滴灌条件下砂壤土枣林的水分入渗及再分布过程

李长城，李 宏，张志刚，程 平，刘 帮，韩莹莹，孙明森，刁 凯

(1.新疆农业大学林学与园艺学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2.新疆林业科学院，新疆 乌鲁木齐 830000；3.新疆师范大学，新疆 乌鲁木齐 830054)

滴灌条件下砂壤土枣林的水分入渗及再分布过程

李长城1，李 宏2*，张志刚2，程 平2，刘 帮1，韩莹莹3，孙明森1，刁 凯1

(1.新疆农业大学林学与园艺学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2.新疆林业科学院，新疆 乌鲁木齐 830000；3.新疆师范大学，新疆 乌鲁木齐 830054)

本文研究了水分在砂壤土中入渗和再分布的规律特征，为枣树的合理灌溉及有效节水提供依据。以各径级枣树根系在沙壤土中的分布为依据，运用Decagon公司生产的ECH20 土壤水分传感器与48通道的自动数据采集器动态测量其合理的布置，得到灌水期及灌水结束后水分分布的特征值。根据被采集数据的特征值对水分的运移距离、运移时间、运移速率在水平和垂直方向上进行比较,了解土壤水分运移及含水率的变化，绘出灌水结束及水分再分布湿润体模型。结果表明，①在灌水初期，不同滴头流量的水分运移距离，运移速率水平方向均大于垂直方向；②水分再分布湿润体大于灌水结束时湿润体，而在相同位置灌水结束时湿润体含水率大于再分布湿润体含水率；③砂壤土中水分特征值及湿润体分布范围为枣树的灌溉制度提供依据，达到节水目的。

滴灌；湿润体特征值；水分运移距离；土壤含水率

在中国西北地区，水资源的短缺已经制约了社会的发展，减少浪费，节约用水是现今有效的解决办法。新疆是西北缺水严重的地区之一，新疆林果业的发展受到了水的限制，但随着国家对新疆林果业的重视，解决水问题势在必得。新疆年降水量较少，地下水资源短缺，年蒸发量大，我们要利用有限的水去发展更多的林果业这就需要提高水的利用效率，减少蒸发量。为了提高水分利用率，弄清水分在土壤中的运移规律及分布状况是必不可少的[1-6]。前人对不同灌溉方式与不同土壤关系的研究有很多，为了解清楚在自然条件下地表滴灌对原状沙壤土的水分运移规律，本研究主要根据砂壤土中不同径级枣树根系的分布来进行砂壤土中水分的运移规律研究，探究在相同的灌水历时情况下，不同滴头流量在沙壤土中水分的运移变化规律[7-14]。

表1 试验地土壤的主要理化性质

采用由Decagon公司生产的ECH2O 土壤水分传感器并与48通道的自动数据采集器相连进行动态测量，采集数据，对灌水前、灌水结束时、灌水结束12 h后土壤含水率3个重要时刻的数据进行处理分析，从分析的特征值中可以看出在相同的灌水历时下，不同滴头流量其水分运移规律及含水率都不相同，水分再分布范围随灌水量的增加分布范围越大。因此，在同一枣园内、同一灌水历时的情况下，根据不同径级的枣树采用不同流量的滴头，达到节水灌溉目的，同时为枣园灌水的精细管理提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地位于新疆三大枣产业之一的阿克苏地区温宿县境内的新疆林业科学院佳木良种试验站，E80°32’，N41°15’，海拔1103.8 m。基地总面积80 hm2，呈长方形，地势北高南低，南北长1600 m，东西长650 m，地下水位深2.8～3.3 m；属温带大陆性气候，太阳辐射强，昼夜温差大，年降水量少，四季分配不均；春秋季节短，夏冬季节长，时常有倒春寒现象发生；年均气温10.1 ℃，极端低温可达-30 ℃，年均日照时数2747.7 h，≥10 ℃积温2916.8～3198.6 ℃，无霜期195 d。由高山融水冲击形成平原地形[14]。

1.2 试验土壤

试验地土壤的主要理化性质见表1。

1.3 样地选择及布置

在盛果期枣园旁选择一块5 m×5 m的空白地，由于枣园采用大水漫灌，1月灌水1次，平均灌水量300 m3/667m2，因此灌水量较大，在试验地四周向下深挖1.8 m，周围坑壁铺上防渗膜，防渗膜高出地面1 m,然后深坑填土埋实并打起高于地面0.8 m的土垄，将防渗膜多余部分折叠覆盖在土垄上，在填土打垄将防渗膜用土覆盖。

1.4 试验设备与试验方法

1.4.1 试验设备 滴灌设备为滴头流量为q= 4、8、12、16、20 L/h的滴头，自制恒压灌水器(可更换不同流量滴头)，数据监测设备采用Decagon公司生产的ECH2O 土壤水分传感器和48通道的自动数据采集器。

1.4.2 试验方法 本试验于2014年5-9月进行，灌水方式采用自制恒压水器进行滴管(可更换不同流量滴头)，根据枣树根系在沙壤土分布范围设计滴灌历时为8 h，滴头流量为q=4、8、12、16、20 L/h(无重复)实验。以距样树根部15 cm处为原点，与树行垂直挖长2 m、宽0.5 m、深1.8 m的剖面，将ECH2O水分探头插入没有经过扰动的土壤剖面，水分探头布置好后再将土壤回埋浇水压实。在水平方向上，以样地原点(距树干15 cm)0点为起点，距离树干20、40、60、80、100、120、140、160、180 cm布置探头，探头埋深20 cm；在垂直方向上，以0点为顶点，距离地面20、40、60、80、100、120、140、160 cm的深度布置探头。另外布置2条铺设线路，分别与水平方向成30°、60°夹角均匀布置两排探头，总共布置探头31个(图1)。设置数据采集器每隔10 min采集1次数据，试验完毕后待实验样地土壤含水率恢复到原物理状态时(土壤体积含水率约12 %～15 %)，再进行下一流量试验。

1.5 数据分析

采用SPSS 18.0、Excel2010软件进行统计分析，采用SURFER8.0软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同滴头流量对湿润体分布范围及水分运移距离的影响

图2为4、8、12、16、20 L/h不同流量的滴头历时8 h灌水结束时湿润体的分布范围。由图2可知，灌水8 h结束时滴头流量越大其湿润体分布范围也就越大。当q=4L/h时，灌水总量为32 L，水平扩散半径为60 cm，垂直入渗距离为50 cm，水平方向上水分扩散距离大于垂直方向上的入渗距离；当q=20L/h时，灌水总量为160 L，水平方向的水分扩散距离可达120 cm，垂直入渗距离可达140 cm。因此，随着灌水时间的增加，湿润锋运移距离由水平扩散距离大于垂直入渗距离逐渐转变成水平扩散距离小于垂直入渗距离。从湿润体分布范围可以看出水平扩散最大半径深度≥20 cm，与前人研究较为符合[1]。

2.4 两组患者满意度比较 观察组与对照组患者满意度评分分别为(87.6±9.4)分和(72.1±10.5)分，差异有统计学意义(t=3.14，P<0.05)；观察组与对照组满意度分别为84.4%(38/45)和66.7%(30/45)，差异有统计学意义(χ2=6.74，P<0.05)。

图1 ECH2O水分探头布局Fig.1 ECH2O moisture probe layout

图2 灌溉历时8 h时不同滴头流量下湿润体的形状Fig.2 Moist body shape for different dripper discharges in 8 hours

单点源滴灌水分运移过程中的水平扩散半径x(t)与垂直入渗距离z(t)是2个重要特征值，是合理制定灌水系统确定滴头间距的重要依据[17]。图3为灌水历时8 h，5种滴头流量下土壤湿润水平扩散半径x(t)和垂直入渗距离z(t)随着时间t的变化过程。由图3可知，水分垂直入渗距离最大达到160 cm，入渗时间持续到800 min停止；水平扩散距离最大达到180 cm，扩散时间持续到700 min停止，较符合前人对不同径级枣树根系地下分布的研究[14]。在相同的灌水时间下，湿润锋的垂直入渗距离和水平扩散半径都会随着滴头流量的增加逐渐增加，但灌水初期滴头流速对水平扩散半径影响较大，灌水200 min时扩散半径就达到100 cm的位置；灌水结束后，垂直方向水分入渗持续300 min左右，而水平扩散持续200 min左右[16-17]。

图3 湿润锋水平扩散半径与垂直入渗距离变化过程Fig.3 Change of horizontal wetting front and vertical wetting front during infiltration

滴头流量(L/h)Dripperdischarge水平扩散半径Horizontal垂直入渗距离Vertical公式R2公式R24x=2．472t0．5640．997z=1．723t0．5730．9968x=2．166t0．6200．993z=1．653t0．6440．99712x=2．410t0．6330．997z=1．855t0．6420．99316x=2．262t0．6610．995z=2．461t0．6070．99620x=3．331t0．6280．995z=2．534t0．6310．994

注：长度单位(cm)，入渗时间t单位(min)。

Note: The unit of length is ‘cm’, and that of time is minute.

灌水历时8 h的水平扩散半径x(t)、垂直入渗距离z(t)与灌水入渗时间t进行拟合，其幂函数关系如表2，水平扩散半径及垂直入渗距离其决定系数(R2)均在0.993以上。可根据指数函数关系式推测出在一定灌水历时下，水分在水平和垂直方向上的运移距离，这为不同径级枣树精细灌水制度提供理论基础。

2.2 湿润锋平均运移速率分析

2.3 滴头流量对湿润体含水率的影响

用绘图软件SURFER8.0对灌溉过程中各个ECH2O水分探头实测的体积含水率进行绘图(图6)，绘制出灌水时间为8h时，滴头流量分别为4、8、12、16、20L/h的等值线图。对比5幅不同的含水率等值线图，可以得出在滴头下方以及剖面上的含水率变化趋势和规律。

图4 灌溉历时8 h湿润锋平均运移速率Fig.4 Average migration rate of wetting front

滴头流量(L/h) Dripperdischarge水平运移速率Horizontalmigrationrate垂直运移速率Verticalmigrationrate公式R2公式R24x=2．472t-0．4360．996z=1．723t-0．4270．9938x=2．166t-0．3800．983z=1．653t-0．3560．99212x=2．410t-0．3670．992z=1．855t-0．3580．97916x=2．262t-0．3400．983z=2．461t-0．3940．99120x=3．331t-0．3720．985z=2．534t-0．3690．984

注：平均运移速率单位:cm/min，对应入渗时间t单位:min。

Note:The unit of average migration rate is 'cm/min' and that of time is minute.

图5 灌水历时为8 h时不同滴头流量含水率变化Fig.5 The of soil water content in wetted soil under different dripper discharge in 8 hours

2.4 灌水结束后湿润体含水率再分布

由图6可知，当灌水结束后经过12 h水分再分布，当q=4L/h时，水分距离扩散到75 cm,比灌水结束时距离增加了15 cm,垂直距离扩散到78 cm, 比灌水结束时距离增加了28 cm；当q=20L/h时，水分距离扩散到150 cm,比灌水结束时距离增加了30 cm,垂直距离扩散到150 cm, 比灌水结束时距离增加了10 cm；根据上述土壤质地的分布状况，从中可以看出土壤质地不均匀是湿润体在水分再分布过程中的关键因素。图2与图6对比可以看出，滴头中心位置含水率等值线最密集，距离滴头越远等值线越稀疏；经过12 h水分再分布湿润体分布范围增大；中心含水率最大值有所下降。

图6 灌水结束后12 h时不同滴头流量水分含水率变化Fig.6 The soil water content in wetted soil under different dripper discharge after 12 h

3 小 结

(1)在相同的灌水历时下，不同滴头流量造成灌水总量不同，灌水量小的湿润锋水平距离大于垂直距离，灌水量大的湿润锋水平距离小于垂直距离。因此，随着灌水时间的增加，湿润锋运移距离由水平扩散距离大于垂直入渗距离逐渐转变成水平扩散距离小于垂直入渗距离。从湿润体分布范围可以看出水平扩散最大半径深度≥20 cm，与前人研究较为符合[1]。

(2)对水平扩散半径x(t)、垂直入渗距离z(t)与灌水入渗时间t进行拟合，其关系为指数函数，决定系数(R2)均在0.993以上，随着灌水时间的增加，水平扩散半径、垂直入渗距离也随之增加，但幅度逐渐减小；利用幂函数Vx(t)=a1te，Vz(t)=c1tf对水平、垂直运移速率和时间进行拟合，R2均在0.979以上，灌水初期运移速率最大，随着灌水时间的增加，水分运移速率逐渐减小。

(3)对比灌水结束时和灌水结束12 h后水分再分布情况，滴头中心位置含水率等值线最密集，距离滴头越远等值线越稀疏；经过12 h水分再分布湿润体分布范围增大，中心含水率最大值有所下降，综上分析可得湿润体的分布范围及特征值会受到灌水时间、滴头流量大小、土壤质地均匀程度的影响。

本实验是在自然条件下沙壤土空白地进行单点源滴灌实验，灌水历时8 h，得到水分的特征值及变化规律，再结合沙壤土中不同径级枣树根系分布状况，为枣树制定有效的灌溉措施以及合理的管理方式提供理论依据，但本研究只是砂壤土灌水历时8 h的研究状况，后期的不同土壤，不同灌水方式及历时需要进一步的研究[16]。

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(责任编辑 陈 虹)

Infiltration and Redistribution of Water in Sandy Loam Soil under Drip Irrigation

LI Chang-cheng1, LI Hong2*, ZHANG Zhi-gang2, CHENG Ping2, LIU Bang1, HAN Ying-ying3, SUN Ming-sen1, DIAO Kai1

(1.Forestry and Horticulture College, Xinjiang Agricultural University, Xinjiang Urumqi 830052, China; 2.Xinjiang Academy of Forestry Sciences, Xinjiang Urumqi 830000, China; 3.Xinjiang Normal University,Xinjiang Urumqi 830054, China)

In this study, the infiltration and redistribution law characteristics of water in sandy loam soil were investigated to provide the basis for the rational and efficient water-saving irrigation of jujube. Based on jujube root distribution in the sandy loam, ECH2O soil moisture sensors and 48-channel automatic data loggers made by Decagon Company were set to obtain the characteristics value of wetting soil in the stage of irrigation and after irrigation. According to these characteristic values, the moist ratio, time of migration and migration rate in horizontal and vertical direction were compared, understood the changes of soil moisture content and draw wet body distribution range. The result showed that (i) In the early stage of irrigation, the water movement distance and velocity of the different emitter flow rate in the level direction were higher than that in the vertical direction. (ii) The wetted body redistribution water was greater than that of the end of the irrigation water, the water content rate of the end of the irrigation water was greater than that of the wetted body redistribution water in the same position. (iii)The water characteristic values and moist body distributions in sandy loam soil would provide the basis for the irrigation-saving water system of jujube.

Drip irrigation; Characteristic value of wetting soil; Moist ratio; Moisture content of soil

1001-4829(2016)09-2155-07

10.16213/j.cnki.scjas.2016.09.025

2015-09-15

国家林业公益性行业专项项目“新疆特色林果提质增效关键技术研究与示范”(201304701-2)

李长城(1969-)，男，新疆乌鲁木齐人，研究生，专业：森林培育，E-mail: 1097263031@qq.com,*为通讯作者。

S274

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