可双向钻土自升降喷灌对土壤墒情的影响研究

王文冬　王利军　高晓薇　武少伟

摘 要：以土壤墒情的时空变化规律为试验对象，将一种可双向钻土式自升降喷灌装置在延庆生态试验基地露天植物种植区内进行实际应用，并对该装置应用前后的土壤进行分层取样以及含水量监测分析，结果表明：①该装置能够将土壤体积含水量、质量含水量、相对含水量3个指标分别由装置实施前的均不足15%、11%、50%提高到31%、22%、103%以上，有效解决了作物生长阶段经常出现的土壤水分供应不足问题;②该装置显著提高了浅层土壤的含水量，能够最大限度满足作物生长对水分的需求;③该装置具有显著的节水效果，灌溉用水量从3 150 m3/hm2减少到2 800 m3/hm2。

关键词：可双向钻土式;自升降喷灌装置;土壤墒情;时空变化;节水效果

中图分类号：X703.1   文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.03.032

Study on the Influence of the Two-Way Earth-Boring Self-Lifting Sprinkler Irrigation

Device on the Changes of Soil Moisture in Time and Space

WANG Wendong， WANG Lijun， GAO Xiaowei， WU Shaowei

（Beijing Institute of Water， Beijing 100048）

Abstract：Taking the temporal and spatial variation of soil moisture as the test object， this study applied the two-way earth-boring self-lifting sprinkler irrigation technology into Yanqing Ecological Test Base. Whats more， the stratified sampling and water content monitoring analysis of the base soil before and after the application of the device were carried out. The main conclusions show that： a） the device can increase the volumetric water content， mass water content and relative water content of the base from less than 15%， 11% and 50% before the implementation of the device to more than 31%， 22% and 103%， effectively solving the problem of insufficient soil water supply in crop growth stage; b） the device significantly increases the water content of shallow soils and maximizes the metabolic requirements of crop growth for water and; c） the device has a significant water-saving effect and the water used for irrigation has been controlled to 2，800 m3/hm2 from 3，150 m3/hm2.

Key words： two-way earth-boring; self-lifting sprinkler Irrigation device; soil moisture; temporal and spatial variation; water-saving effect

1 引 言

我国水资源的人均占有量为2 240 m3，仅为世界人均占有量的1/4，属于世界上最缺水的13个国家之一。然而，在资源性缺水问题严重的同时，我国又是一个水资源利用率相对较低的农业大国，如果继续沿袭现有的灌溉制度和技术方法，农业灌溉年用水量按4 000亿m3计算，灌区对水资源的有效利用率为0.45，仅灌溉过程的水资源浪费量就高达2 200億m3，占国内水资源浪费总量的80%[1]。因地制宜开展对灌区土壤墒情的实时监测，以准确把握土壤含水量与作物需水量的平衡点，采取科学合理的灌溉制度，并采用经济有效的灌溉技术，可以实现提高作物产量的同时，显著提高农业灌溉对水资源的利用水平，最终达到缓解我国水资源供需矛盾日益紧张现状的目的[2-4]。

土壤墒情是衡量土壤干湿状况以及土壤水可被作物吸收利用程度的重要参数，常用土壤含水量、土壤相对含水量两个指标进行描述。积极开展土壤墒情研究工作，对土壤含水量以及相对含水量进行动态监测[5-6]，能够为我国种植结构的合理调整以及重要农事活动的实时变化提供科学依据，同时也可以为高效节水灌溉以及抗旱减灾增效技术的集成研发提供理论支持，对有效解决当下存在的水资源日益短缺与农业灌溉水资源浪费严重的双重问题具有重要意义。

本研究将一种可双向钻土式自升降喷灌装置在延庆生态试验基地（以下简称基地）的露天植物种植区内进行实际工程应用，开展相关的野外现场布点以及取样监测工作，并着重将该装置应用后基地土壤的体积含水量、质量含水量、相对含水量3个指标随时间以及空间的变化规律进行对比分析，以期了解可双向钻土式自升降喷灌装置应用对土壤墒情时空变化规律的影响，同时对该装置的推广应用所能产生的实际节水能力进行初步探讨。

2 试验装置与布点方法

2.1 试验装置

本研究采用的高效节水灌溉装置是基于传统固定管道式喷灌设备所存在的地上安装不利于早期机耕和后期收获等问题，由水利部科技推广中心推荐、中国灌溉排水发展中心牵头组织研发的一种可双向钻土式自升降喷灌装置（见图1）。该装置通过将内管、外管、旋转式喷头以及进、出水口等主要设备元件进行一体化集成，安装完成后，深埋于耕作层以下（通常入土深度控制在20～40 cm之间）。灌溉时，设备能够自动升至设计高度，进行均匀喷水灌溉;非灌溉时设备可自动回缩至土壤耕作层以下，有效避免了设备占地对田间耕作所带来的空间阻碍，具有占地面积小、安装及运行维护成本低、灌溉节水效果好等特点[7-9]。目前已在北京顺义、河南许昌等地区进行了小规模的工程示范应用，并取得了较好的经济效益，具备进一步开展推广应用的可行性。

2.2 考核指标与计算方法

本研究主要考核对象为可双向钻土式自升降喷灌装置应用对土壤墒情时空变化规律的影响。土壤墒情是衡量土壤干湿状况以及土壤水可被作物吸收利用程度的重要参数，常用土壤含水量（包括质量含水量、体积含水量）、土壤相对含水量两个指标进行描述，为此，选取该装置应用后基地土壤质量含水量、体积含水量、相对含水量随时间以及空间的变化规律作为土壤墒情变化的主要指标进行考量。

（1）质量含水量，是指土壤中水分的质量与干土质量的比值，因在同一地区重力加速度相同，所以又称作重量含水量。其计算公式为

θm=w1-w2w2×100%（1）

式中：θm为质量含水量（自然含水率或绝对含水量）;w1为湿土质量;w2为烘干土质量。

（2）体积含水量，是指单位土壤总容积中水分所占的容积分数，又称容积湿度。其计算公式为

θv=VwVs×100%（2）

式中：θv为土壤实际含水量的体积百分率;Vs为土壤总体积，cm3;Vw为水所占的体积，cm3。

（3）相对含水量，指土壤含水量占田间持水量的百分数。其计算公式为

β=θmθ×100%（3）

式中：β为土壤相对含水量;θm为质量含水量;θ为田间持水量。

2.3 采样布点与监测周期

2.3.1 采样布点设计

参照《土壤墒情监测规范》（SL 364—2006），遵循均匀分布原则，并按照三点垂向取样的方法，采用土壤水分空间快速测试仪对取样点处10、20、40 cm深度的土壤质量含水量、体积含水量、相对含水量进行定期监测，布点间隔为20 m，共设置取样点90个[10]。

2.3.2 监测周期设计

土壤墒情的监测周期参照《土壤墒情监测规范》（SL364—2006）进行设计，2018年每月的1日、11日、21日从早晨8时开始，每隔6 h采用土壤水分空间快速测试仪对取样点处10、20、40 cm深度的土壤质量含水量、体积含水量、相对含水量进行取样监测。

2.3.3 试验条件设计

土壤类型、装置安装间距、工作压力、设计日净喷时间以及试验期间的风速、气温等气象条件是影响试验区内用水定额以及灌溉周期的主要因素，主要试验控制参数见表1。

3 试验结果与讨论

3.1 装置应用对土壤墒情随时间变化规律的影响

装置应用后土壤质量含水量、体积含水量、相对含水量随时间变化的情况见图2。由图2可知：可双向钻土式自升降喷灌装置应用后基地土壤含水量出现了较大的改观，土壤质量含水量、体积含水量、相对含水量3个指标分别由装置应用前（2018年1月至3月）的不足15%、11%、50%大幅度提高到装置应用后（2018年4月至12月）的31%、22%、103%以上，土壤3个重要含水量指标均成倍提高。在相同的灌溉用水量條件下，土壤墒情从装置安装前的轻旱，逐渐过渡到装置安装后的适墒，局部区域甚至出现了含水量过多的现象，需要根据实际情况，降低灌溉用水定额或者减小灌溉频率，进而达到节约灌溉用水的目的。另外，一般农作物的正常生长所需的土壤相对含水量为60%～80%，可双向钻土式自升降喷灌装置应用后的2018年4月至12月共计9个月内，基地内部的土壤相对含水量保持在103%以上，彻底解决了作物生长阶段经常出现的土壤水分供应不足问题，是一种有效的增墒、保墒措施。

3.2 装置应用对土壤墒情空间变化规律的影响

装置应用前、后土壤墒情空间变化规律见图3、图4。由图3、图4可知：可双向钻土式自升降喷灌装置的应用促使基地内部的土壤含水量随空间发生了较为明显的变化，装置应用前，基地内部土壤的质量含水量、体积含水量、相对含水量3个指标在土壤深层40 cm处的监测值最大，中间20 cm处次之，表层10 cm处最低;而在可双向钻土式自升降喷灌装置应用后，基地内部土壤的质量含水量、体积含水量、相对含水量3个指标在土壤表层10 cm处的监测值最大，中间20 cm处次之，深层40 cm处最低。装置应用后，相同取样点、相同深度处的土壤质量含水量、体积含水量、相对含水量3个指标监测值均较应用前出现了明显的提高，土壤含水量尤其是浅层土壤含水量的提高，有助于表层灌溉水对深层地下水的补给，增加了灌溉区的田间持水量。同时，浅层土壤含水量的提高显著提高了作物根区周边的土水势，可在根土接触区形成较大的水势梯度，有利于土壤水向植物根部扩散进而向植物地上部分扩散，能够最大限度满足作物各个阶段生长发育的水分需求。

3.3 可双向钻土式自升降喷灌装置节水效果分析

可双向钻土式自升降喷灌装置在试验设定的安装间距、工作压力以及喷灌强度下，可将灌溉区土壤相对含水量保持在103%以上，而一般农作物正常生长所需的土壤相对含水量为60%～80%，土壤含水量的持续增大会使得局部区域土壤出现含水量过多而造成水资源浪费的问题，为此，本研究在维持可双向钻土式自升降喷灌装置安装间距及工作压力不变的情况下，通过调整可旋转喷头的开度，将灌溉用水定额由3 150 m3/hm2降低至2 800 m3/hm2，使得项目区土壤墒情控制在适墒范围内，实现了在满足作物正常生长发育对水分需求的同时，显著提高灌溉水资源的利用率，水资源利用率提高了11.11%，具有良好的经济效益。

4 結 论

本研究将一种可双向钻土式自升降喷灌装置成功应用于延庆生态试验基地露天植物种植区，并参照《土壤墒情监测规范》（SL 364—2006）进行布点采样，利用土壤水分空间快速测试仪对采样点处的土壤质量含水量、体积含水量、相对含水量进行定期监测，分析了该装置应用对土壤墒情时空变化规律的影响，得出主要结论如下。

（1）该装置的成功应用，将基地内部土壤质量含水量、体积含水量、相对含水量3个指标监测值提高了1倍以上，分别由应用前的不足15%、11%、50%大幅度地提高到装置应用后的31%、22%、103%以上，彻底解决了作物生长阶段经常出现土壤水分供应不足的问题，是一种有效的增墒、保墒措施。

（2）该装置明显改变了基地内部土壤含水量的空间分布状况，显著提高了浅层土壤的含水量，有助于表层灌溉水对深层地下水的补给，增加灌溉区的田间持水量，能够最大限度地满足作物各个阶段生长发育的水分需求。

（3）通过调整可旋转喷头的开度，将灌溉用水定额由3 150 m3/hm2降低至2 800 m3/hm2，使试验区土壤墒情控制在适墒范围内，在满足作物正常生长对水分需求的同时，将灌溉水资源利用率提高了11.11%，具有良好的经济效益。

参考文献：

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[10] 孙凯，王一鸣，杨绍辉. 墒情监测取样方法的研究[J].农业工程学报，2004，20（6）：74-78.

【责任编辑 许立新】

收稿日期：2019-09-19

基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项（2017ZX07101004）;水利部技术示范项目（SF-201721）

作者简介：王文冬（1987—），男，河北沧州人，工程师，主要从事水处理设计工作

E-mail：819509617@qq.com