房云杰，李援農(nóng)，陳朋朋，黃 鵬，方 恒，楊金宇，楊 靖

(西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100)

地膜覆蓋種植技術(shù)具有保溫保墑、節(jié)水抑鹽、改善土壤水肥氣熱等條件、促進(jìn)作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)[1-3]、提高作物品質(zhì)[4]等優(yōu)點(diǎn)，是我國(guó)主要的種植模式之一，特別是將滴灌技術(shù)與覆膜種植相結(jié)合的膜下滴灌技術(shù)近些年來(lái)在我國(guó)北方干旱地區(qū)呈現(xiàn)出飛躍式發(fā)展。隨著農(nóng)膜的大量使用，農(nóng)膜殘留造成的“白色污染”問(wèn)題卻越來(lái)越嚴(yán)重[5]。然而農(nóng)膜的成分是一種分子結(jié)構(gòu)異常穩(wěn)定的聚乙烯材料，難以在自然條件下進(jìn)行降解，故隨著殘膜逐年積累，不僅會(huì)影響土壤物理特性、土壤透氣性[6]，而且會(huì)對(duì)土壤水分入滲過(guò)程產(chǎn)生影響，最終降低作物產(chǎn)量[7]。

近年來(lái)，在殘膜污染對(duì)滴灌條件下土壤水分入滲的影響方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量研究。李元橋等[8]研究發(fā)現(xiàn)殘膜會(huì)阻礙土壤濕潤(rùn)鋒運(yùn)移，濕潤(rùn)鋒在0～10和10～20 cm土層之間存在明顯差異，且殘膜能夠增加土壤穩(wěn)定入滲率和濕潤(rùn)比；王志超等[9]發(fā)現(xiàn)隨著殘膜埋深的增加，土體內(nèi)最高含水率增加，濕潤(rùn)體縮小，不同滴頭流量處理下殘膜埋深對(duì)入滲的影響相似；李仙岳等[10]研究發(fā)現(xiàn)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離和濕潤(rùn)體均隨殘膜量增加而減小，且通過(guò)貝葉斯分析得出入滲速率的不確定性增加。同時(shí)，在地表點(diǎn)源及線源濕潤(rùn)體特性方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也進(jìn)行了大量研究。李明思等[11]通過(guò)等效圓柱濕潤(rùn)體模型，分析模型中各因子隨滴頭流量的變化情況，同時(shí)建立了點(diǎn)源滴灌滴頭流量的數(shù)學(xué)模型 ；曾辰等[12]通過(guò)設(shè)計(jì)一種垂直線源灌水器，結(jié)合室內(nèi)土箱試驗(yàn)，研究了不同初始含水率條件下2種土壤的垂直線源入滲特征；趙文舉等[13]以室內(nèi)模擬土槽試驗(yàn)，研究了滴灌條件下容重對(duì)壓砂土壤水分入滲規(guī)律的影響；Cote等[14]通過(guò)Hydrus-2D軟件，研究了地下滴灌條件下土壤水分及溶質(zhì)的運(yùn)移情況；胡和平等[15]在地表滴灌條件下，運(yùn)用SWMS-2D模型對(duì)滴頭流量、土壤初始含水率和飽和導(dǎo)水率等多種濕潤(rùn)體運(yùn)移情況進(jìn)行模擬分析，同時(shí)建立了土壤濕潤(rùn)體運(yùn)移的經(jīng)驗(yàn)方程。

然而，目前對(duì)于含殘膜污染的農(nóng)田在應(yīng)用滴灌時(shí)，不同條件下入滲濕潤(rùn)體特性的變化規(guī)律研究甚少。僅有張振華[16]、孫海燕等[17]研究了不同因素對(duì)滴灌土壤濕潤(rùn)體的影響，但土壤中并未摻雜殘膜。本文以室內(nèi)模擬試驗(yàn)為基礎(chǔ)，選取不同土壤初始含水率、土壤容重和滴頭流量等因素進(jìn)行研究，試圖建立不同條件下含殘膜土壤滴灌入滲過(guò)程濕潤(rùn)體運(yùn)移的預(yù)測(cè)模型，為含有殘膜污染的農(nóng)田應(yīng)用滴灌灌水技術(shù)時(shí)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與裝置

試驗(yàn)在西北農(nóng)林科技大學(xué)教育部旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。供試土壤取自試驗(yàn)站大田表層土壤，質(zhì)地為壤質(zhì)黏土，基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。土壤先去除大粒徑雜質(zhì)，經(jīng)自然風(fēng)干、碾壓后過(guò)2 mm篩，制備成試驗(yàn)土樣。供試地膜為陜西楊凌瑞豐環(huán)保科技有限公司生產(chǎn)，為無(wú)色透明的全生物降解膜，厚度為0.008 mm，斷裂標(biāo)稱(chēng)應(yīng)變≥300 N，直角撕裂負(fù)荷≥1.4 N，總灰分≤0.5%，拉伸負(fù)荷≤2.7 N，拉伸負(fù)荷較低，模擬田間易破碎殘膜。

表1 土壤基本理化性質(zhì)Tab.1 Soil basic physical and chemical properties

試驗(yàn)裝置主要包括土箱、馬氏瓶和輸水管，見(jiàn)圖1。土箱采用12 mm厚有機(jī)玻璃制成，規(guī)格(長(zhǎng)×寬×高)為50 cm×50 cm×60 cm；馬氏瓶高100 cm，半徑7 cm，2個(gè)馬氏瓶串聯(lián)作為穩(wěn)壓灌溉水源；用醫(yī)用針頭模擬滴灌器，由于點(diǎn)源入滲濕潤(rùn)體具有對(duì)稱(chēng)性，為了便于觀測(cè)入滲過(guò)程中濕潤(rùn)鋒的形狀變化情況，將滴頭放置在土箱的一角，模擬點(diǎn)源入滲濕潤(rùn)面積的1/4。

圖1 試驗(yàn)裝置示意(單位：cm)Fig.1 Sketch map of the experiment equipment

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)主要研究在殘膜存在條件下，不同土壤含水率、土壤容重和滴頭流量對(duì)滴灌入滲濕潤(rùn)體特性的影響，每個(gè)因素設(shè)3個(gè)水平，共9個(gè)處理，3次重復(fù)，取其平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，具體處理見(jiàn)表2。

表2 不同處理試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.2 Design of different treatments

根據(jù)嚴(yán)昌榮等[5，18]全國(guó)殘膜量調(diào)查結(jié)果，試驗(yàn)選取360 kg/hm2殘膜量，同時(shí)為排除殘膜形狀和大小對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，統(tǒng)一將地膜控制為2 cm×1 cm的長(zhǎng)方形。據(jù)調(diào)查，我國(guó)西北內(nèi)陸地區(qū)殘膜污染最為嚴(yán)重[18]，其耕作主要為大型農(nóng)機(jī)具，耕作深度一般為25～40 cm，此外劉建國(guó)等[19]研究表明土層30 cm以下殘膜含量較少，因此本試驗(yàn)設(shè)計(jì)殘膜埋深為0～40 cm。

裝土前，需按不同處理制配土壤含水率，配制完成后用塑料防水布裹好密閉放置24 h，讓水分充分分布均勻。將試驗(yàn)用土與殘膜混合均勻，分層裝入土箱，每5 cm為一層，層間打毛，避免土層間產(chǎn)生結(jié)構(gòu)和水動(dòng)力學(xué)特征突變。裝土深度為40 cm，土箱底部裝有5 cm砂石反濾層和5 cm土壤緩沖層。

制配不同含水率所需加水量的計(jì)算公式如下：

(1)

式中：m為加水量，g；M為土樣質(zhì)量，g；ω為需配制含水率，%；ω′為土樣風(fēng)干含水率，%。

每層裝土質(zhì)量的計(jì)算公式如下：

M=γLWH(1+ω)

(2)

式中：M為每層土的質(zhì)量，g；γ為不同處理的容重，g/cm3；L為土箱長(zhǎng)度，cm；W為土箱寬度，cm；H為裝土深度，cm；ω為配制土壤含水率，%。

1.3 測(cè)定指標(biāo)和方法

試驗(yàn)開(kāi)始后用秒表計(jì)時(shí)，按照前密后疏原則設(shè)置時(shí)間間隔，前1 h間隔為5 min，1～5 h間隔為30 min，5 h后間隔為1 h，10 h后間隔為2 h，當(dāng)垂直濕潤(rùn)鋒運(yùn)移到40 cm時(shí)結(jié)束灌水，同時(shí)記錄馬氏瓶刻度并用標(biāo)記筆在滴頭兩側(cè)土箱的有機(jī)玻璃上描出濕潤(rùn)體的形狀，試驗(yàn)結(jié)束后用卷尺量取濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

文中試驗(yàn)數(shù)據(jù)均取3次重復(fù)的平均值，用Excel 2010對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和繪制表格，AutoCAD 2014軟件繪制裝置示意圖，Origin Pro 8.5軟件繪圖和函數(shù)擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤初始含水率對(duì)濕潤(rùn)體特性的影響

土壤初始含水率是大田土壤入滲能力和入滲參數(shù)的重要因素之一，它主要從入滲水流濕潤(rùn)區(qū)內(nèi)的平均勢(shì)梯度方面影響土壤水分的入滲能力[20]。點(diǎn)源滴灌入滲過(guò)程中，地表水平擴(kuò)散距離與垂直入滲深度是濕潤(rùn)體運(yùn)移過(guò)程中2個(gè)重要的特征值。圖2為不同土壤初始含水率的水平和垂直濕潤(rùn)鋒運(yùn)移曲線。

由圖2數(shù)據(jù)分析可知，初始含水率顯著地影響了水平和垂直方向濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移速度，隨著土壤初始含水率的增大，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)間越來(lái)越短，分別為1 490、840、390 min，且在相同的入滲時(shí)間內(nèi)(以300 min為例)，水平和垂直向濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離均隨土壤初始含水率的增大而增大，相應(yīng)的土壤濕潤(rùn)體也增大。這與張振華等[16]在滴灌土壤濕潤(rùn)體上研究的結(jié)果較為一致，與孫海燕等[17]的研究結(jié)果在水平濕潤(rùn)鋒運(yùn)移上恰好相反。出現(xiàn)這種現(xiàn)象，是由于水分在土壤入滲過(guò)程中，土壤中所含孔隙需要部分水分的填充，初始含水率越大，從而所需填充的水分也就越少，土壤達(dá)到飽和所需的時(shí)間就越短，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速度越快；同時(shí)土壤初始含水率越大，基質(zhì)勢(shì)越大，土壤水吸力越小，從而產(chǎn)生的基質(zhì)勢(shì)梯度就越小，土壤水分運(yùn)動(dòng)速率也就越慢。不同的學(xué)者在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，上述2方面存在著差異，導(dǎo)致了研究結(jié)果也不同。此外Lado M等[21]的研究表明，土團(tuán)的快速濕潤(rùn)會(huì)產(chǎn)生使土團(tuán)破碎的崩解力，而崩解力的大小取決于土壤含水率，土壤初始含水率越高，土團(tuán)崩解被分散后的細(xì)小土粒對(duì)透水孔隙結(jié)構(gòu)的堵塞和擠壓越弱，入滲能力降低幅度越小。通過(guò)上述分析，土壤初始含水率越高，一是減小了濕潤(rùn)鋒邊緣的基質(zhì)勢(shì)梯度，抑制水分入滲，二是減弱了土團(tuán)濕潤(rùn)后的崩解力，利于水分入滲，土壤更易達(dá)到飽和，同時(shí)本試驗(yàn)土壤存在殘膜，也增加了試驗(yàn)差異的不確定性，進(jìn)一步導(dǎo)致了不同學(xué)者對(duì)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移與土壤初始含水率關(guān)系的研究結(jié)果也不同。

圖2 不同土壤初始含水率的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移曲線Fig.2 Curves of wetted front with different initial soil moistures

通過(guò)對(duì)上述數(shù)據(jù)的分析，可以得到入滲濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離水平向 和垂直向 與入滲時(shí)間 呈冪函數(shù)關(guān)系，即：

Rx=At0.28，Rz=Bt0.45

(3)

式中：Rx為水平運(yùn)移距離；Rz為垂直運(yùn)移距離；t為入滲時(shí)間；A、B為擬和參數(shù)，定義A為水平入滲系數(shù)(下同)，B為垂直入滲系數(shù)(下同)。

對(duì)圖2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可得土壤入滲濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離與入滲時(shí)間的關(guān)系見(jiàn)表3。

由表3分析知，水平入滲系數(shù)和垂直入滲均隨土壤初始含水率的增大而增大，決定系數(shù)均在0.98以上，且在同一初始含水率下，水平入滲系數(shù)均大于垂直入滲系數(shù)，這一點(diǎn)從圖2中也可明顯看出。經(jīng)分析入滲系數(shù)和初始含水率ω之間為線性關(guān)系，則可得在殘膜參與下滴灌入滲Rx和Rz與初始含水率的擬合關(guān)系為:

Rx=(4.527+0.144ω)t0.28R2=0.990

Rz=(0.866+-0.113ω)t0.45R2=0.907

2.2 土壤容重對(duì)濕潤(rùn)體特性的影響

土壤容重對(duì)土壤的持水性和導(dǎo)水性有著顯著的影響，在滴灌土壤入滲過(guò)程中，容重的改變必然會(huì)對(duì)濕潤(rùn)體產(chǎn)生一定的影響，故研究土壤容重與濕潤(rùn)體特性的關(guān)系具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。圖3是不同土壤容重下滴灌入滲的水平和垂直濕潤(rùn)鋒隨時(shí)間運(yùn)移曲線。

圖3 不同土壤容重的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移曲線Fig.3 Curves of wetted front with different soil bulk densities

由圖3數(shù)據(jù)分析可知，在相同的入滲時(shí)間內(nèi)，水平濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離隨土壤容重的增大而增大，垂直濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離隨土壤容重的增大而減小。以入滲300 min時(shí)為例，T4、T5、T6處理的濕潤(rùn)鋒水平運(yùn)移距離分別為27.8、30.1和35.7 cm；垂直運(yùn)移距離分別為28.2、25.5和23.0 cm。通過(guò)數(shù)據(jù)也可看出，伴隨著土壤容重的增大，濕潤(rùn)體的幾何形狀發(fā)生了改變，即容重較小的土壤濕潤(rùn)體形狀窄且深，而容重較大的濕潤(rùn)體形狀寬且淺。同一土壤容重下，入滲初期時(shí)濕潤(rùn)鋒水平運(yùn)移距離大于垂直運(yùn)移距離，但隨著時(shí)間的推進(jìn)，2者的差距在逐漸縮小。

影響土壤容重的因素有土粒密度和土壤孔隙，但土壤孔隙是主要的影響因素，故土壤容重實(shí)質(zhì)上是土壤緊實(shí)程度及氣相比例的間接反映。土壤中的水分在土體中流動(dòng)時(shí)，其速率主要受土壤孔隙的影響。李卓等[22]容重對(duì)土壤水分入滲能力的研究表明，隨著土壤容重增大，土壤中較大孔隙的含量和土壤入滲能力均有所降低。所以，容重較小的土壤，大孔隙的含量就較多，同時(shí)各種尺寸的孔隙也比較豐富，土壤內(nèi)部的連通性較好，在土壤入滲過(guò)程中，孔隙內(nèi)部遇水時(shí)氣體可較快地排放出來(lái)從而減小水分入滲的氣相阻力。但是容重較大的土壤，大孔隙的含量較少，從而使土壤內(nèi)部連通性變差，氣相比例減小，導(dǎo)致水分入滲能力降低。此外，試驗(yàn)土壤中還摻雜著殘膜，水分入滲還取決于殘膜堵塞的孔隙和殘膜之間的新孔隙，增加了土壤中水分入滲的不確定性。如圖3(a)中T6處理的水平濕潤(rùn)鋒運(yùn)移曲線，在100 min左右時(shí)曲線運(yùn)移發(fā)生突變，可能是因?yàn)橥寥辣韺拥臍埬ひ种屏藵駶?rùn)鋒的運(yùn)移，但隨著積水的增多，在下一時(shí)刻沖破殘膜的阻礙而使運(yùn)移距離大幅度增加。同時(shí)在試驗(yàn)時(shí)還發(fā)現(xiàn)，容重大的土壤表面在入滲過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)了較大面積的積水，進(jìn)一步加速了水分在地表的擴(kuò)散，這也意味著土壤容重的增大，會(huì)使水分橫向分布距離加大，這與張振華等[16]在土壤容重對(duì)濕潤(rùn)體影響上的研究結(jié)果一致。

通過(guò)對(duì)上述數(shù)據(jù)的分析，可以得到不同土壤容重下水平濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離 和垂直濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離 與入滲時(shí)間 呈冪函數(shù)關(guān)系，即同樣符合式(3)。用式(3)對(duì)圖3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到土壤入滲濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離與入滲時(shí)間的關(guān)系見(jiàn)表4。

表4 不同土壤容重入滲濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離與時(shí)間的關(guān)系Tab.4 Relationship between wetted migration distances with infiltration time for different soil bulk densities

由表4可知，水平入滲系數(shù)隨土壤容重的增大而增大，而垂直入滲系數(shù)隨土壤容重的增大而減小，這與試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果一致，決定系數(shù)均不小于0.98，且在同一土壤容重下，水平入滲系數(shù)均大于垂直入滲系數(shù)。經(jīng)分析入滲系數(shù)與土壤容重γ之間為線性關(guān)系，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)的分析擬合，可得在殘膜參與下滴灌入滲Rx和Rz與土壤容重的擬合關(guān)系為：

Rx=(-3.220+7.025γ)t0.28R2=0.864

Rz=(4.336-1.775γ)t0.45R2=0.998

2.3 滴頭流量對(duì)濕潤(rùn)體特性的影響

2.3.1 滴頭流量對(duì)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離的影響

圖4是不同滴頭流量下滴灌土壤入滲的水平和垂直濕潤(rùn)鋒隨時(shí)間運(yùn)移曲線，在滴灌灌水方式下，研究特定土壤條件下不同滴頭流量在入滲過(guò)程中橫縱濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離與時(shí)間的關(guān)系，是確定滴灌滴頭間距和毛管田間布置方式的重要依據(jù)。

圖4 不同滴頭流量的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移曲線Fig.4 Curves of wetted front with different dripper flow rates

從圖4數(shù)據(jù)分析可知，在相同的入滲時(shí)間內(nèi)，無(wú)論是水平濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離，還是垂直濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離，均隨滴頭流量的增大而增大。在入滲初期，相同流量條件下，濕潤(rùn)鋒水平運(yùn)移距離大于垂直運(yùn)移距離，但隨著入滲時(shí)間的進(jìn)行，垂直入滲距離逐漸追趕水平運(yùn)移距離，在入滲結(jié)束時(shí)，即垂直濕潤(rùn)鋒運(yùn)移到40 cm時(shí)，2者運(yùn)移距離基本一致，這表明在土壤滴灌入滲后期，濕潤(rùn)鋒垂直運(yùn)移速率大于水平運(yùn)移速率。出現(xiàn)上述現(xiàn)象主要是由于滴灌入滲初期，土壤的基質(zhì)勢(shì)起主導(dǎo)作用，此外滴頭流量的大小也直接決定著地表積水范圍[23]，故濕潤(rùn)鋒在水平方向上擴(kuò)散的速度大于垂直向入滲速度，此外根據(jù)李元橋等[8]在研究殘膜對(duì)土壤水分運(yùn)移的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)殘膜量過(guò)多時(shí)也會(huì)加快土壤水分運(yùn)移(設(shè)計(jì)殘膜量為360 kg/hm2)，使橫向運(yùn)移速率增加。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，灌水量的增加，土壤中水分重力勢(shì)作用和水勢(shì)梯度力逐漸增強(qiáng)，導(dǎo)致水分在水平向運(yùn)移緩慢，從而垂直入滲距離逐漸增加。

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)土壤入滲濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離水平向Rx和垂直向Rz與入滲時(shí)間t呈冪函數(shù)關(guān)系，即同樣符合式(3)。對(duì)圖4中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，同樣可以得到在不同流量條件下土壤入滲濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離與入滲時(shí)間的關(guān)系見(jiàn)表5。

表5 不同滴頭流量入滲濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離與時(shí)間的關(guān)系Tab.5 Relationship between wetted migration distances with infiltration time for different dripper flow rates

由表5分析知，水平入滲系數(shù)和垂直入滲系數(shù)均隨滴頭流量的增大而增大，決定系數(shù)均大于0.97，在同一滴頭流量條件下，水平入滲系數(shù)均大于垂直入滲系數(shù)。經(jīng)分析入滲系數(shù)和滴頭流量q之間為線性關(guān)系，則可得在殘膜參與下滴灌入滲Rx和Rz與滴頭流量的擬合關(guān)系為：

Rx=(4.452+3.460q)t0.28R2=0.952

Rz=(1.105+1.564q)t0.45R2=0.980

2.3.2 滴頭流量對(duì)入滲橫縱比的影響

在滴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，除濕潤(rùn)鋒的水平和垂直運(yùn)移距離外，橫縱比也是一個(gè)確定滴灌灌水參數(shù)的指標(biāo)，它與滴頭流量和灌水時(shí)間有關(guān)。為了計(jì)算簡(jiǎn)便，本文中定義2者的比值Rx/Rz為橫縱比。對(duì)一般作物來(lái)講，其株距和根深之比小于1.0，故實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中滴灌的橫縱比以小于1.0為宜。圖5是不同滴頭流量的入滲橫縱比與時(shí)間的關(guān)系曲線，從圖5可以看出，入滲橫縱比與時(shí)間存在冪函數(shù)關(guān)系，可以用公式Rx/Rz=Ytc表示，擬合結(jié)果見(jiàn)表6，決定系數(shù)均在0.98以上。

圖5 不同滴頭流量的入滲橫縱比曲線Tab.5

滴頭流量/(L·h-1)YcR20.253.922-0.1800.9920.503.337-0.1840.9810.753.880-0.2160.981

由圖5可知，在滴灌入滲過(guò)程中，橫縱比隨著滴頭流量的增大而減小，這與張振華等[16]研究結(jié)果不一致，可能是因?yàn)樵诘喂噙^(guò)程中，土壤水分水平運(yùn)移基質(zhì)勢(shì)起主導(dǎo)作用，水平擴(kuò)散速率大于垂直運(yùn)移速率，但本試驗(yàn)中土壤初始含水率較高，土壤水分垂直入滲在較大流量下更易達(dá)到飽和，在土壤基質(zhì)勢(shì)和水分重力勢(shì)的雙重作用下，致使大流量下水平和垂直濕潤(rùn)鋒推進(jìn)速度均較快，從而出現(xiàn)滴頭流量越大橫縱比越小的現(xiàn)象。隨著入滲的進(jìn)行，橫縱比逐漸減小，這是因?yàn)樵谌霛B后期濕潤(rùn)體內(nèi)土壤含水率增大，水勢(shì)梯度減小，這導(dǎo)致了重力勢(shì)作用相對(duì)的增大，垂直入滲速率高于水平擴(kuò)散率，從而濕潤(rùn)鋒的橫縱比逐漸減小。

從圖5中還可看出，T8(0.50 L/h)、T9(0.75 L/h)2個(gè)處理的橫縱比曲線相接近，表明當(dāng)實(shí)際滴頭流量大于2 L/h時(shí)，增大滴頭流量對(duì)橫縱比的影響較小。入滲結(jié)束后，橫縱比趨近于1.0，并未小于1.0，說(shuō)明土壤中殘膜的存在一定程度上抑制了濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移[10]。所以對(duì)含有一定殘膜的農(nóng)田應(yīng)用滴灌灌水方式時(shí)，為獲得合適的橫縱比且使滴灌灌水均勻，需合理地延長(zhǎng)灌水時(shí)間，增加灌水量，或減小灌水器之間的距離。

3 結(jié) 論

本文通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)，對(duì)含殘膜土壤的滴灌點(diǎn)源入滲過(guò)程進(jìn)行了研究，分析了不同土壤初始含水率、土壤容重和滴頭流量對(duì)滴灌入滲濕潤(rùn)體特性的影響，同時(shí)分析了不同滴頭流量對(duì)入滲橫縱比的影響，得到如下結(jié)論。

(1)隨著土壤初始含水率的增加，灌水時(shí)土壤更易達(dá)到飽和，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移在水平和垂直向推進(jìn)的速度加快；土壤容重愈大，垂直濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率越低，水平濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率卻隨土壤容重的增加而增加，2者相反；滴頭流量增大，濕潤(rùn)鋒水平和垂直運(yùn)移距離也相應(yīng)增大。

(2)建立了不同土壤初始含水率、土壤容重和滴頭流量條件下，入滲水平和垂直濕潤(rùn)鋒隨時(shí)間運(yùn)移的冪函數(shù)模型，決定系數(shù)R2均在0.864以上，擬合效果較好。根據(jù)以往研究，地表和地下點(diǎn)源入滲濕潤(rùn)鋒運(yùn)移與時(shí)間的關(guān)系模型一般也為冪函數(shù)，但其冪指系數(shù)一般為0.5，而含有殘膜污染的土壤點(diǎn)源入滲濕潤(rùn)鋒在水平和垂直向冪指系數(shù)分別為0.28和0.45。

(3)入滲過(guò)程中，滴頭流量減小，橫縱比反而增大，隨著灌水歷時(shí)的增加，橫縱比逐漸減小，但并未小于1.0，表明含有殘膜污染的土壤適宜種植淺根系作物。不同滴頭流量下，橫縱比與入滲時(shí)間也呈冪函數(shù)關(guān)系，決定系數(shù)R2均大于0.98。

(4)通過(guò)本文研究，可為含有殘膜污染的農(nóng)田在應(yīng)用滴灌灌水方式時(shí)提供理論依據(jù)，也為滴灌灌水器在田間的布設(shè)間距和方式提供參考依據(jù)。但本文在建立濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離的模型時(shí)也存在著不足，試驗(yàn)條件下與生產(chǎn)實(shí)際相比，尚存在一定差異。生產(chǎn)實(shí)際中殘膜在土壤中多呈片狀、棒狀、球狀和卷曲筒狀等不規(guī)則形態(tài)，其分布多為水平、傾斜和垂直狀且大小不一，而試驗(yàn)條件下，雖然用攪拌機(jī)將土壤與殘膜充分混合攪拌，使其與田間實(shí)際情況更接近，但仍可能存在一定差異，同時(shí)所涉及的土壤類(lèi)型(壤質(zhì)黏土)、殘膜量(360 kg/hm2)和殘膜大小(2 cm×1 cm)較單一，是否具有較強(qiáng)的通用性，還有待后續(xù)試驗(yàn)的進(jìn)一步研究。