石先德 王巖 曹承岳 靳國(guó)玉

摘 要：新型灌水材料——陶土管（Ceramic，USA）配之以先進(jìn)的負(fù)壓調(diào)控技術(shù)，可使土壤水分始終保持最適于作物生長(zhǎng)的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)節(jié)水、節(jié)能的目標(biāo)。該研究利用試驗(yàn)研究對(duì)負(fù)壓灌溉下土壤水分運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行研究，結(jié)果表明：在陶土管內(nèi)負(fù)壓為14 cm時(shí)的負(fù)壓灌溉系統(tǒng)下，可以實(shí)現(xiàn)負(fù)壓灌溉。隨著時(shí)間推移，土壤濕潤(rùn)范圍越來越大，土壤含水量逐漸增加，最終達(dá)到一個(gè)最大土壤含水率值，并可實(shí)現(xiàn)自我調(diào)節(jié)。

關(guān)鍵詞：負(fù)壓灌溉 土壤水分運(yùn)動(dòng) 負(fù)壓水頭 陶土管

中圖分類號(hào)：S15 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）07（a）-0024-02

負(fù)壓灌溉是以土壤動(dòng)力學(xué)為理論依據(jù)，只要負(fù)壓供水水頭不超過一定范圍，即使水源高程低于灌水器進(jìn)水口高程，灌溉也是完全可行的。土壤質(zhì)地、供水水頭、灌水器及水質(zhì)是影響負(fù)壓灌溉土壤運(yùn)移的主要因素[1-3]。

新型灌水材料——陶土管（Ceramic，USA）配之以先進(jìn)的負(fù)壓調(diào)控技術(shù)，可使土壤水分始終保持最適于作物生長(zhǎng)的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)節(jié)水、節(jié)能的目標(biāo)。這種新型的陶土管本身含有大量毛細(xì)管，但仍具有管狀的特性，具備透水不透氣并能輸水的功能，它與負(fù)壓灌溉系統(tǒng)可以組成一套全新的密閉空間系統(tǒng)，理論上可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)灌溉。該文主要采用直徑為1 cm的陶土管（Ceramic，USA）在14 cm負(fù)壓水頭下，經(jīng)過多天對(duì)土壤濕潤(rùn)峰、土壤含水率以及灌水量的觀測(cè)和記錄，通過分析得出陶土管（Ceramic）灌水器對(duì)負(fù)壓灌溉下土壤水分的運(yùn)移規(guī)律的影響。

1 材料與研究方法

1.1 試驗(yàn)材料

該試驗(yàn)系統(tǒng)由有機(jī)玻璃土箱、供水裝置、測(cè)壓管以及小水箱組成。有機(jī)玻璃箱高20 cm，長(zhǎng)寬分別為30 cm×30 cm。在土箱一側(cè)中央距底部10 cm處鉆一直徑1.2 cm的小孔，以便連接陶土管。馬氏瓶用于灌溉供水并控制負(fù)壓水頭。室內(nèi)土箱試驗(yàn)所用土壤采自天津市津南區(qū)葛沽鎮(zhèn)楊岑子村試驗(yàn)示范區(qū)，土壤容重1.68 g/cm3，飽和含水率22.15%（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)），其土壤理化性質(zhì)見表1。試驗(yàn)土壤經(jīng)風(fēng)干、碾碎和過2 mm篩后，每5 cm分層裝入土箱。小水箱與馬氏瓶和測(cè)壓管通過膠皮管連通，使其液面距陶土管高度為14 cm。測(cè)壓管直接與陶土管相接，確保整個(gè)裝置密封不透氣。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)初期，每隔兩個(gè)小時(shí)觀測(cè)一次馬氏瓶水量、測(cè)壓管讀數(shù)、土壤水平垂直濕潤(rùn)峰以及陶土管水平距離0 cm、2 cm、4 cm、6 cm處的土壤含水率、土壤溫度、土壤電導(dǎo)率。12 h之后，每日8：00與20：00各測(cè)一次，直到試驗(yàn)結(jié)束。

2 試驗(yàn)分析和結(jié)果

2.1 濕潤(rùn)峰隨時(shí)間的變化規(guī)律

2.1.1 水平濕潤(rùn)峰的變化特征

圖1描述的是當(dāng)陶土管距離水箱液面為14cm時(shí)，陶土管周圍土壤水平濕潤(rùn)峰的變化情況。從圖1中可以看出，在試驗(yàn)開始階段，土壤并無濕潤(rùn)峰的形成。隨著灌溉時(shí)間的推移，水平濕潤(rùn)鋒逐漸增大，呈線性規(guī)律增長(zhǎng)，其相關(guān)系數(shù)接近于1。這與劉明池[2]和梁錦陶[4]得出的結(jié)果一致。當(dāng)試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，水平濕潤(rùn)峰達(dá)到最大。

2.1.2 垂直濕潤(rùn)峰的變化特征

圖2所描述的是陶土管周圍土壤垂直向下濕潤(rùn)峰的變化情況。從圖2中可以得出，垂直濕潤(rùn)峰的變化規(guī)律與水平濕潤(rùn)峰的大致相似。試驗(yàn)進(jìn)行到第五天時(shí)，垂直濕潤(rùn)峰達(dá)到土箱底部，達(dá)到最大。說明在陶土管內(nèi)負(fù)壓為14cm的陶土管負(fù)壓灌溉系統(tǒng)下，隨著時(shí)間的增加，陶土管周圍土壤的濕潤(rùn)距離逐漸變大。

2.2 土壤含水率的分布規(guī)律

圖3是試驗(yàn)中陶土管周圍土壤含水率隨時(shí)間變化的曲線圖。分別為陶土管管旁和陶土管水平距離2cm、4cm、6cm處的土壤含水率變化圖。從圖3中可以看出，4處土壤含水率初始值是相同的，之后整體趨勢(shì)都是隨時(shí)間的推移而增大，而管旁要較2cm處含水率變化速度稍快，2cm處較4cm處的含水率變化速度快，6cm處的含水率變化速度最慢。當(dāng)達(dá)到一定時(shí)間后，4處含水率在最大值處上下小幅徘徊。分析可得，陶土管負(fù)壓灌溉系統(tǒng)下，陶土管旁土壤含水率隨時(shí)間的增加而增大，當(dāng)達(dá)到一定時(shí)間后開始在一定范圍內(nèi)小幅變化，說明了此種灌溉方式具有自我調(diào)控功能，不同于其他灌溉方式。而且越接近陶土管表面的土壤，含水率變化速度越快，越早達(dá)到恒定狀態(tài)。

2.3 灌水量變化規(guī)律

試驗(yàn)觀測(cè)時(shí)，讀取馬氏瓶水位。馬氏瓶長(zhǎng)6cm，寬5cm，根據(jù)每次下降的水位，乘以底面積得出土壤吸收水量。如圖4所示，灌水量隨著時(shí)間的推移，呈線性增長(zhǎng)。由此可以得出，土壤吸收水量與時(shí)間有著較好的相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)接近于1。說明此種陶土管負(fù)壓灌溉系統(tǒng)下，陶土管向土壤滲水速度是恒定的。與劉明池[2]得出的結(jié)果是一致的。

3 結(jié)論

當(dāng)今世界水資源匱乏，可利用水資源逐漸減少，而現(xiàn)有的灌溉技術(shù)，如滴灌、噴灌等雖然節(jié)水，但能耗較大，也無法適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)土壤含水量。負(fù)壓灌溉技術(shù)可以在不需要提供任何動(dòng)力的條件下濕潤(rùn)土壤，滿足作物需水要求，節(jié)水節(jié)能。利用特殊材質(zhì)陶土管的負(fù)壓灌溉系統(tǒng)對(duì)節(jié)水節(jié)能以及滿足作物需水要求方面更加有利。本文在此基礎(chǔ)上利用試驗(yàn)研究對(duì)負(fù)壓灌溉下土壤水分運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了探討，分析各項(xiàng)數(shù)據(jù)得出以下結(jié)論：在陶土管內(nèi)負(fù)壓為14cm時(shí)的負(fù)壓灌溉系統(tǒng)下，可以實(shí)現(xiàn)負(fù)壓灌溉。土壤濕潤(rùn)范圍越來越大。土壤含水量隨著時(shí)間的推移而增加，最終土壤達(dá)到一個(gè)最大含水率值，并且維持在一個(gè)恒定數(shù)值，說明此系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)土壤水分的自我調(diào)節(jié)。

（致謝：感謝天津農(nóng)學(xué)院水利工程學(xué)院試驗(yàn)教學(xué)中心平臺(tái)提供試驗(yàn)場(chǎng)地，感謝金建華老師和楊奎明老師對(duì)試驗(yàn)提供的幫助。）

參考文獻(xiàn)

[1] 江培福，雷廷武，Vincent F. Bralts，等.土壤質(zhì)地和灌水器材料對(duì)負(fù)壓灌溉出水流量及土壤水運(yùn)移的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2006，22（4）：19-22.

[2] 劉明池.負(fù)壓自動(dòng)灌溉水蔬菜栽培系統(tǒng)的建立與應(yīng)用[D].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院，2001.

[3] 江培福.負(fù)壓灌溉技術(shù)原理及其實(shí)驗(yàn)研究[D].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，2006.

[4] 梁錦濤.負(fù)壓灌溉土壤水分運(yùn)移特征研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2011.