地下滴灌苜蓿地土壤水分分布规律

张树振，张鲜花，隋晓青，王琰，朱进忠(新疆农业大学草业与环境科学学院 新疆草地资源与生态重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830052)

地下滴灌苜蓿地土壤水分分布规律

张树振，张鲜花，隋晓青，王琰，朱进忠
(新疆农业大学草业与环境科学学院 新疆草地资源与生态重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830052)

本文在地下滴灌条件下开展苜蓿田土壤水分分布规律的研究，以期为苜蓿高效节水生产提供理论依据。试验设置11个压力处理，研究工作压力对滴头流量的影响；设置600、750和900 m3·hm-23个灌溉量处理，研究土壤湿润体入渗规律及土壤水分再分布规律。结果表明，滴头流量随工作压力增加而增大，呈对数函数关系；灌溉初期湿润体形状呈近似球体，灌溉30 min后变为垂直地面方向狭长的椭球体，120 min后呈开口较小，中部凸起、下部略尖的坛状，3种灌溉量下土壤湿润体形状相似，但湿润体入渗深度随灌溉量增加而增大。灌溉停止48 h后不同土层土壤水分分布不均，垂直方向上，水分主要分布在0-30 cm土层；水平方向上，随与滴灌带距离增大土壤含水率呈递减趋势，不同灌溉量比较表现为水平距滴灌带10 cm处，0-50 cm土层随灌溉量增大土壤含水率呈增加趋势，50-70 cm土层无明显规律，水平距滴灌带20和30 cm处各土层土壤含水率与灌溉量之间也无明显规律。

地下滴灌；滴头流量；灌水量；湿润体；土壤含水率

我国西北地区日照充足，热量丰富，利于作物生长，然而该地区水资源短缺问题严重，以新疆为例，春灌期全区灌溉面积的1/5面临缺水状况，实际缺水量高达20亿m3，水资源短缺严重制约着西北地区农牧业和经济的可持续发展[1]。提高资源利用效率，发展节水灌溉，是解决西北干旱半干旱区水资源紧张，提高农牧民收入的重要手段之一。

紫花苜蓿(Medicagosativa)作为我国西北地区广泛种植的栽培牧草，因其具有产量高、品质好、适口性好等特点，有“牧草皇后”之美誉。但是，紫花苜蓿也是一种高耗水作物，其整个生育期耗水量高达300～2 250 mm[2]。伴随着我国提出加快发展草牧业，支持青贮玉米和苜蓿等饲草料种植，开展粮改饲和种养结合模式试点，促进粮食、经济作物、饲草料三元种植结构协调发展(2015年中央一号文件)及苜蓿的大面积种植，迫切需要发展高效节水的苜蓿生产模式。

地下滴灌作为一种新兴的高效节水灌溉技术，具有节水增产、自动化程度高、减少表面蒸发和深层渗漏及抑制土壤盐分增长等优点，被认为是最具发展潜力的微灌技术之一[3-4]。近年来科研工作者对地下滴灌技术在苜蓿生产中的应用进行了相关研究。王东等[5]报道应用地下滴灌技术苜蓿产草量比常规灌溉增产近40%，孟季蒙和李卫军[6]研究表明地下滴灌条件下苜蓿种子产量最高达909.62 kg·hm-2，是漫灌的1.5倍。随着地下滴灌技术的推广应用，科研工作者对地下滴灌条件下苜蓿田管道铺设[7]、耗水规律[8]、水肥耦合[9]和土壤水分变化规律[10]等进行了相关研究，朱友娟等[11]对棉花(Gossypiumspp.)田土壤水分运移变化规律也进行了报道。水分在土壤耕作层的运移及其再分布关系到作物对水分的利用效率，进而影响作物的生产[12-13]。然而以往对地下滴灌土壤湿润体运移规律的研究多为室内试验，大田试验也主要针对作物生育期内土壤水分变化规律开展研究，缺乏对大田条件不同灌溉量下地下滴灌湿润体特性及水分再分配的比较研究。鉴于此，本研究以苜蓿田为研究对象，开展地下滴灌灌溉方式下工作压力与滴头流量的关系，随灌溉的进行土壤湿润体变化规律，以及不同灌溉量下水分分配规律的研究，以期为地下滴灌技术在苜蓿生产中的高效利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2014年7月在新疆农业大学呼图壁草地生态试验站进行。该站地处44°2′ N，86°6′ E，海拔439-454 m；光热资源丰富，年太阳辐射量5.56×102kJ·cm-2，年照射时数3 110 h，年日照百分率70%；年降水量为161.3 mm，蒸发量为2 112.7 mm，无霜期165～190 d；试验地土壤为盐化灰漠土，pH值在8.5以上。

试验在地下滴灌条件下生长第3年的新牧1号杂花苜蓿(MedicagovariaMartin cv. ‘Xinmu No.1’) 种子田进行，小区面积5 m×7 m，行距0.6 m。地下滴灌系统为苜蓿建植当年铺设，地下滴灌由支管道(Φ63 pvc管，滴灌设施均由新疆大禹节水有限责任公司提供，下同)连接给水滴灌带，滴灌带选用内镶贴片式滴灌带，埋深20 cm，铺设间距60 cm，滴头出水口向上，滴头标定流量1.38 L·h-1。

1.2 试验设计

工作压力对滴头流量影响测定：试验设置11个压力处理，分别为40、50、60、70、80、90、100、110、120、130和140 kpa，在工作压力和滴头出水稳定后，测定不同压力处理下滴头10 min出水量。试验地滴灌带长7 m，每个处理3次重复。

土壤湿润体及土壤水分分布规律测定：灌溉给水量设置600、750和900 m3·hm-23个处理，灌溉前测定土壤初始含水率(表1)，试验开始后，分别于10、20、30、60和120 min测定土壤湿润体向上、向下、水平方向的运移距离并记录湿润体形状；灌溉结束48 h后测定土壤含水率，在水平方向上，设置距离滴灌带10、20、30 cm处3个取样点，在每点的垂直方向设置0-10、10-20、20-30、30-40、40-50、50-60、60-70 cm共计7个土层取土样，测定土壤含水率。每个处理3次重复。

表1 试验地初始土壤含水率Table 1 The initial soil water content %

1.3 测定项目与方法

1.3.1 滴头流量测定 以北京拉斐尔公司提供的施肥精灵为供水加压装置，末端用压力表测定工作压力(最小刻度10 kpa)，事先将滴头找出，滴头出水稳定后用烧杯盛接，用量筒测量滴头10 min的出水量。

1.3.2 土壤湿润体及含水率测定 土壤湿润体测定[12]：事先确定滴头所在位置，开始灌溉后于试验设计时间挖土壤湿润体剖面，用直尺测量下渗深度及各层宽度，绘制土壤湿润体剖面图。土壤含水率采用土钻取土，烘干法测定[14]。

1.4 数据处理

采用SPSS 17.0软件对所测数据统计分析，用平均值和标准误表示测定结果，并用Duncan法对各测定数据进行多重比较；采用Excel 2007制图。

2 结果与分析

2.1 工作压力对滴头流量的影响

工作压力对滴头流量具有显著影响(F(10,98)=430.31，P<0.05)，随工作压力增大滴头出水量呈递增趋势。通过回归分析表明，工作压力和滴头流量之间呈对数函数关系，方程为y=110.6lnx-279.42，R2=0.973 6(x为工作压力，y为单个滴头10 min出水量)(图1)。

图1 工作压力和滴头流量之间的关系Fig.1 Relationship between work pressure and dripper discharge

2.2 土壤湿润体分布特征

灌溉初期水分自滴头向上扩散速度最快，其次为水平方向，向下扩散速度最慢，滴灌30 min内湿润体呈近似球体，且球心位置略高于滴头；随灌溉进行湿润体向下扩散速度加快，60 min时，水平半径和向下扩散距离相近，该阶段湿润体形状为垂直方向狭长的近似椭球体；120 min时，湿润体向上和向下扩散距离相近，且高于水平半径扩散距离(图2)。

不同灌溉量湿润体形状相似，呈坛状，湿润体水平扩散最大距离分布在20-30 cm土层，随灌溉量增大，水平扩散最大距离有下移趋势，且在灌溉量为750和900 m3·hm-2处理下，相邻滴灌带湿润体融为一体(图3)。600、750和900 m3·hm-2灌溉量由地面下渗深度依次为50.3、58.3和60.5 cm，随灌溉量增加湿润体下渗深度逐渐增大，呈对数函数关系，方程为y=25.4lnx-111.8，R2=0.902(x为灌溉量，y为湿润体入渗深度)(图3)。

2.3 不同灌溉量下土壤水分分布研究

600 m3·hm-2灌溉量处理，最高土壤含水率分布在纵向深度20-30 cm土层，为21.62 %(表2)，最低土壤含水率分布在40-50 cm土层，为8.58%。垂直土层比较，土壤含水率由高到低依次为20-30>10-20>0-10>30-40>60-70>50-60>40-50 cm。同一土层不同水平距离间统计分析表明，20-30和30-40 cm土层水平距离滴灌带10 cm取样点的土壤含水率显著高于30 cm(P<0.05)，其余土层水平距离间土壤含水率差异不显著(P>0.05)。

灌溉量为750 m3·hm-2处理，最高土壤含水率分布在20-30 cm土层，为22.50%，最低土壤含水率分布在40-50 cm土层，为7.03%。垂直土层比较，土壤含水率由高到低依次为20-30>10-20>0-10>30-40>40-50>50-60>60-70 cm。同一土层不同水平距离间统计分析表明，10-20、30-40和40-50 cm土层水平距离滴灌带10 cm取样点的土壤含水率显著高于30 cm取样点(P<0.05)，其余土层水平距离间土壤含水率差异不显著(P>0.05)。

图2 湿润体入渗过程Fig.2 The wetted volume infiltration process

注：A，湿润体运移状态；B，湿润体在不同方向的入渗距离。

Note: A, condition of the wetted volume infiltration; B, the wetted volume infiltration distance in different directions.

图3 不同灌溉量下土壤湿润体入渗状态Fig.3 The condition of infiltration of the wetted volume in different irrigation amount

注：A、B和C分别为600、750和900 m3·hm-2灌溉量下湿润体轮廓，D为由地面垂直入渗距离和灌溉量的关系。

Note: A, B and C respectively represent the shape of the wetted volume in irrigation amount at 600, 750 and 900 m3·hm-2; D, relationship between infiltration depth and irrigation amount.

表2 不同灌溉量下土壤含水率Table 2 The soil water content in different irrigation amount %

注：同列不同小写字母表示相同灌溉量在同一水平距离不同垂直深度间差异显著(P<0.05)。同行不同大写字母表示相同垂直深度不同水平距离间差异显著(P<0.05)。

Note: Different lower case letters within the same column show significant difference among different vertical depths within the same irrigation amount and horizontal distance at 0.05 level, different capital letters within the same row show significant difference among different horizontal distances within the same vertical depth at 0.05 level.

灌溉量为900 m3·hm-2处理，最高土壤含水率分布在0-10 cm土层，为23.95%，最低土壤含水率分布在40-50 cm土层，为8.24%。垂直土层比较，土壤含水率由高到低依次为0-10>20-30>10-20>30-40>50-60>40-50>60-70 cm。同一土层不同水平距离间统计分析表明，30-40、40-50和60-70 cm土层距离滴灌带10 cm取样点的土壤含水率显著高于30 cm取样点(P<0.05)，其余土层水平距离间土壤含水率差异不显著(P>0.05)。

综上所述，地下滴灌土壤水分主要分布在0-30 cm土层，且该土层土壤含水率增加比例也高于30-70 cm土层。距滴灌带不同水平距离土壤水分分布不均匀，总体表现为距滴灌带10 cm处含水率最大，20 cm处次之，30 cm处最低，最高相差7.76百分点(灌溉量900 m3·hm-2，10-20 cm土层)。不同灌水量下土壤含水率比较，水平距滴灌带10 cm取样点，0-10,10-20,20-30,30-40和40-50 cm 土层均表现为随灌溉量增加土壤含水率增大，水平距滴灌带10 cm取样点50-70 cm土层和水平距滴灌带20和30 cm取样点各土层土壤含水率和灌溉量之间无明显规律，如距滴灌带20 cm取样点，10-20和20-30 cm土层反而以750 m3·hm-2灌溉量下土壤含水率最高。

2.4 灌溉量、水平距离和垂直深度与土壤含水率的相关性分析

土壤含水率和灌溉量呈正相关关系，但相关性不显著(P>0.05)，土壤含水率和滴灌带水平距离、土层垂直深度呈极显著负相关性(P<0.01)。

3 讨论

工作压力是影响滴头流量的主要因素，不同因素对滴头流量的影响程度依次为：工作压力>土壤初始含水量>土壤容重[15]。本研究表明，滴头流量随工作压力增加而增大，这与梁华锋[16]等研究结果一致。曹建东等[17]研究表明随工作压力增大，滴灌带压力损耗呈递增趋势。因此，在满足滴头流量的基础上，应尽可能降低工作压力，从而降低滴灌带压力损失，节约灌溉成本。

有关地下滴灌条件下土壤湿润体形状报道不一，且多为室内试验。王超和李援农[14]研究表明灌溉初期湿润体呈近似圆球体，后期为不规则形体；孙三民等[18]发现湿润体呈椭球体。本研究的大田试验表明随灌溉进行土壤湿润体形状不断变化，灌溉初期湿润体呈近似圆球体，随后为垂直地面狭长的椭球体，最后发展为上部开口较小，中部凸起，下部略尖的坛状，后期剖面图与陈柏鸿等[12]在地表滴灌条件下研究结果相似。本研究还发现在灌溉初期，湿润体向各个方向的运移距离基本持平，且向上扩散距离最大，这是由于入渗初期，重力对土壤水的影响较弱，土壤吸力为水分运移的主要作用[14]，加上本研究为减少泥沙堵塞滴头，滴头出水口向上，使得灌溉初期水分向上运移速度较快。

土壤中的水分分布、含量及其变化直接影响作物对水分的吸收利用，进而影响作物的生长发育和水分利用效率，最终影响作物产量[19-20]。胡浩云等[21]研究膜孔灌溉表明土壤含水率以膜孔中心最大，远离膜孔中心逐渐变小，这与本研究结果一致，即灌溉后水分在土壤中分布不均匀，因此如何将灌溉后水分分布和植物根系分布相结合是实现高效节水灌溉的关键之一。本研究表明在地下滴灌条件下，以0-30 cm土层含水率最高，该土层也是苜蓿根系分布的密集区域[22]。土壤灌水率过高会引起渗漏，使土壤深层含水量增加，易形成无效水，不利于水分的高效利用[12]。本研究表明水平距离10和20 cm处灌溉量为900 m3·hm-2在土层30-40、40-50、50-60 cm含水率高于其他两种灌溉量，而在水平距离20 和30 cm处，垂直距离10-20和20-30 cm土层含水率反而基本低于灌溉量750 m3·hm-2处理，分析900 m3·hm-2灌溉量可能出现深层渗漏，且该灌溉量下最高土壤含水率分布在0-10 cm土层，该土层水分极易蒸发，不利于水分的高效利用。

紫花苜蓿60%～90%的根系分布在0-30 cm土层[22]，灌溉量为750 m3·hm-2，10-30 cm土壤含水率高于600 m3·hm-2处理，与900 m3·hm-2处理相近，且表层(0-10 cm)土壤含水率较900 m3·hm-2处理低5百分点，水分不易蒸发。从土壤水分分布角度考虑750 m3·hm-2灌溉量优于600和900 m3·hm-2灌溉量。

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(责任编辑 张瑾)

The distribution rules of soil water in alfalfa field with subsurface drip irrigation

ZHANG Shu-zhen, ZHANG Xian-hua, SUI Xiao-qing, WANG Yan, ZHU Jin-zhong
(Key Laboratory of Grassland Resource and Ecology of Xinjiang, College of Pratacultural and Environmental Sciences, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China)

The experiment was conducted in the alfalfa field to study the soil water content distribution after the subsurface drip irrigation, in order to provide some theoretical references for the application of subsurface drip irrigation in alfalfa cultivation. Eleven pressure treatments and three irrigation amounts (600, 750 and 900 m3·ha-1) were set to evaluate the effect of the different work pressures on the dripper discharge and the effects of the irrigation amounts on the soil water infiltration and redistribution from the horizontal and vertical level. The results showed that dripper discharge increased with work pressure increasing which had logarithmic function relationship. The shape of soil wetting front changed with the time of irrigation which was approximate sphere within 30 minutes of irrigation, and was ellipsoid after 30 minutes, and then was Tan-shape after 120 minutes of irrigation. The vertical wetted depth increased with the irrigation amount which had a logarithmic relationship. There were significant differences among soil water content of seven layers (P<0.05) after 48 h of irrigation. The 0-30 cm layer had the higher soil water content than the other layers in vertical direction. The soil water content decreased with the distance increase from drip irrigation belt in horizontal direction. The soil water content increased with increase of the irrigation amount at 0-50 cm layer of 10 cm sampling point, other sites had no obvious relationships between soil water content and irrigation amount.

subsurface drip irrigation; dripper discharge; irrigation amount; volume of soil wetting front; soil water content

ZHU Jin-zhong E-mail:xjauzjz@126.com

10.11829j.issn.1001-0629.2014-0464

2014-10-21 接受日期：2015-04-08

国家牧草现代产业技术体系项目(CARS35)；新疆农业大学校前期课题(XJAU201303)

张树振(1988-)，男，山东菏泽人，助教，硕士，主要从事牧草栽培与生产的研究与教学工作。E-mail：zhangshuzhen1998@163.com

朱进忠(1953-)，男，河北唐县人，教授，本科，主要从事草地资源的研究与教学工作。E-mail：xjauzjz@126.com

S551+.907

A

1001-0629(2015)07-1047-07*

张树振，张鲜花，隋晓青，王琰，朱进忠.地下滴灌苜蓿地土壤水分分布规律[J].草业科学,2015,32(7):1047-1053.

ZHANG Shu-zhen,ZHANG Xian-hua,SUI Xiao-qing,WANG Yan,ZHU Jin-zhong.The distribution rules of soil water in alfalfa field with subsurface drip irrigation[J].Pratacultural Science,2015,32(7)：1047-1053.