负压灌溉条件下土壤水分运移规律研究

石先德 王岩 曹承岳 靳国玉

摘 要：新型灌水材料——陶土管（Ceramic，USA）配之以先进的负压调控技术，可使土壤水分始终保持最适于作物生长的状态，实现节水、节能的目标。该研究利用试验研究对负压灌溉下土壤水分运移规律进行研究，结果表明：在陶土管内负压为14 cm时的负压灌溉系统下，可以实现负压灌溉。随着时间推移，土壤湿润范围越来越大，土壤含水量逐渐增加，最终达到一个最大土壤含水率值，并可实现自我调节。

关键词：负压灌溉 土壤水分运动 负压水头 陶土管

中图分类号：S15 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）07（a）-0024-02

负压灌溉是以土壤动力学为理论依据，只要负压供水水头不超过一定范围，即使水源高程低于灌水器进水口高程，灌溉也是完全可行的。土壤质地、供水水头、灌水器及水质是影响负压灌溉土壤运移的主要因素[1-3]。

新型灌水材料——陶土管（Ceramic，USA）配之以先进的负压调控技术，可使土壤水分始终保持最适于作物生长的状态，实现节水、节能的目标。这种新型的陶土管本身含有大量毛细管，但仍具有管状的特性，具备透水不透气并能输水的功能，它与负压灌溉系统可以组成一套全新的密闭空间系统，理论上可以实现自动调节灌溉。该文主要采用直径为1 cm的陶土管（Ceramic，USA）在14 cm负压水头下，经过多天对土壤湿润峰、土壤含水率以及灌水量的观测和记录，通过分析得出陶土管（Ceramic）灌水器对负压灌溉下土壤水分的运移规律的影响。

1 材料与研究方法

1.1 试验材料

该试验系统由有机玻璃土箱、供水装置、测压管以及小水箱组成。有机玻璃箱高20 cm，长宽分别为30 cm×30 cm。在土箱一侧中央距底部10 cm处钻一直径1.2 cm的小孔，以便连接陶土管。马氏瓶用于灌溉供水并控制负压水头。室内土箱试验所用土壤采自天津市津南区葛沽镇杨岑子村试验示范区，土壤容重1.68 g/cm3，饱和含水率22.15%（质量百分数），其土壤理化性质见表1。试验土壤经风干、碾碎和过2 mm筛后，每5 cm分层装入土箱。小水箱与马氏瓶和测压管通过胶皮管连通，使其液面距陶土管高度为14 cm。测压管直接与陶土管相接，确保整个装置密封不透气。

1.2 试验设计

试验初期，每隔两个小时观测一次马氏瓶水量、测压管读数、土壤水平垂直湿润峰以及陶土管水平距离0 cm、2 cm、4 cm、6 cm处的土壤含水率、土壤温度、土壤电导率。12 h之后，每日8：00与20：00各测一次，直到试验结束。

2 试验分析和结果

2.1 湿润峰随时间的变化规律

2.1.1 水平湿润峰的变化特征

图1描述的是当陶土管距离水箱液面为14cm时，陶土管周围土壤水平湿润峰的变化情况。从图1中可以看出，在试验开始阶段，土壤并无湿润峰的形成。随着灌溉时间的推移，水平湿润锋逐渐增大，呈线性规律增长，其相关系数接近于1。这与刘明池[2]和梁锦陶[4]得出的结果一致。当试验结束时，水平湿润峰达到最大。

2.1.2 垂直湿润峰的变化特征

图2所描述的是陶土管周围土壤垂直向下湿润峰的变化情况。从图2中可以得出，垂直湿润峰的变化规律与水平湿润峰的大致相似。试验进行到第五天时，垂直湿润峰达到土箱底部，达到最大。说明在陶土管内负压为14cm的陶土管负压灌溉系统下，随着时间的增加，陶土管周围土壤的湿润距离逐渐变大。

2.2 土壤含水率的分布规律

图3是试验中陶土管周围土壤含水率随时间变化的曲线图。分别为陶土管管旁和陶土管水平距离2cm、4cm、6cm处的土壤含水率变化图。从图3中可以看出，4处土壤含水率初始值是相同的，之后整体趋势都是随时间的推移而增大，而管旁要较2cm处含水率变化速度稍快，2cm处较4cm处的含水率变化速度快，6cm处的含水率变化速度最慢。当达到一定时间后，4处含水率在最大值处上下小幅徘徊。分析可得，陶土管负压灌溉系统下，陶土管旁土壤含水率随时间的增加而增大，当达到一定时间后开始在一定范围内小幅变化，说明了此种灌溉方式具有自我调控功能，不同于其他灌溉方式。而且越接近陶土管表面的土壤，含水率变化速度越快，越早达到恒定状态。

2.3 灌水量变化规律

试验观测时，读取马氏瓶水位。马氏瓶长6cm，宽5cm，根据每次下降的水位，乘以底面积得出土壤吸收水量。如图4所示，灌水量随着时间的推移，呈线性增长。由此可以得出，土壤吸收水量与时间有着较好的相关关系，其相关系数接近于1。说明此种陶土管负压灌溉系统下，陶土管向土壤渗水速度是恒定的。与刘明池[2]得出的结果是一致的。

3 结论

当今世界水资源匮乏，可利用水资源逐渐减少，而现有的灌溉技术，如滴灌、喷灌等虽然节水，但能耗较大，也无法适当的调节土壤含水量。负压灌溉技术可以在不需要提供任何动力的条件下湿润土壤，满足作物需水要求，节水节能。利用特殊材质陶土管的负压灌溉系统对节水节能以及满足作物需水要求方面更加有利。本文在此基础上利用试验研究对负压灌溉下土壤水分运移规律进行了探讨，分析各项数据得出以下结论：在陶土管内负压为14cm时的负压灌溉系统下，可以实现负压灌溉。土壤湿润范围越来越大。土壤含水量随着时间的推移而增加，最终土壤达到一个最大含水率值，并且维持在一个恒定数值，说明此系统可以实现土壤水分的自我调节。

（致谢：感谢天津农学院水利工程学院试验教学中心平台提供试验场地，感谢金建华老师和杨奎明老师对试验提供的帮助。）

参考文献

[1] 江培福，雷廷武，Vincent F. Bralts，等.土壤质地和灌水器材料对负压灌溉出水流量及土壤水运移的影响[J].农业工程学报，2006，22（4）：19-22.

[2] 刘明池.负压自动灌溉水蔬菜栽培系统的建立与应用[D].北京：中国农业科学院，2001.

[3] 江培福.负压灌溉技术原理及其实验研究[D].北京：中国农业大学，2006.

[4] 梁锦涛.负压灌溉土壤水分运移特征研究[D].太原：太原理工大学，2011.