滴灌技术对不同容重绿化土壤渗透性试验研究

陈庆斌 王素君 赵立伟

摘要：本文采用有机玻璃土柱，研究了水分在不同类型、不同容重土壤下的渗透规律。试验研究对象为不同容重的绿化盐碱土、绿化种植土和容器苗土壤，保持水头恒定480分钟。试验结果表明，3种类型的土壤在试验初始阶段，垂直渗透速率变化较大，随着试验时间的延长，水分在土壤中的垂直渗透速度均逐渐变小。随着容重的减小，水分在土壤中的垂直湿润距离随之增加，相同渗透时间内垂直湿润距离呈增加趋势。

关键词：滴灌;土壤容重;渗透速率

土壤渗透性是土壤的一项重要物理参数，不仅是影响坡面径流、土壤侵蚀发生的重要因素，同时也是合理调控土壤水分、预防季节性干旱的关键和基础。因此，研究水分在土壤中的下渗速度及深度具有重要的理论和实践意义。在滴灌系统的设计中，土壤的垂直湿润距离是非常重要的。水分在土壤中的垂直湿润距离必须到达植物根部区域，满足植物正常生长的需水要求。通常情况下，滴灌系统的设计和土壤质地有很大关系。但由于湿润体形状是由土壤的水力特性决定的，其水力特性不仅与土壤质地有关，而且与土壤结构有关。因此，在滴灌系统的设计中，要考虑土壤结构是和土壤质地情况。

本试验探寻水分在不同容重土壤条件下的渗透速度，水到达土层某一深度的时间，为采用滴灌方式浇灌绿地的，水到达植物根系所在土层深度的时间提供参考。

1  材料与方法

1.1  供试材料

采用80厘米高的有机玻璃土柱，供试土壤为容器苗土壤、绿化种植土，绿化盐碱土，土壤理化指标如表1。

1.2  试验设计

天津市绿化种植土土壤的容重应为 1.30克/立方厘米以下，但是大部分的城市绿地土壤的容重都高于此值。因此，根据不同土壤类型，设置不同容重梯度，测定渗透速度。

试验所用土柱高度为80厘米、直径14厘米，装土高度为50厘米。根据公式计算达到试验容重所需的土壤质量。

装土体积：V=πr2H=7693立方厘米

装填土壤密度：ρ=dv*（100+W）/100

装填土壤质量：m=ρ*V

式中，V：装土体积;W：含水率（%）;dv：设计容重;ρ：装填土壤密度;m：装填土壤质量。

为了保证土柱初始含水率均匀和密度均一，处理土样经过风干、破碎和过筛（孔径2毫米）。在准备好土样后，先测定土的初始含水率。在有机玻璃底部垫有一层加厚无纺布，用于防止土壤颗粒流失，然后按照一定的容重和初始含水率分层装填土样，每5厘米装一层。装土时，首先要称取每层所要填土的重量，每层装入土后都要先整平，然后用工具夯实，使得装入的土与该层事先标定好的线相平齐，然后用小刷子适当抛毛，以保证土体密度的均一性，在浇水时不会出现分层，避免会产生边缘效应，然后进行下一层装填，直到达到设计高度为止。考虑到浇水沉降，称取土的质量不变，添加到土柱的高度可比设计高度高一些。土壤层顶部覆盖加厚无纺布，以减少进水对土层的扰动。在有机玻璃土槽的侧面贴好标尺，用来记录湿润锋的变化过程。

1.3  试验方法

试验时用注射器针头模拟滴头，采用马氏瓶供水保持水压恒定，通过调节注射器和马氏瓶进气口和出水口的高差来控制滴头流量。保持水头基本恒定，使液面高度在2厘米左右。试验开始后，分别在1分钟、2分钟、3分钟、5分钟、10分钟、20分钟、30分钟、60分钟、90分钟、120分钟、150分钟、180 分钟（若水下渗慢则延长观察时间）记录土柱湿润深度，选3处点测量，并计算总用水量。

2 结果与分析

根据用水量及水下渗深度，绘制渗透速度图，计算渗透速率。

图1、图2、图3为水分在不同容重的绿化盐碱土、绿化种植土和容器苗中的湿润锋运移特征。试验持续8小时。图1对比了1.4克/立方厘米、1.5克/立方厘米和1.6克/立方厘米容重下的绿化盐碱土垂直湿润距离，结果显示，1.4克/立方厘米容重下的土壤在480分钟内下渗的垂直距离最大，为7.03厘米。其次，1.5克/立方厘米容重下土壤下渗垂直距离为6.83厘米，1.6克/立方厘米容重下土壤下渗垂直距离最短，为5.33厘米。图2对比了1.3克/立方厘米、1.4克/立方厘米和1.5克/立方厘米容重下的绿化种植土垂直湿润距离。结果显示，1.3克/立方厘米容重下的土壤在480分钟内下渗的垂直距离最大，为19.66厘米。其次，1.4克/立方厘米容重下土壤下渗垂直距离为15.47厘米，1.6克/立方厘米容重下土壤下渗垂直距离最短，为12.97厘米。图3对比了1.1克/立方厘米、1.2克/立方厘米和1.3克/立方厘米容重下的容器苗土壤垂直湿润距离。结果显示，1.1克/立方厘米容重下的土壤在480分钟内下渗的垂直距离最大，为33.30厘米。其次，1.2克/立方厘米容重下土壤下渗垂直距离为32.20厘米，1.3克/立方厘米容重下土壤下渗垂直距离最短，为22.10厘米。

3种类型的土壤试验初始阶段的垂直渗透速率均较大，尤其在0～30分钟以内，渗透速率变化很大。随着试验时间的延长，渗透速率均逐渐减小。但是随着容重的增大，相同渗透时间内垂直湿润距离呈减小趋势，这是因为当土壤容重小时，孔隙度较大，渗透速率也较大，此时垂直方向渗透速率主要受重力势和基质势影响。由达西定律可得垂直方向的渗透速率公式。

公式1：Vh=Kh（Ψz +Ψm）

公式2：Vh=Kh（Ψz +Ψp）

式中，Vh为垂直方向渗透速率，Kh为垂直方向渗透系数，Ψz为重力势，Ψm为基质势，Ψp 为压力势。由公式1可以看出，水分在垂直方向上受力为重力势和基质势之和，所以水分优先沿着垂直方向渗透。随着土壤容重的增加，孔隙度减小，水分在土壤中的渗透速率也随之减小。当渗透速率减小到低于试验模拟流速时，在湿润面附近便逐渐有水分聚集，形成了饱和水带，垂直方向上的渗透速率变为由重力勢和压力势控制（公式2）。在垂直方向上，由于因渗透系数减小引起的渗透速率减小，造成压力势增大程度不足以抵消因渗透系数减小造成的渗透速率减小程度，因此，垂直方向渗透速率随容重增大呈减小趋势。

3  结论

3种类型的土壤，在试验初始阶段，垂直渗透速率均较大，随着试验时间的延长，渗透速率均逐渐减小。随着容重的增大，水分在土壤中的垂直湿润距离随之增加，相同渗透时间内垂直湿润距离呈减小趋势。

基金项目：天津市互联网跨界融合创新科技重大专项（18ZXRHNC00120）。

天津市规划和自然资源局2019年规划和自然资源系统科研项目（ML2019-HP-F161）。

作者简介：陈庆斌（1986-），男，副高级工程师。从事土壤退化研究及治理工作。