地埋滴灌点源入渗土壤水分运动规律实验研究

张 松，李和平，郑和祥，曹雪松，王 军

(1.内蒙古农业大学，呼和浩特 010010，2.水利部牧区水利科学研究所，呼和浩特 010020)

0 引 言

地埋滴灌技术是在灌溉过程中，水通过地埋滤管上的灌水器缓慢深入土壤，在借助毛细管作用和重力作用扩散到整个作物根系层的灌溉技术[1]。由于滴灌带埋于地下，大大地减少地面蒸发，提高了灌溉水利用率，对土壤结构破坏轻。

在推进牧区节水灌溉饲草地建设过程中，滴灌成为内蒙古自治区中西部缺水地区的首选灌水方式，但地面滴灌与紫花苜蓿等多年生牧草在种植、刈割和管理方面的适应性较差。因此，紫花苜蓿地埋滴灌成为其发展的重点，但其灌水技术的适应性亟待进行深入研究。

目前对地埋滴灌已经有了一些研究，例如李朝阳等[2]研究了低压微灌灌水均匀性及土壤水分分布特征；张振华等[3]通过实验室模拟实验进行了滴灌土壤湿润体影响因素的实验研究；汪志荣等[4]通过实验室模拟实验研究了点源入渗土壤水分运动规律；郝彦珍等[1]进行了地埋滴灌砂土地的水分推移试验研究；以前的滴灌的研究多以地面滴灌为主，对砂土地的地埋滴灌研究很少，地面滴灌不涉及水分在垂向上的运动，砂土在地埋滴灌条件下的灌水均匀性是影响灌水质量的重要指标，最终影响水分生产率和作物产量，本文通过实验室模拟地埋滴灌，对滴灌过程中湿润锋的推移情况、特征点的土壤含水率变化、湿润比随时间的变化情况进行测定，研究地埋滴灌在砂土地的适应性，为田间试验进行深入研究提供依据。

1 材料与方法

1.1 实验土壤

实验土壤取自内蒙古鄂托克前旗敖勒召其镇恒丰节水试验田土壤，鄂托克前旗位于毛乌素砂地。取土层次0～100 cm，采用筛分法对土壤质地进行分析，土壤砂粒(0.02～2 mm)含量为96.36%,粉粒(0.002～0.02 mm)含量为3.13%,黏粒(<0.002 mm)含量为0.51%,属于砂土，实验所用的土壤为该地区具有代表性的土壤。田间持水量和饱和含水率分别采用环刀法、烘干法进行测定。土壤基本性质见表1，表2。

表1 砂土颗粒组成

表2 砂土基本物理参数

1.2 实验设备

实验设备由点源供水装置、实验土箱和土壤含水率测定系统组成。实验采用40 cm×40 cm×40 cm的矩形土箱来避免边界对水分推移的影响。供水系统采用0.1 MPa的恒压供水装置，在供水装置与滴灌带连接处安装水表，记录供水总量。土壤含水率测定系统由HH2型TDR水分探测仪和数据采集装置两部分组成，该系统可长期动态监测土壤含水率的变化情况，灌水期间每隔1 min记录一次土壤含水率,灌水时间为8 h。滴灌带采用贴片式滴灌带，贴片式滴灌带采用紊流流道设计，灌水均匀；其滴头自带过滤窗，抗堵性能好，由于实验土壤为砂性土，所以采用贴片式滴灌带。

1.3 实验方法

根据实验土壤的干密度分层装进土箱，每层之间打毛。在装土过程中水平埋设TDR探头，埋设深度间隔10 cm,埋设深度分别是5，15，25，35 cm。将滴灌带埋设深度为20 cm，实验用的滴灌带共3个滴头，流量都为2.0 L/h的滴头，其中土箱内1个，土箱外2个，土箱外滴头下用量杯接水。根据水表读数与量杯的水量计算出土箱内供水量。HH2型TDR水分探测仪自动检测灌水过程中土壤水分变化，时间间隔为1 min，同时对土体水平和垂直方向湿润锋随时间变化过程进行记录。

2 实验结果与分析

2.1 不同深度土壤水分运动及含水率变化

地埋滴灌条件下的水分入渗不同于一般的地面滴灌，是点源四维入渗，垂向上的水分入渗速率关系到滴灌带的埋深以及水分生产率和作物产量。试验中滴灌带埋深分别为15，20 cm。根据图1不同埋深(垂直距离)的TDR测定的土壤含水率的变化情况可以看出在灌水后60 min左右滴头下方且距离最近的25 cm处土壤含水率迅速增加，随着灌水时间的推移增加水分运动速率下降。灌水后200 min左右15，25，35 cm处含水率基本平衡。水分运动速率垂向上明显小于其他方向，越往上水分运动速率越慢；在图1中发现滴灌带埋深为20 cm时，当土体5 cm含水率增加时，15、25、35 cm处已经达到土壤饱和含水率；当5 cm处达到田间持水量时，15、25、35 cm处土壤含水率远远超过土壤饱和含水率，产生深层渗漏，，也造成了水分浪费，不利于作物生长，尤其是处于苗期的作物。在图2中可以看出滴灌带埋深为15 cm时，土体5和35 cm处含水率同时增加，当该处含水率增加时15和25 cm处含水率尚未达到饱和含水率，当5 cm处达到田间持水量时，其他各点刚达到饱和含水率。对比图3～图5可知在砂土地埋滴灌条件下滴灌带埋深为15 cm时，在滴头流量为2.0 L/h，压力为1.0 MPa时灌水7 h特征点的含水率能满足作物生长需要，同时能节水效果较好。因此建议在田间布置时滴灌带埋深控制在15 cm左右。

图1 滴灌带埋深20 cm不同灌水时间土壤含水率变化

图2 滴灌带埋深15 cm不同灌水时间土壤含水率变化

2.2 湿润锋推移特征

地埋滴灌条件下湿润锋呈现不规则橄榄球型，滴灌带埋深15 cm比20 cm时，湿润锋的形状更接近橄榄球型，这是由于垂向下水分运动较快，其他方向运动较慢。湿润锋处水分运动属于非饱和土壤水分运动，水分运动主要由水势梯度和非饱和导水率决定。图3、图4是在滴头流量一定的情况下，地埋滴灌在砂土中湿润锋径向和垂向的运动情况。与地面滴灌一样，径向和垂向下的湿润锋速率相差很小，基本保持相同的规律。湿润锋到达时湿润锋推进速率最大，随着时间的推移逐渐降低。这是由于点源供水条件下入渗开始时，湿润范围较小，土体平均含水率较高，水势梯度和非饱和导水率较大，故湿润锋推进速率较大；随着时间推移湿润锋的推移距离加大，湿润范围变大，土体的平均含水率逐渐降低，水势梯度和非饱和导水率减小，推移速率下降。但是在图3、图4中可以发现在不考虑作物根系吸收作用时，垂向上的湿润锋推移速率小于径向和垂向的湿润锋推移速率，这是因为垂向上的水分运动主要由毛管上升力，而毛管力小于水势梯度和非饱和导水率。但是研究区夏季地面蒸发强度大，在田间实际中水分向上的运动的作用力会增加，有利于垂向上的湿润锋的发展，有利于各个方向的湿润峰推移速率趋于平衡，有利于地埋滴灌的灌水均匀性，保证作物生长。

图3 滴灌带埋深20 cm不同灌水时间湿润锋径向和垂向变化

图4 滴灌带埋深15 cm不同灌水时间湿润锋径向和垂向的变化

对比图3和图4可知，滴灌带埋深20 cm时垂向上的湿润锋与其他方向的湿润锋推进速率相差较大，滴灌带埋深为15 cm是垂向上的湿润锋与其他方向的湿润锋推进速率较小。这说明滴灌带埋深15 cm更有利垂向上湿润锋发展，更有利于灌水均匀性，避免深层渗漏造成水分浪费。因此，建议田间布置滴灌带埋深为15 cm。

2.3 湿润比

图5 湿润比与时间的关系

3 结 语

通过实验可知在砂土中地埋滴灌条件下的点源入渗，是不同于地面滴灌的四维入渗，在入渗过程中垂直向上的湿润锋的推移速率以及推移距离和水润点的含水率的变化过程是进行田间进行地埋滴灌的重要参数。本实验主要得到以下结论。

(1)在砂土中采用2.0 L/h流量的滴头时，滴灌带埋深20 cm时垂直向上的含水率变化与其他方向的含水率变化相差较大，5 cm处土壤含水率达到作物需水时，其他各点含水率已经超过饱和含水率，其不利于作物的苗期生长；当滴灌带埋深为15 cm时，5 cm处土壤含水率达到作物需水时，其他各点基本刚达到饱和含水率，有利于节水。因此在田间实验时滴灌带埋深应在15 cm左右。

(2)在砂土中地埋滴灌湿润锋径向和垂向下的运动情况和地面滴灌一样，湿润锋速率相差很小，基本保持相同的规律，垂向上的湿润锋推移速率较小。但是考虑到在实际应用中有植物根系的吸收作用以及地面蒸发作用，会增加垂向上的推移速率，不会影响作物生长。至于在达到节水目的同时，增加产量的程度有待田间试验的深入研究。

(3)地埋滴灌条件下，径向湿润锋与垂向下的湿润锋的湿润比与时间的关系不密切，基本保持在1.0左右；而径向湿润锋和垂向上的湿润锋的湿润比随时间的增加而逐渐减小，且满足在滴头流量一定的情况下，湿润比与时间有关系，所以湿润比可以作为滴灌灌水参数的指标。由于作物种植的间距和作物根系深度之比基本小于1.0，因此在田间实际灌溉中湿润比应控制在1.0以下。

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