賈洪濤, 張鵬飛, 代智光
(1. 黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南 開(kāi)封 475000;2. 南昌工程學(xué)院,江西 南昌 330099)
紅壤是我國(guó)南方分布最廣的地帶性土壤之一,合理和科學(xué)利用紅壤資源,對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[1]。目前,我國(guó)紅壤地區(qū)仍以地面灌為主,不僅水分利用效率低下,而且加劇了當(dāng)?shù)厮亮魇У娘L(fēng)險(xiǎn),因此,要保證紅壤地區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,必須發(fā)展節(jié)水灌溉。地下滴灌(Subsurface Drip Irrigation,簡(jiǎn)稱(chēng)SDI)是在滴灌基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的一種高效節(jié)水技術(shù),它通過(guò)地埋式滴灌帶上的滴頭將水或肥液直接輸送到作物根區(qū),實(shí)現(xiàn)了地下局部灌溉。與其他灌水技術(shù)相比,地下滴灌可以有效降低地表蒸發(fā)和深層滲漏,且在一定程度上能抑制雜草生長(zhǎng),同時(shí)由于滴灌管埋于地下,無(wú)需占用耕地,提高了土地的使用率,具有廣闊的應(yīng)用前景[2,3]。
土壤水分入滲主要受土壤容重、土壤機(jī)械組成以及土壤初始含水量等因素的影響,而土壤容重的影響尤為顯著[4-6]。土壤容重作為土壤的一個(gè)基本物理指標(biāo),對(duì)土壤的透氣性、入滲特性、溶質(zhì)遷移特性以及抗侵蝕能力都有很大的影響[7-9]。相關(guān)學(xué)者關(guān)于土壤容重對(duì)水分入滲能力影響進(jìn)行了大量研究,裴青寶和曾健等[10,11]分別研究了地表滴灌條件下容重對(duì)紅壤水分入滲的影響,結(jié)果表明,容重對(duì)土壤水分水平和垂直入滲特性均有顯著影響;李卓等[12]通過(guò)人工配制不同典型土壤,研究了容重對(duì)積水入滲土壤水分入滲能力的影響,結(jié)果表明土壤初始入滲能力隨容重的增大而遞減,而入滲能力的衰減速度隨容重增大而遞增;劉小剛等[13]研究了不同容重條件下微潤(rùn)灌溉濕潤(rùn)體內(nèi)水分的分布特性,結(jié)果表明,容重對(duì)微潤(rùn)灌溉土壤濕潤(rùn)體內(nèi)含水率的影響達(dá)到顯著水平。
目前關(guān)于紅壤水分入滲能力的研究報(bào)道還很少,僅是針對(duì)地表滴灌水分入滲開(kāi)展了初步研究,而關(guān)于容重對(duì)紅壤條件下地下滴灌水分入滲能力影響的研究還未見(jiàn)報(bào)道?;诖?,以具有典型的江西紅壤為例,通過(guò)室內(nèi)入滲試驗(yàn),研究容重對(duì)土壤水分入滲能力的影響,確定容重與水分入滲能力的定量關(guān)系,以期為地下滴灌技術(shù)在紅壤地區(qū)的推廣應(yīng)用提供理論參考。
試驗(yàn)于2018年3-4月在南昌工程學(xué)院灌溉排水實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,供試土壤取自江西省進(jìn)賢縣田間表層0~50 cm深度,土壤經(jīng)自然風(fēng)干后過(guò)2 mm篩。土壤顆粒組成用激光粒度分析儀(MS2000型)測(cè)定,粒徑為0 mm 試驗(yàn)裝置由馬氏瓶、土箱、輸水管和微管組成(圖1)。馬氏瓶用于提供恒定水頭,其內(nèi)徑為14 cm,高為100 cm,通過(guò)調(diào)整出口開(kāi)關(guān)來(lái)控制出流流量;土箱材質(zhì)為有機(jī)玻璃,尺寸為50 cm×50 cm×100 cm(長(zhǎng)×寬×高),并在土箱上口邊角向下20 cm處開(kāi)一直徑為3.10 mm的圓孔;輸水管為一內(nèi)徑為3 mm的乳膠管;微管外徑為3 mm,一端表面涂抹502膠水塞入土箱孔內(nèi)并用紗布封口以避免土壤顆粒堵塞微管,模擬地下滴灌的滴頭,另一端用橡皮筋與輸水管連接。試驗(yàn)裝置示意見(jiàn)圖1。 圖1 試驗(yàn)裝置示意圖 試驗(yàn)土壤初始含水量為7.60%,設(shè)定初始流量為1.50 L/h,灌水時(shí)間為240 min。土壤容重設(shè)置5個(gè)水平,分別為1.25、1.30、1.35、1.40、1.45 g/cm3。將試驗(yàn)土壤按容重分層(5 cm)裝入土箱,層間打毛,自然沉降24 h后開(kāi)始試驗(yàn),按照先密后疏的原則觀(guān)測(cè)馬氏瓶讀數(shù),同時(shí)以滴頭位置為起點(diǎn),用直尺測(cè)量濕潤(rùn)鋒在水平、豎直向上和豎直向下方向的運(yùn)移距離,試驗(yàn)結(jié)束后,用塑料薄膜覆蓋以防止水分蒸發(fā)。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)、重分布1 d和3 d,在距離滴頭水平距離5 cm處使用土鉆取土,每隔10 cm取一次樣,取土深度為100 cm,采用烘干法測(cè)定土壤含水率。每組試驗(yàn)重復(fù)3次,取其平均值進(jìn)行分析。 圖2為不同土壤容重條件下各向濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移距離隨時(shí)間的變化。在同一容重條件下,濕潤(rùn)鋒均隨著時(shí)間的推移而逐漸增大,但增大速度逐漸變慢,且濕潤(rùn)鋒在各方向上的運(yùn)移距離存在差別,在灌水結(jié)束時(shí),水平方向濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移距離最大,其次為豎直向下方向,而豎直向上方向濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移距離最小。當(dāng)入滲時(shí)間相同時(shí),濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離在不同容重間存在顯著差異,隨著土壤容重的逐漸增大,濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移距離均表現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì),在水平方向,容重為1.25 g/cm3時(shí),濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離為28.7 cm,而容重為1.45 g/cm3時(shí),濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離僅為22.6 cm,下降了22.60%;在豎直向下方向,容重為1.25 g/cm3時(shí),濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離最大,為26.2 cm,與其他容重相比,分別增大了2.34%、4.38%、9.17%和11.49%;在豎直向上方向,當(dāng)容重為1.25和1.30 g/cm3時(shí),濕潤(rùn)鋒到達(dá)了土箱表面,而容重為1.35、1.40和1.45 g/cm3時(shí),濕潤(rùn)鋒至土箱表面的距離分別為0.7、1.0和1.2 cm。這是由于土壤容重較小時(shí),土壤內(nèi)部大孔隙較多,土壤連通性好,土壤的導(dǎo)水率也較高,因此土壤水分的運(yùn)移距離也較大,而隨著土壤容重的增大,土壤內(nèi)部大孔隙的數(shù)量急劇減小,土壤內(nèi)部連通性變差,且封閉氣體進(jìn)一步阻礙了土壤水分的運(yùn)動(dòng),因此濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離也逐漸減小。 經(jīng)分析,在地下滴灌條件下,各向濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移距離與入滲歷時(shí)均符合冪函數(shù)的關(guān)系,即: Z=Atb (1) 圖2 剖面各向濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離隨時(shí)間變化 式中:Z為濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離,cm;t為入滲歷時(shí),min;A、b為入滲參數(shù)。 擬合結(jié)果表明,濕潤(rùn)鋒在水平、豎直向上和豎直向下方向的運(yùn)移距離與入滲歷時(shí)擬合公式的決定系數(shù)均大于了0.927,且大于其臨界決定系數(shù)(R0.01=0.605 5)(表1),這說(shuō)明擬合公式的精度滿(mǎn)足要求,即在地下滴灌條件下,各向濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移距離與入滲歷時(shí)均呈冪函數(shù)正相關(guān)的關(guān)系。由表1可知,隨著土壤容重的增大,入滲參數(shù)A表現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì),而入滲參數(shù)b的差別不大。 表1 剖面濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離擬合 注:Zl、Zu、Zd分別為濕潤(rùn)鋒在水平、豎直向上和豎直向下方向的運(yùn)移距離,cm;t為入滲歷時(shí),min。 為進(jìn)一步分析土壤容重對(duì)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移的影響,對(duì)入滲參數(shù)A和土壤容重γ的關(guān)系進(jìn)行擬合。由圖3可知,濕潤(rùn)鋒入滲參數(shù)A與土壤容重γ符合冪函數(shù)負(fù)相關(guān)的關(guān)系(R0.01=0.958 7),且在水平方向,濕潤(rùn)鋒入滲參數(shù)A始終最大。 圖3 各向濕潤(rùn)鋒入滲參數(shù)A與土壤容重關(guān)系 由圖4可知,在相同容重條件下,通過(guò)對(duì)累計(jì)入滲量與入滲歷時(shí)的擬合結(jié)果表明,累計(jì)入滲量與入滲歷時(shí)均呈線(xiàn)性正相關(guān)關(guān)系,其決定系數(shù)均在0.99以上,當(dāng)容重分別為1.25、1.30、1.35、1.40和1.45 g/cm3時(shí),對(duì)應(yīng)擬合線(xiàn)的斜率分別為0.022 6、0.021 4、0.020 8、0.020 4和0.020 2,這說(shuō)明隨著容重的增大,土壤入滲量的增長(zhǎng)幅度逐漸減小。在試驗(yàn)結(jié)束時(shí),當(dāng)容重為1.25 g/cm3對(duì)應(yīng)累計(jì)入滲量最大,為5.46 L,1.30、1.35、1.40和1.45 g/cm3處理與之相比,分別下降了3.91%、7.73%、8.98%和10.39%。對(duì)于同一容重而言,隨著時(shí)間的推移,入滲率在開(kāi)始階段迅速下降,最后逐漸趨于穩(wěn)定入滲率;土壤入滲率在不同容重間的差異顯著,其中容重為1.25 g/cm3時(shí),土壤水分入滲率始終最大,且在140 min時(shí)土壤水分入滲才達(dá)到穩(wěn)定,穩(wěn)滲率為0.023 6 cm/min,而容重為1.45 g/cm3時(shí),在入滲30 min時(shí),土壤水分入滲就基本穩(wěn)定,穩(wěn)滲率僅為0.018 7 cm/min,相比最大值,下降幅度達(dá)26.20%。 圖4 不同容重土壤累計(jì)入滲量及入滲率隨時(shí)間變化 為進(jìn)一步分析累計(jì)入滲量和穩(wěn)滲率與容重的關(guān)系,本文對(duì)土壤累計(jì)入滲量以及穩(wěn)滲率與土壤容重關(guān)系進(jìn)行了擬合(圖5)。結(jié)果表明,累計(jì)入滲量及穩(wěn)滲率與土壤容重均符合冪函數(shù)負(fù)相關(guān)的關(guān)系(R0.01=0.958 7),這說(shuō)明,當(dāng)土壤容重較小時(shí),累計(jì)入滲量及穩(wěn)滲率受容重的影響很大,但隨著容重的增大,容重對(duì)累計(jì)入滲量及穩(wěn)滲率的影響逐漸變小。 圖5 土壤累計(jì)入滲量及穩(wěn)定入滲率與土壤容重關(guān)系 圖6 不同土壤容重下各土層含水量分布 在生產(chǎn)實(shí)踐中,一般認(rèn)為灌水后2~3 d后土壤水分基本趨于穩(wěn)定,因此,有必要對(duì)土壤水分重分布的過(guò)程進(jìn)行研究。圖6表明,在灌水結(jié)束以及重分布1 d和3 d,不同容重對(duì)應(yīng)土壤含水率在土層中的分布基本一致。對(duì)于同一容重而言,在灌水結(jié)束時(shí),土壤含水率在0~100 cm深度范圍內(nèi)差別較大,其中20 cm土層對(duì)應(yīng)土壤含水率均最高,容重為1.25、1.30、1.35、1.40和1.45 g/cm3對(duì)應(yīng)最高含水量分別為43.5%、41.8%、40.5%、39.4%和38.7%。隨著時(shí)間的延長(zhǎng),土壤含水率在土層內(nèi)分布逐漸均勻,重分布1 d時(shí),在重力勢(shì)的作用下,土壤水分之間下滲,其中容重為1.25、1.30和1.35 g/cm3對(duì)應(yīng)土壤水分均逐漸降至70 cm深度以下,此時(shí),土壤水分最大值仍出現(xiàn)在20 cm深度,但其值有所下降,容重為1.25、1.30、1.35、1.40和1.45 g/cm3對(duì)應(yīng)土壤含水率分別為36.4%、34.6%、33.7%、32.8%和32.1%,相比灌水結(jié)束時(shí),分別下降了19.51%、20.81%、20.18%、20.12%和20.56%。在重分布3 d時(shí),所有容重對(duì)應(yīng)土壤水分均下降至80 cm以下,此時(shí),土層含水率的最大值也出現(xiàn)在30 cm深度,容重為1.25、1.30、1.35、1.40和1.45 g/cm3對(duì)應(yīng)土壤含水率分別為27.8%、26.8%、26.2%、25.2%和24.7%。這是由于水分向土壤深層運(yùn)動(dòng)造成的。對(duì)于同一深度土層而言,灌水后不同時(shí)刻土壤含水率均隨著土壤容重的增大而逐漸減小,這是由于隨著土壤容重的增大,土壤中的空隙含量逐漸較小,因此土壤的持水能力也逐漸減弱。 基于土壤水分入滲的基本理論-達(dá)西定律,國(guó)內(nèi)外學(xué)者相繼提出了Kostiakov模型、Green-Ampt模型、Horton模型以及Philip模型等一系列模型,其中Kostiakov模型由于公式簡(jiǎn)單精確,在生產(chǎn)實(shí)踐中得到了大量應(yīng)用[14,15],其公式如下: f(k)=Kt-α+A (3) 式中:f(t)為入滲率,cm/min;t為累計(jì)入滲時(shí)間,min;A為穩(wěn)定入滲率,cm/min;K和α為模型參數(shù),其中K值與土壤初始入滲速率密切相關(guān),其值越大,土壤初始入滲速率也越大,而α大小則反映了土壤入滲速率的衰減速率,α值越大,土壤水分入滲速率的衰減速度越快。 通過(guò)對(duì)土壤水分入滲率與時(shí)間的擬合結(jié)果來(lái)看,決定系數(shù)R2均在0.80以上,大于臨界決定系數(shù)(R0.01=0.605 5),這說(shuō)明用Kostiakov模型來(lái)模擬土壤水分的入滲過(guò)程是合理的。由表2可知,當(dāng)土壤容重從1.25 g/cm3增大至1.45 g/cm3時(shí),模型參數(shù)K值從0.554減小至0.348,而參數(shù)α則從0.435增大至0.661,這說(shuō)明隨著容重的增大,土壤水分初始入滲率逐漸減小,而其衰減速率則隨著容重的增大逐漸加快。 表2 Kostiakov模型擬合 注:f(t)為入滲率,cm/min。 通過(guò)對(duì)模型參數(shù)K和α與容重的擬合結(jié)果來(lái)看,其決定系數(shù)均大于臨界決定系數(shù)(R0.01=0.958 7),這說(shuō)明模型參數(shù)K與土壤容重呈冪函數(shù)負(fù)相關(guān)的關(guān)系,而模型參數(shù)α與土壤容重則表現(xiàn)為對(duì)數(shù)正相關(guān)的關(guān)系(圖7)。隨著容重的增大,土壤中大孔隙的數(shù)量急劇減小,因此土壤的初始入滲能力也逐漸降低,且隨著容重的增大,土壤內(nèi)部氣體排出逐漸困難,且土壤的連通性逐漸變差,導(dǎo)致土壤的導(dǎo)水能力急劇下降,因此入滲率也迅速衰減,此時(shí)在模型上也就表現(xiàn)出隨著容重的增大,模型參數(shù)K值逐漸減小,而參數(shù)α值則逐漸增大。 圖7 土壤容重與Kostiakov入滲模型參數(shù)關(guān)系 (1)紅壤區(qū)容重對(duì)土壤入滲能力有顯著影響,容重越大,土壤濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離、累計(jì)入滲量以及入滲率均越小,各向濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移距離與入滲歷時(shí)呈冪函數(shù)正相關(guān)的關(guān)系,而累計(jì)入滲量和穩(wěn)滲率與容重均呈冪函數(shù)負(fù)相關(guān)的關(guān)系。 (2)在不同容重條件下,土壤含水率的剖面分布基本一致,其中灌水結(jié)束時(shí)和重分布1d時(shí),20cm深度對(duì)應(yīng)土壤含水率最大,而在重分布3d時(shí),30cm深度對(duì)應(yīng)土壤含水率最大,且在同一深度范圍內(nèi),隨著容重的逐漸增大,灌水后不同時(shí)刻含水率均逐漸減小。 (3)紅壤區(qū)地下滴灌土壤水分入滲過(guò)程符合Kostiakov模型,模型參數(shù)K與容重呈冪函數(shù)負(fù)相關(guān)的關(guān)系,而模型參數(shù)α與土壤容重呈對(duì)數(shù)正相關(guān)的關(guān)系,這說(shuō)明土壤初始階段的入滲率隨著容重的增大而降低,而入滲率的衰減速度隨著容重的增大而逐漸加快。1.2 試驗(yàn)裝置
1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與觀(guān)測(cè)內(nèi)容
2 結(jié)果與分析
2.1 土壤容重對(duì)剖面濕潤(rùn)鋒運(yùn)移特性的影響
2.2 土壤容重對(duì)累計(jì)入滲量及入滲率的影響
2.3 容重對(duì)土壤剖面含水率分布的影響
2.4 土壤容重對(duì)入滲模型參數(shù)的影響
3 結(jié) 論