蔡耀輝 吳普特, 張 林 朱德蘭, 任改萍,3 陳俊英

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院， 陜西楊凌 7121002.西北農(nóng)林科技大學(xué)中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院， 陜西楊凌 712100； 3.洛南縣水務(wù)局， 商洛 726100)

微孔陶瓷滲灌與地下滴灌土壤水分運(yùn)移特性對(duì)比

蔡耀輝1吳普特1,2張 林2朱德蘭1,2任改萍1,3陳俊英1

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院， 陜西楊凌 7121002.西北農(nóng)林科技大學(xué)中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院， 陜西楊凌 712100； 3.洛南縣水務(wù)局， 商洛 726100)

以微孔陶瓷灌水器為研究對(duì)象，在0 m工作水頭下進(jìn)行土壤水分運(yùn)移特性試驗(yàn)，并以10 m額定工作水頭下工作的地下滴灌灌水器作為對(duì)照。通過對(duì)比分析2種灌溉方式下累計(jì)入滲量、流量、濕潤(rùn)體特征和土壤含水率變化，結(jié)果表明：相同灌溉時(shí)間下微孔陶瓷滲灌的累計(jì)入滲量、濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離、濕潤(rùn)體截面面積均明顯小于地下滴灌。微孔陶瓷滲灌的流量隨時(shí)間逐漸減小，直至接近于零；試驗(yàn)后期，微孔陶瓷滲灌濕潤(rùn)體內(nèi)整體土壤含水率變化較??；由于微孔陶瓷滲灌為無壓連續(xù)灌溉，因此在其工作過程中可為作物提供一個(gè)恒定的水分環(huán)境。而地下滴灌的流量則會(huì)維持穩(wěn)定，使得土壤含水率一直增大，停止灌溉后由于土壤水分再分布而減小。地下滴灌為被動(dòng)恒壓灌溉，因此其灌溉條件下作物生長(zhǎng)的水分環(huán)境處于干濕交替的循環(huán)變化狀態(tài)。

微孔陶瓷； 滲灌； 地下滴灌； 土壤水分運(yùn)移； 土壤含水率

引言

微孔陶瓷滲灌是近來新興的一種灌溉方式，通過將微孔陶瓷灌水器埋置于地下進(jìn)行微壓或零壓灌溉，是一種較為節(jié)水、節(jié)能的新型地下灌溉技術(shù)[1-5]。地下滴灌是目前應(yīng)用最為廣泛的地下灌溉技術(shù)，其通過地下灌水器將水、肥均勻的輸送到作物根部進(jìn)行灌溉，大大減少了土壤的表層蒸發(fā)，使水的利用效率有了極大的提高[6-7]。目前微孔陶瓷滲灌土壤水分運(yùn)移特性的研究仍較少，其與地下滴灌同屬于地下灌溉技術(shù)，因此有關(guān)地下滴灌土壤水分運(yùn)移特性的研究可為其提供參考和借鑒。

圖1 試驗(yàn)裝置與入滲裝置圖Fig.1 Schematics of experiment device and infiltration devices1.排氣口 2.探頭 3.灌水器 4.試驗(yàn)土箱 5.輸水管道 6.閥門A 7.壓力表 8.水泵 9.稱量裝置 10.閥門B 11.馬氏瓶

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)陶罐、陶瓷管道在土壤中的入滲特性進(jìn)行了研究[8-10]。GUPTA等[11]研究表明陶瓷滲水管的出流量會(huì)隨著工作壓力的增大而增大，土壤水分運(yùn)移會(huì)隨著土壤含水率的變化而發(fā)生變化。VASUDEVAN等[12]研究發(fā)現(xiàn)隨著溫度、濕度的變化，土壤水勢(shì)會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而對(duì)陶罐的滲水速率造成影響，認(rèn)為陶罐在溫度高的干旱地區(qū)有較好的應(yīng)用前景。SIYAL等[13-14]利用陶罐在2種不同質(zhì)地的土壤中灌溉發(fā)現(xiàn)，陶罐不同導(dǎo)水率情況下濕潤(rùn)體的大小和形狀接近一致。以上研究對(duì)正壓條件下陶瓷滲水裝置的出流特性進(jìn)行了分析，但對(duì)于零壓條件下陶瓷滲水裝置出流特性的闡述較少。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)地下灌溉土壤水分運(yùn)移特性進(jìn)行了較多研究[15-19]。SHANI等[20]研究表明地下滴灌灌水器出口處會(huì)形成正壓，并通過理論分析給出了該正壓的計(jì)算公式。COTE等[21]通過模擬不同土質(zhì)條件下地下滴灌灌水器的出流特性發(fā)現(xiàn)，在中低滲透性土壤中，地下滴灌可以較好地濕潤(rùn)灌水器周圍區(qū)域，增加作物的水分利用效率。因此，微孔陶瓷滲灌土壤水分運(yùn)移特性可以借鑒地下滴灌的研究，但是2種灌溉方式仍有較大的差別，且目前的研究未對(duì)其差異及原因進(jìn)行說明。

為深入了解微孔陶瓷滲灌土壤水分運(yùn)移規(guī)律，在借鑒地下滴灌研究的基礎(chǔ)上，對(duì)2種灌溉方式下土壤水分運(yùn)移規(guī)律和機(jī)理進(jìn)行區(qū)分。本文以微孔陶瓷灌水器為研究對(duì)象，在0 m工作水頭下進(jìn)行入滲特性試驗(yàn)；以地下滴灌灌水器為對(duì)照，在10 m額定工作水頭下進(jìn)行入滲特性試驗(yàn)。通過對(duì)比分析2種不同灌溉方式下累計(jì)入滲量、流量、濕潤(rùn)體特征和土壤含水率變化，以明確微孔陶瓷滲灌的土壤水分運(yùn)移規(guī)律，進(jìn)而揭示微孔陶瓷滲灌與地下滴灌土壤水分運(yùn)移規(guī)律的差異及原因，以期為微孔陶瓷滲灌的推廣應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院灌溉水力學(xué)試驗(yàn)大廳進(jìn)行。試驗(yàn)裝置(圖1a)由土箱、土壤水分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、稱量裝置、供水裝置和入滲裝置組成。試驗(yàn)土箱由厚度10 mm的有機(jī)玻璃制作，尺寸為45 cm×45 cm×70 cm(長(zhǎng)×寬×高)。采用美國Decagon公司生產(chǎn)的EM50型土壤含水率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)入滲過程中的土壤含水率、濕潤(rùn)鋒運(yùn)移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，EC-5型土壤水分探頭的埋設(shè)位置如圖1a所示。稱量裝置采用精度為10 g的電子秤實(shí)時(shí)記錄土箱的質(zhì)量變化。供水裝置分為兩類：當(dāng)進(jìn)行微孔陶瓷滲灌土壤水分運(yùn)移特性試驗(yàn)時(shí)，打開閥門B、關(guān)閉閥門A，采用馬氏瓶進(jìn)行供水，馬氏瓶橫截面直徑10 cm，高度70 cm。當(dāng)進(jìn)行地下滴灌土壤水分運(yùn)移特性試驗(yàn)時(shí)，打開閥門A、關(guān)閉閥門B，采用恒壓變頻柜控制水泵(ISW40-200型)供水。入滲裝置分別采用微孔陶瓷灌水器和地下滴灌帶(圖1b)。微孔陶瓷灌水器為西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院自行研制的砂基微孔陶瓷灌水器[22]，灌水器為圓柱形腔體結(jié)構(gòu)，尺寸為4 cm×2 cm×5 cm×6.8 cm(外徑×內(nèi)徑×內(nèi)孔深×高)，0.2 m水頭下灌水器流量為0.87 L/h。地下滴灌帶為Netafim超級(jí)臺(tái)風(fēng)貼片式滴灌帶，額定工作水頭為10 m，經(jīng)測(cè)定空氣中的流量為1.6 L/h。

1.2 試驗(yàn)土壤

試驗(yàn)土壤取自陜西渭河三級(jí)階地，將取得的試驗(yàn)土壤風(fēng)干、碾壓、混合后過2 mm篩網(wǎng)制成試驗(yàn)土樣。土壤顆粒組成采用沉降法測(cè)定；采用環(huán)刀法測(cè)定田間持水率和飽和含水率。按國際制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)土壤屬于粘壤土，其物理性質(zhì)見表1。

表1 試驗(yàn)土壤的物理性質(zhì)

1.3 試驗(yàn)方法及測(cè)定內(nèi)容

微孔陶瓷灌水器埋深為28.5 cm(以灌水器中心計(jì))，工作水頭為0 m；滴灌帶埋深為30 cm，工作水頭為10 m。將試驗(yàn)土樣按照設(shè)計(jì)干容重分層裝入土箱，層間打毛，使土壤顆粒充分接觸。表面用塑料薄膜覆蓋，防止土壤水分蒸發(fā)影響試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)過程中，采用微孔陶瓷滲灌時(shí)，當(dāng)灌水器的流量變化量小于0.01 L/h時(shí)停止灌水，記錄此時(shí)的

累計(jì)入滲量，地下滴灌時(shí)采用與其相同的灌水量。試驗(yàn)過程中檢測(cè)指標(biāo)和計(jì)算方法如下：微孔陶瓷灌水器累計(jì)入滲量根據(jù)馬氏瓶讀數(shù)和橫截面積計(jì)算，流量為單位時(shí)間入滲量。滴灌帶累計(jì)入滲量根據(jù)電子秤讀數(shù)記錄，流量為單位時(shí)間入滲量。濕潤(rùn)鋒運(yùn)移：試驗(yàn)中將微孔陶瓷灌水器和滴灌帶埋置于土箱中央是為了更加真實(shí)地模擬實(shí)際情況，但勢(shì)必導(dǎo)致濕潤(rùn)體特征難以直接用肉眼觀察，因此采用EM50監(jiān)測(cè)的含水率變化時(shí)刻作為濕潤(rùn)鋒運(yùn)移到探頭位置的時(shí)刻(監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔2 min，含水率變化量超過0.25個(gè)百分點(diǎn)認(rèn)為濕潤(rùn)鋒到達(dá)該探頭)。并由此計(jì)算濕潤(rùn)體截面面積、垂直濕潤(rùn)鋒和水平濕潤(rùn)鋒。土壤含水率：通過EM50探頭實(shí)時(shí)記錄土壤含水率變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 累計(jì)入滲量和流量隨時(shí)間的變化

圖2分別是微孔陶瓷滲灌與地下滴灌土壤累計(jì)入滲量和流量隨時(shí)間的變化曲線。由圖2a可以看出，微孔陶瓷滲灌與地下滴灌的累計(jì)入滲量隨時(shí)間不斷增加。相同入滲時(shí)間下，微孔陶瓷滲灌的累計(jì)入滲量要明顯小于地下滴灌；入滲600 min時(shí)，微孔陶瓷滲灌和地下滴灌的累計(jì)入滲量分別為1.42 L和4.13 L。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，兩者的灌水量均為5.54 L，微孔陶瓷滲灌用時(shí)3 750 min左右，而地下滴灌則用時(shí)820 min，僅為微孔陶瓷滲灌的21%。由圖2b可以看出，微孔陶瓷滲灌的流量逐漸減小，由初始的0.47 L/h逐漸下降至0.07 L/h，降低了85.2%左右，且仍在不斷減小，有減小為零的趨勢(shì)；而地下滴灌的流量變化則較小，基本在0.4 L/h左右波動(dòng)。

圖2 微孔陶瓷滲灌與地下滴灌土壤累計(jì)入滲量和流量Fig.2 Cumulative infiltration and discharge of porous ceramic infiltration irrigation and subsurface drip irrigation

利用Kostiakov入滲模型分別對(duì)微孔陶瓷滲灌和地下滴灌累計(jì)入滲量I與時(shí)間t的變化關(guān)系進(jìn)行擬合[23]，可得：

微孔陶瓷滲灌I=0.029t0.633(R2=0.993)

地下滴灌I=0.013t0.888(R2=0.994)

由擬合公式可以看出，微孔陶瓷滲灌的入滲系數(shù)雖然大于地下滴灌，但其入滲指數(shù)卻明顯小于地下滴灌。微孔陶瓷滲灌的入滲指數(shù)在0.633左右，說明隨著入滲時(shí)間的增加，累計(jì)入滲量的變化將越來越小，最終趨近于某個(gè)定值。而對(duì)于地下滴灌，其入滲指數(shù)為0.888，接近于1，因此地下滴灌的累計(jì)入滲量與時(shí)間接近于線性關(guān)系。說明時(shí)間的累計(jì)效應(yīng)對(duì)地下滴灌的影響較小，但對(duì)于微孔陶瓷灌水器的影響則較為明顯。

微孔陶瓷滲灌與地下滴灌的累計(jì)入滲量和流量均有明顯的差異，這主要是由其不同的工作機(jī)理所導(dǎo)致。微孔陶瓷滲灌與地下滴灌工作時(shí)其出流的驅(qū)動(dòng)力均為內(nèi)外的水勢(shì)差。微孔陶瓷滲灌的內(nèi)部工作水頭為0 m，因此其主要利用外部土壤的基質(zhì)勢(shì)出流。灌溉過程中，微孔陶瓷滲灌周圍的土壤會(huì)逐步濕潤(rùn)，含水率上升，土壤基質(zhì)勢(shì)變大(絕對(duì)值減小)，使得驅(qū)動(dòng)微孔陶瓷滲灌出流的勢(shì)能降低，內(nèi)外水勢(shì)差降低，出流量則會(huì)相應(yīng)減小。當(dāng)土壤含水率增加至飽和含水率時(shí)，此時(shí)的土壤基質(zhì)勢(shì)為零，微孔陶瓷滲灌就會(huì)停止出流。而地下滴灌內(nèi)部工作水頭為10 m，出流過程中地下滴灌出口處會(huì)形成一定的正

壓抑制其出流，隨著灌溉的進(jìn)行，該正壓會(huì)基本穩(wěn)定在某個(gè)定值附近。根據(jù)GIL等[24-26]和仵峰等[27-28]的研究，地下滴灌灌水器出流的流量和土壤因素關(guān)系密切，灌水器在土壤中的流量大約為其空氣中自由出流量的25%～50%，因此地下滴灌在土壤中的流量會(huì)小于其在空氣中的額定流量，但是會(huì)一直以恒定大于零的流量出流。

2.2 濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離

圖3為2種灌溉方式下濕潤(rùn)體濕潤(rùn)鋒水平運(yùn)移距離(X)、濕潤(rùn)鋒垂直向下運(yùn)移距離(Z1)和濕潤(rùn)鋒垂直向上運(yùn)移距離(Z2)隨時(shí)間(t)的變化過程。2種灌溉方式下X、Z1、Z2均隨著灌溉時(shí)間的增加而增加，地下滴灌X、Z1、Z2的變化速率要明顯大于微孔陶瓷滲灌的。相關(guān)學(xué)者研究表明[29-30]，X、Z1、Z2和灌溉時(shí)間t之間的關(guān)系可用冪函數(shù)表示，即X=atb、Z1=atb和Z2=atb，擬合參數(shù)見表2。

圖3 微孔陶瓷滲灌與地下滴灌濕潤(rùn)鋒變化曲線Fig.3 Changing curves of wetting front with time for porous ceramic infiltration irrigation and subsurface drip irrigation

項(xiàng)目微孔陶瓷滲灌地下滴灌abR2abR2垂直向上Z20.660.390.952.650.330.98垂直向下Z10.250.520.961.740.441水平X0.420.500.991.760.431截面積S0.310.940.987.130.780.99

由表2可以看出，采用冪函數(shù)對(duì)X、Z1、Z2和t之間的關(guān)系進(jìn)行擬合，其決定系數(shù)均達(dá)到0.95以上。參數(shù)a、b均大于0，說明隨著灌溉時(shí)間的增加，X、Z1、Z2會(huì)一直增加。相同灌溉時(shí)間下微孔陶瓷滲灌的X、Z1、Z2均小于地下滴灌。灌溉過程中，微孔陶瓷滲灌的X一直大于Z1、Z2；灌溉初期Z1Z2。但地下滴灌則一直符合Z1>X>Z2。這是因?yàn)槲⒖滋沾蓾B灌灌溉過程中基質(zhì)勢(shì)的作用占主導(dǎo)地位，隨著灌溉的進(jìn)行，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移，重力勢(shì)的作用逐漸上升，使得垂直向下濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移加速，因而使得在灌溉后期Z1X>Z2。但是結(jié)合圖2可以發(fā)現(xiàn)，隨著灌溉時(shí)間的繼續(xù)延長(zhǎng)，X、Z1、Z2的變化速率將趨近于零，因此濕潤(rùn)鋒也就停止變化，此時(shí)灌水器流量的變化也接近于零。而對(duì)于地下滴灌而言，其灌溉過程中流量變化較小，濕潤(rùn)體會(huì)一直擴(kuò)展，水分更多地向土壤深層發(fā)展。造成兩者不同的原因在于：在微孔陶瓷滲灌灌溉過程中，灌水器內(nèi)部工作水頭為0 m，因此灌水器的流量直接受灌水器外部土壤水勢(shì)控制[31]，當(dāng)灌水器周圍濕潤(rùn)范圍達(dá)到極限時(shí)，灌水器的流量會(huì)趨于停滯；但對(duì)于地下滴灌而言，其工作水頭為10 m，灌溉過程中由于出流會(huì)造成正壓的產(chǎn)生，但正壓一般不會(huì)超過其工作壓力[25,27]，因此濕潤(rùn)體擴(kuò)展的范圍以及濕潤(rùn)體內(nèi)部高含水率區(qū)域?qū)τ诔隽鞯挠绊懖淮?，其流量?huì)基本維持在某一定值附近[27]。這也是微孔陶瓷滲灌與地下滴灌的區(qū)別之一。

2.3 濕潤(rùn)體形狀與面積

圖4為微孔陶瓷滲灌和地下滴灌灌溉條件下濕潤(rùn)體的變化過程。由圖4可以看出，微孔陶瓷滲灌和地下滴灌周圍濕潤(rùn)體形狀均接近為橢圓形，微孔陶瓷滲灌水平方向直徑大于垂直方向，但地下滴灌垂直方向要大于水平方向。微孔陶瓷滲灌灌溉條件下，濕潤(rùn)鋒在3 750 min左右到達(dá)土壤表層；而地下滴灌灌溉條件下濕潤(rùn)體發(fā)展迅速，在埋深30 cm的條件下，預(yù)計(jì)1 200 min左右濕潤(rùn)鋒便可到達(dá)土壤表層。

圖4 微孔陶瓷滲灌與地下滴灌濕潤(rùn)體截面形狀變化(單位：min)Fig.4 Changes of wetting front section shape for porous ceramic infiltration irrigation and subsurface drip irrigation (unit: min)

微孔陶瓷滲灌與地下滴灌灌溉條件下濕潤(rùn)體截面形狀差別較小，均為橢圓形。在灌溉前期，微孔陶瓷滲灌濕潤(rùn)體截面接近于中心靠上的橢圓形，但是隨著入滲進(jìn)行，橢圓的重心逐漸向下，演變?yōu)橹匦目肯碌臋E圓形。而地下滴灌周圍的濕潤(rùn)體截面形狀則一直為重心靠下的橢圓形。這是因?yàn)椋何⒖滋沾蓾B灌入滲過程中，土壤水分運(yùn)動(dòng)的主要驅(qū)動(dòng)力為基質(zhì)勢(shì)。入滲前期，水分在均質(zhì)土壤中入滲，土壤各方向基質(zhì)勢(shì)梯度差別不大，因此水分在各方向(除下部)發(fā)展都較為均衡，但下部由于連接管道作為不透水邊界，使得向下運(yùn)移的水分較少，因此濕潤(rùn)體形狀近似為重心向上的橢圓形。在入滲后期，土壤重力勢(shì)的作用逐漸增大，使得濕潤(rùn)體的形狀發(fā)生變化，重心逐漸向下移動(dòng)。因此在處理微孔陶瓷滲灌水分運(yùn)移特性的問題時(shí)，必須對(duì)其邊界加以考慮，不能當(dāng)作單純的點(diǎn)源處理，可以作為柱狀面源加以分析。但對(duì)于地下滴灌，其為點(diǎn)源灌溉方式，在土壤基質(zhì)勢(shì)梯度差別不大的情況下，土壤水分受重力勢(shì)的作用更為明顯，因此隨著灌溉時(shí)間的增加，濕潤(rùn)鋒會(huì)一直向下部運(yùn)移，因而濕潤(rùn)體的形狀也一直表現(xiàn)為重心靠下的橢圓形。微孔陶瓷滲灌為連續(xù)灌溉，因此其濕潤(rùn)體形狀在后期會(huì)一直維持橢圓形，變化較小。但是對(duì)于地下滴灌而言，當(dāng)灌溉停止后，濕潤(rùn)體內(nèi)水分會(huì)重新分布，濕潤(rùn)體形狀會(huì)發(fā)生變化[29]。這也是微孔陶瓷滲灌與地下滴灌的區(qū)別之一。

表2給出了微孔陶瓷滲灌和地下滴灌條件下濕潤(rùn)體截面積與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系，2種灌溉方式下濕潤(rùn)體截面積S和時(shí)間t均符合冪函數(shù)關(guān)系，即S=atb，決定系數(shù)R2均達(dá)到0.98以上，擬合效果較好。由擬合公式可以看出，隨著灌溉時(shí)間的增加，2種灌溉方式下S均是增大的。微孔陶瓷滲灌下S變化較為緩慢，地下滴灌下S變化較快。隨著灌溉的進(jìn)行，S的變化越來越小。微孔陶瓷滲灌屬于連續(xù)灌溉，灌溉過程中，濕潤(rùn)體截面積變化會(huì)越來越小，而后基本維持不變；在蒸發(fā)、作物消耗等因素的作用下，灌水器可以實(shí)時(shí)補(bǔ)充土壤中的水分，因此濕潤(rùn)體截面積的變化較小。對(duì)于地下滴灌而言，灌溉過程中，濕潤(rùn)體截面積會(huì)一直增大，直至灌溉停止后土壤水分再分布達(dá)到最大值；而后由于蒸發(fā)、作物消耗的影響，濕潤(rùn)體內(nèi)含水率逐漸降低，濕潤(rùn)體截面積減?。辉俅喂喔葧r(shí)則會(huì)重復(fù)以上過程，以此往復(fù)循環(huán)。2種灌溉方式下濕潤(rùn)體形狀和截面積變化規(guī)律的不同也直接表明了兩者灌溉機(jī)理的不同，微孔陶瓷滲灌采用的是無壓連續(xù)灌溉，而地下滴灌采用的則是恒壓間歇灌溉。

2.4 土壤含水率變化

圖5 微孔陶瓷滲灌與地下滴灌條件下不同位置土壤含水率隨時(shí)間的變化曲線Fig.5 Changing curves of soil water contents with time for porous ceramic infiltration irrigation and subsurface drip irrigation

圖5為微孔陶瓷滲灌與地下滴灌2種灌溉方式下埋深為28.5 cm處探頭測(cè)得的不同水平位置處土壤含水率隨時(shí)間的變化過程。由圖5可以看出，開始灌溉后，微孔陶瓷滲灌和地下滴灌周圍的土壤含水率都迅速增加。微孔陶瓷滲灌周圍土壤含水率在500 min左右接近飽和含水率，但地下滴灌則僅需130 min左右。微孔陶瓷滲灌灌溉時(shí)為連續(xù)灌溉方式，灌水器周圍濕潤(rùn)體內(nèi)的含水率在達(dá)到某一定值后會(huì)維持不變。對(duì)于地下滴灌，在820 min停止灌溉后，土壤水分有一個(gè)再分布的過程，濕潤(rùn)體內(nèi)的土壤含水率降低，土壤水分繼續(xù)向外擴(kuò)散，濕潤(rùn)體擴(kuò)大。由圖還可以看出，微孔陶瓷滲灌灌溉開始灌溉時(shí)，土壤水分的變化速率要明顯小于地下滴灌，這是由于滴灌帶的流量較微孔陶瓷灌水器大，因此使得土壤含水率快速增加。灌溉500 min后，距離滴灌帶30 cm范圍內(nèi)的土壤含水率均已經(jīng)高于田間持水率，地下滴灌周圍土壤含水率均已經(jīng)達(dá)到飽和含水率，產(chǎn)生積水。灌溉停止后，地下滴灌濕潤(rùn)體范圍內(nèi)的土壤水分又重新分布，使得作物生長(zhǎng)的水分環(huán)境處于干濕交替的循環(huán)變化狀態(tài)[32]。2種灌溉方式下均是在灌水器或地下滴灌周圍形成一個(gè)土壤水庫，微孔陶瓷滲灌周圍的土壤水庫庫容較小，但由于其是連續(xù)灌溉，具有實(shí)時(shí)的補(bǔ)給，因此庫容可以一直維持不變，為作物提供實(shí)時(shí)的水分供給；而地下滴灌周圍的土壤水庫庫容較大，但在一次補(bǔ)給之后則一直處于消耗狀態(tài)，直至消耗至下次灌溉補(bǔ)給之前，因此其庫容一直處于變動(dòng)狀態(tài)。由此微孔陶瓷滲灌與地下滴灌條件下土壤水分變化的區(qū)別在于，微孔陶瓷滲灌為作物提供了一個(gè)恒定的水分環(huán)境，而地下滴灌則處于干濕交替的循環(huán)變化狀態(tài)。

連續(xù)灌溉時(shí)，微孔陶瓷滲灌周圍會(huì)形成高含水率區(qū)，灌水器的流量接近于零，土壤含水率的變化較小。根據(jù)前人研究發(fā)現(xiàn)，作物生育期內(nèi)如果土壤含水率可以維持在某恒定范圍內(nèi)，則有利于作物根系的分布和生長(zhǎng)[33-34]。TILIB等[35]研究得出灌溉間隔為5 d較10 d和15 d小麥產(chǎn)量有顯著提高，這是因?yàn)榉€(wěn)定的水分環(huán)境有助于減少水分脅迫，同時(shí)維持表層土壤濕潤(rùn)有助于根系在表層的分布和吸收養(yǎng)分。因此使用微孔陶瓷滲灌進(jìn)行灌溉可以為作物提供一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的土壤水分環(huán)境，同時(shí)在其濕潤(rùn)體范圍內(nèi)含水率大多處于田間持水率附近，有助于作物根系在土壤表層生長(zhǎng)和分布，有利于提高作物產(chǎn)量和水分利用效率。

3 結(jié)論

(1)微孔陶瓷滲灌和地下滴灌的累計(jì)入滲量隨灌溉時(shí)間不斷增加，相同入滲時(shí)間下，微孔陶瓷滲灌的累計(jì)入滲量明顯小于地下滴灌。微孔陶瓷滲灌的流量隨時(shí)間逐漸減小，有減小為零的趨勢(shì)；而地下滴灌的流量則較為穩(wěn)定。這是因?yàn)槲⒖滋沾蓾B灌采用的是無壓灌溉，主要利用土壤基質(zhì)勢(shì)出流；而地下滴灌則是被動(dòng)恒壓灌溉，出流受土壤水勢(shì)影響較小。

(2)相同灌溉時(shí)間下微孔陶瓷滲灌的濕潤(rùn)體水平濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離、垂直向上濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離和垂直向下濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離均小于地下滴灌。微孔陶瓷滲灌與地下滴灌灌溉條件下濕潤(rùn)體形狀均為橢圓形。濕潤(rùn)體截面積隨時(shí)間增加而增加，但是微孔陶瓷滲灌濕潤(rùn)體截面積的變化速率顯著小于地下滴灌。

(3)開始灌溉后，微孔陶瓷滲灌和地下滴灌周圍的土壤含水率均迅速增加。灌溉過程中，微孔陶瓷滲灌濕潤(rùn)體范圍內(nèi)土壤含水率變化較小，而地下滴灌的土壤含水率則會(huì)一直增大，停止灌溉后由于土壤水分再分布而減小。微孔陶瓷滲灌為作物提供了一個(gè)恒定的水分環(huán)境，而地下滴灌則處于干濕交替的循環(huán)變化狀態(tài)。

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Comparison of Characteristics of Soil Moisture Transfer for Porous Ceramic Infiltration Irrigation and Subsurface Drip Irrigation

CAI Yaohui1WU Pute1,2ZHANG Lin2ZHU Delan1,2REN Gaiping1,3CHEN Junying1

(1.CollegeofWaterResourcesandArchitectureEngineering,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China2.InstituteofWaterSavingAgricultureinAridAreasofChina,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China3.LuonanWaterAffairsBureau,Shangluo726100,China)

Aiming to have insights into characteristics of soil moisture transfer of porous ceramic infiltration irrigation, soil moisture transfer experiment was conducted by using porous ceramic emitter, of which the working head was 0 m, meanwhile, subsurface drip irrigation tape with working head of 10 m was used to carry out a control test. The comparisons of cumulative infiltration, emitter discharge, wetting soil characteristic and change of soil water content of two different irrigation methods were made. The results indicated that when the irrigation time was the same, the cumulative infiltration, wetting front and wetting zone sectional area of porous ceramic infiltration irrigation were less than those of subsurface drip irrigation. The discharge of porous ceramic infiltration irrigation was decreased gradually with the increase of time, which was closed to 0 L/h at last, in contrast, the discharge of subsurface drip irrigation was relatively stable. In the late experimental period, soil water contents in the wetting zone of porous ceramic infiltration irrigation were changed slightly. While water contents of subsurface irrigation were increased continuously, and then they got decreased after stopping irrigation because of soil water redistribution. Because porous ceramic infiltration irrigation was a continuous irrigation method, thus it could provide a constant soil moisture environment for crops. But subsurface drip irrigation was a passive and intermittent irrigation method, and soil moisture environment for crops was alternate drying-wetting. The present study provided valuable information for the popularization and application of porous ceramic infiltration irrigation.

porous ceramic; infiltration irrigation; subsurface drip irrigation; soil moisture transfer; soil water content

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.04.031

2016-08-05

2016-09-01

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BAD22B01-02)、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51409221)、西北農(nóng)林科技大學(xué)基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2014YB061)和石河子大學(xué)高層次人才科研啟動(dòng)資金專項(xiàng)(RCZX201434)

蔡耀輝(1991—)，男，博士生，主要從事節(jié)水灌溉技術(shù)研究，E-mail： yaohui_cai@163.com

吳普特(1963—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事水資源高效利用研究，E-mail： gjzwpt@vip.sina.com

S275.6

A

1000-1298(2017)04-0242-08