交替灌溉方式土壤水分运移及垄体参数初探

杜园园，王同朝，刘永忠，李万星，靳鲲鹏，曹晋军

（1.山西省农业科学院谷子研究所，山西长治046011；2.河南农业大学农学院，河南郑州450002）

我国是一个农业大国，大力发展农业，保证主要作物产量持续增长对于保证我国的粮食安全至关重要。在作物生产过程中，农业对灌溉的依赖性很强，农田灌溉用水量占农业用水总量的90%～95%，但长期以来，农业生产中存在着灌溉水利用率低、浪费严重等问题，灌溉水的利用率只有40%左右[1-3]。许多专家学者在如何提高灌溉水利用率方面进行了大量的研究工作。康绍忠等[4]在传统灌溉原理和方法的基础上提出了控制性分根交替灌溉，隔沟交替灌溉是其中的一种形式。从交替灌溉技术的理论机制[5]和实践看，控制性交替灌溉是一种高效而可行的节水技术[6]。但是，试验中发现，在灌溉定额降低后，受交替灌溉的适用条件及其垄体主要技术参数的影响，从灌水技术上很难保证灌溉水的优化分配和有效利用。为了推广应用交替灌溉技术，提高田间水分利用率，必须对该灌溉技术的适用条件和主要技术参数以及灌溉水的水分运移进行研究。

本研究基于交替灌溉技术进行灌水试验，探索垄与沟之间的水分运移，确定其最佳垄体参数，为交替灌溉技术的推广实施提供理论和事实依据。

1 材料和方法

1.1 试验处理与设计

试验于2009年5—6月在河南农业大学科教园区全自动防雨棚中进行，整个试验过程中防止雨水落入池子内。测坑面积6.6 m2（3 m×2.2 m），坑深2 m，坑壁用13.5 cm厚的砖墙隔离以防侧渗，土质为沙壤土。

试验处理及试验相关参数列于表1和表2。因沟长仅为3.0 m，可以假定沿沟长方向灌水湿润均匀。

表1 试验处理设计 cm

表2 试验相关参数

1.2 观测指标与方法

试验采用取土烘干法，于沟内积水入渗完毕和灌水后 4，24，48，72，120，168 h 进行土壤各剖面含水量的观测，试验横向分布布置在垄背中部（观测点1）、垄坡中部（观测点2）、灌水沟（观测点3）及非灌水沟（观测点4）4个观测点，测定深度为1 m，每20 cm为一层，分5层测定。

1.3 数据分析

试验数据采用 Excel 2003，DPSv6.55（Data Processing System）分析软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 垄作栽培中垄体垄高、垄宽与垄体体积及垄体地表面积的关系

由表3可知，在100 m×100 m的土地上，同一垄形，垄高相同而垄宽不同时，单位土地面积上的垄体体积不变。这是垄宽增加，垄数减少之故。但是，当垄高相同时，地表面积都随着垄宽的增加而减少。

表3 100 m×100 m土体上垄体的垄高、垄宽与垄体地表面积和垄体体积的关系

在同一垄宽内，垄体体积随垄高增加而增加，且垄高增加0.05 m，增加的垄体体积相同，为333.33 m3。地表面积也随垄高的增加而增加，在同一垄宽内，垄高增加的高度相同但地表面积的增加率不同。随着垄宽增加，垄高增加同一高度，地表面积的增加率则呈下降趋势。

2.2 交替灌溉方式下垄体同一层次土壤水分湿润动态

剖面同一层次（采用土层深度0～40 cm的土壤含水量资料）土壤水分的动态变化情况如图1所示。

从图1可以看出，交替灌溉方式下，灌水后，各观测点同一层次的土壤含水量均随着时间的延长有逐渐增大的趋势（垄坡观测点除外）。灌水后，垄背、垄坡、灌水沟和非灌水沟4个观测点之间存在着明显的水势梯度，水势梯度的存在使水分下渗和侧渗，进入垄体中，从而利于植物对水分的吸收。

由表4可知，以土壤根系活动层为目标测定点，灌水结束后土壤平均含水量和土壤最大含水量均以T2处理为最大，且所需入渗时间最短。可见，垄高适中、垄底稍窄有利于侧向入渗，相应地减少垂直入渗，避免深层渗漏[10-11]，以达到节水的目的。

表4 灌水结束后各处理最大水平湿润情况

2.3 交替灌溉方式下各观测点土壤水分再分配动态

对4个观测点土壤含水量随时间变化绘制关系曲线，用来说明交替灌溉方式下不同处理各测定点土壤剖面水分的入渗情况。

由图2可知，在入渗完毕时，垄背（观测点1）和垄坡（观测点2）迅速吸水，土壤含水量瞬间升高，灌水后24 h时明显下降，之后随时间和土壤水分再分配的完成，垄背和垄坡观测点土壤含水量逐渐升高。

灌水后短期内灌水沟（观测点3）土壤整个剖面含水量迅速增加，灌水后整个观察期内，灌水沟土壤含水量降低较快，由此说明，灌水后短期内垄沟内土壤在高含水量状态下导水强度高，由于初始含水量较大，入渗速度相应较快，在观测后期，垄沟表层水分再分配兼有侧向入渗和表层蒸发，使深层土壤水分再分配以侧渗为主。

非灌水沟（观测点4）在土壤各剖面土壤水势的作用下增强了土壤水分侧向入渗，减少垂直下渗，土壤含水量逐渐上升，最后达到平衡。

不同处理间，各观测点土壤含水量均表现为T2处理最高，T5次之，T4最低，说明适宜的垄体参数（T2处理）可有效改善土壤水分再分布，使交替灌溉方式发挥更大的节水效益。

3 结论

（1）通过研究交替灌溉方式不同垄体参数的土壤水分动态发现，垄背观测点和垄坡观测点的土壤含水量一直呈现缓慢增加趋势；灌水沟观测点土壤含水量在短期内迅速增加，后期呈现降低趋势，非灌水沟土壤含水量则一直缓慢升高。因此，水平向土壤含水量梯度导致水分侧向入渗，使同一层次土壤剖面水平向含水量增加。

（2）不同垄体参数下垄体体积与地表面积关系的研究发现，单位土地面积上，同一垄高不同垄宽的垄体体积相同，在栽培上宜选择在同一垄体体积下土地表面积大的垄宽，以增加受光面积；在同一垄宽内，土地表面积和垄体体积随垄高增加而增大，因此，栽培上宜选用高垄。理论上采用窄垄高垄，可以增加密度，增大生长空间和受光面积[12]。

（3）通过研究交替灌溉方式适宜的垄体参数发现，T2处理各观测点土壤含水量均最高且持续时间最长，可使土壤水分得到更合理的分配，发挥更好的节水效益。T2处理垄高为田间广泛采用的15 cm，垄距有所缩小，为55 cm，其可以增大地表面积，利于增加密度。

因此，采用交替灌溉方式实施灌水时，其垄体参数建议确定为垄高15 cm、垄宽55 cm，其既可以增大地表面积、改善植物生长环境，也有利于交替灌溉土壤水分的优化分配。

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