基于人工降水模拟的不同灌溉方式下土壤水分入渗

万爽+何俊仕+付玉娟+杨钦

摘要：针对半干旱地区水资源以及灌溉方式问题，通过人工降水模拟结合正交试验的方法，对不同灌溉方式下土壤水分入渗进行研究，设置了漫灌、沟灌、膜下滴灌3种不同灌溉方式，田间持水率的50%、60%、70% 3种不同土壤初始含水率，10、20、30 mm/h 3种不同降水强度进行正交试验。结果表明，降水强度对土壤含水率的变化速率影响最大，降水强度越大，土壤含水率的变化值越大，且不同时间影响程度不同；在同一降水强度下，随着土壤初始含水率的增加，土壤的入渗越慢；不同灌溉方式比较的结果表明，膜下滴灌的膜外入渗最快。研究结果为揭示灌水方式对土壤入渗的影响，为研究土壤水运移和地下水入渗补给提供了参考。

关键词：降水模拟；正交试验；灌溉方式；土壤水分入渗

中图分类号： S275

文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2016）04-0401-04

在半干旱地区由于降水不足，水资源短缺，因此需要充分利用雨水资源，而减少地表径流、增加降水的入渗率则是提高降水利用率的有效途径[1]。土壤水是联系降水、地表水和地下水的重要环节，研究土壤水分与降水之间的关系对解释降水径流产生机制，以及土壤水分再分布、土壤水分运移、对地下水的补给研究都有着重要的作用[2]。降水（灌溉水）入渗补给受到很多因素的影响，如植被、土壤性质、土壤前期含水量、降水强度、降水历时以及地下水埋深等都会影响土壤水的下渗以及下渗率[3-4]。土壤入渗性能对于水资源高效利用、农业灌溉和水文环境等具有重要的意义[5]。

土壤水分入渗是水分在土壤内部分布的一个动态过程，因此，土壤初始含水率的变化必然影响土壤入渗过程。刘汗等研究表明，土壤的入渗性能随着降水强度和初始含水率的增加而降低[6]；刘目兴等研究表明，随着土壤初始含水率的增大，林地和草地下土壤初始入渗率减小，入渗趋于稳定所需时间缩短，累积入渗量和稳定入渗率增大[7]。吴发启等研究表明，土壤稳渗速率与降水强度呈幂函数关系，随着含水率的增加，土壤入渗速率减小；随着时间的延续，含水率对入渗的影响变小到可以忽略[8]。王国梁等研究表明，不同土地利用方式对土壤含水率有不同的影响[9]。刘宏伟等研究了湿润地区的土壤水分，并探讨了其对降水的相应模式[10]。李裕元等也证明了入渗率与降水历时也呈幂函数关系[11]。郝芳华等研究表明，土壤水动态与灌溉或降水关系密切[12]。本试验采用人工降水法研究土壤水入渗变化，通过降水模拟器模拟天然降水[13-15]，为揭示灌水方式对土壤入渗的影响效应、寻求增加和减少降水入渗的临界控制条件以及为得到土壤水运移和地下水入渗补给的规律提供参考。

本研究采用正交试验设计，找出最优的水平组合，通过试验结果分析，了解全面试验的情况[16]。

1 材料与方法

1.1 试验实施

试验设在辽宁省朝阳市建平县灌溉试验站，该站位于119°18′36″E、41°47′18″N，建平县属于干旱半干旱过渡带季风性大陆性气候，全县多年平均降水量438.3 mm，年内降水变化较大且分布不均，降水多集中在6—8月，多年平均蒸发量为1 850～2 200 mm；多年平均径流深50～81 mm，多年平均气温6.7～10.0 ℃。

本试验在测坑进行，每个测坑长2.0 m、宽2.5 m、深2.0 m，采用C25钢筋混凝土整体浇注。测坑之间用8 mm厚的钢板隔开，并高出地面0.15 m，以防止小区径流流出及区外径流流入。测坑内铺设0.5 m的滤层，中间设出水口，出水口外放置1个直径0.3 m、高0.4 m测定指标的径流桶，用以收集径流。小区上方有遮雨棚可以避免降水对试验的影响。

1.2 试验设计

为了研究不同的灌溉方式（裸地漫灌、沟灌、膜下滴灌）、初始含水率、降水强度对水分运动的影响，本试验设置3个变量，分别为灌溉方式、初始含水率、降水强度。灌溉方式选取裸地漫灌、沟灌、膜下滴灌；初始含水率选取田间持水量（21%）的50%、60%、70%；降水强度选取10、20、30 mm/h。灌溉方式、初始含水率与降水强度各设3个水平，试验选取3因素3水平正交，试验因素与水平见表1，试验分组的具体参数见表2，试验组示意见图1。

1.3 仪器与设备

降水模拟系统采用QYJY-5 O 1便携式野外模拟降水器，它主要由供水系统、降水系统、动力系统3大部分组成。降水模拟器的降水量、雨型、降水强度可通过选定喷头（大雨、中雨、小雨）调节供水压力来完成。含水率数据采集采用HOBO U30 NRC数据采集器（10个智能数字通道接口， 15个数据通道，10 A·h蓄电池）Soil Moisture-10HS土壤水分传感器，5 m缆线。尺寸：160 mm×32 mm×2.0 mm，测量范围：0～57% 土壤体积含水率，可测盐土。测量体积1 L。

2 结果与分析

本试验首先采集降水过程中不同深度、不同位置的土壤含水率，然后选取某一位置、某2个时间点的土壤含水率变化值，求其瞬时土壤含水率变化速率，公式如下：

2.1 土壤含水率变化速率的综合分析

土壤含水率的变化速率是分析土壤水分运移的重要参数，可确定灌溉方式、土壤初始含水率、降水强度对其影响的主次，对土壤水入渗研究具有重要作用。

由表3可以看出，降水0.5 h时，土壤平均含水率的变化速率极差：降水强度（10.83）>初始含水率（10.19）>灌溉方式（4.90），即降水强度对平均土壤含水率的变化速率影响最大，土壤初始含水率次之，灌溉方式最小；同理可知，降水后降水强度对平均土壤含水率的变化速率影响最大，灌溉方式次之，土壤初始含水率最小。由于降水初期，降水时间较短，土壤含水率的变化相对较快，所以初始含水率的大小对其影响较大；然而由于长时间的降水，土壤含水率基本达到饱和，其变化值相对较小，所以初始含水率对其影响减小，但是3种不同的灌溉方式（漫灌、沟灌、膜下滴灌）改变了土壤下垫面，如膜下滴灌覆膜阻碍了水分的运移。但是不管降水时间的长短，降水强度都是对土壤含水率的变化速率影响最大的因素。

从图3可以看出（P表示田间持水率，即设置田间持水率的50%、60%、70%分别为0.5 P、0.6 P、0.7 P），漫灌的速率最大，沟灌次之，膜下滴灌最小；初始含水率越小，变化速率越大；降水强度越大，变化速率越大。从图4可以看出，沟灌的速率最大，漫灌次之，膜下滴灌最小；初始含水率越小，变化速率越大；降水强度越小，变化速率越大。由此可以看出，降水强度在降水初期和后期对其变化速率影响发生了明显变化，由于降水后期土壤几乎达到饱和，降水强度越大，饱和越快，所以变化速率越小。

2.2 降水强度对土壤入渗性能的影响

不同处理的土壤含水率变化过程见图5、图6、图7，沟灌测定垄沟处的含水率，膜下滴灌测定膜边处的含水率，这样与漫灌进行对比可以尽量减少其他条件所带来的误差。在稳定降水强度下及同一灌水方式下，随着降水强度增大，土壤含水率变化值随之增大，当时间不断延续，含水率变化则将达到某一定值。原因在于在降水初期，土壤含水率相对较低，土壤处于不饱和状态，随着降水强度不断增大，土壤吸收水分增多，当土壤达到饱和状态时，土壤含水率将不再变化；无论是漫灌、沟灌还是膜下滴灌都符合这一规律。

2.3 土壤初始含水率对土壤入渗性能影响

由于降水强度对于土壤入渗影响较大，所以保证降水强度一致，从图8可以看出，在同一降水强度（30 mm/h）下，A3B1C3（即土壤初始含水率为田间持水率的50%）处理土壤含水率首先达到定值（即饱和含水率），然后A2B2C3处理（即土壤初始含水率为田间持水率的60%）达到定值，最后为A1B3C3处理（即土壤初始含水率为田间持水率的70%），即随着土壤初始含水率的增加，土壤入渗减慢，这一结论与土壤入渗过程的研究结果是一致的。当土壤初始含水率为10.5% 时，降水1h时达到稳定；当土壤初始含水率为12.6% 时，降水2 h时达到稳定；当土壤初始含水率为14.7% 时，降水3 h后才达到稳定，即随着土壤初始含水率的增加，由于初始含水率越低，土壤水分下渗越快，所以达到饱和的时间就越快。

2.4 不同灌水方式对土壤含水率的影响

膜下滴灌，初始含水率为14.7%、降水强度为20 mm/h条件下的土壤含水率变化见图9；膜下滴灌，初始含水率12.6%、降水强度10 mm/h的土壤含水率变化见图10；膜下滴灌，初始含水率10.5%、降水强度30 mm/h的土壤含水率变化见图11。从图中土壤含水率变化的先后顺序可以看出：对于膜下滴灌，降水垂直入渗先是膜边，接着垄沟，最后是膜中，原因在于覆膜状态下，降水后雨水被薄膜阻碍而汇聚流到膜边，所以膜边吸收水分多、入渗快；然后是垄沟部分，这是由于垄沟部分没有雨水汇集，也没有薄膜的阻碍作用；最后是膜中部分，由于薄膜覆盖导致入渗最慢。

沟灌、初始含水率10.5%、降水强度20 mm/h的土壤含水率变化见图12，沟灌、初始含水率12.6%、降水强度30mm/h的土壤含水率变化见图13，沟灌、初始含水率14.7%，降水强度10 mm/h的土壤含水率变化见图14。可以看出，沟灌、沟内中间的降水入渗量较多，垄边次之，垄上中间最少，主要是由于沟灌起垄，改变了土壤的下垫面，下垫面越低其入渗越快；由于漫灌和沟灌均没有薄膜覆盖，3种灌水方式下的降水入渗过程进行对比可知，膜下滴灌的膜外入渗最快，影响深度最大。

3 结论

利用人工降水模拟结合正交试验，得出了灌溉方式、土壤初始含水率、降水强度对土壤含水率变化速率的影响程度，分析不同灌水方式、土壤初始含水率、降水强度对土壤入渗的影响，得出以下结论：（1）降水强度对土壤含水率的变化速率影响最大，同一灌水方式下，降水强度越大，土壤含水率的变化值越大；（2）不同灌溉方式比较的结果表明，膜下滴灌的膜外入渗最快，主要原因是由于覆膜导致水滴凝聚累积沿膜入渗；（3）在同一降水强度下，随着土壤初始含水率的增加，土壤的入渗减慢。

本研究尚处于初步试验阶段，今后可进一步考虑田间原位试验研究，为土壤水运移以及地下水入渗补给研究提供参考。

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