張 松，李和平，鄭和祥，曹雪松，王 軍

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，呼和浩特 010010，2.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，呼和浩特 010020)

0 引 言

地埋滴灌技術(shù)是在灌溉過程中，水通過地埋濾管上的灌水器緩慢深入土壤，在借助毛細管作用和重力作用擴散到整個作物根系層的灌溉技術(shù)[1]。由于滴灌帶埋于地下，大大地減少地面蒸發(fā)，提高了灌溉水利用率，對土壤結(jié)構(gòu)破壞輕。

在推進牧區(qū)節(jié)水灌溉飼草地建設(shè)過程中，滴灌成為內(nèi)蒙古自治區(qū)中西部缺水地區(qū)的首選灌水方式，但地面滴灌與紫花苜蓿等多年生牧草在種植、刈割和管理方面的適應(yīng)性較差。因此，紫花苜蓿地埋滴灌成為其發(fā)展的重點，但其灌水技術(shù)的適應(yīng)性亟待進行深入研究。

目前對地埋滴灌已經(jīng)有了一些研究，例如李朝陽等[2]研究了低壓微灌灌水均勻性及土壤水分分布特征；張振華等[3]通過實驗室模擬實驗進行了滴灌土壤濕潤體影響因素的實驗研究；汪志榮等[4]通過實驗室模擬實驗研究了點源入滲土壤水分運動規(guī)律；郝彥珍等[1]進行了地埋滴灌砂土地的水分推移試驗研究；以前的滴灌的研究多以地面滴灌為主，對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運動，砂土在地埋滴灌條件下的灌水均勻性是影響灌水質(zhì)量的重要指標(biāo)，最終影響水分生產(chǎn)率和作物產(chǎn)量，本文通過實驗室模擬地埋滴灌，對滴灌過程中濕潤鋒的推移情況、特征點的土壤含水率變化、濕潤比隨時間的變化情況進行測定，研究地埋滴灌在砂土地的適應(yīng)性，為田間試驗進行深入研究提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗土壤

實驗土壤取自內(nèi)蒙古鄂托克前旗敖勒召其鎮(zhèn)恒豐節(jié)水試驗田土壤，鄂托克前旗位于毛烏素砂地。取土層次0～100 cm，采用篩分法對土壤質(zhì)地進行分析，土壤砂粒(0.02～2 mm)含量為96.36%,粉粒(0.002～0.02 mm)含量為3.13%,黏粒(<0.002 mm)含量為0.51%,屬于砂土，實驗所用的土壤為該地區(qū)具有代表性的土壤。田間持水量和飽和含水率分別采用環(huán)刀法、烘干法進行測定。土壤基本性質(zhì)見表1，表2。

表1 砂土顆粒組成

表2 砂土基本物理參數(shù)

1.2 實驗設(shè)備

實驗設(shè)備由點源供水裝置、實驗土箱和土壤含水率測定系統(tǒng)組成。實驗采用40 cm×40 cm×40 cm的矩形土箱來避免邊界對水分推移的影響。供水系統(tǒng)采用0.1 MPa的恒壓供水裝置，在供水裝置與滴灌帶連接處安裝水表，記錄供水總量。土壤含水率測定系統(tǒng)由HH2型TDR水分探測儀和數(shù)據(jù)采集裝置兩部分組成，該系統(tǒng)可長期動態(tài)監(jiān)測土壤含水率的變化情況，灌水期間每隔1 min記錄一次土壤含水率,灌水時間為8 h。滴灌帶采用貼片式滴灌帶，貼片式滴灌帶采用紊流流道設(shè)計，灌水均勻；其滴頭自帶過濾窗，抗堵性能好，由于實驗土壤為砂性土，所以采用貼片式滴灌帶。

1.3 實驗方法

根據(jù)實驗土壤的干密度分層裝進土箱，每層之間打毛。在裝土過程中水平埋設(shè)TDR探頭，埋設(shè)深度間隔10 cm,埋設(shè)深度分別是5，15，25，35 cm。將滴灌帶埋設(shè)深度為20 cm，實驗用的滴灌帶共3個滴頭，流量都為2.0 L/h的滴頭，其中土箱內(nèi)1個，土箱外2個，土箱外滴頭下用量杯接水。根據(jù)水表讀數(shù)與量杯的水量計算出土箱內(nèi)供水量。HH2型TDR水分探測儀自動檢測灌水過程中土壤水分變化，時間間隔為1 min，同時對土體水平和垂直方向濕潤鋒隨時間變化過程進行記錄。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 不同深度土壤水分運動及含水率變化

地埋滴灌條件下的水分入滲不同于一般的地面滴灌，是點源四維入滲，垂向上的水分入滲速率關(guān)系到滴灌帶的埋深以及水分生產(chǎn)率和作物產(chǎn)量。試驗中滴灌帶埋深分別為15，20 cm。根據(jù)圖1不同埋深(垂直距離)的TDR測定的土壤含水率的變化情況可以看出在灌水后60 min左右滴頭下方且距離最近的25 cm處土壤含水率迅速增加，隨著灌水時間的推移增加水分運動速率下降。灌水后200 min左右15，25，35 cm處含水率基本平衡。水分運動速率垂向上明顯小于其他方向，越往上水分運動速率越慢；在圖1中發(fā)現(xiàn)滴灌帶埋深為20 cm時，當(dāng)土體5 cm含水率增加時，15、25、35 cm處已經(jīng)達到土壤飽和含水率；當(dāng)5 cm處達到田間持水量時，15、25、35 cm處土壤含水率遠遠超過土壤飽和含水率，產(chǎn)生深層滲漏，，也造成了水分浪費，不利于作物生長，尤其是處于苗期的作物。在圖2中可以看出滴灌帶埋深為15 cm時，土體5和35 cm處含水率同時增加，當(dāng)該處含水率增加時15和25 cm處含水率尚未達到飽和含水率，當(dāng)5 cm處達到田間持水量時，其他各點剛達到飽和含水率。對比圖3～圖5可知在砂土地埋滴灌條件下滴灌帶埋深為15 cm時，在滴頭流量為2.0 L/h，壓力為1.0 MPa時灌水7 h特征點的含水率能滿足作物生長需要，同時能節(jié)水效果較好。因此建議在田間布置時滴灌帶埋深控制在15 cm左右。

圖1 滴灌帶埋深20 cm不同灌水時間土壤含水率變化

圖2 滴灌帶埋深15 cm不同灌水時間土壤含水率變化

2.2 濕潤鋒推移特征

地埋滴灌條件下濕潤鋒呈現(xiàn)不規(guī)則橄欖球型，滴灌帶埋深15 cm比20 cm時，濕潤鋒的形狀更接近橄欖球型，這是由于垂向下水分運動較快，其他方向運動較慢。濕潤鋒處水分運動屬于非飽和土壤水分運動，水分運動主要由水勢梯度和非飽和導(dǎo)水率決定。圖3、圖4是在滴頭流量一定的情況下，地埋滴灌在砂土中濕潤鋒徑向和垂向的運動情況。與地面滴灌一樣，徑向和垂向下的濕潤鋒速率相差很小，基本保持相同的規(guī)律。濕潤鋒到達時濕潤鋒推進速率最大，隨著時間的推移逐漸降低。這是由于點源供水條件下入滲開始時，濕潤范圍較小，土體平均含水率較高，水勢梯度和非飽和導(dǎo)水率較大，故濕潤鋒推進速率較大；隨著時間推移濕潤鋒的推移距離加大，濕潤范圍變大，土體的平均含水率逐漸降低，水勢梯度和非飽和導(dǎo)水率減小，推移速率下降。但是在圖3、圖4中可以發(fā)現(xiàn)在不考慮作物根系吸收作用時，垂向上的濕潤鋒推移速率小于徑向和垂向的濕潤鋒推移速率，這是因為垂向上的水分運動主要由毛管上升力，而毛管力小于水勢梯度和非飽和導(dǎo)水率。但是研究區(qū)夏季地面蒸發(fā)強度大，在田間實際中水分向上的運動的作用力會增加，有利于垂向上的濕潤鋒的發(fā)展，有利于各個方向的濕潤峰推移速率趨于平衡，有利于地埋滴灌的灌水均勻性，保證作物生長。

圖3 滴灌帶埋深20 cm不同灌水時間濕潤鋒徑向和垂向變化

圖4 滴灌帶埋深15 cm不同灌水時間濕潤鋒徑向和垂向的變化

對比圖3和圖4可知，滴灌帶埋深20 cm時垂向上的濕潤鋒與其他方向的濕潤鋒推進速率相差較大，滴灌帶埋深為15 cm是垂向上的濕潤鋒與其他方向的濕潤鋒推進速率較小。這說明滴灌帶埋深15 cm更有利垂向上濕潤鋒發(fā)展，更有利于灌水均勻性，避免深層滲漏造成水分浪費。因此，建議田間布置滴灌帶埋深為15 cm。

2.3 濕潤比

圖5 濕潤比與時間的關(guān)系

3 結(jié) 語

通過實驗可知在砂土中地埋滴灌條件下的點源入滲，是不同于地面滴灌的四維入滲，在入滲過程中垂直向上的濕潤鋒的推移速率以及推移距離和水潤點的含水率的變化過程是進行田間進行地埋滴灌的重要參數(shù)。本實驗主要得到以下結(jié)論。

(1)在砂土中采用2.0 L/h流量的滴頭時，滴灌帶埋深20 cm時垂直向上的含水率變化與其他方向的含水率變化相差較大，5 cm處土壤含水率達到作物需水時，其他各點含水率已經(jīng)超過飽和含水率，其不利于作物的苗期生長；當(dāng)?shù)喂鄮裆顬?5 cm時，5 cm處土壤含水率達到作物需水時，其他各點基本剛達到飽和含水率，有利于節(jié)水。因此在田間實驗時滴灌帶埋深應(yīng)在15 cm左右。

(2)在砂土中地埋滴灌濕潤鋒徑向和垂向下的運動情況和地面滴灌一樣，濕潤鋒速率相差很小，基本保持相同的規(guī)律，垂向上的濕潤鋒推移速率較小。但是考慮到在實際應(yīng)用中有植物根系的吸收作用以及地面蒸發(fā)作用，會增加垂向上的推移速率，不會影響作物生長。至于在達到節(jié)水目的同時，增加產(chǎn)量的程度有待田間試驗的深入研究。

(3)地埋滴灌條件下，徑向濕潤鋒與垂向下的濕潤鋒的濕潤比與時間的關(guān)系不密切，基本保持在1.0左右；而徑向濕潤鋒和垂向上的濕潤鋒的濕潤比隨時間的增加而逐漸減小，且滿足在滴頭流量一定的情況下，濕潤比與時間有關(guān)系，所以濕潤比可以作為滴灌灌水參數(shù)的指標(biāo)。由于作物種植的間距和作物根系深度之比基本小于1.0，因此在田間實際灌溉中濕潤比應(yīng)控制在1.0以下。

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