渗灌管首末端压力与茶树根区土壤水分运移关系

张亨年，张川*，闫浩芳,胡永光,赵宝山，李欣雨,邢德科

(1.江苏大学农业装备工程学院，江苏 镇江 212013；2.江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心，江苏 镇江 212013)

渗灌(infiltration irrigation)是灌溉水在一定的灌水压力下通过埋在地表土层中的渗灌管(包括滴灌带、滴头、打孔塑料管、陶土管等)渗出，凭借土壤的毛管作用给作物根层供水的一种灌水方法.这种灌水技术的实质是水分通过灌水器借助土壤毛管吸力逐渐湿润一定区域的土壤来完成灌水过程.随着供水和需水矛盾的日益突显，水资源紧缺将是中国长期需要面临的问题[1].PATEL等[2]对灌水器的布设与作物产量及品质的关系进行了研究，发现渗灌具有明显增产的效果；HANSONA等[3]研究结果表明，渗灌比沟灌节水36.7%～74.0%，比管灌节水43.1%，比滴灌节水11.9%.渗灌和其他地面灌水相比，技术特点突出，节水效果明显，因此受到许多专家和学者的重视[4-5].较多学者针对渗灌的田间合理布设与土壤水分入渗理论进行了大量的研究[6]，并取得了一定的研究成果，但对于渗灌条件下适宜的灌水流量与灌水持续时间，及其与植物根区土壤水分变化的相关关系等研究较少[7].

文中选取苏南典型地区茶园为研究对象，采用土壤水分传感器(CS616，美国Campbellsci公司)对茶树根区(纵向分布30 cm深，横向分布30 cm宽)土壤含水率进行观测，分析土壤含水率随灌水持续时间的变化规律；通过观测渗灌管首末端压力，提出利用首末端压力累积曲线确定充分灌水(100%田间持水量)的灌水持续时间，并验证该方法的精度，旨在为研发智能化渗灌系统控制灌水时间提供合理的参考方法.

1 试验材料和方法

1.1 试验区概况

试验于2016年4月—2017年3月在江苏省丹阳市“吟春碧芽”茶场进行(119°34′6″E，32°7′39″N)，试验点位于镇江市东南方向，直线距离25 km.丹阳市属温带季风型大陆性气候，为半湿润区，冬冷夏热，水分不足，干旱多发.年平均气温14.2 ℃，极端最高气温40.8 ℃，极端最低气温-16.5 ℃.年平均降水量679.0 mm，最大年降水量884.3 mm，最小年降水量353.2 mm;年内降水多集中在6—9月，约占年降水量的70%.全年盛行风向为南风和北风，年平均日照时数2 299.7 h.试验区长12.8 m，宽13.0 m，坡度3.5°.根层土壤容重为1.51 g/cm3，表层土壤田间持水率为37%，土壤孔隙度为43%，根层土壤类型为粉质壤土.

1.2 试验区田间布设

供试茶树为7 a生成熟茶树，品种为安吉白茶，茶树南北向偏东20°种植，茶树根区纵向分布30 cm深，横向分布30 cm宽，因此设计灌水湿润层边界深度及宽度控制在30 cm以内.在茶树下方15 cm处埋设渗灌管，渗灌管总长L3=10.8 m.试验设置3个试验小区，为防止土壤水分侧向运移引起相互干扰，每个试验小区间隔6 m，试验区管网布设如图1所示.

图1 渗灌系统田间布置图Fig.1 Infiltration irrigation system installed in experimental field

在渗灌管首端安装浮子流量计(DK-800，10～100 L/h)，精确控制灌水流量，在距离浮子流量计后20 cm处安装进水阀门，在渗灌管末端安装排水排污阀门，实现单独控制每条渗灌区域的灌水持续时间.同时在进水阀后20 cm处和排水阀前20 cm处分别安装高精度压力表(DDP0201，0～250 kPa)，实时观测渗灌管首末端水压的变化，首末端压力表间距L1=10 m.为消除湍流影响，流量计、压力表、进水阀和排水阀的间距控制在20 cm(依据水力学计算，15 cm以上可以消除湍流影响).

在每个试验小区中部布设深宽为70 cm×60 cm的土壤水分观测剖面，每个剖面布置7个土壤水分传感器(SC616，美国Campbellsci公司)，探针长30 cm，宽4 cm，土壤水分传感器布置如图2所示.在渗灌管竖直方向布置4个土壤水分传感器，分别位于渗灌管上方10 cm(距地表5 cm)，下方15，30，45 cm，用于观测茶树根区土壤水分在竖直方向上的变化规律.在渗灌管侧向布置3个土壤水分传感器，分别位于渗灌管左方15 cm，右下方15 cm，左下方15 cm，用于观测茶树根区侧向边缘土壤水分的变化规律.通过数据采集器CR1000(美国Campbellsci公司)每隔30 s自动采集1次数据.

图2 土壤水分传感器布置Fig.2 Installation of soil moisture sensors

1.3 试验方法

合理的渗灌水量可以避免水分深层渗漏，达到节水灌溉的目的.文中分别进行了相同灌水流量、不同灌水持续时间和相同灌水持续时间、不同灌水流量的渗灌对茶树根区土壤含水率变化的影响试验.利用浮子流量计精确控制灌水流量，通过调节流量控制螺旋，待流量稳定后(约2 min)开始试验，利用秒表控制灌水持续时间，高精度压力表观测渗灌管首末端压力，每隔10 min读取1次数据；利用土壤水分传感器实时监测茶树根区土壤含水率的变化，调整下一次试验的灌水流量与时间，在满足渗灌管工作压力的前提下，确定合理灌水流量与灌水持续时间.

1.4 分析方法

文中应用Surfer12进行等值线的绘制，采用Surfer软件中Kriging插值法，对未进行采样点的区域化变量的取值进行线性无偏、最优估计，采用Origin Pro8.0对其他测定数据进行绘图与制表.

2 结果与分析

2.1 流量对首末端压力和水分运移的影响

2.1.1 灌水流量为20 L/h时

表1为灌水流量为20 L/h时渗灌管首末端压力记录值，ps，pm分别为首末端压力.3个试验观测剖面灌水持续时间分别为20，40，60 min.由表1可知首末端灌水压力为20～40 kPa，小于渗灌管额定工作压力(40～60 kPa)，说明该灌水流量较小，同时任秉枢等[8]研究表明压力偏低会造成灌水均匀度下降，灌水费时，因此，灌水流量20 L/ h不适用于该试验区的灌溉，需要增大灌水流量.

表1 流量为20 L/h时渗灌管首末端压力Tab.1 Pressures at both ends of subsurface see-page pipe at 20 L/h

图3为3个试验观测剖面在灌水前和开始灌水后1,3 h的土壤水分运动变化情况，其中h为剖面深度，l为剖面宽度，θ为剖面含水率.如图3所示，当灌水20 min时，仅渗灌管下方的土壤含水率略有增大，渗灌管上方与水平方向的土壤含水率几乎没有发生变化；当灌水40,60 min时，在渗灌管上方的土壤含水率也开始增大，但增大幅度较小，土壤含水率远未达到田间持水量水平，因此在增大灌水流量的同时应增加灌水持续时间.

2.1.2 灌水流量为40 L/h时

表2为灌水流量为40 L/h时渗灌管首末端压力记录值，3个试验观测剖面灌水持续时间分别为60,90,120 min.由表2可知，压力值在灌水刚开始阶段不稳定，之后随着灌水持续时间的增加逐步趋于稳定，并在灌水结束前始终维持在40～70 kPa，与渗灌管工作压力基本吻合(40～60 kPa)，因此灌水流量40 L/h适用于对该试验区进行灌溉.

注：方块为土壤水分传感器，黑点为渗灌管，下同

表2 流量为40 L/h时渗灌管首末端压力Tab.2 Pressures at both ends of subsurface see-page pipe at 40 L/h

图4为3个试验观测剖面在灌水前和开始灌水后1，3 h的土壤水分运动变化情况.灌水开始阶段，由于渗灌管周围土壤含水率未达到田间持水量，在压力势的作用下使得总土水势大于四周土壤的土水势，渗出的水分在这个水势梯度作用下向渗灌管周围的土壤运动，此时土壤水的入渗能力较强.当灌水持续60 min时，土壤水分主要向渗灌管下方移动，渗灌管上方土壤含水率增大较小；当灌水90 min时，在茶树根区水平方向及竖直方向的土壤含水率均超过32%，接近试验区土壤表层田间持水量(37%)，同时，在该灌水持续时间下，水分没有发生深层渗漏，达到节水灌溉要求；当灌水120 min时，土壤含水率在竖直方向上增大相对较快，在水平方向上增大相对较慢，汪有科等[9]进行水分运移试验发现湿润体在竖直方向扩散大于水平方向，与文中观测结果相似.表明采用渗灌进行灌水，土壤含水率在竖直方向的增大大于水平方向，造成这一现象的原因是水分在竖直方向受到的重力作用大于毛管作用.

2.1.3 灌水流量为60 L/h时

表3为灌水流量为60 L/h时渗灌管首末端压力记录值，3个试验观测剖面灌水持续时间同样设置为60，90及120 min.由表3发现，当灌水流量为60 L/h时，首末端压力处于60～100 kPa，超过渗灌管工作压力(40～60 kPa)，不仅大量消耗能源，而且不利于渗灌管的使用寿命与安全，因此，灌水流量应小于60 L/h.

图4 流量为40 L/h时不同土壤水分观测剖面含水率变化情况Fig.4 Variation of soil water content at different soil profiles before irrigation,and 1 h and 3 h after irrigation at 40 L/h

表3 流量为60 L/h时渗灌管首末端压力Tab.3 Pressures at both ends of subsurface see-page pipe at 60 L/h

图5为3个试验观测剖面在灌水前和开始灌水后1,3 h的土壤水分运移变化情况.可从图5中看出，相比灌水前，灌水1 h后土壤含水率在竖直方向与水平方向迅速增大，在40 cm处土壤含水率均达到了38%，超过了试验区田间持水量水平(37%)，因此，采取少量多次的灌水方式，可减少由土壤水分深层渗漏产生的浪费.

2.2 茶树根区土壤含水率时段变化规律

图6是灌水流量为40 L/h，在不同灌水持续时间下5,30 cm处土壤含水率日变化规律，剖面1和2于10:30开始灌水，剖面3于11:50开始灌水，灌水时长分别为60,90和120 min.由图6a可知，剖面1和剖面3的土壤含水率变化规律相似，但剖面2土壤含水率上升速度远大于剖面1和剖面3；从图6b中可以发现，造成这一现象是由于剖面2在30 cm处土壤含水率较高(41%)，较高的土壤含水率减弱了土壤在灌水之后的吸水能力[10]，导致土壤水分发生更多的向上运移，表明初始土壤含水率对土壤水分运移方向起着较大的作用.从图6b可以发现，剖面2和3灌水持续时间比剖面1长，即灌水量更大，但灌水后的土壤含水率的增大却没有剖面1明显，说明灌水前土壤含水率对入渗量的影响大于灌水量，即土壤含水率低的土层其入渗能力更强，入渗量更大.通过对比图6a,6b可知，土壤水分向下运移明显多于向上运移，同时30 cm处土壤含水率变化滞后于5 cm处土壤含水率变化；灌水结束后，表层(5 cm)土壤含水率仍呈增大趋势，5 cm处滞后约30 min，30 cm处没有发生滞后现象，表明土壤水分在重力作用下的运动速度远大于毛管作用下的.

图5 流量为60 L/h时不同土壤水分观测剖面含水率变化情况Fig.5 Variation of soil water content at different soil profiles before irrigation,and 1 h and 3 h after irrigation at 60 L/h

图6 灌水前后土壤含水率的变化规律
Fig.6 Variation of soil water content before and after irrigation

2.3 首末端压力随灌水持续时间的变化规律

图7为渗灌管首末端压力与灌水持续时间的双累积曲线图，以此来检验压力累积值p与灌水持续时间t的关系及其变化规律.选择连续晴朗天气进行灌水，流量控制在40 L/h，12：50开始，17:30结束，共持续灌水280 min，茶树根区最小土壤初始含水率约为26%，随着渗灌管四周土壤含水率的逐渐增大，对渗灌管出流的阻碍作用增强；导致首末端压力持续增加；随着灌水持续时间的增加，双累积曲线的斜率于灌水持续160 min时发生突变，斜率变大，表明在灌水持续160 min时，土壤含水率达到临界值，此后渗灌管首末端压力增加速度加快.

图7 首末端灌水压力累积值随灌水时间的变化
Fig.7 Variation of cumulative pressure at both ends of subsurface seepage pipe along with irrigation duration

图8为持续灌水时不同深度土壤含水率的变化曲线，可以发现随着灌水持续时间的增加，茶树根区土壤含水率逐渐增大.由于30 cm处土壤初始含水率较大，因此增加较缓，根区土壤含水率于灌水170 min后全部达到田间持水量水平，与累积曲线斜率突变时间相符，表明当土壤含水率接近田间持水量时，累积曲线斜率会发生突变，因此可以通过观测渗灌管首末端压力控制灌水持续时间，并能取得较高的精度，为渗灌系统的智能化控制提供一种参考方法.

图8 持续灌水茶树根区不同深度土壤含水率变化规律
Fig.8 Variation of soil water content at different depths of soil layer during continuous irrigation

3 结 论

渗灌能够保持作物根区土壤水分充足从而有助于实现高产，因此确定合理的渗灌方法及观测手段对于提高作物产量、减少水资源浪费具有重要的意义.文中对不同灌水流量和灌水持续时间条件下，茶树根区不同深度土壤水分变化进行连续定点观测，得到以下结论：

1) 通过调整灌水流量与灌水持续时间，得到在坡度为3.5°的地形区，采用10 m渗灌管，选择40 L/h灌水流量(每m渗灌管灌水流量为4 L/h)，渗灌管首末端压力适合渗灌管工作压力(40～60 kPa).

2) 灌水前根区土壤初始含水率不仅影响土壤水分入渗能力，而且对于土壤水的运移方向起着决定性作用.当渗灌管下方土壤含水率小于田间持水量时，土壤水向渗灌管下方运移多于向上运移；当渗灌管下方土壤含水率超过田间持水量时，土壤水向下运移少于向上运移.

3) 渗灌管首末端压力累积值与灌水持续时间呈线性关系.通过实测茶树根区土壤含水率发现，茶树根区土壤含水率达到田间持水量时间所需的灌水时间与压力累积曲线斜率发生突变时的灌水持续时间相近，表明通过观测渗灌管首末端压力可以控制充分灌水(100%田间持水量)的灌水持续时间，且具有较高的精度.该研究结果可以为研发智能化渗灌系统控制灌水持续时间提供合理的参考方法.