下衬阻水板宽度对地下滴灌土壤水分运移的影响

孙 浩 ，黄修桥 *，韩启彪 ，李 浩 ，陈 震 ，孙秀路

（1.中国农业科学院 农田灌溉研究所，河南 新乡 453002；2.河南省节水农业重点实验室，河南 新乡 453002）

0 引 言

地下滴灌可以直接将水和肥料施入到作物根区，具有地表无效蒸发小，水、肥利用率高，不影响耕作，地表杂草少等诸多优点[1]，已成为温室蔬菜生产中一种重要的节水灌溉方式[2]。众多研究表明，采用地下滴（渗）灌后，不仅节水效果明显[3-4]，而且提高蔬菜产量[5]，改善蔬菜品质[6-7]；另外，棵间蒸发也大大下降，能有效控制室内空气湿度，抑制作物病虫害的发生[8]。但当地下滴灌灌水器埋深过大（超过30～40 cm）时，又面临着作物生长初期水分难以保障及水、肥的深层渗漏等问题。因此，一些学者提出了通过工程措施[9-11]（即在地下滴灌管（带）下方增设一层阻水材料）的配合来实现地下滴灌土壤水分供应，市场上也出现了相应的灌溉产品，如由中国农业大学研发的包膜地下滴灌带[12]以及澳大利亚 IWT研发的KISSS[13]等。在灌水器下面加设阻水材料后，明显改变了地下滴灌的湿润模式，使得土壤水分向下运动减弱，而土壤湿润峰纵向向上和侧向运移距离增大[10]。但是，已有研究中关于阻水材料宽度的结果差别较大，有仅为6.5 cm[12]的，也有高达50～60 cm[9]的，而且前人研究时都仅仅采用了单一宽度，没有明确阻水材料宽度对地下滴灌土壤水分运移的影响程度。因此，有必要开展该方面的研究，为灌溉设备企业进行产品生产提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

土槽试验在中国农业科学院新乡综合试验基地（新乡县七里营镇，35°18′N，113°54′E）日光温室内进行。供试土壤取自温室内耕作层，为粉砂壤土（黏粒量（＜2 μm）6.32%，粉粒量（2～20 μm）47.39%，砂粒量（＞20 μm）46.29%，按国际制土壤分类），干体积质量为1.43 g/cm3，饱和含水率30.03%，田间持水率 22.56%（均为占干土质量百分比）。土样经自然晾干后过2 mm筛，按1.43 g/cm3分层（单层10 cm）装入规格为100 cm（长）×60 cm（宽）×90 cm（高）的玻璃土槽中，层间打毛，装土50 cm深后，在横向（长度方向）中线位置沿纵向（宽度方向）安装阻水板及灌水器，阻水板长度58 cm，置于灌水器下方，而后再分层装土30 cm。试验装置如图1所示，其中，潜水泵流量1.5 m3/h，扬程18 m，通过回水阀门调整供水压力为100 kPa左右；过滤器采用120目的网式过滤器；水表采用精度为0.1 L的干式冷水表；压力表采用精度为0.1 kPa的数显压力表；灌水器采用美国雨鸟公司生产的压力补偿式内镶贴片滴灌管，外径16 mm，内径13.6 mm，在40～100 kPa下的滴头流量为2.32 L/h，滴灌管安装长度为30 cm，含1个灌水器，受末端堵头安装限制，灌水器距槽壁6 cm。

图1 试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of test equipment

1.2 试验设计及方法

试验中设计3个灌水量，分别为5、10 L和15 L（其中10 L由温室蔬菜常用的滴灌灌水定额换算而来）。阻水材料采用PVC管切割而成的弧形板，弧口长度分别为7.8 cm（T1）和9.4 cm（T2），以不衬阻水板（CK）为对照，分别测定其在不同灌水量时的土壤湿润锋运移情况。入渗开始后，按照先密后疏的原则，定时（5、10、20、30、60、90、120 min、……）观测土壤湿润锋扩展情况，同时在玻璃土槽外壁上定时描出不同时刻所对应的湿润锋形状。土壤水分再分布24 h左右后，用土钻取样（各方向间距10 cm，阻水板下方的土层取土是在上层30 cm内土层取完土样后整体挖出，移除阻水板后进行），并用烘干法测定土壤质量含水率。每个灌水量重复3次，采用平均值作为分析计算结果，利用Excel 2007进行数据分析及绘图。

2 结果与分析

2.1 灌水量对地下滴灌土壤湿润锋运移的影响

灌水量是影响滴灌土壤湿润范围的重要因素之一，对地下滴灌同样如此[14]。图 2为 CK、T1（T2与之类似，不再列出）在灌水量分别为5、10、15 L时的土壤湿润锋运移过程图（单侧）。从图2可以发现，每个处理任一时刻的土壤湿润锋形状都近似于扁椭圆形，只是在径长上有所差别。无阻水板条件下，随着入渗水量的增加，土壤湿润锋水平方向和垂直方向（向上、向下）的运移距离都在增加，初期运移速度较快，但是随着时间的进行，湿润锋水平方向运移的速度在逐渐地变缓，垂直向下方向的湿润锋运移速度要大于垂直向上方向。这是由于，在同一个条件下，控制土壤水分运动的土水势主要是基质势和重力势。灌水初始阶段，土壤较为干燥，以基质势为主，且基质势在各个方向基本相等，因此水就在各个方向上均匀流动（包括向上流动）。随着入渗水量的增加，灌水器附件的土壤趋于饱和，基质势基本为零，重力势占据主导作用，从而使水分向下流动，故而图2（a）、图2（c）、图2（e）中3个灌水量下灌水结束时的土壤湿润锋向下运移距离都比向上运移距离大。但是在有阻水板条件下，初始阶段的水分只能向水平方向和上方扩散，只有当水分运移距离超过阻水板边界后才会有向下的水分扩散。因此，T1处理（图2（b）、图 2（d）、图 2（f））表现为各个时刻的土壤湿润锋水平运移距离和垂直向上运移距离都远大于垂直向下运移距离。另外，还可发现，灌水量为5 L时，T1处理在灌水结束时的土壤湿润锋垂直向上运移距离比垂直向下运移距离多达7 cm，而灌水量为10 L和15 L时，灌水结束时的土壤湿润锋垂直向上运移距离与垂直向下运移距离之差仅为4 cm左右，说明灌水量较多时重力势可以削弱阻水板对土壤水分运移的调控能力。这也可能与阻水板宽度较小有关，因为从图2中可以看出，在土壤水分入渗开始后的5 min内，土壤水分运移距离已超出阻水板的控制范围，使得重力势早早发挥作用，其发挥作用时间随灌水时间的延长而增大。

2.2 阻水板宽度对地下滴灌土壤水分运移距离的影响

在相同灌水量条件下，CK、T1、T2处理的土壤湿润锋运移距离（水平方向、垂直向上、垂直向下）与入渗时间的对应关系如图3所示。灌水量为5 L时，下衬阻水板对土壤湿润锋水平方向运移距离影响不大，2种下衬阻水板处理在初始阶段的土壤湿润锋水平运移距离仅比无阻水板处理略大，后期基本一致。但添加阻水板后，对土壤湿润锋垂向运移距离影响较大，2种下衬阻水板处理都增加了土壤湿润锋垂直向上运移距离，而减小了土壤湿润锋垂直向下运移距离，但总的土壤湿润深度与无阻水板处理相比，差别基本在1 cm之内。这说明下衬阻水板后，改变了地下滴灌的土壤湿润模式，使土壤湿润体整体向上层迁移，但2种阻水板宽度处理之间的差别不甚明显。灌水量为10 L和15 L时，2种下衬阻水板处理在初始阶段的土壤湿润锋水平方向运移速度较快，运移距离接近无阻水板处理的2倍，但30 min后差距逐渐减小，到停止灌水时已基本无甚大的差别。而土壤湿润锋垂向运移情况与灌水量为5 L时类似，下衬阻水板后改变了土壤水分运移方向，使土壤湿润层向上层迁移，使得该2种灌水量下的土壤都湿润到了地表。

图2 不同灌水量下的地下滴灌土壤湿润锋运移过程Fig.2 The migration process of soil wetting front in subsurface drip irrigation under different irrigation amounts

图3 阻水板宽度对地下滴灌土壤湿润锋运移范围的影响Fig.3 Effect of water-blocking plate width on the migration range of soil wetting front under subsurface drip irrigation

另外，通过对比各处理不同灌水量下的土壤湿润锋水平运移距离及垂向运移距离与入渗时间的关系，可知各处理的土壤湿润锋运移距离（水平方向、垂直向上、垂直向下）与入渗时间都呈很好的幂函数关系或对数函数关系，可用式（1）或式（2）表示，与前人研究结果[15-17]一致。

或

式中：D为土壤湿润锋运移距离（水平方向、垂直向上、垂直向下）（cm）；t为入渗时间，t>0（min）；α、β分别为入渗系数和入渗指数；A、B为拟合参数。

各处理不同灌水量条件下，土壤湿润锋运移距离（水平方向、垂直向上、垂直向下）与入渗时间用幂函数关系表示时的入渗系数和入渗指数如表1所示。各处理不同灌水量条件下，土壤湿润锋运移距离（水平向、垂向向上、垂向向下）与入渗时间用对数函数关系表示时的拟合参数如表2所示。

表1 地下滴灌土壤湿润锋运移距离与入渗时间的幂函数关系Table 1 The power function relationship between the migration distance of soil wetting front and infiltration time under subsurface drip irrigation

由表1、表2可知，在一定的灌水量和土壤条件下，地下滴灌土壤湿润锋运移距离与入渗时间呈现良好的数学关系，因此可以通过灌水时间来预测土壤湿润锋的运移距离。另外，通过对比表1、表2相关参数可以发现，土壤湿润锋水平运移距离与入渗时间用幂函数关系表达与用对数函数关系表达时的决定系数R2差别不大；土壤湿润锋垂直向上运移距离与入渗时间之间的对数函数关系优于幂函数关系，而土壤湿润锋垂直向下运移距离与入渗时间之间的关系用幂函数关系表达更佳。下衬阻水板后仍然呈现这种规律，但改变了函数关系的拟合参数，而且水平方向拟合参数的变化幅度要小于垂直方向。以对数函数关系为例，垂直向上方向的拟合参数A随着下衬阻水板宽度的增大而增大，而垂直向下方向的拟合参数A随着下衬阻水板宽度的增大有减小趋势，也说明了下衬阻水板对地下滴灌土壤水分运移的影响趋势，即使得土壤湿润体整体向上层迁移。

2.3 阻水板宽度对地下滴灌土壤水分分布的影响

图4为各处理在土壤水分再分布24 h左右后的灌水器位置垂直方向和水平方向的土壤含水率分布图。垂直方向，从图4（a）、图4（b）、图4（c）中可以发现，随着下衬阻水板宽度的增大，浅层（0～10 cm土层）土壤含水率增大，而深层（50～60 cm土层）土壤含水率减小，说明下衬阻水板可以促进土壤水分向上层土壤运移，而且呈现出阻水板宽度越大，上层土壤含水率越高的趋势。水平方向，在灌水量为5 L（图4（d））时，下衬阻水板虽然未能明显增大土壤湿润锋水平方向运移距离（图3（a）），但却增大了距灌水器20 cm处的土壤含水率；灌水量为10 L（图4（e））时，下衬阻水板增大了灌水器位置水平方向的土壤含水率；而灌水量为15 L（图4（f））时，由于下衬阻水板增大了土壤湿润锋水平运移距离（图3（g）），使得距灌水器20 cm内的土壤含水率变化不明显。总之，下衬阻水板可以调整土壤湿润体内的土壤水分分布，使得土壤水分集中于灌水器附近及其上层土壤，将会更有利于保障作物水分供应。

表2 地下滴灌土壤湿润锋运移距离与入渗时间的对数函数关系Table 2 The logarithmic function relationship between the migration distance of soil wetting front and infiltration time under subsurface drip irrigation

图4 阻水板宽度对地下滴灌土壤水分分布的影响Fig.4 Effect of water-blocking plate width on soil water distribution under subsurface drip irrigation

3 讨论与结论

1）下衬阻水板对地下滴灌土壤湿润锋形状没有明显影响，灌水任一时刻的地下滴灌土壤湿润锋仍近似于扁椭圆形，但却改变了地下滴灌土壤湿润模式。下衬阻水板对地下滴灌土壤湿润锋水平方向运移距离影响不大，但明显增加了土壤湿润锋垂直向上运移距离，而减小了土壤湿润锋垂直向下运移距离，使得地下滴灌土壤湿润体整体向上层迁移，阻水板越宽，土壤湿润体向上层迁移的越明显。

2）地下滴灌土壤湿润锋运移距离（水平方向、垂直向上、垂直向下）与入渗时间呈现良好的幂函数或对数函数关系。下衬阻水板后改变了函数关系的拟合参数，而且水平方向拟合参数的变化幅度要小于垂直方向。

3）下衬阻水板可以调整土壤湿润体内的土壤水分分布，使得土壤水分集中于灌水器附近及其上层土壤，将会更有利于保障作物生长初期的水分供应。

文中仅采用了 2种下衬阻水板宽度对地下滴灌土壤水分运移的影响进行了初步探索，但已呈现出一种阻水板越宽、影响程度越大的趋势。但是由于阻水板宽度略窄且差别过小，使得2种宽度处理间的差别不甚明显，后期有必要增加阻水板宽度及处理间的差距进行进一步的试验验证。