微润交替灌溉下土壤水分运移特征研究

郭英姿，申丽霞，尹玉娟，张春一

(1.太原理工大学 水利科学与工程学院，太原 030024；2.山西水务工程建设监理有限公司，太原 030024)

微润灌溉技术(Moistube Irrigation,MI)是一种新型节水技术，灌水器由新型高分子半透膜制成，具有纳米孔隙，分布范围10～900 nm，分布密度为104/cm2。微润灌溉以连续、微量、精准的方式向作物根系进行供水，向土壤中供水与植株对水分的吸收同步进行[1]。由半透膜制成的微润管根据膜内外水势调节出水量，因此微润灌溉技术可根据土壤含水量以及植物需水量自动调节供水量，减少灌水冗余，提高水分利用率。交替灌溉技术(Alternative Irrigation)是人为控制根系活动层的土壤在垂直剖面或水平面的某个区域交替处于干燥或湿润状态，这种灌溉方式既可以减少棵间蒸发损失及灌溉用水量，也可提高根系对水分和养分的利用率，在不牺牲作物的光合产物积累的情况下节约灌溉用水[2]。

对于微润灌溉下土壤水分运移特征，薛万来与牛文全等[3-5]等人进行了一系列的室内土箱模拟试验，以探究微润灌溉下埋深、压力水头以及矿化度对土壤水分运移的影响。研究表明：累计入渗量与湿润锋运移距离皆与压力水头呈正相关，与微润管埋深呈负相关；矿化度对湿润体形状影响小，对湿润锋运移距离影响大。魏镇华[6]将微润交替灌溉应用于大棚番茄种植，设置微润管间距40 cm，微润管埋深15 cm，分析不同交替周期对番茄耗水和产量的影响，试验表明，在微润交替灌溉下，番茄根系分布于0～30 cm土层，根区土壤的干湿状态交替刺激了番茄根系吸收的补偿效应以提高根系的吸水吸水能力，在不减少产量的情况下，减少了灌溉用水。目前，还未有对微润交替灌溉下土壤水分运移情况的研究。本试验将微润灌溉与交替灌溉相结合，利用室内土箱试验，研究微润交替灌溉下不同微润管间距对土壤水分运移情况的影响，以期为微润交替灌溉的发展提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验土质

供试土壤取自山西省太原市尖草坪区芮城村。土样经晒干、碾压、均匀混合后，用2 mm孔径筛进行筛选后即为试验用土样。用MS 2000型激光分析粒度仪对土样进行测定，沙粒(2.00～0.02 mm)、粉粒(0.02～0.002 mm)、黏粒(<0. 002 mm)所占比例分别为41.06 %、35.78 %、23.16 %，依据国际制土壤质地划分标准，土壤类型为黏壤土。控制土壤容重1.3 g/cm3，初始含水率为1.38%。

1.2 试验装置

试验装置由2个马氏瓶、土箱、2条供水管道构成(见图1)。土箱为亚克力制成，尺寸为100 cm×40 cm×40 cm(长×宽×高)，土箱两侧距地面高20 cm处各打有2个对称圆孔，圆孔孔径18 mm，用于安装微润管。供水管道为2根φ16黑色PE管与2根微润管，微润管一端连接PE管道，微润管与PE管道交接处设有阀门，另一端用堵头封闭。马氏瓶内径100 mm，瓶身标有刻度，配有细玻璃管与橡胶塞，玻璃管与大气相连，因此玻璃管下方液面保持在大气压强，玻璃管下方液面至微润管安置的水平高度之间垂直距离即为试验所用压力水头。

图1 试验装置

1.3 试验方法

试验为室内试验。土样按每层5 cm分层进行填装，每层土样振捣至设计容重(1.3 g/cm3)后进行层间打毛，使土壤各层间之间充分接触。装土至20 cm时进行微润管安装，2根微润管距土箱中线距离相同。微润管安装结束后，继续装土至设计微润管埋深处。试验开始时，开启阀门①，保持阀门②闭合，仅通过①管进行灌水，4 d后关闭阀门①，开启阀门②，仅通过②管进行供水，8 d后试验结束，关闭阀门②。试验具体设计见表1。

表1 试验设计

试验开始后对马氏瓶刻度、湿润体形态、湿润锋运移距离、土壤含水率进行测量。开启阀门后0～12 h内，每隔2 h观测一次马氏瓶刻度，24～36 h，每隔4 h观测一次，48 h后每隔6 h观测一次。马氏瓶刻度直接于马氏瓶上读取，并计算灌水量。在土箱侧面描绘土壤湿润体形态，对土箱侧面所描绘的湿润体进行拍摄，录入Auto CAD中，用样条曲线法进行描绘。以微润管中心处为原点，T1、T2将水平指向土框长边方向记为X1，T3将水平指向土箱中线方向记为X2，垂直向上方向记为Y1，垂直向下方向记为Y2，使用直尺测量湿润锋运移距离。T1处理将距土箱长边一侧10、20、30 cm处设为1、2、3区，T2处理将距土箱长边一侧15、20、25 cm处设为1、2、3区，T3处理将距土箱长边一侧10、20、30 cm处设为1、2、3区，每过24 h，在土箱3个区域垂直取土，取土深度为0～30 cm，采用烘干法测量土壤含水率。

2 结果与分析

2.1 累计入渗量

将累计入渗量绘制于图2。由图2可知，在微润灌溉下，累积入渗量与入渗时间呈线性增加关系。T1处理，②管函数线段在①管下方，当②管开启时，①管所形成湿润体已扩散至②管圆心处，因此②管圆心处土壤含水率已高于初始含水率，在这种情况下，②管累计入渗量减少。这与陈松明[7]对黄土坡坡地土壤水分运动的试验研究结果相近，当土壤初始含水量很低时，湿润锋的运移主要受控于基质势梯度的大小，而基质势随含水率的升高而降低，因此初始含水率越高，累积入渗量越小。但与张俊[8]等人进行的试验结果不同，在使用土娄土的情况下，累计入渗量随初始含水率的增大而增大。薛万来[9]等人认为，土壤含水率较低的情况下，湿润体边缘的水力梯度较大，促进水分入渗，但土壤含水率较低也会加剧土壤团聚体土遇水后的崩解挤压，造成土壤空隙堵塞，使水分渗入遇到阻力，在不同的试验中，2种情况各不相同，因此各试验中初始含水率对水分入渗情况的影响有所差异。T2处理，②管函数线段略低于①管，在开启②管2 d后，2条微润管所形成的土壤湿润体部分出现重合，但对水分入渗未造成太大影响。T3处理，①管与②管累计入渗量函数相同，2条微润管的水分入渗情况互不影响。

图2 累计入渗量

2.2 土壤湿润体形态

将土箱侧面显示湿润体形状描绘于图3。在本试验各处理中，未开启②管时，土壤湿润体横断面为以①管为圆心的不断向外扩展的近似圆形，开启②管后，3个处理所形成的土壤湿润体开始不同。T1处理闭合阀门①，开启阀门②后，以②管为圆心形成与①管为圆心的湿润体横断面相交的半圆形，随着灌水时间延长，土壤湿润体横断面形状逐渐接近椭圆形，土壤湿润体为沿微润管连续分布的椭圆柱体。T2处理所形成的湿润体断面见图3(b)，开启②管后，②管所形成的圆形湿润锋断面与①管形成的湿润锋断面交汇，形成以2根微润管为圆心的相交圆形。T3处理所形成的湿润体断面见图3(c)，湿润锋断面为2个以微润管中心为圆心的部分圆形，2个土壤湿润体互不影响，独立形成。

图3 土壤湿润体形状

2.3 湿润锋运移距离

谢香文[10]等人的试验说明，与传统滴灌所形成的上小下大的土壤湿润体不同，单管进行的微润灌溉所形成的土壤湿润体横断面形状为以微润管为圆心的圆，而湿润体则是一个沿微润管连续分布的圆柱体，微润灌湿润体可以用湿润半径的变化来进行描述。对于微润灌溉所形成的湿润体，水平2个方向湿润锋运移情况近似，因此对水平方向湿润锋运移情况只观测一侧变化。各处理下①管、②管所形成的湿润锋运移距离与时间t的关系近似于幂函数关系，即X1=atb、X2=atb、Y1=atb、Y2=atb。a为入渗系数，为第1次测量时湿润锋距原点距离；b为入渗指数。拟合结果见表2、表3、表4。

表2 T1处理湿润锋运移距离与时间关系拟合结果

表3 T2处理湿润锋运移距离与时间关系拟合结果

表4 T3处理湿润锋运移距离与时间关系拟合结果

在重力作用下，垂直向下方向湿润锋运移距离大于垂直向上方向湿润锋运移距离。T1处理，在对灌水管道进行交替时，②管所形成的湿润体已到达①管中心处，而后各方向湿润锋随②管进行灌水缓慢向外移动，因此①管与②管入渗系数差别很大，又因②管开启时②管周边含水率已高于初始含水率，所以湿润锋运移缓慢。T2处理，①管与②管所形成的湿润体在前期没有影响，a相近。T3处理2条微润管所形成的湿润体独立存在，函数相似。

2.4 土壤含水率

将土框内不同区域土壤含水率变化绘制于图4。由图4可知，在T1处理中，①管开启后，1区土壤含水率小幅度上升，2区土壤含水率大幅度上升，3区还未受到灌水影响；开启②管后，1区土壤含水率在7 d到达最高值，而后稍有回落，2区土壤含水率继续上升，3区土壤含水率开始上升并超过1区土壤含水率。T2处理中，①管开启后，1区土壤含水率大幅增加，2区与3区土壤含水率基本没有变化，②管开启后，1区土壤含水率在7 d到达最高值，而后开始回落，2区进入土壤湿润区内，土壤含水率大幅度增加，3区土壤含水率逐步增加最终与1区土壤含水率持平。T3处理中，如图4(c)所示，土箱中部区域即2区并未进入土壤湿润区内，土壤含水率没有变化，1区与3区土壤湿润体无相互影响，土壤含水率在开启微润管后变化相似，1区在7 d到达最高点，而后回落。

微润交替灌溉致力于在使用微润灌溉技术的情况下，通过交替灌溉使植株根系部分土壤交替处于干旱与湿润2种状态，从而刺激植株根系补偿效应，提高根系吸水能力。T1处理在累积入渗量最少的情况下，令湿润体范围内土壤含水率皆处于较高水平，但未形成干湿交替。T2、T3处理在①管停止供水后2 d后土壤含水率到达最大值，而后回落，可以在1区、3区形成土壤干湿交替状态，但T2处理2区土壤含水率持续上升，T3处理2区土壤含水率一直保持在较低水平。综合各处理不同区域土壤含水率，T2处理，即20 cm微润管间距最适宜应用于微润交替灌溉。

图4 土壤含水率变化

3 结 论

通过进行室内试验，在1 m压力水头、10 cm微润管埋深条件下，对不同微润管间距下累计入渗量、土壤含水率、土壤湿润体形态及土壤湿润锋运移距离进行观测，可得出以下结论。

(1)10、20、30 cm微润管铺设间距下2管总入渗量分别为6.69、8.95、7.93 L，10 cm微润管间距时总入渗量最低，2条微润管间区域含水率适宜，在大田种植中利于节约灌溉用水，适用于密植植物种植。

(2)20 cm微润管铺设间距可在1区、3区形成土壤干、湿交替状态，且2条微润管中间区域土壤含水率保持在适宜水平，可应用于主根较为发达的双子叶植株，30 cm微润管铺设间距可在1区、3区形成土壤干、湿交替状态，但2条微润管中间区域土壤含水率较低，可应用于根系发达、侧根发生多，有一定耐寒能力的茄果类植株。

(3)10 cm微润管间距下2条微润管形成的湿润体为沿微润管连续分布的椭圆柱体，20 cm微润管间距形成的湿润体为沿微润管连续分布的2个部分重合的圆柱体，30 cm微润管间距形成的湿润体为沿微润管连续分布的2个独立形成的部分圆柱体。

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[1] 周梦娜，全天惠，石 懿．纳米孔半透膜微润灌溉技术研究[J]．温室园艺，2017，37(7)：16-19．

[2] 康绍忠．控制性交替灌溉----一种新的农田节水调控思路[J]．干旱地区农业研究，1997，15(1)：1-6．

[3] 薛万来．压力水头对微润灌土壤水分运动特性影响的试验研究[J]．灌溉排水学报，2013，32(6)：7-10．

[4] 牛文全．埋深与压力对微润灌湿润体水分运移的影响[J]．农业机械学报，2013，44(12)：128-133．

[5] 牛文全，薛万来．矿化度对微润灌土壤入渗特性的影响[J]．农业机械学报，2014，45(4)：163-172．

[6] 魏镇华．交替控水条件下微润灌溉对番茄耗水和产量的影响[J]．灌溉排水学报，2014，33(4/5)：139-143．

[7] 陈松明．黄土区坡地土壤水分运动与转化试验研究[D]．陕西杨凌：西北农林科技大学，2003．

[8] 张 俊．初始含水率对微润灌溉线源入渗特征的影响[J]．排灌机械学报，2014，32(1)：72-79．

[9] 薛万来．微润灌溉土壤湿润体运移模型研究[J]．水土保持学报，2014，28(4)：49-54．

[10] 谢香文．地埋微润管入渗试验研究[J]．新疆农业科学，2014，51(12)：2 201-2 205．