量含水量为15.47%，14.11%，13.37%，11.59%，6.41%，垂直距离10，20，30，40，50 cm 处的平均土壤质量含水量为15.23%，14.30%，13.20%，11.70%，7.02%；I50 处理中，横向距离10，20，30，40，50 cm 处的平均土壤质量含水量为19.1%，17.57%，16.58%，14.91%，8.63%，垂直距离10，20，30，40，50，60 cm 处的平均土壤质量含水量为18.67%，16.44%，15.39%，14.53%，11.75%，8.16%。从以上数据可以看出，随着灌水量的增加，小管出流灌溉的下渗和侧渗能力都有所增加；有效范围内，I30 处理土壤水分横向距离较垂直距离土壤含水率更高，说明其侧渗能力高于其下渗能力，而I40 处理和I50 处理土壤水分横向距离与垂直距离土壤含水率无明显差异，说明黏土条件下，随着灌溉水量的增加，土壤水分的下渗能力增加程度大于侧渗。

图2 黏土条件不同灌水量下土壤含水率分布等值线图

2.3 运移距离与土壤含水量之间的拟合方程

为进一步探究水分运移距离与土壤含水量之间的相关关系，将土壤水分横向、垂直运移距离与土壤含水量进行拟合，结果近似为一元二次多项式，其拟合方程为：

式中，x 表示离出水点横向或垂直运移距离（cm）；y表示土壤含水量（%）。拟合结果如表3 所示，不同灌水量的土壤水分横向、垂直运移距离与土壤含水量之间拟合方程的相关系数均达到了0.95 以上，说明拟合程度较好。

表3 土壤水分与横向、垂直运移距离的拟合方程式

3 结论与讨论

本研究结果表明，小管出流灌水时期，土壤入渗所形成的湿润锋运移的横向和垂直距离随着时间的变化均能用幂函数较好的拟合，且相关性较高。研究结果与樊晓康、刘显、费良军、何振嘉等关于涌泉根灌的研究结果相一致，也与李明思、徐尧权等关于地表滴灌的研究结果相一致。而李耀刚进行涌泉根灌灌水试验时发现，湿润锋垂直运移距离随时间的变化采用对数函数拟合结果更好，这与本研究结果有所不同。张志刚等进行地表滴灌湿润锋研究时发现，横向运移距离随时间的变化进行拟合时采用对数函数更适宜。因此，不同地区、不同土壤、不同灌水方式、不同灌水时间所采用的拟合方程会有所差异。

本研究针对土壤水分运移距离与土壤含水量之间关系，得出的拟合方程为一元二次多项式，该项拟合结果与曾辰等的研究结果相一致。土壤水分分布曲线与湿润峰运移曲线不重合的原因可能是湿润峰的运移受土壤基质势梯度与土壤储水能力的双重作用影响。

为了方便测定，本研究采用玻璃砂箱填土的方式进行小管出流单点源入渗试验。由于试验环境处于相对理想的状态，实际应用情况与试验会有所差异，因而具有一定的局限性。

试验采用玻璃砂箱填土的方式进行了黏土条件下小管出流30，40，50 L 灌水量的入渗试验，并采用分时段画线的方式描绘了不同时间段的土壤水分运移轨迹和土壤含水量变化，得出以下结论：

（1）在黏土条件下，不同灌水量对小管出流24 h内的土壤水分横向和垂直运移有较大影响，土壤水分横向和垂直运移距离均随着灌水量的增加而增加，且横向运移距离略大于垂直运移距离。

（2）土壤水分横向、垂直运移距离与时间的关系均可采用幂函数进行拟合。停止灌水后，土壤水分再分布过程可采用对数函数进行拟合，且不同灌水量处理的相关系数均高于0.95，拟合程度较好，可以作为经验公式，为小管出流系统设计提供参考依据。

（3）不论是横向距离还是垂直距离，离出水口越远，土壤含水率越小。在黏土条件下，随着灌水量的增加，小管出流灌溉的下渗和侧渗能力都有所增加。灌水30 L 处理侧渗能力高于下渗能力；灌水40 L，50 L 处理，侧渗能力与下渗能力持平。土壤水分横向、垂直运移距离与土壤含水量拟合方程近似为一元二次多项式，且拟合程度较好。