玉米地下滴灌适宜的毛管铺设参数及灌水定额研究

王荣莲，莫 彦，任志宏，史吉刚，宋日权

(1.内蒙古农业大学职业技术学院，包头 014109；2.内蒙古自治区水利科学研究院，呼和浩特 010051； 3.中国水利水电科学研究院水利研究所，北京 100048)

0 引 言

地下滴灌一般将毛管埋设于土壤耕作层以下，可以将水和养分直接输送到作物根区附近[1,2]，相比膜下滴灌，具有更加明显的减少棵间土壤蒸发及节水增产等优势[3-8]。地下滴灌不需每年更换滴灌带[9]，也不需覆膜，避免了膜灼伤滴灌带[10]，同时也避免了膜残留造成白色污染[11]。此外，地下滴灌能够显著促进作物根系生长[12]。就国内地下滴灌技术的应用现状而言，其铺设参数(毛管流量、布置间距等)及灌溉制度大多依然主要借鉴地表滴灌。由于地下滴灌的毛管是埋设在土壤中，其滴头出水流量与土壤质地类型关系密切，土壤水分运移规律与地面滴灌差异较大[13-15]，故研究适宜的地下滴灌毛管铺设参数，制定与作物匹配的合理灌水定额至关重要。

Devitt、Lamm和Camp等[16-18]研究认为，毛管埋深需与土壤理化性质、作物根系分布和田间耕作要求等相适应。此外，当使用地下滴灌系统在萌芽期给作物种子供水时，若毛管埋深太大，水分难以上升到种子埋设位置，作物出苗会受抑制[19-21]，也不利于作物生长初期根系较浅时对水肥的吸收和利用；但若毛管埋深太浅，则会影响秋收和春耕时的机械作业。De Tar等[22]通过试验表明：地下滴灌系统如需多年使用并每年耕作，则毛管埋深宜为20～70 cm。诸葛玉平[23]等认为，地下滴灌适宜的毛管埋深应该是在充分湿润计划湿润层的同时尽可能减少土壤水分深层渗漏。毛管铺设间距除了与作物种类、种植株行距、土壤类型、气候条件等有关外[24，25]，还与毛管埋深、滴灌带类型和滴头流量有关[26]。在沙质土中，毛管间距宜小些，在黏质土中，毛管间距宜大些。另外，滴头流量较大时，毛管间距可稍大，滴头流量较低时，毛管间距应稍小[23]。Ben-Asher[27]等用土壤水分运动模型确定地下滴灌的毛管埋深和间距，但对实际运用的土壤是否适用需要经过试验验证。李英能等[28]对地下滴灌毛管的间距进行研究，提出了均质壤土中计算毛管铺设间距的经验公式：B=2mH+D，其中B为毛管间距；H为灌水终止时管顶以上土壤水分扩散距离;m为水平与垂直向上扩散距离比;D为毛管直径。地下滴灌玉米的毛管铺设参数与多种因素有关，目前的研究成果尚不完善和统一。本研究利用不同土壤质地的土壤，研究了地下滴灌滴头流量、毛管埋深和灌水定额对湿润半径的影响规律，并结合内蒙古中部地区玉米常见的种植行距和滴灌带铺设间距之间的关系，确定了玉米不同土壤质地类型下适宜的毛管埋深、灌水定额及相应的毛管铺设间距，相关结论可为同类型地区地下滴灌技术的应用推广提供参考与借鉴。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验于2016年在内蒙古呼和浩特市东郊园艺科技试验中心的日光温室内进行。试验毛管选用目前国内外常用的3种类型毛管：内镶贴片式、单翼迷宫式以及内镶圆柱式，在额定工作压力0.1 MPa条件下，3种毛管额定流量分别为1.53、2.57及3.62 L/h，毛管壁厚分别为0.3、0.2及0.6 mm，滴头间距均为30 cm。3种质地的试验土样分别采自内蒙古自治区具有代表性的东部赤峰市松山区，中部呼和浩特市后桃花村，以及西部巴彦淖尔市磴口县。试验前，先对土壤容重、颗粒组成、田间持水量等项目进行取样测试，用环刀取0～20、20～40、40～60、60～80 cm原状土，用烘干法测试各层容重；取0～40 cm土壤用筛分法测试土壤颗粒组成，确定土壤质地；用环刀法测试0～20、20～40、40～60、60～80 cm土壤田间持水量及初始含水率。土壤颗粒组成见表1，容重、田间持水量(体积含水量)和初始土壤含水率(体积含水率)见表2。

表1 0～40 cm土壤颗粒组成Tab.1 Composition of soil particles from 0 to 40 cm

表2 土壤容重、田间持水量和初始土壤含水率Tab.2 Soil bulk density, field capacity and initial soil moisture content

根据国际制土壤质地分级标准，采自赤峰市的土壤为黏壤土，呼和浩特市土壤为壤土，巴彦淖尔市土壤为沙壤土。

1.2 试验装置及试验设计

1.2.1 试验装置

试验装置由供水水箱、水泵、输水管、土箱、毛管、压力表、浮子流量计、阀门、回水管、回水水箱及TDR土壤水分测试仪等构成(见图1)。试验土箱长、宽、高分别为110、100以及90 cm，每个土箱内沿长边方向按设计埋深铺设毛管1条，共3个

图1 试验装置结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the test device structure 注：1-水泵；2-供水水箱；3-回水水箱；4-回水管；5、6-阀门；7-压力表；8-流量计；9-毛管；10-土箱；11-土壤；12-供水管道。

滴头，毛管与一侧箱壁距离25 cm，与另一侧距离75 cm，首末2个滴头与箱壁的间距也为25 cm(见图2)。在供水和回水水箱的箱体上有水位刻度标记，用于监测和校核灌水流量。此外，水泵配置的电位调速器可快速、精准地调节灌水压力。

图2 土箱试验布置纵剖面(单位：cm)Fig. 2 Longitudinal section of the earthen box test arrangement

1.2.2 试验设计

试验设置滴头埋深、土壤质地、滴头额定流量和灌水定额4个因素，其中滴头埋深设15、25和40 cm 3个水平，土壤质地为黏壤土、沙壤土以及壤土3个水平，滴头流量设置1.53、2.57和3.62 L/h 3个水平，灌水定额设22.5、37.5、52.5 mm 3个水平。采用4因素3水平正交试验L9(34)设计方案，共设置9个试验处理，各处理的实施内容详见表3，设置3次重复。

表3 试验处理Tab.3 Test schedule

1.2.3 试验布置及观测指标

每个处理的每次重复都单独设置土箱。将土壤过1 mm筛后，按照表2的田间实测值，每隔5 cm分层夯实制作土样，层间刨毛，到毛管设计埋深处，穿孔安装毛管。为了防止滴头堵塞，除单翼迷宫式滴灌带外，其他毛管滴头出水口都向上放置，在毛管尾部设置有小球阀用于排气。

试验开始打开水泵时，需打开毛管尾部的小球阀，排除管道内空气后将小球阀关闭，通过调节水泵电位调速器及回水管阀门，使压力表读数稳定在设计压力值0.10 MPa。

在灌水过程中，通过供水水箱的水位变化以及校核标定后的浮子流量计读数来同时监测灌水流量的变化，每隔15 min记录一次数据。试验过程中每隔15 min在分别距离毛管水平向15、30、45、60 cm(其中15 cm包括距离毛管左右两侧15 cm)，垂直深5、15、25、40、60及80 cm处插入校核好的TDR土壤水分测试仪探头，记录各测试点土壤含水量，通过含水量的变化监测土壤湿润锋运移的位置变化。当水分湿润到玻璃箱壁后，每隔15 min在箱壁上绘制土壤湿润锋曲线，并测量滴头周围各方向湿润半径。灌水结束后，记录入渗稳定后每滴头周围各方向湿润半径。

1.3 数据分析

使用Office 2010进行试验数据处理与分析，并用SPSS 24软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 正交试验结果分析

以入渗稳定后每滴头周围各方向最大湿润半径平均值(取每条毛管3个滴头在距离滴头向上、向下、向左和向右4个方向最大湿润半径的平均值)作为正交试验结果进行方差分析，详见表4和表5。

表4 方差分析Tab.4 Analysis of variance

由表4和图3可知，按显著性水平α=0.05检验，灌水定额及土壤质地均对湿润半径有显著影响，其不同水平下各向平均湿润半径差异显著，其中灌水定额对湿润半径的影响为极显著，滴头埋深及滴头流量对湿润半径影响不显著。分析认为灌水定额直接决定每次灌水量和持续灌水时间，对湿润半径影响很大；土壤质地决定水分扩散的难易，对湿润半径影响也较大；而埋深在一定范围内，对滴灌带的出流情况影响不是很大，故对水分扩散和湿润半径影响也不太明显；在灌水总量一定情况下，滴头流量对湿润半径的影响也不显著。

由表5可知，按照极差由大到小的顺序分析，4个因素对湿润半径影响的程度由主到次依次为灌水定额、土壤质地、滴头流量及滴头埋深。

2.2 玉米地下滴灌适宜铺设参数分析

2.2.1 适宜毛管埋深

地下滴灌毛管埋深必须与土壤条件、作物根系深度、田间耕作深度等相适应。玉米耕地深度一般为20 cm左右，播种深度一般为5～9 cm，为避免耕地时破坏毛管，需将毛管埋到耕层以下，且尽量能灌溉到主根区。本试验埋深先选择25～40 cm，通过分析不同处理对应的湿润半径及根系生长范围，验证此埋深是否合适。

表5 直观分析结果Tab.5 Visual analysis results

图3 不同处理对各向平均湿润半径的影响Fig.3 Effect of different treatments on average wetting radius in all directions 注：不同字母表示0.05水平下差异显著。

玉米主根系范围一般为5～60 cm，毛管埋深25～40 cm。由表5可知，在3种土壤中，各向平均湿润半径为28～48 cm，向上最大湿润半径为21～28 cm，向下最大湿润半径为30～50 cm，分析得出埋深25 cm左右时水分分布基本在玉米的主要根系区，而埋深达到40 cm时，水分向下分布较多，超出了主根系所在范围，一定程度上易产生深层渗漏。同时综合考虑在保证毛管不被耕作机械破坏的情况下，玉米地下滴灌毛管的适宜埋深取25～35 cm。

2.2.2 适宜毛管铺设间距与灌水定额

由表4、表5可知，埋深和滴头流量对湿润半径影响不显著，故可忽略次要因素，只研究主要因素灌水定额和土壤质地对毛管铺设间距的影响。

通过对比表5中每一因素水平的均值得出，灌水定额为22.5～37.5 mm时，各向平均湿润半径20～38 cm，向上最大湿润半径15～27 cm，向下最大湿润半径25～46 cm；而灌水定额为52.5 mm时，各向平均湿润半径41～48 cm，向上最大湿润半径15～28 cm，向下最大湿润半径45～50 cm；各向平均湿润半径最大同比提高了26%。鉴于毛管埋深在25～35 cm，单次灌水后，试验过程中记录水分湿润最大深度达到地面以下85 cm，而玉米的主要根系多分布在5～50 cm内，在一定程度上易发生深层渗漏，存在降低作物水肥利用效率的风险。从这个角度而言，对于本项目研究中的滴灌带和土壤类型而言，单次灌水52.5 mm不适合作为玉米生育期地下滴灌适宜的灌水定额，故选择灌水定额22.5 mm及37.5 mm用于分析玉米生育期的灌水定额。

进一步结合玉米种植的行距和滴灌带铺设之间的关系进行分析。玉米的种植方式为条播，采用地下滴灌系统灌溉时，一般按照宽窄行种植，窄行行距为40～50 cm，宽行行距为50～60 cm，每2窄行中间铺设一条毛管，控制2行玉米(见图4)。

图4 玉米行距及毛管布置示意图(单位：cm)Fig.4 Schematic diagram of planting row spacing and capillary arrangement of alfalfa

由表5可知，在黏壤土中，当灌水定额为22.5 mm时，向下最大湿润半径25 cm，按毛管埋深25～35 cm考虑，水分向下分布最深在50～60 cm土层，处于玉米主要根系范围内，灌水定额合理；该处理各向平均湿润半径为20 cm，只能满足玉米窄行行距为40 cm、宽行行距50～60 cm的情况，行距再增大就可能灌不到作物，故毛管的铺设间距可布置为90～100 cm。当灌水定额为37.5 mm时，向下最大湿润半径45 cm，按毛管埋深25～35 cm考虑，水分向下分布最深在70～80 cm土层，超出了玉米主要根系范围，易产生深层渗漏，黏壤土中不推荐此灌水定额。

在壤土中，当灌水定额为22.5 mm时，向下最大湿润半径30 cm，水分向下分布最深在地面以下55～65 cm，基本在玉米主要根系范围内，灌水定额合理；该处理平均湿润半径为28 cm，可满足窄行行距40～50 cm、宽行行距50～60 cm的情况，毛管的铺设间距可布置为90～110 cm；当灌水定额为37.5 mm，向下最大湿润半径43 cm，水分向下分布最深在68～78 cm土层，超出了玉米主要根系范围，易产生深层渗漏，故壤土中也不推荐此灌水定额。

在沙壤土中，当灌水定额为22.5 mm时，向下最大湿润半径35 cm，水分向下分布最深在60～70 cm土层，略超出了玉米主要根系范围，故适宜灌水定额要比22.5 mm略小一些，根据灌水定额与水分分布之间的规律进行分析，推荐灌水定额为15.0～22.5 mm；该处理平均湿润半径31 cm，可满足窄行行距40～50 cm、宽行行距50～60 cm的情况，毛管的铺设间距为90～110 cm，考虑推荐灌水定额比22.5 mm略小一些，故相应的毛管间距也要略小一些，分析认为取以上的最小间距90 cm较适宜；当灌水定额为37.5 mm，向下最大湿润半径46 cm，水分向下分布最深在地面以下71～81 cm，超出了玉米主要根系范围，易产生深层渗漏，故沙壤土也不推荐此灌水定额。

综上，由于玉米地下滴灌的毛管埋深相对较大，为尽量避免深层渗漏，宜采用少量多次的灌溉方式，土壤沙性越大，适宜灌水定额越小，毛管铺设间距也越小；对黏壤土和壤土而言，相同的灌水定额下，壤土的毛管铺设间距可比黏壤土略大一些。

3 主要结论

基于室内土箱试验，研究不同土壤条件下毛管铺设参数和灌水定额对地下滴灌湿润半径的影响规律，同时结合内蒙古中部地区玉米常见种植行距，分析了玉米在不同土壤条件下适宜的毛管铺设参数和灌水定额，得到如下主要结论。

(1)按显著性水平0.05检验，灌水定额对湿润半径呈现极显著影响，土壤质地对湿润半径有显著影响，埋深及滴头流量对湿润半径影响不显著。

(2)玉米地下滴灌宜采用少量多次的灌溉方式，对黏壤土和壤土而言，相同的灌水定额下，壤土的毛管间距可比黏壤土略大一些。玉米适宜的毛管埋深为25～35 cm；黏壤土适宜灌水定额为22.5 mm左右，毛管铺设间距为90～100 cm；壤土适宜灌水定额22.5 mm左右，毛管铺设间距为90～110 cm；沙壤土适宜灌水定额15.0～22.5 mm，毛管铺设间距为90 cm左右。沙壤土较黏壤土和壤土的适宜灌水定额和毛管铺设间距都有偏小的趋势。

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