滴灌条件下山区典型土壤水分运移规律分析

吴卫熊，张廷强，何令祖，邵金华

(广西壮族自治区水利科学研究院，南宁 530023)

广西山区包括河池、百色、南宁、柳州、来宾、崇左等6个市的30个县(市、区)，该区域基础设施落后，群众生活较为贫困，农民收入低，是典型的“老、少、边、山、穷”地区。30个县(市、区)中，国家级扶贫开发重点县25个、广西扶贫开发重点县5个。近年来，广西大力开展精准扶贫，引进滴灌等灌溉技术，在山区进行了推广，由于这些技术省工、省时、能实现水肥一体化，不仅能提高作物产量，也能改善作物的品质，深受当地群众的欢迎。

1 材料与方法

1.1 试验装置

试验装置包括：高位水池，球阀、压力表，正方体土箱(长60 cm×宽60 cm×高60 cm)、滴灌管(壁厚0.3 cm、孔间距30 cm、单孔流量2.1 L/h)、PVC-U管、堵头、烘箱、流量计、天平、秒表、墒情站、薄膜纸、水性笔等，如图 1所示。

图1 水分入渗模拟装置示意图Fig.1 Diagram of water infiltration device

1.2 供试方法

(1)供试土壤。根据广西山区土壤类型分布情况，从百色市的田东县、河池市的大化县和崇左市的天等县各取土8 000 kg，测定原状土密度、土壤饱和含水率、土壤田间持水率、渗透系数等指标。将试验土壤风干和碾碎后，过2 mm的筛子筛取后供试验用(见表1)。

表1 试验土壤基本参数指标Tab.1 Basic parameters of test soil

(2)土样填筑。将土样按照每次装入10 cm，然后用平板压实土层，确保填筑后的土壤密度与原状土土壤密度接近，即沙土密度1.55 g/cm3，壤土1.20 g/cm3，黏土1.15 g/cm3装完土样后，密封静置24 h。

在土样填筑同时在深度10、20、30 cm等3层每层距离滴灌管水平方向20 cm位置埋设EDAS 墒情监测站土壤水分测定仪，便于测定不同时间各位置土壤含水率，设置采集间隔为1 min。

(3)试验步骤[1,2]。由于只观测整个湿润体的一半，用防水胶布在将滴灌管背侧中间粘贴到土箱壁，防止水分从箱壁下渗。①填筑土壤，埋设设备；②调整、校核试验滴灌管试验工作压力，确保滴灌管首部压力为0.1 MPa；③开始试验观测。主要观测指标包括横向湿润锋变化、竖向湿润锋变化、滴灌管纵向湿润锋变化、不同时间EDAS 墒情监测站土壤水分测定不同深度土壤含水率变化，灌水结束后测定土体内土壤水分分布情况。

湿润锋变化通过标记法测定：用画笔在土箱壁上标定在预定的时间沿着湿润锋图曲线描线。

不同时间EDAS 墒情监测站土壤水分测定仪不同深度土壤含水率变化直接通过电脑读数。

灌水结束后土体内土壤水分分布情况通过取土烘干法测定：以土箱壁为起点，在竖直方向每隔10 cm取一个样，在水平方向每个5 cm取一个样，取样后通过烘干法测定不同位置土壤质量含水量。

2 试验结果与分析

2.1 地埋条件下滴灌管在不同土壤的出流量

在工作压力0.1 MPa条件下，分析滴灌管在地面自由出流和地埋条件下单米的流量。地面自由出流条件下，滴灌管的单米流量为6.17 L/h，地埋黏土、壤土和沙土条件下滴灌管的单米流量分别为4.17、5.92和6.10 L/h，分别为地面自由出流的67.58%、95.05%和98.87%，滴灌管在各土壤出流量关系为：沙土>壤土>黏土。滴灌管在3种土壤下灌水流量差异比较显著(见表2)。

表2 灌水器地埋出流量 L/(h·m)

2.2 土壤类型对湿润体形状的影响

由图2可知，滴灌管在黏土中地埋20 cm湿润锋的形状基本上为圆形，灌溉时间5.1 h，每米滴灌管流量31.47 L，纵向湿润深度50.2 cm，横向湿润宽度33.6 cm，在运移时间内土壤水分单位时间运移距离大致相等。滴灌管在壤土地埋20 cm的湿润锋随着时间推移，由圆形逐渐变为椭圆形，越往后重力对水分运移的影响越大，椭圆长轴越长，单位时间湿润锋运移纵横距离差距也增大；在壤土内灌溉5 h，每米滴灌管的流量29.59 L，纵向运移深度54 cm，横向运移宽度31 cm。滴灌管在沙土的湿润锋运移形状为椭圆形，灌溉6 h，每米滴灌管的流量25 L，纵向运移深度53 cm，横向运移宽度26 cm。

图2 黏土、壤土和沙土湿润锋运移图(单位：min)Fig.2 Migration map of wetting front in clay、loam and sand soil

2.3 灌水后土壤水分空间分布情况

图3为灌溉后经墒情站观测和取土烘干测得的土壤水分的分布情况。黏土、壤土和沙土的初始体积含水率分别为15.8%、10.0%和6.5%。广西山区黏土、壤土和沙土的土壤中含水率均是从出水孔的位置往四周含水率降低的趋势，出水孔附近含水率均处在饱和含水率附近的较高水平，在湿润体边缘含水率迅速降低。土箱同样位置黏土的土壤含水率最大，壤土次之，沙土最小。从含水率变化梯度来看，黏土梯度最大，壤土次之，沙土最缓，即黏土的保水性能最强。滴灌管为有压入渗，水量分布受重力以及水压力的影响较大。

图3 黏土、壤土和沙土滴灌土壤水分分布图Fig.3 Soil water distribution of clay、loam and sand soil

2.4 灌水后各深度土壤水分分布情况

图4为滴灌管在黏土、壤土、沙土3种土壤下不同深度土壤含水率变化曲线。各深度的土壤含水率均呈抛物线形状，黏土的最大含水率较高，壤土次之，最后为沙土。黏土、壤土和沙土的土壤最大含水率为52%、45%和34%。黏土最大含水率出现在20 cm深度，其次是30和10 cm处，60 cm含水率最低。壤土各深度的土壤含水率差距不大，但60 cm处的土壤含水率最高。沙土也是60 cm处的土壤含水率最高，地表土壤含水率最低。黏土中重力对水分分布的影响较小，水分分布主要仍然是土壤影响；壤土、沙土水分分布受重力影响较大，土壤水分在出水孔下部积累，往上运移较少。

图4 黏土、壤土和沙土不同深度含水率变化曲线Fig.4 Variation curves of water content in different depth of clay、loam and sand soil

2.5 湿润锋运移距离

图5为滴灌在黏土、壤土、沙土中的湿润锋的运移位置随时间变化情况图。以滴水孔所在深度为中心线，往上为向上湿润，往下为向下湿润，水平方向为横向湿润。湿润比为纵向湿润距离与横向湿润距离的比值。黏土中湿润体横向运移速率大于向下运移速率大于向上运移速率，壤土、沙土中湿润体向下运移速率大于横向运移速率大于向上运移速率，向下湿润比不断增加，向上湿润比减小，沙土壤土向下湿润比灌水后可大于1。

图5 黏土、壤土和沙土湿润锋运移距离Fig.5 Distant of front migration in clay、loam and sand soil

滴灌在黏土中横向运移最快，其次向下运移，最后为向上运移；在壤土和沙土中向下运移的最快，横向运移次之，向上运移较慢。在这3种土壤，湿润速率均随时间延长而减慢。

3 结 语

(1)滴灌管地埋黏土、壤土和沙土中出流量会有不同程度减小，地埋滴灌管的出流量在地面出流量的67.6%～98.8%。

(2)黏土中滴灌管的湿润体为圆形，壤土以及沙土中滴灌管的湿润体为上小下大的椭圆形。

(3)滴灌管在黏土中含水率最高位置是出水孔处，壤土、沙土的最大含水率分别在出水孔往下的5和15 cm处。

(4)设计湿润深度40 cm时，黏土、壤土和沙土分别需要灌水15.0、14.8和12.5 L；设计湿润深度50 cm时，黏土、壤土和沙土分别需要灌水24.0、22.0和21.5 L；设计湿润深度60 cm时，黏土、壤土和沙土分别需要灌水31.0、29.0和25.0 L。

(5)根据各种土壤水分运移规律，提出滴灌管在广西山区黏土、壤土、沙土的适宜埋深分别为20、15和10 cm，以保证水分保持在根系区，避免地表蒸发和深层渗漏，提高水分利用率。

(6)滴灌应用在山区条播作物时，在黏土、壤土、沙土的滴孔适宜间距应为35、30和25 cm，确保湿透土壤。

[1] 马金宝，毕建杰，白清俊，等.宽垄沟灌覆膜条件下土壤水分运移初探[J].节水灌溉，2007,(2)：10-13.

[2] 程东娟，雍 芳，侯毅凯，等.注射灌土壤水分运移分布特性试验研究[J].节水灌溉，2012,(3)：19-24.