王文冬　王利軍　高曉薇　武少偉

摘 要：以土壤墑情的時(shí)空變化規(guī)律為試驗(yàn)對(duì)象，將一種可雙向鉆土式自升降噴灌裝置在延慶生態(tài)試驗(yàn)基地露天植物種植區(qū)內(nèi)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，并對(duì)該裝置應(yīng)用前后的土壤進(jìn)行分層取樣以及含水量監(jiān)測分析，結(jié)果表明：①該裝置能夠?qū)⑼寥荔w積含水量、質(zhì)量含水量、相對(duì)含水量3個(gè)指標(biāo)分別由裝置實(shí)施前的均不足15%、11%、50%提高到31%、22%、103%以上，有效解決了作物生長階段經(jīng)常出現(xiàn)的土壤水分供應(yīng)不足問題;②該裝置顯著提高了淺層土壤的含水量，能夠最大限度滿足作物生長對(duì)水分的需求;③該裝置具有顯著的節(jié)水效果，灌溉用水量從3 150 m3/hm2減少到2 800 m3/hm2。

關(guān)鍵詞：可雙向鉆土式;自升降噴灌裝置;土壤墑情;時(shí)空變化;節(jié)水效果

中圖分類號(hào)：X703.1?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.03.032

Study on the Influence of the Two-Way Earth-Boring Self-Lifting Sprinkler Irrigation

Device on the Changes of Soil Moisture in Time and Space

WANG Wendong， WANG Lijun， GAO Xiaowei， WU Shaowei

（Beijing Institute of Water， Beijing 100048）

Abstract：Taking the temporal and spatial variation of soil moisture as the test object， this study applied the two-way earth-boring self-lifting sprinkler irrigation technology into Yanqing Ecological Test Base. Whats more， the stratified sampling and water content monitoring analysis of the base soil before and after the application of the device were carried out. The main conclusions show that： a） the device can increase the volumetric water content， mass water content and relative water content of the base from less than 15%， 11% and 50% before the implementation of the device to more than 31%， 22% and 103%， effectively solving the problem of insufficient soil water supply in crop growth stage; b） the device significantly increases the water content of shallow soils and maximizes the metabolic requirements of crop growth for water and; c） the device has a significant water-saving effect and the water used for irrigation has been controlled to 2，800 m3/hm2 from 3，150 m3/hm2.

Key words： two-way earth-boring; self-lifting sprinkler Irrigation device; soil moisture; temporal and spatial variation; water-saving effect

1 引 言

我國水資源的人均占有量為2 240 m3，僅為世界人均占有量的1/4，屬于世界上最缺水的13個(gè)國家之一。然而，在資源性缺水問題嚴(yán)重的同時(shí)，我國又是一個(gè)水資源利用率相對(duì)較低的農(nóng)業(yè)大國，如果繼續(xù)沿襲現(xiàn)有的灌溉制度和技術(shù)方法，農(nóng)業(yè)灌溉年用水量按4 000億m3計(jì)算，灌區(qū)對(duì)水資源的有效利用率為0.45，僅灌溉過程的水資源浪費(fèi)量就高達(dá)2 200億m3，占國內(nèi)水資源浪費(fèi)總量的80%[1]。因地制宜開展對(duì)灌區(qū)土壤墑情的實(shí)時(shí)監(jiān)測，以準(zhǔn)確把握土壤含水量與作物需水量的平衡點(diǎn)，采取科學(xué)合理的灌溉制度，并采用經(jīng)濟(jì)有效的灌溉技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)提高作物產(chǎn)量的同時(shí)，顯著提高農(nóng)業(yè)灌溉對(duì)水資源的利用水平，最終達(dá)到緩解我國水資源供需矛盾日益緊張現(xiàn)狀的目的[2-4]。

土壤墑情是衡量土壤干濕狀況以及土壤水可被作物吸收利用程度的重要參數(shù)，常用土壤含水量、土壤相對(duì)含水量兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行描述。積極開展土壤墑情研究工作，對(duì)土壤含水量以及相對(duì)含水量進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測[5-6]，能夠?yàn)槲覈N植結(jié)構(gòu)的合理調(diào)整以及重要農(nóng)事活動(dòng)的實(shí)時(shí)變化提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)也可以為高效節(jié)水灌溉以及抗旱減災(zāi)增效技術(shù)的集成研發(fā)提供理論支持，對(duì)有效解決當(dāng)下存在的水資源日益短缺與農(nóng)業(yè)灌溉水資源浪費(fèi)嚴(yán)重的雙重問題具有重要意義。

本研究將一種可雙向鉆土式自升降噴灌裝置在延慶生態(tài)試驗(yàn)基地（以下簡稱基地）的露天植物種植區(qū)內(nèi)進(jìn)行實(shí)際工程應(yīng)用，開展相關(guān)的野外現(xiàn)場布點(diǎn)以及取樣監(jiān)測工作，并著重將該裝置應(yīng)用后基地土壤的體積含水量、質(zhì)量含水量、相對(duì)含水量3個(gè)指標(biāo)隨時(shí)間以及空間的變化規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析，以期了解可雙向鉆土式自升降噴灌裝置應(yīng)用對(duì)土壤墑情時(shí)空變化規(guī)律的影響，同時(shí)對(duì)該裝置的推廣應(yīng)用所能產(chǎn)生的實(shí)際節(jié)水能力進(jìn)行初步探討。

2 試驗(yàn)裝置與布點(diǎn)方法

2.1 試驗(yàn)裝置

本研究采用的高效節(jié)水灌溉裝置是基于傳統(tǒng)固定管道式噴灌設(shè)備所存在的地上安裝不利于早期機(jī)耕和后期收獲等問題，由水利部科技推廣中心推薦、中國灌溉排水發(fā)展中心牽頭組織研發(fā)的一種可雙向鉆土式自升降噴灌裝置（見圖1）。該裝置通過將內(nèi)管、外管、旋轉(zhuǎn)式噴頭以及進(jìn)、出水口等主要設(shè)備元件進(jìn)行一體化集成，安裝完成后，深埋于耕作層以下（通常入土深度控制在20～40 cm之間）。灌溉時(shí)，設(shè)備能夠自動(dòng)升至設(shè)計(jì)高度，進(jìn)行均勻噴水灌溉;非灌溉時(shí)設(shè)備可自動(dòng)回縮至土壤耕作層以下，有效避免了設(shè)備占地對(duì)田間耕作所帶來的空間阻礙，具有占地面積小、安裝及運(yùn)行維護(hù)成本低、灌溉節(jié)水效果好等特點(diǎn)[7-9]。目前已在北京順義、河南許昌等地區(qū)進(jìn)行了小規(guī)模的工程示范應(yīng)用，并取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益，具備進(jìn)一步開展推廣應(yīng)用的可行性。

2.2 考核指標(biāo)與計(jì)算方法

本研究主要考核對(duì)象為可雙向鉆土式自升降噴灌裝置應(yīng)用對(duì)土壤墑情時(shí)空變化規(guī)律的影響。土壤墑情是衡量土壤干濕狀況以及土壤水可被作物吸收利用程度的重要參數(shù)，常用土壤含水量（包括質(zhì)量含水量、體積含水量）、土壤相對(duì)含水量兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行描述，為此，選取該裝置應(yīng)用后基地土壤質(zhì)量含水量、體積含水量、相對(duì)含水量隨時(shí)間以及空間的變化規(guī)律作為土壤墑情變化的主要指標(biāo)進(jìn)行考量。

（1）質(zhì)量含水量，是指土壤中水分的質(zhì)量與干土質(zhì)量的比值，因在同一地區(qū)重力加速度相同，所以又稱作重量含水量。其計(jì)算公式為

θm=w1-w2w2×100%（1）

式中：θm為質(zhì)量含水量（自然含水率或絕對(duì)含水量）;w1為濕土質(zhì)量;w2為烘干土質(zhì)量。

（2）體積含水量，是指單位土壤總?cè)莘e中水分所占的容積分?jǐn)?shù)，又稱容積濕度。其計(jì)算公式為

θv=VwVs×100%（2）

式中：θv為土壤實(shí)際含水量的體積百分率;Vs為土壤總體積，cm3;Vw為水所占的體積，cm3。

（3）相對(duì)含水量，指土壤含水量占田間持水量的百分?jǐn)?shù)。其計(jì)算公式為

β=θmθ×100%（3）

式中：β為土壤相對(duì)含水量;θm為質(zhì)量含水量;θ為田間持水量。

2.3 采樣布點(diǎn)與監(jiān)測周期

2.3.1 采樣布點(diǎn)設(shè)計(jì)

參照《土壤墑情監(jiān)測規(guī)范》（SL 364—2006），遵循均勻分布原則，并按照三點(diǎn)垂向取樣的方法，采用土壤水分空間快速測試儀對(duì)取樣點(diǎn)處10、20、40 cm深度的土壤質(zhì)量含水量、體積含水量、相對(duì)含水量進(jìn)行定期監(jiān)測，布點(diǎn)間隔為20 m，共設(shè)置取樣點(diǎn)90個(gè)[10]。

2.3.2 監(jiān)測周期設(shè)計(jì)

土壤墑情的監(jiān)測周期參照《土壤墑情監(jiān)測規(guī)范》（SL364—2006）進(jìn)行設(shè)計(jì)，2018年每月的1日、11日、21日從早晨8時(shí)開始，每隔6 h采用土壤水分空間快速測試儀對(duì)取樣點(diǎn)處10、20、40 cm深度的土壤質(zhì)量含水量、體積含水量、相對(duì)含水量進(jìn)行取樣監(jiān)測。

2.3.3 試驗(yàn)條件設(shè)計(jì)

土壤類型、裝置安裝間距、工作壓力、設(shè)計(jì)日凈噴時(shí)間以及試驗(yàn)期間的風(fēng)速、氣溫等氣象條件是影響試驗(yàn)區(qū)內(nèi)用水定額以及灌溉周期的主要因素，主要試驗(yàn)控制參數(shù)見表1。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 裝置應(yīng)用對(duì)土壤墑情隨時(shí)間變化規(guī)律的影響

裝置應(yīng)用后土壤質(zhì)量含水量、體積含水量、相對(duì)含水量隨時(shí)間變化的情況見圖2。由圖2可知：可雙向鉆土式自升降噴灌裝置應(yīng)用后基地土壤含水量出現(xiàn)了較大的改觀，土壤質(zhì)量含水量、體積含水量、相對(duì)含水量3個(gè)指標(biāo)分別由裝置應(yīng)用前（2018年1月至3月）的不足15%、11%、50%大幅度提高到裝置應(yīng)用后（2018年4月至12月）的31%、22%、103%以上，土壤3個(gè)重要含水量指標(biāo)均成倍提高。在相同的灌溉用水量條件下，土壤墑情從裝置安裝前的輕旱，逐漸過渡到裝置安裝后的適墑，局部區(qū)域甚至出現(xiàn)了含水量過多的現(xiàn)象，需要根據(jù)實(shí)際情況，降低灌溉用水定額或者減小灌溉頻率，進(jìn)而達(dá)到節(jié)約灌溉用水的目的。另外，一般農(nóng)作物的正常生長所需的土壤相對(duì)含水量為60%～80%，可雙向鉆土式自升降噴灌裝置應(yīng)用后的2018年4月至12月共計(jì)9個(gè)月內(nèi)，基地內(nèi)部的土壤相對(duì)含水量保持在103%以上，徹底解決了作物生長階段經(jīng)常出現(xiàn)的土壤水分供應(yīng)不足問題，是一種有效的增墑、保墑措施。

3.2 裝置應(yīng)用對(duì)土壤墑情空間變化規(guī)律的影響

裝置應(yīng)用前、后土壤墑情空間變化規(guī)律見圖3、圖4。由圖3、圖4可知：可雙向鉆土式自升降噴灌裝置的應(yīng)用促使基地內(nèi)部的土壤含水量隨空間發(fā)生了較為明顯的變化，裝置應(yīng)用前，基地內(nèi)部土壤的質(zhì)量含水量、體積含水量、相對(duì)含水量3個(gè)指標(biāo)在土壤深層40 cm處的監(jiān)測值最大，中間20 cm處次之，表層10 cm處最低;而在可雙向鉆土式自升降噴灌裝置應(yīng)用后，基地內(nèi)部土壤的質(zhì)量含水量、體積含水量、相對(duì)含水量3個(gè)指標(biāo)在土壤表層10 cm處的監(jiān)測值最大，中間20 cm處次之，深層40 cm處最低。裝置應(yīng)用后，相同取樣點(diǎn)、相同深度處的土壤質(zhì)量含水量、體積含水量、相對(duì)含水量3個(gè)指標(biāo)監(jiān)測值均較應(yīng)用前出現(xiàn)了明顯的提高，土壤含水量尤其是淺層土壤含水量的提高，有助于表層灌溉水對(duì)深層地下水的補(bǔ)給，增加了灌溉區(qū)的田間持水量。同時(shí)，淺層土壤含水量的提高顯著提高了作物根區(qū)周邊的土水勢(shì)，可在根土接觸區(qū)形成較大的水勢(shì)梯度，有利于土壤水向植物根部擴(kuò)散進(jìn)而向植物地上部分?jǐn)U散，能夠最大限度滿足作物各個(gè)階段生長發(fā)育的水分需求。

3.3 可雙向鉆土式自升降噴灌裝置節(jié)水效果分析

可雙向鉆土式自升降噴灌裝置在試驗(yàn)設(shè)定的安裝間距、工作壓力以及噴灌強(qiáng)度下，可將灌溉區(qū)土壤相對(duì)含水量保持在103%以上，而一般農(nóng)作物正常生長所需的土壤相對(duì)含水量為60%～80%，土壤含水量的持續(xù)增大會(huì)使得局部區(qū)域土壤出現(xiàn)含水量過多而造成水資源浪費(fèi)的問題，為此，本研究在維持可雙向鉆土式自升降噴灌裝置安裝間距及工作壓力不變的情況下，通過調(diào)整可旋轉(zhuǎn)噴頭的開度，將灌溉用水定額由3 150 m3/hm2降低至2 800 m3/hm2，使得項(xiàng)目區(qū)土壤墑情控制在適墑范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了在滿足作物正常生長發(fā)育對(duì)水分需求的同時(shí)，顯著提高灌溉水資源的利用率，水資源利用率提高了11.11%，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié) 論

本研究將一種可雙向鉆土式自升降噴灌裝置成功應(yīng)用于延慶生態(tài)試驗(yàn)基地露天植物種植區(qū)，并參照《土壤墑情監(jiān)測規(guī)范》（SL 364—2006）進(jìn)行布點(diǎn)采樣，利用土壤水分空間快速測試儀對(duì)采樣點(diǎn)處的土壤質(zhì)量含水量、體積含水量、相對(duì)含水量進(jìn)行定期監(jiān)測，分析了該裝置應(yīng)用對(duì)土壤墑情時(shí)空變化規(guī)律的影響，得出主要結(jié)論如下。

（1）該裝置的成功應(yīng)用，將基地內(nèi)部土壤質(zhì)量含水量、體積含水量、相對(duì)含水量3個(gè)指標(biāo)監(jiān)測值提高了1倍以上，分別由應(yīng)用前的不足15%、11%、50%大幅度地提高到裝置應(yīng)用后的31%、22%、103%以上，徹底解決了作物生長階段經(jīng)常出現(xiàn)土壤水分供應(yīng)不足的問題，是一種有效的增墑、保墑措施。

（2）該裝置明顯改變了基地內(nèi)部土壤含水量的空間分布狀況，顯著提高了淺層土壤的含水量，有助于表層灌溉水對(duì)深層地下水的補(bǔ)給，增加灌溉區(qū)的田間持水量，能夠最大限度地滿足作物各個(gè)階段生長發(fā)育的水分需求。

（3）通過調(diào)整可旋轉(zhuǎn)噴頭的開度，將灌溉用水定額由3 150 m3/hm2降低至2 800 m3/hm2，使試驗(yàn)區(qū)土壤墑情控制在適墑范圍內(nèi)，在滿足作物正常生長對(duì)水分需求的同時(shí)，將灌溉水資源利用率提高了11.11%，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李茂松，李森，李育慧. 中國近50年旱災(zāi)災(zāi)情分析[J].中國農(nóng)業(yè)氣象，2003，24（1）：7-10.

[2] 孫仕軍，陳長卿，邱振存.我國農(nóng)業(yè)用水現(xiàn)狀和農(nóng)業(yè)節(jié)水發(fā)展方向[J].遼寧農(nóng)業(yè)科學(xué)，1999（1）：35-37.

[3] 李彩鳳，陳建中.我國灌溉的發(fā)展概況和應(yīng)重視的問題[J].水利科技與經(jīng)濟(jì)，2008（2）：159-160.

[4] 段夢(mèng)詩.節(jié)水灌溉技術(shù)在農(nóng)田水利工程中的應(yīng)用[J].水利建設(shè)，2016（4）：265-266.

[5] 李玉山，史竹葉，張孝忠，等. 長武王東溝小流域土壤水分性質(zhì)及土壤墑情分布特征[J].水土保持通報(bào)，1990，10（6）：2-6.

[6] 馬孝義，李新平，趙延風(fēng). 土壤含水量的Kriging 和Cokriging估值的研究[J].水土保持通報(bào)，2001，21（6）：59-62.

[7] 徐敏，李紅，陳超，等.提高噴灌均勻性的噴頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施[J].節(jié)水灌溉，2001（2）：17-18.

[8] 王利軍，王文冬，高曉薇，等. 可雙向鉆土式自升降噴灌裝置在延慶生態(tài)試驗(yàn)基地中的應(yīng)用[J].北京水務(wù)，2019（2）：20-26.

[9] 謝崇寶，張國華，魯少華，等.雙向鉆土型埋地式自升降噴灌設(shè)備研發(fā)[J].節(jié)水灌溉，2016（11）：121-126.

[10] 孫凱，王一鳴，楊紹輝. 墑情監(jiān)測取樣方法的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2004，20（6）：74-78.

【責(zé)任編輯 許立新】

收稿日期：2019-09-19

基金項(xiàng)目：國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)（2017ZX07101004）;水利部技術(shù)示范項(xiàng)目（SF-201721）

作者簡介：王文冬（1987—），男，河北滄州人，工程師，主要從事水處理設(shè)計(jì)工作

E-mail：819509617@qq.com