不同负压灌溉条件土壤水分运移规律研究

郑福丽，孙泽强，谭德水，张柏松，江丽华

(山东省农业科学院农业资源与环境研究所/农业部黄淮海平原农业环境重点实验室/山东省植物营养与肥料重点实验室，济南 250100)

0 引 言

近年来，随着水资源短缺问题日益凸显，节水农业越来越受到人们的重视，节水农业技术也得到了迅速发展。截至2013年底，全国高效节水灌溉面积为1.43×107hm2，其中喷灌为3.00×106hm2、微灌为3.87×106hm2、低压管道输水为7.40×106hm2；农田灌溉水有效利用系数提高到0.52，单方灌溉水粮食产量增加到1.75 kg，通过节水灌溉方式肥料、农药利用率提高了5%～20%[1]。

从目前中国推广应用一些节水灌溉技术的效果看，低压管道输水灌溉可节水20%～30%，滴灌可节水70%～80%，喷灌可节水40%～50%[2]，可见推广先进节水灌溉技术和提高管理水平的节水潜力是巨大的。然而在灌溉中经常会遇到水源水位低于农作物种植物面的情况，此时使用这些节水灌溉技术时，还要考虑提水加压的问题，这无疑又增加了灌溉设备的技术难度和经济成本。基于这种背景下，一种新型的负压灌溉技术得到了人们的关注和应用，它的主要特点是灌溉水源点低于灌水器的高程，运行时供水头为负值，利用植株水分生理特征和土壤张力特性，实现植株对水分“连续自动获取”，使土壤水分“持续恒定”地控制在某一水平[3,4]。利用负压灌溉技术在观赏花卉苗木等高经济价值植物上也屡有应用[5-9]。

作为一种新型的节水灌溉技术，深入研究其工作原理和影响因素，将有效的解决因水资源短缺而引起的一些灌溉问题。本文以水力学和土壤水动力学为基础原理，通过室内试验，分析研究了不同负压灌溉条件下水分在土壤中的运移规律和土壤水分分布特征，为负压灌溉技术的研究提供理论依据和技术参数。

1 材料和方法

1.1 试验装置

有机玻璃土槽高40 cm，长45 cm，宽30 cm,内壁厚0.5 cm。渗水管(陶土制成：圆柱形，管长25 cm，外径1.8 cm，内径1 cm)横插在有机玻璃土槽左上侧，距离土表面10 cm，距离容器侧壁5 cm。储水桶高47 cm，内径18.94 cm，储水桶截面积281.6 cm2，容积13.5 L。储水桶外带软管观测视窗和负压装置。储水桶与渗水管通过软管相连，试验时用负压装置来控制土壤灌水速率。储水桶放置于土槽的左后方，距离40 cm左右，储水桶固定在垫板上方以保持储水桶出口高度与土槽渗水管高度保持水平一直，不产生压力差。

图1 试验装置示意图Fig.1 Schematic descriptions of the experimental

1.2 试验方法

试验土壤为潮土，土壤经过风干后过2 mm筛，按照容重1.30 g/cm3填装土柱,为了装土均匀，采用分层装填的方法，在塑料框上按10 cm为一层划分层次线，共分四层，每层装完将土稍微压实至层次线，在有机玻璃土槽的窄侧面画好网格线、在宽侧面画好扇形线，以便记录湿润锋的运移。

1.3 试验处理

试验设计5个处理，分别为T1：0压灌溉，T2：-5 kPa负压灌溉，T3：-10 kPa负压灌溉，T4：-15 kPa负压灌溉，T5：-20 kPa负压灌溉。通过水银柱连通器控制负压，将所有装置安装完成后将储水桶灌满水封闭后自动进行水分供应。所有处理在同一室内环境下进行。

1.4 测定项目

试验观测项目包括累计入渗量和湿润锋动态。通过储水桶外装的带刻度软管视窗记录入渗土壤的水量，通过有机玻璃槽两侧的网格线记录湿润锋的位置。

以灌完一桶水为一个试验周期，湿润锋的记录时间以锋到达塑料框底部为止，试验结束后取土样测定含水量，取样方法为以陶土管横向的中间位置为起点，每10 cm为一个点，横向纵向分别取土。

2 结果与分析

2.1 不同负压条件对渗水量及渗水速率的影响

在同样渗完一桶10.52 L水的情况下， T1处理用时16 d，平均渗水速率为657.5 mL/d，T2处理用时20 d，平均渗水速率为526.0 mL/d，T3处理用时24 d，平均渗水速率为438.3 mL/d， T4处理用时28 d，平均渗水速率为375.7 mL/d，T5处理用时28 d,平均渗水速率为375.7 mL/d,渗水速率为T1>T2>T3>T4=T5。

由图2可以看出，入渗量随时间的推移呈线性增长。在前2天曲线变化差异不大，随着时间推移，5条曲线差异越来越大，负压越小，曲线斜率越大；负压越大，曲线越平缓，同一入渗时间，负压越大所对应的点越在下方。

图2 不同负压累积入渗量随时间的变化Fig.2 The changing of cumulative infiltration as time going on with different treatment negative pressure treatments

各处理累积入渗量(I)与入渗时间(t)有很好的幂函数关系，拟合参数见表1。由表1可见，各处理的拟合相关性(R)均达0.99以上。幂指数b随负压的不同没有明显的不同，这表明累积入渗量随时间的变化趋势基本相同，系数a为t时间为1时的入渗量，各处理的a值有明显变化，说明不同负压对累积入渗量影响很大，T1处理a值最大，累积入渗量也最大。

表1 不同处理累积入渗量与时间的拟合参数Tab.1 The fitting parameters and related coefficientof cumulative infiltration with time

2.2 不同负压灌水条件下土壤含水量特征

从图3中可以看出，水平方向0～20 cm范围内所有处理土壤含水量均随距渗水管距离的增加减少，垂直方向10～40 cm范围内T1-T3土壤含水量均随距渗水管距离的增加先增加然后减少，并且分别在30、20、20 cm处达到最大值，T4和T5土壤含水量随距灌水器距离的增加而减少，在10 cm处达到最大值，可见，随着水势控制的降低土壤含水量最大值的深度呈减小趋势。土壤含水量变幅随着控制水势下降而增加，下限土壤含水量减小。

图3 不同负压灌水条件下土壤含水量Fig.3 Soil moisture content under the conditions of different negative pressure irrigation

2.3 不同负压条件下水分一维垂直运动

由图4可知，最大垂直湿润距离随时间的增加而增加。各处理的垂直湿润距离随时间的变化很大，负压绝对值越大曲线斜率越低，随时间的增加，斜率将逐渐变小，最后最大垂直湿润距离将趋于稳定。时间相同的条件下负压绝对值越大，曲线斜率越低，所对应的点越高，T1处理的垂直距离最大，其次是T2处理，然后是T3处理，湿润锋运移最慢的是负压最高的T5处理。

图4 垂直湿润距离随时间的变化情况Fig.4 The changing situation of vertical wetted distance as time going on under different negative pressure

最大垂直距离(Y)与时间(t)之间的关系可以用幂函数来表示，即Y=atb，拟合参数见表2。由表分析可知，最大垂直湿润距离与时间之间有很高的相关性，其相关系数均在0.98以上，幂指数b随着负压的不同变化不明显，这表明最大垂直湿润距离随时间变化的趋势基本相同，而系数a有明显变化，说明不同负压对垂直湿润距离的影响很大。a值代表时间为1时的各处理湿润距离，T1处理a值最大为10.86，最大垂直湿润距离也最大。

表2 不同处理最大湿润距离与时间的拟合参数Tab.2 The fitting parameters and related coefficient ofmaximum wetted distances with time

注：a为t=1 d时水分在Y方向上的湿润距离，cm；b为指数；t为灌水时间。

2.4 不同负压条件下二维空间水分运移

图5为灌水第1天、第5天和第10天各处理湿润锋在水平垂直方向的运移情况。试验发现，不论在哪种负压条件下，不同时间不同负压的湿润体均近似于半椭球体。灌水时间相同时，负压绝对值越大，湿润锋在水平和垂直方向的距离越小，湿润体体积就越小。同一处理中，开始时湿润锋运移速度较快，相等时间间隔下的湿润线较稀疏，随着时间的增长，湿润锋运移速度越来越慢，相等时间间隔下的湿润线也越来越密。

注：▲代表T1处理，■代表T2处理，◆代表T3处理，●代表T4处理，﹣代表T5处理。图5 湿润锋运移状况记录Fig.5 The migration status of wetting front

3 结 语

本文利用室内模拟实验，在不同负压灌溉条件下对土壤水分运移规律进行了监测，研究其运移规律能够指导渗水管与作物根系相对位置的科学排布，有利于及时对根系需水进行实时响应，以便达到高效利用水的目标。本试验结果得出：不同负压条件下的负压灌溉湿润体均为近似椭球体，其水分入渗量及湿润锋的运移均与时间呈显著幂函数关系，这与前人研究[10-12]有相似之处，由拟合的幂函数可以预测一定时间内的土壤水分运移情况以及一定时间内的土壤水分入渗量。土壤水分单位时间入渗量随负压绝对值增大而减小。不同负压条件下其湿润锋的运移速度也不同，负压绝对值越大，一维方向的垂直运移越缓慢，二维方向的湿润体体积也越小。无压灌溉下水分运移最快，负压绝对值越大土壤水分运移越缓慢，这与陶锦涛等人[13-16]的研究也基本吻合。土壤含水量变幅随着控制水势下降而增加，下限土壤含水量减小。随着控制水势负压的降低土壤含水量最大值的深度呈减小趋势。主要是因为当水势控制较高时，土壤水分的运动由土壤基质和重力势共同作用；当水势控制较低时，土壤水分的运动主要依靠土壤基质势来驱动，重力势的作用可忽略。

负压灌溉可以实现土壤水分的自动调节，可以在不使用任何动力的条件下实现湿润土壤，满足作物需水要求，节水节能。

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