垄沟集雨种植系统水分入渗特性模拟研究

刘玉华，史纪安，王帅飞，张少杰

(河南科技大学 农学院, 河南 洛阳 471023)

水资源短缺是世界性难题，提高降雨资源化利用效率是旱地农业的首要选择。农田垄沟集雨种植技术(又称微集水种植技术)作为旱作农田雨水就地富集叠加利用的一种重要模式，将垄作种植与覆膜种植的优点相结合，借助垄上覆膜等农艺措施使降落于垄面上的雨水汇流入沟内，实现降水由垄面(集水区)向集水沟(种植区)中汇集，从而达到自然降雨集中利用和改善旱作农田土壤水分状况的目的，已成为提高旱地农业生产力的一项重要技术措施并在多种作物和牧草上推广应用[1-7]。

垄和沟是组成垄沟集雨种植系统的2个重要构件，垄沟带型(垄沟宽度及其比例)是垄沟集雨种植的重要技术参数，直接影响垄沟集雨种植技术的实施效果[8-11]。农田垄沟集雨种植技术中由于起垄、覆膜等农事操作改变了农田微地形和下垫面，使得垄沟集雨种植农田降雨入渗特性比一般农田复杂。目前关于垄沟集雨种植技术的研究多限于垄沟宽度比例的优化[12-14]，由于不同作物所对应的特定种植条件导致垄沟带型最优解存在较大差异，很大程度上与垄沟集雨种植系统水分入渗特性以及垄沟宽度对水文过程的影响机理不同有关。

本研究采用试验土槽和人工降雨模拟试验[15-16]，分析了不同带型垄沟在相同降雨事件下的水分入渗分布规律，同时比较垄沟宽度对土壤水分入渗特性和调控效果的影响，以期为农田垄沟集雨种植技术应用中垄沟带型的优化设计提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验装置

试验土壤采自豫西丘陵旱坡地耕作层，属中壤褐土。田间取样时，逐层(以5 cm为一个土层)采集农田地表(0～40 cm)土样，将土样风干后过1 mm筛，调配土壤初始含水率为10%，之后静置24 h促使土壤含水率均一，然后按田间对应土层装入试验土槽，土层间打毛以防止对土壤水分入渗的影响。

试验装置由试验土槽和模拟降雨装置两部分组成，其中试验土槽采用厚度10 mm透明有机玻璃板制作，土槽内部长200 cm、宽20 cm、高110 cm，其底部设置若干排气孔以消除气阻，在有机玻璃试验土槽一侧打孔，预留时域反射仪(time domain reflectometry，TDR)探测孔；另一侧保持清洁透明以便数码相机记录湿润锋动态变化。模拟降雨装置采用针头式降雨器[15]，降雨器为长200 cm、宽20 cm、高30 cm的水箱，底部均匀排布7号注射针头，通过改变降雨器内的水位调节降雨强度，模拟降雨全部进入试验土槽内。

1.2 试验设计与测试项目

试验时土壤填装体积为200 cm×20 cm×100 cm，试验设计降雨强度为16 mm/h，降雨量24 mm，试验历时81 min。试验土槽内分别设计宽带型垄沟(沟宽、垄宽均为60 cm)和窄带型垄沟(沟宽、垄宽均为45 cm)，2种垄沟均为1∶1带型，垄高15 cm[3,5,17-18]。基于垄沟集雨沟(种植区)水分入渗的对称性，在土槽内开挖1/2垄沟系统，其垄沟断面如图1所示。试验开始前24 h，在垄上覆膜并将膜垂直固定于垄沟交界处土中，为消除垄沟开挖和覆盖地膜等操作对土壤水分分布的影响，在土槽内土壤表面覆盖薄膜保墒静置24 h，以促使土槽内各部分土壤含水率达到一致[16]。

图1 1/2垄沟集雨系统断面示意图Fig.1 Schematic diagram of semi-rainwater harvesting system cross section

本试验拟在人工降雨的3，5，7，9，11，16，21和81 min对土壤湿润锋运移轨迹进行拍摄，设定时间后伴随降雨进程用数码相机自动记录垄沟断面土壤湿润锋运移图像，试验结束后标定图像参照系，将所记录湿润锋图像用光栅图矢量化软件系统(R2V)矢量化后，导入地理信息系统(GIS)，提取湿润锋面积，并计算湿润锋运移累计面积及变化速度[19]。为观测土壤水分横向运动，将垄面从垄沟交界到垄中心距离3等分，等分点分别记作垄腰和垄顶(图1)，在沟中心、垄沟交界、垄腰、垄顶和垄中心5个部位，利用时域反射仪(TDR)连接探针测定不同降雨历时及降雨后0～72 h不同土层(0～5，5～10，10～15，15～20，20～25，25～30，30～35和35～40 cm)的土壤含水率。

2 结果与分析

2.1 不同带型垄沟中集雨沟土壤湿润锋分布特征

湿润锋是水分下渗过程中土壤被湿润的先头部位与干土层形成的明显交界面，湿润锋在空间的分布及其动态，可以间接地反映不同带型垄沟中集雨沟的土壤水分空间分布和入渗过程。图2为相同初始含水率和同一降雨事件下，利用数码相机和地理信息系统(GIS)记录与提取的湿润峰运移动态，其直观显示了不同带型垄沟横截面中土壤湿润锋的分布与入渗信息。

从图2垄沟集雨系统断面可以看出，2种带型垄沟土壤水分入渗所呈现的湿润锋具有相似的空间分布规律，在垄沟交界处土壤浸润锋水平和垂直推进速度大于其他部位，半垄沟集雨系统横截面大致呈现为垄沟交界水分富集区(A)、沟内水分过渡区(B)和沟中心水分次富集区(C)3部分。

在垄沟交界处湿润锋浸润面积较大(图2中A段)，表明垄沟交界处土壤水分出现了富集，这是因为垄面降雨经垄面覆盖的地膜拦截形成径流进入沟内时首先途经垄沟交界处，与该部位承接的自然降雨叠加造成局部水分相对丰沛从而促进水分入渗有关。降雨初期，垄沟交界处表层土壤水分在未达到饱和前水势较高，促使水分持续向垄内横向侧渗、向沟内纵向入渗，表现为湿润锋在垄沟交界处湿润面积和入渗距离增大；随着降雨的持续，垄沟交界处表层土壤水分接近饱和出现积水，径流向沟中心推进，径流破坏了表层土壤结构，降低了水分入渗速度，从而形成了水分过渡区，最后径流抵达种植沟中心，在此相遇形成另一个水分富集区，湿润峰下移深度增大。

如图2所示，尽管2种垄沟带型湿润锋在垄沟交界处均呈现出垂直入渗和横向侧渗增大现象，但窄带型垄沟湿润峰距垄沟交界处最大侧渗距离为6.14 cm，比宽带型垄沟湿润峰距离垄沟交界处的横向最大侧渗距离(7.28 cm)减小了1.14 cm，表明在相同的降雨事件中，同比例(1∶1)带型的湿润锋横向侧渗距离比较接近。但是在垄沟交界处水分富集区，窄带型垄沟的浸润峰面积占整个湿润锋面积的比例(64.03%)大于宽带型垄沟(47.28%)，可知窄带型垄沟中，土壤水分大多渗入于垄侧膜下，而地膜具有土壤水分蓄积保墒效果，故窄带型垄沟更有利于水分蓄积保墒。本研究发现，在宽带型垄沟中，垄沟交界处表层土壤冲蚀搬运现象相对明显，原因是垄面宽度大，容易形成较大径流，径流冲击破坏了垄沟交界处土壤结构，从而产生了侵蚀。

A.垄沟交界水分富集区；B.沟内水分过渡区；C.沟中心水分次富集区A.Water rich area in ridge and furrow junction;B.Water transition zone in furrow;C.Water sub-rich area in the furrow center 图2 不同降雨历时下2种带型集雨垄沟土壤湿润锋的分布状态Fig.2 Distribution of wetting front under different periods of rainfall at cross section of 2 rain water-harvesting systems

2.2 不同带型垄沟中集雨沟土壤含水率分布特征

湿润锋的分布直观地说明不同带型土壤水分入渗存在一定的空间差异性，因此进一步测定了垄沟集雨种植系统中5个测点表层(做图时选取0～30 cm土层，是因为本试验模拟降雨量下湿润锋最大下渗深度为30.38 cm)土壤降雨结束时的含水率，结果如图3所示。

图3 不同带型垄沟中集雨沟土壤含水率的变化动态Fig.3 Soil moisture content of rainwater-harvesting systems

图3显示，同一土层深度下，垄沟交界处土壤含水率最高，其次是沟中心、垄腰。因本试验湿润锋横向侧渗没有到达垄顶和垄中心部位，故这2个测点土壤含水率为初始含水率(10%)。

从图3可知，在垄沟交界处和沟中心，不同带型垄沟中集雨沟土壤含水率随土层深度增加而减少，在到达湿润锋处接近土壤初始含水率。在垄沟交界处，宽带型垄沟土壤含水率从地表的31.64%下降到30 cm土层的11.76%，依然高于初始含水率(10%)；而窄带型垄沟土壤含水率则从地表的30.85%下降到30 cm土层的10%。在沟中心，随着土层深度增加，宽带型和窄带型垄沟土壤含水率分别从29.86%和28.71%下降到了25 cm土层的12.73%和10%。此后窄带型垄沟湿润锋停滞，宽带型垄沟湿润锋继续向下推进至29.8 cm处，与窄带型垄沟相比，最终宽带型垄沟的水分垂直入渗深度增大4.8 cm，表明在相同的降雨事件中，宽带型垄沟集雨沟中的土壤水分下渗深度大于窄带型垄沟。

图3显示，在垄腰处，2种带型垄沟集雨沟土壤含水率均随着土层深度的增加呈先增大后减小的趋势，但窄带型垄沟最大含水率(19.14%)出现在土层10 cm深度处，而宽带型垄沟垄腰处最大含水率(22.12%)出现在土层15 cm深度处，表明在相同的降雨事件中，宽带型垄沟由于其沟底较宽，拦蓄更多雨水，故水分垂直入渗过程受重力作用影响显著，下渗深度更大。

2.3 不同带型垄沟中集雨沟湿润锋运移累计面积及其变化速度

垄沟宽度是农田垄沟集雨种植技术中垄沟系统构建的一个关键参数，垄沟宽度影响垄沟间土壤水分的分布。在相同初始含水率和降雨条件下，2种带型垄沟湿润锋运移累计面积及运移速度见图4。

图4 不同带型垄沟中集雨沟湿润锋运移累计面积及变化速度的动态变化Fig.4 Comparison of wetting front accumulative area and wetted area migration speed

图4显示，2种带型垄沟在接纳雨水过程中的湿润锋运移累计面积存在差异。宽带型垄沟湿润锋运移累计面积在降雨开始的前9 min为339.59 cm2，大于窄带型垄沟(294.1 cm2)；随着时间的延长，在降雨开始10 min后却低于窄带型垄沟；之后在降雨开始15 min后宽带型垄沟的湿润锋运移累计面积再次高于窄带型垄沟；在降雨停止时(81 min)，宽带型垄沟的湿润锋运移累计面积比窄带型垄沟大94.4 cm2。这与起垄覆膜拦截降雨形成径流量随着覆盖面积增加而增大，宽垄面径流快速充满整个种植沟并形成地表积水进而促进入渗有关。

从湿润面积变化速度(图4)来看，2种带型垄沟也存在明显差异。在降雨开始3 min内，2种带型垄沟的湿润面积变化速度接近；之后随着时间的延长，宽带型垄沟的湿润面积变化速度明显高于窄带型垄沟，于降雨5 min时达到峰值48.3 cm2/min，7 min后下降为36.53 cm2/min，被窄带型垄沟超越；在降雨11 min时，窄带型垄沟的湿润面积变化速度达到峰值58.17 cm2/min；在降雨16 min后2种带型垄沟的湿润面积变化速度再次相近，且均表现为随着时间的延长呈减小趋势，这是因为2种带型垄沟沟内表层土壤水分接近饱和，则土壤水分入渗以下渗为主，故2种带型垄沟湿润面积变化速度呈现相似规律。

图4显示，随着时间的延长，2种带型垄沟湿润面积变化速度总体均呈先达到峰值之后又递减的变化规律。这是因为在降雨开始阶段，垄面膜汇集的径流量小于沟内直接承接的降雨量，集雨沟内表层土壤水分尚未饱和，故湿润锋运移速度增大；之后随着降雨时间延长，径流流经垄沟交界处促进沟内土壤水分入渗，由于宽垄面汇集径流量大并且径流冲击破坏垄沟交界处土壤结构，土壤水分很快达到饱和，因此湿润锋运移速度降低。窄带型垄沟径流形成滞后于宽带型，并且径流量小，因此垄沟交界处土壤受到的冲击稍弱，故其湿润面积变化速度峰值较宽带型垄沟大，并且相对滞后。

2.4 不同带型垄沟中集雨沟3个部位土壤含水率之差的分布特征

2种带型垄沟中，由于土壤水分横向侧渗没有到达垄顶和垄中心观测点的土壤内，并且人工降雨24 h后才下渗至深度25 cm左右土层内，在人工降雨72 h后才下渗至深度30 cm左右土层内，故本研究进一步对比人工降雨后0～72 h，集雨沟沟中心、垄沟交界、垄腰3个观测部位2种带型垄沟土壤含水率之差(相同土层中宽带型垄沟土壤含水率W宽与窄带型垄沟土壤含水率W窄之差)的变化，结果如图5所示。图5显示，降雨结束0 h，2种带型垄沟表层土壤(0～10 cm)含水率均接近饱和，故两者土壤含水率之差较小；随着土层深度的增加，在10～20 cm土层，2种带型垄沟土壤含水率差异增大。在沟中心和垄腰相同深度土层中，宽带型垄沟的土壤含水率均大于窄带型垄沟，尤其在深度为13～19 cm的土层内二者差异非常明显；而在垄沟交界处相同深度土层中，2种带型垄沟土壤含水率差异较小。

图5 人工降雨后0～72 h集雨沟不同观测部位2种带型垄沟土壤含水率之差的变化Fig.5 Variation of soil moisture contents in different observation parts during 0-72 h after artificial rainfall in rainwater-harvesting systems

人工降雨结束24 h，垄沟系统不同测点土壤含水率的变化规律与降雨结束时(0 h)相近，2种带型垄沟土壤含水率差异在表层(0～10 cm)土壤中较小，而在深层(10～25 cm)土壤中较大。在沟中心和垄腰相同深度土层中，宽带型垄沟的土壤含水率总体大于窄带型垄沟；而在垄沟交界处相同深度土层中，2种带型垄沟土壤含水率差异较小。

人工降雨结束48 h，3个观测点2种带型垄沟土壤含水率差异在表层(0～15 cm)土壤中较小，在深层(15～30 cm)土壤中较大。在沟中心相同深度土层，宽带型垄沟土壤含水率均大于窄带型垄沟。

人工降雨后72 h，在0～20和20～30 cm土层，2种带型垄沟土壤含水率明显不同。其中在0～20 cm土层，2种带型垄沟土壤含水率无明显变化规律；在20～30 cm土层，宽带型垄沟土壤含水率大于窄带型，且2种带型垄沟土壤含水率差异进一步加大，表明宽带型垄沟土壤水分垂向入渗量较大，有发生深层渗漏的风险。

3 结论与讨论

土壤水分入渗是农田降水或者灌溉水转化为可供作物吸收利用水的重要环节，对于农田管理及其农艺技术措施优化具有重要意义，国内外学者已对土壤湿润体的形状进行了大量研究。针对垄沟集雨种植技术中雨水入渗过程及其变化规律的研究，多是根据观测的土壤水分值拟合趋势线进行推演，耗时且不直观，误差较大。本研究采用数码相机记录湿润锋动态变化，并借用地理信息系统(GIS)强大的图像信息分析功能提取垄沟集雨种植系统中土壤水分湿润锋信息，与管瑶等[20]利用土壤点源入渗自动测量系统监测滴头下土壤湿润研究的原理相同，采用这种方法能够准确描述湿润过程及土壤入渗过程，具有更优越的适时性和精度，且可以直观显示垄沟土壤水分动态，比常规方法切实可行。

农田垄沟集雨种植技术通过起垄、覆膜等农艺措施，将垄上降雨拦截就地转移至邻近种植沟内，集成集雨、蓄水和保墒等优势，促进了旱地农业的发展。带型决定了垄沟系统所承接的降雨总量及水分空间分布特征，但不同带型垄沟的集雨保墒效果存在差异。韩清芳等[3]研究认为，同一比例的垄沟带型随着带型的窄化(垄宽、沟宽减小)，降雨在集雨沟内的垂直下渗也减弱，这与本研究结论一致；但同时认为水分在沟内水平分布的不均匀性降低，这与本试验结论有一定差异。针对一个垄沟单元而言，不同带型垄沟侧渗距离差别较小，在一定宽度内垄沟带型窄化有利于侧渗，这与在相同单位面积上起垄覆膜，窄带型垄沟有助于增加垄沟交界区面积，进而增加垄内水分入渗有关。丁瑞霞等[17]发现，农田宽带型垄沟种植系统中，小麦、糜子和谷子的边际效应明显。本试验中，宽带型垄沟湿润锋分布和土壤水分入渗特性较优，可知垄沟集雨沟(种植区)边际效应明显，不完全是因为边行通风采光等条件优越所致，更与垄沟交界处土壤含水率高有关，这与韩清芳等[3]的研究结论一致，即水分的空间差异性促进了边行边际效应的表达。本试验仅研究了相同降雨事件下沟宽与垄宽为1∶1垄沟的土壤水分入渗和再分布过程，水分分布的差异性如何影响作物，以及不同带型垄沟水分蓄积入渗规律如何，还需大田试验进行验证，以便为垄沟带型优化设计提供依据。

本试验借助数码相机和GIS适时记录与提取湿润锋信息，在室内模拟相同垄沟比例和降雨事件下垄沟集雨沟(种植区)土壤水分的入渗特性，得到以下结论：数码相机结合GIS提取方法能够直观、准确地监测垄沟集雨沟(种植区)土壤水分动态规律；不同带型垄沟集雨沟(种植区)湿润锋在垄沟交界处的横向侧渗和纵向入渗距离扩大，具有垄沟交界部位相似的土壤水分富集特征，是垄沟集雨沟内种植区边际效应的重要诱因；垄沟集雨沟(种植区)表层土壤含水率随着土层深度的增加而减小，不同带型垄沟土壤含水率差异主要集中在沟中心和垄腰部位，不同带型垄沟水分侧向入渗差异较小，土壤水分下渗深度随垄沟宽度增大而加深，窄带型垄沟有利于降低水分损失。