包 城，秦子程，高福祥，劉 杰，洪 明

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052)

0 引 言

滴灌作為當(dāng)前世界上最節(jié)水的灌溉技術(shù)之一，在我國干旱及半干旱地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用[1,2]。滴灌屬于局部灌溉，土壤濕潤體的形狀、大小和內(nèi)部水分分布直接影響著灌溉水利用效率和作物的根系分布，開展滴灌條件下土壤入滲及其影響因素的研究，對于指導(dǎo)滴灌系統(tǒng)的正確設(shè)計(jì)和科學(xué)運(yùn)行管理具有重要意義[3]。國內(nèi)外學(xué)者已對滴灌條件下土壤入滲特性開展了大量研究，形成了原位入滲試驗(yàn)[4]、室內(nèi)入滲試驗(yàn)[3,5,6]及數(shù)學(xué)模擬[7-11]3種較為成熟的研究方法，為后續(xù)研究的開展提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。新疆和田地區(qū)近年來將發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)作為當(dāng)?shù)厝罕娒撠毜闹匾胧┲?，截?018年底各類設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展面積已達(dá)1 873.14 hm2。由于新建設(shè)的大棚多位于沙漠邊緣，大棚內(nèi)耕作層土壤主要為風(fēng)沙土。目前對常規(guī)土壤的入滲及水分運(yùn)動特性研究成果較多，但有關(guān)和田風(fēng)沙土在滴灌條件下水分入滲的研究卻鮮有報(bào)道，由于缺乏對和田風(fēng)沙土滴灌條件下水分入滲規(guī)律的研究，導(dǎo)致了灌溉管理粗放、水肥利用效率低、高投入低產(chǎn)出的問題突出，因此極有必要針對廣泛分布于和田地區(qū)的風(fēng)沙土開展水分入滲規(guī)律研究。本研究通過室內(nèi)入滲試驗(yàn)，分析滴頭流量、土壤初始含水率及土壤容重對滴灌單點(diǎn)源入滲的影響，以期為滴灌技術(shù)在該地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)的推廣應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

本試驗(yàn)于2019年2-5月在新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)水利工程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)用土取自和田市和田縣經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)和諧新村溫室大棚內(nèi)，該土壤質(zhì)地組成以細(xì)沙以上沙粒為主，結(jié)構(gòu)松散、孔隙度大，土壤剖面的層次分化不明顯[12]，平均干容重1.58 g/cm3，飽和體積含水率和田間持水率分別為37.5%和20%。土壤的顆粒組成見表1。

表1 項(xiàng)目區(qū)土壤機(jī)械組成Tab.1 Soil mechanical composition in the project area

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置由供水裝置、試驗(yàn)土槽和滴頭3部分組成(見圖1)。供水裝置采用自制的可調(diào)節(jié)高度的馬氏瓶和連接滴頭用的乳膠管組成，采用壓力補(bǔ)償式滴頭供水，通過乳膠管和馬氏瓶連接。試驗(yàn)用土槽的長寬高分別為100、3和120 cm，將風(fēng)沙土過2 mm篩子后裝入土槽進(jìn)行入滲試驗(yàn)。

圖1 土壤入滲實(shí)驗(yàn)裝置 Fig.1 Soil infiltration experimental setup注：1-馬氏瓶；2-實(shí)驗(yàn)土槽；3-滴頭；4-橡膠導(dǎo)管；5-閥門；6-馬氏刻度瓶

1.3 試驗(yàn)方案

根據(jù)已有的研究結(jié)果[3-6]，本文的研究重點(diǎn)考慮了滴頭流量、土壤干容重和初始含水率3個因素。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶多采用滴頭流量3.2 L/h的滴灌帶供水，加之近年來新疆廣泛推廣低壓小流量滴灌技術(shù)，因此滴頭流量選擇0.8、3.2 L/h 2個水平。在作物定植后但未灌水前，土壤結(jié)構(gòu)通常較為松散，土壤容重相對較小，經(jīng)過一段時(shí)間的灌溉后，沙土在重力作用下自然坐實(shí)，容重變大。因此本次試驗(yàn)土壤容重設(shè)置1.45、1.55 g/cm32個水平，分別模擬剛定植后和生育后期2種狀態(tài)下的土壤干容重。容重1.45和1.55 g/cm3的供試土壤的飽和含水率(體積含水率)分別為35.02%和36.17%。土壤初始含水率的選擇同時(shí)考慮到生產(chǎn)實(shí)際和試驗(yàn)觀測效果2個方面，設(shè)置2%和4%(質(zhì)量含水率)2個水平。試驗(yàn)采用完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，共設(shè)8個處理，各處理的具體內(nèi)容見表2。每個處理設(shè)置3個重復(fù)，取平均值進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.2 Experimental design

1.4 試驗(yàn)方法

(1)配土。根據(jù)土壤含水率及容重的定義，先估算每次試驗(yàn)的實(shí)際用土重量。測定過篩后土壤的初始含水率，根據(jù)設(shè)計(jì)容重和初始含水率要求，計(jì)算需要加入的水量，然后將水和土充分?jǐn)嚢杈鶆?，裝入塑料桶同時(shí)加蓋塑料膜防止水分蒸發(fā)。

(2)裝土。將土壤放置陰涼處10 h后，按設(shè)計(jì)的土壤容重將土壤分層裝入土槽，層間打毛，事后再進(jìn)行下一次填土，直至達(dá)到設(shè)計(jì)高度。

(3)滴頭流量的調(diào)節(jié)。試驗(yàn)開始前通過調(diào)整馬氏瓶的高度，測定不同高度滴頭的流量，調(diào)節(jié)出滿足設(shè)計(jì)要求的滴頭流量后關(guān)閉馬氏瓶的出水管閥門，記錄馬氏瓶的初始讀數(shù)并將滴頭固定到土槽上口的中間，準(zhǔn)備開始試驗(yàn)。

(4)入滲試驗(yàn)。試驗(yàn)開始后，打開馬氏瓶的出水管閥門，在設(shè)計(jì)的時(shí)間點(diǎn)用記號筆在土槽側(cè)面勾繪濕潤鋒，同時(shí)記錄馬氏瓶的度數(shù)，直至試驗(yàn)結(jié)束。

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的初步分析采用excel 2013，繪圖采用origin 9.1進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 濕潤鋒運(yùn)移距離隨灌水時(shí)間的變化規(guī)律

量化濕潤鋒發(fā)展與時(shí)間的關(guān)系，可為滴灌工程設(shè)計(jì)與技術(shù)推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。由于各處理的濕潤鋒與入滲時(shí)間的關(guān)系類似，故僅以T3處理為代表進(jìn)行分析。圖2是T3處理濕潤鋒運(yùn)移距離與滴灌時(shí)間的關(guān)系曲線。由圖2可以發(fā)現(xiàn)，風(fēng)沙土條件下水平及垂直濕潤鋒的運(yùn)移距離與灌水時(shí)間的關(guān)系均呈現(xiàn)出較好的冪函數(shù)的關(guān)系，趨勢基本一致，相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.98以上。

圖2 濕潤鋒與入滲時(shí)間的關(guān)系Fig.2 Relationship between wetting front and infiltration time

已有的文獻(xiàn)表明，冪函數(shù)曲線能較好地?cái)M合滴灌條件下入滲時(shí)間與濕潤鋒發(fā)展的關(guān)系[13-16]，該函數(shù)關(guān)系可以表示如下：

y=atb

(1)

式中：y為濕潤鋒入滲距離；t為累計(jì)入滲時(shí)間；a，b為擬合參數(shù)。

試驗(yàn)各處理的濕潤鋒與入滲時(shí)間的函數(shù)關(guān)系的擬合參數(shù)見表3。

表3 不同處理下濕潤鋒與時(shí)間回歸關(guān)系Tab.3 Relationship between moist front and time regression under different treatments

2.2 滴頭流量對濕潤鋒的影響

圖3為初始含水率2%、土壤干容重1.45 g/cm3條件下，不同滴頭流量時(shí)濕潤鋒運(yùn)移距離與時(shí)間的關(guān)系曲線。從圖3可見，水平擴(kuò)散距離和入滲深度均隨時(shí)間增大而增大，當(dāng)入滲時(shí)間相同時(shí)，滴頭流量對濕潤鋒運(yùn)移有著較為明顯的影響，流量越大，水平擴(kuò)散距離和入滲深度越大。分析認(rèn)為，增大滴頭流量相當(dāng)于增加單位時(shí)間供水量，大滴頭流量入滲點(diǎn)周圍土壤含水率迅速達(dá)到飽和，水分入滲從非飽和入滲迅速過渡為飽和入滲，對于大流量滴頭，往往由于滴頭流量大于土壤的入滲能力，形成一定的水頭，從而加大了垂直入滲距離。隨著滴頭流量的增大，土壤入滲能力小于供水強(qiáng)度，加劇了水分向水平方向擴(kuò)散，從而增大水平擴(kuò)散距離。

圖3 不同滴頭流量下風(fēng)沙土濕潤鋒隨入滲時(shí)間的變化過程Fig.3 Variation of wetting front of sandy soil with infiltration time under different drip flow

由于在進(jìn)行滴灌設(shè)計(jì)時(shí)，通常依據(jù)作物種類確定計(jì)劃濕潤層深度，根據(jù)土壤質(zhì)地確定計(jì)劃濕潤層深度內(nèi)最大的持水能力。一旦確定了作物種類及土壤質(zhì)地，一次的灌水量是相對固定的。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中人們更關(guān)心灌水量一定的情況下，滴頭流量對濕潤鋒發(fā)展有何影響[3]。圖4為初始含水率2%、土壤干容重1.45 g/cm3條件下，不同滴頭流量時(shí)濕潤鋒運(yùn)移距離隨入滲水量的變化曲線。從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，流量為0.8和3.2 L/h的滴頭在等入滲水量時(shí)所對應(yīng)的水平濕潤鋒曲線大致接近，而垂直濕潤鋒則隨著入滲水量的增加，2者的差值呈增大趨勢。結(jié)果表明，入滲水量相同時(shí)，滴頭流量對水平入滲影響不大，但滴頭流量對垂直入滲影響較大，且這種影響隨著入滲時(shí)間的延長而加大。在實(shí)際生產(chǎn)中，若計(jì)劃濕潤層深度確定，在既定的灌水定額下，應(yīng)該采用大滴頭流量的滴灌帶，從而減少灌溉水的深層滲漏。

圖4 不同滴頭流量下風(fēng)沙土濕潤鋒隨入滲水量的變化過程Fig.4 Variation of the moisture front of the sandy soil under different drip flow with the water seepage

2.3 土壤容重對濕潤鋒的影響

圖5為初始含水率4%、滴頭流0.8 L/h條件下，不同土壤干容重時(shí)濕潤鋒運(yùn)移距離隨累積入滲水量的變化曲線。從圖5中可見，當(dāng)入滲水量相同時(shí)，大容重土壤水平擴(kuò)散距離大于小容重土壤，而垂直入滲距離則小于小容重土壤。當(dāng)累計(jì)入滲水量為2.4 L時(shí)，1.45 g/cm3和1.55 g/cm3土壤容重所對應(yīng)的水平與垂直入滲距離分別為 22、78 cm和26、73 cm，容重為 1.45 g/cm3的土壤水平入滲距離較容重 1.55 g/cm3的減少了 15.4%。在垂直方向上容重 1.45 g/cm3土壤的入滲深度則高出1.55 g/cm3土壤容重處理的6.8%。

圖5 不同土壤容重下風(fēng)沙土濕潤鋒隨入滲水量的變化過程Fig.5 Variation of moist front of windy sand with seepage under different soil bulk density

2.4 初始含水率對濕潤鋒的影響

圖6為滴頭流量0.8 L/h、土壤干容重1.45 g/cm3條件下，不同初始含水率時(shí)濕潤鋒隨累積入滲水量的變化曲線。從圖6中可知，2種不同初始含水率的濕潤鋒均隨入滲水量的增加而增大，且在等入滲水量時(shí)，大初始含水率的濕潤鋒運(yùn)移距離稍高于小初始含水率。當(dāng)入滲水量為2.4 L時(shí)，大、小初始含水率所對應(yīng)的水平入滲距離分別為22、20.5 cm，相差1.5 cm。所對應(yīng)的垂直入滲距離分別為57、59.5 cm。2者相差2.5 cm。不同初始含水率的水平和垂直入滲距離的差異并不明顯，表明土壤初始含水率的變化對濕潤峰的運(yùn)移影響不大。

圖6 不同初始含水率時(shí)濕潤峰隨入滲水量的變化過程Fig.6 Variation of wetting peak with seepage at different initial moisture content

3 討 論

(1)前人研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)入滲水量相同時(shí)，滴頭流量對水平濕潤鋒擴(kuò)散的影響并不明顯，但增大滴頭流量往往會增加垂直濕潤鋒的入滲距離[5,13]。水平濕潤鋒擴(kuò)散寬度與滴頭流量的結(jié)論與本文結(jié)論一致。在垂直方向上，本試驗(yàn)結(jié)果表明在入滲水量相同時(shí)，滴頭流量的大小與入滲距離呈負(fù)相關(guān)，此結(jié)論與上述前人的結(jié)論存在較大的出入。分析認(rèn)為可能的原因是大的滴頭流量往往超過土壤的入滲能力從而形成微小的水頭，從而導(dǎo)致垂向入滲主要以重力勢和基質(zhì)勢為主要推動力，照此推斷在土壤質(zhì)地一定，土壤基質(zhì)勢相對穩(wěn)定，滴頭流量越大，重力勢也往往越大，從而入滲深度也往往越大，但如此推斷往往忽略了土壤孔隙中存在氣體對入滲的阻滯作用，根據(jù)李援農(nóng)等人[14]的研究結(jié)論，土壤中禁錮土壤空氣具有一定的減滲作用，在研究土壤的垂向入滲時(shí)除了要考慮重力及基質(zhì)吸力外，還應(yīng)該考慮土壤空氣的阻力。大的滴頭流量雖然容易形成較大的重力，但也往往容易導(dǎo)致土壤孔隙中的氣體不能及時(shí)排出而形成較大的空氣阻力，小的滴頭流量雖然不易形成微小的水層，同時(shí)也減小了土壤孔隙中禁錮土壤空氣的量，滴頭流量和土壤空氣阻力綜合導(dǎo)致了風(fēng)沙土條件下，相同入滲水量時(shí)，小滴頭流量的垂直入滲深度大于大滴頭流量的。

(2)本研究結(jié)果表明初始含水率對濕潤峰的影響并不明顯，初始含水率的增大并不能顯著增大濕潤峰寬度，與何小梅[9]關(guān)于沙壤土的研究結(jié)論也有一定出入。文獻(xiàn)[9]研究結(jié)果表明土壤水分在初始含水率較大的土壤中運(yùn)移速率相對較快，初始含水率對濕潤峰發(fā)展有一定影響。分析認(rèn)為，一方面是風(fēng)沙土特殊的土壤機(jī)械組成導(dǎo)致了上述差異。另一方面，考慮到試驗(yàn)的難度，選取的初始含水率差異并不大，雖然非飽和入滲的滲透系數(shù)與初始含水率成正相關(guān)，但試驗(yàn)選取的較小的初始含水率所對應(yīng)的滲透系數(shù)相差不大，從而導(dǎo)致2種初始含水率下濕潤峰運(yùn)移寬度差異并不明顯。本研究采用了室內(nèi)試驗(yàn)，邊界條件與大田存在一定的差異，不能完全反映水分在風(fēng)沙土中的入滲過程，后續(xù)還需開展原位入滲試驗(yàn)，進(jìn)一步明晰和田風(fēng)沙土入滲特性。

4 結(jié) 論

本文研究結(jié)果表明：

(1)和田風(fēng)沙土在單點(diǎn)源入滲條件下，水平及垂直濕潤鋒與入滲時(shí)間均呈現(xiàn)較好的冪函數(shù)關(guān)系。

(2)滴頭流量大小與濕潤鋒推進(jìn)速度成正相關(guān)關(guān)系。但當(dāng)入滲水量相同時(shí)，滴頭流量對水平擴(kuò)散距離影響不大，在垂直方向，小滴頭流量的入滲深度大于大滴頭流量的入滲距離。

(3)土壤容重與水平濕潤峰發(fā)展正相關(guān)，與垂直濕潤峰發(fā)展負(fù)相關(guān)，在入滲水量相同時(shí)，大容重土壤的水平擴(kuò)散距離大于小容重的土壤, 垂直入滲距離則小于低容重土壤。

(4)初始含水率對濕潤體的發(fā)展有一定的影響，但不明顯。當(dāng)土壤含水率較小時(shí)，可忽略土壤初始含水率對濕潤鋒發(fā)展的影響。