李 蕊，張寬地，陳俊英

(1. 楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2. 西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

0 引 言

無壓地下灌溉是一種新型的根區(qū)點(diǎn)源局部灌溉技術(shù)，與傳統(tǒng)的加壓灌溉方式不同，它通過在耕作層埋設(shè)打孔的輸水管道，將灌溉系統(tǒng)首端的供水壓力控制為無壓、微小的正壓或負(fù)壓，利用土壤水吸力自動補(bǔ)給灌溉，使灌溉水通過灌水器孔口進(jìn)入作物根系層，滿足作物生長的用水需求，以達(dá)到減少棵間蒸發(fā)和深層滲漏及節(jié)水、節(jié)能的目的[1]。目前，對于無壓地下灌溉的原理、不同技術(shù)指標(biāo)對土壤含水率分布、作物根系生長發(fā)育、果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)的影響已有研究報道。陳新明等[2,3]從理論上分析了無壓地下灌溉的水動力學(xué)機(jī)理，同時通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)出水孔徑和壓力越大，灌水器出水量越大，入滲到土壤的水量也越多。趙偉霞等[4]發(fā)現(xiàn)不同供水壓力下的土壤濕潤體呈球冠狀，最大水平和垂直濕潤距離相等且與時間存在顯著冪函數(shù)關(guān)系。陳新明等[5]與溝灌比較發(fā)現(xiàn)無壓地下灌溉不但沒有降低黃瓜產(chǎn)量，反而能夠提高作物水分利用率、水分生產(chǎn)率和黃瓜品質(zhì)。王燕等[6]研究發(fā)現(xiàn)無壓灌溉可滿足番茄生育期需水量，不同供水壓力對番茄根區(qū)土壤水分、生理特性和產(chǎn)量影響不同，但其能夠提高番茄的糖酸比、可溶性蛋白和Vc量。然而，對于無壓地下灌溉條件下的土壤入滲特性，特別是不同供水壓力和灌水器孔徑下的土壤水分運(yùn)移規(guī)律還缺乏一定的試驗(yàn)研究。土壤水分入滲特性直接影響不同灌溉方式下灌溉水的利用過程和作物的生長發(fā)育[7]。因此，通過室內(nèi)無壓灌溉試驗(yàn)研究分析不同供水壓力和灌水器孔徑對土壤累積入滲量、濕潤峰動態(tài)變化以及濕潤體內(nèi)土壤含水率分布的影響，從而為選用合理的無壓灌溉技術(shù)參數(shù)提供重要的理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)于2014年3―5月在西北農(nóng)林科技大學(xué)中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院節(jié)水試驗(yàn)大廳進(jìn)行。供試土壤為取自陜西楊凌渭河灘地櫻桃園的砂壤土，土壤經(jīng)碾壓、粉碎和自然風(fēng)干后過2 mm孔徑的篩。將過篩的土以原狀土體積質(zhì)量1.45 g/cm3分層(5 cm)回填到試驗(yàn)土箱中，裝填上層土?xí)r將下層土表面打毛，從而使各層土之間緊密接觸。砂壤土的田間持水率和飽和含水率分別為21.47 %和32.53 %(質(zhì)量)。試驗(yàn)設(shè)供水壓力和灌水器孔徑2個因素，共設(shè)置9個處理，每處理設(shè)3次重復(fù)，觀測值取3次重復(fù)試驗(yàn)的平均值。其中，供水壓力設(shè)-3、0及3 cm 3個水平，灌水器孔徑設(shè)4、6和8 mm 3個水平。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置由試驗(yàn)土箱和供水系統(tǒng)兩大部分組成(圖1)。試驗(yàn)土箱采用四方體有機(jī)玻璃制作，長40 cm，寬40 cm，高60 cm。采用有機(jī)玻璃柱制作的馬氏瓶恒壓供水，內(nèi)徑10 cm, 高60 cm。灌水器通過在內(nèi)徑為10 mm的PVC管上打孔而成，灌水器用紗布進(jìn)行包裹，以防土壤顆粒堵塞孔口。試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)土箱和馬氏瓶由PE軟管相連，灌水器埋深為10 cm。試驗(yàn)所用供水壓力通過調(diào)節(jié)灌水器和馬氏瓶出水口之間的高度差Δh來實(shí)現(xiàn)。入滲開始前先將整個輸水管道行排氣，使輸水管道中充滿水，然后開展灌水試驗(yàn)。

圖1 試驗(yàn)裝置圖

1.3 測定項(xiàng)目及方法

在入滲過程中，用秒表記錄入滲時間；由馬氏瓶上的刻度記錄累積入滲水量；用記號筆在與灌水器相鄰的土箱兩側(cè)繪出不同時間濕潤鋒的動態(tài)分布。試驗(yàn)結(jié)束后，用描圖紙描繪濕潤鋒形狀，并在坐標(biāo)紙上標(biāo)定濕潤鋒的精確位置；取2個側(cè)面的平均值作為水平向和垂直向最大濕潤距離；用直徑為2 cm的土鉆沿試驗(yàn)土箱的對角縱剖面在濕潤體內(nèi)分層取樣，取樣后用烘干法測量土壤質(zhì)量含水率。

2 結(jié)果與分析

2.1 累積入滲量隨入滲時間的動態(tài)變化

不同供水壓力和灌水器孔徑下所得的累積入滲量隨入滲時間的變化過程如圖2所示。由圖2可以看出，開始時入滲較快，而后入滲率逐漸變慢。灌水器孔徑相同時，不同供水壓力條件下所得的累積入滲量隨入滲時間的變化曲線走勢相近，即隨著壓力水頭的增大，相同時段內(nèi)的土壤入滲量逐漸變大；但其最終累積入滲量差異較大，例如，8 mm孔徑下，-3 cm水頭時最終累積入滲量為32 cm，而3 cm水頭時為44 cm。供水壓力相同時，不同灌水器孔徑條件下所得的累積入滲量隨入滲時間的變化曲線走勢基本相同，并表現(xiàn)出隨著灌水器孔徑的增大，相同時段內(nèi)的累積入滲量逐漸增大；但其最終入滲累積量差異較大，例如，3 cm水頭下，4 mm孔徑時最終累積入滲量為30 cm，8 mm孔徑時則為44 cm。隨著灌水器孔徑變化，不同供水壓力條件下累積入滲量也存在較大差異，并隨著灌水器孔徑變大差異愈明顯，特別是大孔徑(8 mm)時0 cm 和3 cm供水壓力下的差異較大。這是由于在供水壓力為零水頭和負(fù)壓時水的入滲主要靠土壤基質(zhì)勢，而在正壓時重力作用對入滲過程逐漸顯著，孔徑越大，重力作用下灌水器出水量就越大。

圖2 不同供水壓力和灌水器孔徑下累積入滲量與入滲時間的關(guān)系

利用冪函數(shù)I=atb對不同供水壓力和灌水器孔徑下累積入滲量與入滲時間之間進(jìn)行擬合，分析結(jié)果如表1所示，其決定系數(shù)R2均在0.98以上。對表1分析表明，冪函數(shù)形式可以很好地描述無壓地下灌溉條件下累積入滲量與入滲時間的關(guān)系。由表1可知，不同灌水器孔徑下，系數(shù)a和指數(shù)b均表現(xiàn)為：8 mm > 6 mm > 4 mm，并隨著供水壓力的增大，冪函數(shù)系數(shù)a表現(xiàn)出整體增大的趨勢，但指數(shù)b逐漸減小。

表1 不同供水壓力和灌水器孔徑下累積入滲量和入滲時間的擬合情況

2.2 土壤濕潤體最大濕潤鋒隨入滲時間的變化

無壓地下灌溉土壤水分入滲過程為三維入滲，不同供水壓力和灌水器孔徑下水平向最大濕潤距離zx、垂直向最大濕潤距離zh隨入滲時間t的變化如圖3所示。由圖3可知，濕潤鋒開始時遷移速率較大，然后逐漸減小。灌水器孔徑相同時，不同供水壓力條件下所得的水平向最大濕潤距離、垂直向最大濕潤距離隨入滲時間的變化趨勢相同，即壓力水頭越大，相同時段內(nèi)的濕潤鋒遷移速率也越大；但其最大濕潤距離差異較大，例如，8 mm孔徑下，-3 cm水頭時最大水平和垂直濕潤鋒分別為23 cm和23 cm，而3 cm水頭時分別為31cm和32 cm。相同供水壓力時，不同灌水器孔徑下所得的最大水平向濕潤距離、最大垂直向濕潤距離隨入滲時間走勢基本相同，并表現(xiàn)出隨著灌水器孔徑的增大，相同時段內(nèi)的濕潤鋒遷移越快；但其最大濕潤距離差異較大，例如，3 cm水頭下，4 mm孔徑時最大水平和垂直濕潤鋒分別為23 cm和24 cm，而8 mm水頭時分別為31 cm和32 cm。隨著灌水器孔徑變化，不同供水壓力條件下最大水平向濕潤距離、最大垂直向濕潤距離也存在較大差異，并隨著灌水器孔徑變大差異愈明顯。當(dāng)供水壓力為負(fù)壓和無壓時(-3和0 cm)，最大垂直向濕潤距離與最大水平向濕潤距離接近；而當(dāng)壓力水頭為正值時(3 cm)，最大垂直向濕潤距離較最大水平向濕潤距離大，說明此時重力作用已開始有所顯現(xiàn)。

圖3 不同供水壓力和灌水器孔徑下最大水平向濕潤距離、最大垂直向濕潤距離與入滲時間的關(guān)系

利用冪函數(shù)zx=atb和zh=atb對不同供水壓力和灌水器孔徑下水平向最大濕潤距離zx、垂直向最大濕潤距離zh與入滲時間t之間關(guān)系進(jìn)行擬合(表2)。由表2可知，擬合結(jié)果決定系數(shù)R2均大于0.98，說明冪函數(shù)形式可以很好地描述無壓地下灌溉條件下水平向最大濕潤距離、垂直向最大濕潤距離與入滲時間的關(guān)系。由表2可知，不同灌水器孔徑下，系數(shù)a和指數(shù)b均表現(xiàn)為：8 mm > 6 mm > 4 mm，并隨著壓力水頭的增大，冪函數(shù)系數(shù)a表現(xiàn)出整體增大的趨勢，但指數(shù)b逐漸減小。

表2 不同供水壓力和灌水器孔徑下最大水平向濕潤距離、最大垂直向濕潤距離和入滲時間的擬合情況

2.3 土壤含水率沿濕潤球體半徑方向分布規(guī)律

試驗(yàn)結(jié)果表明在土壤基質(zhì)勢梯度作用下，無壓地下灌溉土壤濕潤體內(nèi)土壤含水率在以出水口為中心的同心球面上近似相等。濕潤體內(nèi)不同位置處的土壤含水率θ與其所在濕潤球體半徑r(r2=z2x+z2h)之間的關(guān)系如圖4所示。分析可知，濕潤體內(nèi)最大土壤含水率介于飽和含水率(32.53%)和田間持水率(21.47%)之間，說明在無壓灌溉條件下土壤濕潤體內(nèi)不存在飽和區(qū)，灌水器出水主要依靠土壤水吸力。這種土壤含水率分布可使作物根區(qū)保持良好的通氣狀況，有利于協(xié)調(diào)土壤的水氣條件，進(jìn)而提高作物的生產(chǎn)力[6]。由圖4可知，隨濕潤球體半徑的增大，土壤含水率呈現(xiàn)減小趨勢，但不同供水壓力和灌水器孔徑下減小速率有所不同。在中大灌水器孔徑條件下，土壤含水率隨供水壓力增大而增大，而小孔徑情況下差異顯著。

利用二次拋物線曲線擬合θ=arb+br+c對不同供水壓力和灌水器孔徑下濕潤體內(nèi)土壤含水率沿濕潤球體半徑方向之間關(guān)系進(jìn)行擬合(表3)。對表3可知，擬合結(jié)果決定系數(shù)R2都大于0.93，說明二次拋物線形式可以較好地描述無壓地下灌溉條件下濕潤體內(nèi)土壤含水率沿球體半徑方向的關(guān)系。由表3可知，不同灌水器孔徑下，系數(shù)a和常數(shù)c整體表現(xiàn)為：8 mm>6 mm>4 mm，系數(shù)b整體表現(xiàn)為：4 mm>6 mm>8 mm。隨著壓力水頭的增大，系數(shù)a和常數(shù)c表現(xiàn)出整體減小的趨勢，而系數(shù)b總體有增大的趨勢。

圖4 不同供水壓力和灌水器孔徑下土壤含水率沿濕潤球體半徑方向分布規(guī)律

表3 不同供水壓力和灌水器孔徑下濕潤體內(nèi)土壤含水率沿球體半徑方向分布的擬合情況

3 結(jié) 論

(1)不同供水壓力和灌水器孔徑下累積入滲量、土壤濕潤體水平向和垂直向最大濕潤距離均隨入滲時間的增加而增大，但其增加的速率均在減小，說明隨著入滲時間的增大，土壤濕潤體內(nèi)和濕潤鋒面由基質(zhì)勢所引起的水勢梯度逐漸減?。徽麄€入滲過程均可以采用冪函數(shù)形式進(jìn)行描述。

(2)土壤濕潤體內(nèi)含水率在以出水點(diǎn)源為中心的同心球面上近似相等，且沿濕潤球體半徑方向逐漸減小，這與趙偉霞等[1]研究結(jié)論相同；土壤含水率分布可用二次拋物線形式進(jìn)行描述。

(3)供水壓力和灌水器孔徑對無壓地下灌溉土壤水分入滲過程有顯著的影響，供水壓力越小，同一灌水器孔徑下的土壤水分入滲特性就愈差；灌水器孔徑越小，同一供水壓力下的土壤水分入滲特性也愈差。然而，當(dāng)供水壓力為正值(3 cm)時，重力作用已開始有所顯現(xiàn)，這與無壓灌溉依靠土壤基質(zhì)勢主動吸水的理念不符，故建議采用負(fù)壓、零水頭或微小的正壓(< 3 cm)進(jìn)行無壓灌溉。

[1] 趙偉霞,蔡煥杰,陳新明,等.無壓灌溉土壤濕潤體含水率分布規(guī)律與模擬模型研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2007,23(3):7-10.

[2] 陳新明,蔡煥杰,單志杰,等.作物根區(qū)局部控水無壓灌溉的土壤水動力學(xué)機(jī)理[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報,2006,37(11):80-83.

[3] 陳新明,蔡煥杰,王占兵,等.無壓根區(qū)地下灌溉技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2004,20(1):76-79.

[4] 趙偉霞,蔡煥杰,陳新明,等.無壓灌溉土壤濕潤體特征值變化規(guī)律與經(jīng)驗(yàn)解[J].灌溉排水學(xué)報,2009,28(2):30-33.

[5] 陳新明,蔡煥杰,單志杰,等.根區(qū)局部控水無壓地下灌溉技術(shù)對黃瓜和番茄產(chǎn)量及其品質(zhì)影響的研究[J].土壤學(xué)報,2006,43(3):486-492.

[6] 王 燕,蔡煥杰,陳新明。根區(qū)局部控水無壓地下灌溉對番茄生理特性及產(chǎn)量、品質(zhì)的影響[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué),2007,40(2),322-329.

[7] 范軍亮,張富倉.負(fù)水頭條件下的土壤水分垂直一維入滲特性研究[J].土壤學(xué)報,2010,47(3):415-421.