基于不同滴灌带铺设模式下湿润锋运移情况的研究

摘" " 要：为研究不同滴灌带铺设模式下滴灌带首尾两端水平湿润半径和垂直湿润半径随灌溉时间推移的变化规律，确定棉花滴灌灌水最优时间，选取两种滴灌带铺设模式，研究滴灌带首尾两端在灌溉开始后2、4、6、8 h内土壤湿润锋的运移情况。结果表明：一膜二带和一膜三带铺设模式湿润锋达到根系附近所需时间分别为8、6 h，首端湿润锋运移速率要比尾端湿润锋运移速率快，一膜三带湿润锋运移速率比一膜二带快;两种模式灌水量相近时，一膜三带模式更加节省时间;相比一膜二带模式，一膜三带首尾两端湿润锋的形状更相近，并且达到根系要求所花时间更接近。综合当地条件，棉花滴灌推荐使用一膜三带铺设模式，灌水延续时间为6～8 h。

关键词：棉花;滴灌带;湿润锋;水分运移

中图分类号：S152.7" " " " "文献标识码：A" " " " " DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2024.12.008

Research on the Transport of Wetting Fronts under Different Drip Irrigation Tapes Laying Modes

KADIERJIANG Mijiti1，YISHAKE Tuoheti2， ABUDOUKAYIMU Abulimiti3，GAO Yuanyong1，YANG Xinxin1，XILINAYI Duolaiti1

（1. Xinjiang Vocational University，Urumqi，Xinjiang" 830013， China; 2. Shaya County Water Management Station， Shaya， Xinjiang 842200， China; 3. Xinjiang Zhongnong Zhishui Technology Company Limited， Changji， Xinjiang 831100， China）

Abstract： In order to study the variation of horizontal and vertical wetting radii at the beginning and end of drip irrigation tapes under different drip irrigation tapes laying modes with the passage of irrigation time， and to determine the optimal time for cotton drip irrigation， this research selected two drip irrigation tapes laying modes to study the movement of soil wetting fronts at the beginning and end of drip irrigation tapes within 2， 4， 6 and 8 hours after the start of irrigation. The results showed that the time required for the wetting fronts to reach the vicinity of the root system in the one film two tapes and one film three tapes laying modes was 8 and 6 hours， respectively. The transport rate of the wetting fronts at the beginning was faster than that at the end， and the transport rate of the wetting fronts in the one film three tapes was faster than that in the one film two tapes laying mode. When the irrigation amount of the two modes was similar， the one film three tapes mode was more time-saving. Compared to the one film two tapes mode， the shape of the wetting fronts at the beginning and end of the one film three tapes mode was more similar， and the time required to meet the root system requirements was similar. Considering the local conditions， it is recommended to use a one film three tapes laying mode and a 6-8 h irrigation duration for cotton drip irrigation.

Key words： cotton;drip irrigation tapes;wetting fronts;water transport

新疆是典型的干旱、半干旱地区，并且水资源空间、时间上分布不均匀，新疆总面积为166.04×104 km2，全疆多年平均水资源总量为809.04×108 m3。据统计，2021年新疆总供水量与用水量均为571.4×108 m3，其中生产用水量为540.8×108 m3。在生产用水量中，第一产业用水量为526.78×108 m3，其中灌溉用水量为522.8×108 m3，占99.24%，超全国平均水平约30%。农业生产完全依靠灌溉，灌溉水资源短缺是制约新疆农业发展的主要因素[1-2]。因此，大力发展节水灌溉既是形势的要求，也是新疆可持续发展的需要。滴灌是一种局部灌溉方式，对干旱地区节水起到了推动作用，获得了许多学者的关注。按照作物需水情况，调节作物耗水与根际土壤水分运移的关系，减少或排除深层渗漏或土壤水分亏缺情况，制定科学灌溉制度是提高水分利用效率的重要途径[3]。滴灌条件下水平运移半径与垂直运移半径因土壤性质等存在差异性[4-5]。研究表明，滴头流量与扩散半径存在较好的函数关系，并且扩散半径随着滴头流量的增加而增加，但是滴头流量过大时，积水现象会较早出现[6-7]。研究发现，土壤水平湿润半径和垂直湿润半径随着土壤容重的增加而减少[8-10]。滴灌条件下土壤水分的水平和垂直湿润半径随着初始土壤含水率的增加而增加[11-13]。但是之前学者的研究多集中于室内点源滴灌，对不同滴灌带铺设模式下灌水时间研究甚少，因而灌水时间的确定缺乏科学依据。本研究结合棉田两种滴灌带铺设模式，对土壤水分运移规律进行模拟和研究，为棉田灌溉制度的优化提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验于2021年7月1日—2021年9月10日在新疆呼图壁县大丰镇红柳塘村棉花示范田（44.18°32′ N，86.58°71′ E）进行，种植面积66.67 hm2。试验区棉花地土壤检测深度为0～50 cm，砂壤土，土壤平均容重为1.45 g·cm-3，地下水埋深大于15.5 m。当地多年平均降雨量及无霜期分别为167 mm和180 d，区域平均气温为6.7 ℃，属于半荒漠干旱性气候。

1.2 试验设计

本试验采用机采棉种植模式，田间塑料薄膜、滴灌带铺设与播种同时进行。即种植模式为1膜6行，棉花种植行距为（10+66+10+66+10） cm、株距为10 cm，留苗密度为21万株·hm-2，其滴灌带铺设方式如图1所示。试验田滴灌系统支管铺设长度为60 m，单边滴灌带铺设长度为50 m，每组试验时间为8 h。滴灌带管径为16 mm，滴头流量为2.2 L·h-1，系统首部工作压力为0.16 Mpa、同时单边开启6个支管，支管进水压力为0.06 Mpa、支管滴头间距0.3 m，滴灌带滴头工作压力为0.05 Mpa。试验选用当地常用的一膜二带（滴灌带间距为0.76 m）和一膜三带（滴灌带间距为0.66 m）两种铺设模式，选取A、B、C 3个灌水小区，在支管离首尾两端5 m处和中间处，分别选取3条滴灌带，将离滴灌带首段和尾端5 m处的滴头作为观测对象，观测其水平和垂直方向湿润锋与灌水时间的变化情况。试验小区和观测点详细的布置如图2所示。

1.3 田间试验方法

本试验在一膜二带和一膜三带两种铺设模式下进行。当系统首部出水压力、支管进水压力和滴头工作压力均达到设计值时，在选定的滴灌带首端和尾端滴头处进行湿润锋水平扩散、垂直方向湿润深度与灌水延续时间的观测试验。试验中，以选定滴头为中心，对滴头正下方土壤剖面进行垂直开挖，观测土壤剖面湿润半径和湿润深度随时间变化的情况。当灌水时间增加到2" h时，以滴头为中心，挖宽度为20" cm、深度为15 cm的土壤剖面，采集瞬时湿润锋水平和垂直扩散数据。当灌水时间分别延续到4、6、8 h时，在距前次开挖剖面5个滴头处，使用相同方法进行数据采集。当灌水时间增加到8 h时，停止观测试验。

2 结果与分析

2.1 一膜二带模式下棉花湿润锋随时间变化的情况

在相同工作条件下，同一条滴灌带首端滴头下方水平和垂直方向湿润数据在不同时间段的分布情况见表1。灌水延续时间分别为0、2 h时，湿润半径大于首段湿润深度;灌水延续时间为4、6、8 h时，水平湿润半径等于或水平湿润深度。同一条滴灌带尾端滴头下方水平和垂直方向湿润数据在不同时间段的分布情况：滴灌带尾端湿润半径在灌水延续时间内始终小于湿润深度，灌水时间延续到8 h时，首段湿润半径与湿润深度分别为37、41 cm，尾端湿润半径与深润深度为33、38 cm。

2.2 一膜三带模式下棉花湿润锋随时间变化的情况

如表2所示，一膜三带模式下灌水时间为6 h时，滴灌带首端和尾端湿润深度大于湿润半径。灌水时间延续到8 h时，滴灌带首段湿润半径与湿润深度值一致，均为50 cm，滴灌带尾端湿润半径始终大于湿润深度。灌水时间延续到8 h时，湿润半径与湿润深度分别为50、48 cm。

由首尾两端湿润锋在0～6 h的分布情况可知，一膜二带和一膜三带滴灌湿润锋分布情况基本一致。滴灌过程中，由土壤基质势驱动水分水平方向运移，而垂直运移的水分主要受到基质势和重力势的驱动，从而出现了水平湿润锋小于垂直湿润锋的结果。由于滴灌带压力损失及土壤初始含水率差异，首尾两端在湿润锋存在差异。一膜三带铺设模式下灌溉时间达到6 h时，滴灌带首端水平湿润半径和垂直湿润半径分别为34.5、38 cm，尾端水平湿润半径和垂直湿润半径分别为32、37 cm。当灌溉时间达到8 h时，滴灌带首尾两端的水平湿润半径和垂直湿润半径都接近50 cm。

2.3 一膜二带和一膜三带模式下棉花湿润锋随时间变化模拟

如表3所示，一膜二带和一膜三带铺设模式下灌水延续时间分别为0、2、4、6、8 h时，不同观测点的水平湿润半径和垂直湿润深度随时间变化的规律呈多项式函数关系，函数公式为Y=aX2+bX-C。另外，湿润半径、湿润深度与滴灌时间之间存在显著的相关性，所得模型能代表一膜二带和一膜三带铺设条件下灌水延续时间分别为2、4、6、8 h的湿润锋运移过程。

2.4 一膜二带和一膜三带模式下湿润锋运移速度变化规律

如图3所示，随着灌水进程的推进，湿润半径的扩散速率同步增加，土壤含水率有所提高，有利于土壤中水分的扩散。对不同观测点湿润锋运移的多项式函数求导，得出各观测点湿润锋速率随时间变化的函数，函数公式为Y′=2aX+b。灌水延续时间为0 h时，常数取值为0。

一膜二带铺设模式下首端水平运移速率大于尾端湿润速率，首端和尾端水平湿润速率小于垂直方向湿润速率，首端水平湿润速率高于尾端水平湿润速率。一膜三带模铺设模式下灌水4 h前，首端水平湿润速率略大于尾端湿润速率;灌水4 h后，首端和尾端之间的水平运移速率和垂直运移速率相差不大，首尾段水平湿润速率接近或略小于垂直方向湿润速率。与一膜二带模式相比，在相对应观测点上，一膜三带的水平湿润速率和垂直湿润速率更大。一膜三带模式下首尾两端湿润锋运移速率更加接近，首尾两端得到的湿润体体积更加接近。

2.5 一膜二带和一膜三带模式下最优灌水时间的确定

由棉花根系分布情况可知，苗期根系布满耕层，主根入土垂直深度达到35 cm;生育期大量根系分布在0～60 cm土层深度。一膜二带和一膜三带模式下灌溉时间和灌水量如表4所示。一膜二带铺设模式下滴灌带首尾两端滴头水平方向灌水时间分别为7.11、8.09 h，垂直方向灌水时间为7.85、6.62 h，二者所需灌水量相差甚小。一膜三带铺设模式下滴灌带首尾两端滴头水平方向灌水时间分别为5.53、5.62 h，垂直方向灌水时间为6.62、6.45 h。相比一膜二带模式，一膜三带模式的首尾两端达到根系需水要求所花时间更短，首尾两端所用时间的差异更小。

3 讨论与结论

3.1 讨论

滴灌是最高效的节水灌溉方式，目前在新疆得到广泛应用。滴灌通过灌水器将灌溉水输送到田间作物根际区域，以局部湿润的方式在作物根层土壤区域形成湿润区域及湿润锋，湿润区域及特征通过棉花对水分吸收影响棉花产量及水分利用效率[14-18]。土壤水分渗入是湿润体内水分转化与产生腾发的动态变化过程[19-21]，受质地影响较大。砂质土壤条件下棉花滴灌灌水流量等因素对土壤湿润锋运移影响较显著，尤其在湿润锋垂直方向运移情况影响较大[22-23]。因此，明确棉花土壤湿润锋及水分运移特性，对于科学设计微灌系统和提高水分利用效率具有重要意义。

研究不同滴灌带铺设条件下合理灌水延续时间具有重要意义。滴灌属于地面点源滴灌，其中重要的参数是湿润锋水平运移半径和垂直运移半径。不同灌水量和滴头流量下土壤水分下渗规律不同，导致湿润锋形成及变化过程具有独特性，最终使土壤湿润特征具有差异性[22-23]。滴灌棉花湿润体随时间变化，并且呈多项式函数关系。从棉花生育期根系发达情况来看，苗期根系布满耕层，主根垂直入土深度达到35 cm，花期主根系入土深度达到123 cm，大量或主要根系分布在0～60 cm土层，棉花52.4%、65.8%和73.3%以上的根系量主要分布在离地表20、30、40 cm深度，80.6%以上的根量集中在棉花植株两侧0～15 cm土壤剖面内[24-25]。

3.2 结论

（1）在相同滴灌工作压力及滴头流量情况下，滴灌带首端土壤湿润锋运移速率要高于滴灌带尾端，一膜三带铺设模式下湿润锋运移速率要大于一膜二带铺设模式，并且随着灌水进程的推进，土壤水分扩散速率加快。一膜二带模式下灌水8 h后，湿润锋湿润半径和湿润深度均接近40 cm。一膜三带模式下灌水6 h后，湿润锋湿润半径和湿润深度均接近40 cm;灌水时间延续到8 h后，滴头下方垂直湿润距离达到50 cm，地表出现积水情况。

（2）砂质土壤条件下棉花滴灌滴头垂直方向湿润锋深度或垂直下渗距离相比水平方向大。本研究结果显示，一膜二带与一膜三带铺设模式下分布在湿润体区域的棉花主要根系层或80%以上根系所需灌水延续时间分别为6、8 h。由此看出，2种铺设模式下灌水量相近时，一膜三带模式更加节省时间。相比一膜二带模式，一膜三带首、尾两端湿润锋的分布及所需时间更接近。

（3）随着灌水进程的推进，湿润半径的扩散速率同步增加。土壤含水率有所提高，有利于土壤中水分的扩散。不同观测点水平湿润半径和垂直湿润深度随时间变化的规律呈多项式函数关系，函数公式为Y=aX2+bX-C。

参考文献：

[1] 赵波. 膜下滴灌棉花自动化灌溉控制指标研究[D]. 石河子： 石河子大学， 2017： 1-13.

[2] 包城， 秦子程， 高福祥， 等. 和田风沙土单滴头点源入渗特征研究[J]. 中国农村水利水电， 2020（9）： 66-70， 74.

[3] 吴争光， 虎胆·吐马尔白， 张金珠， 等. 膜下滴灌灌溉制度对棉田土壤水分变化及产量的影响研究[J]. 新疆农业科学， 2010， 47（8）： 1574-1579.

[4] 阿布都卡依木·阿布力米提， 马英杰， 张佳学. 呼图壁县膜下滴灌棉花灌水时间研究[J]. 节水灌溉， 2016（7）： 18-22.

[5] 卡地尔江·米吉提. 盐生植物田菁对根层土壤盐分影响试验研究[D]. 乌鲁木齐： 新疆农业大学， 2012： 1-11.

[6] 阿布都卡依木·阿布力米提. 棉田滴灌系统灌水均匀度与灌溉制度试验研究[D]. 乌鲁木齐： 新疆农业大学， 2017： 5-21.

[7]何静， 王振华， 刘健， 等. 灌溉水温与施氮量对滴灌棉田土壤水热及棉花生长和产量的影响[J]. 中国农业科学， 2024， 57（2）： 319-335.

[8] 贾运岗， 张富仓， 李培岭. 大田滴灌条件下土壤水分运移规律的试验研究[J]. 灌溉排水学报， 2007， 26（6）： 15-18.

[9] 姜瑞瑞， 费良军， 康守旋. 浑水膜孔灌多向交汇入渗湿润体特征数值研究[J]. 水土保持学报， 2022， 36（4）： 190-195.

[10] 孙海燕， 李明思， 王振华， 等. 滴灌点源入渗湿润锋影响因子的研究[J]. 灌溉排水学报， 2004， 23（3）： 14-16， 27.

[11] 朱珠， 张旭贤， 王世昌， 等. 插入式地下滴灌对土壤入渗和水盐分布的影响[J]. 新疆农业科学， 2023， 60（2）： 440-447.

[12] 马宏秀， 孙权， 鲁海涛， 等. 不同初始含水率下风沙土地下渗灌水分运移特性研究[J]. 灌溉排水学报， 2023， 42（7）： 52-59.

[13] 王策， 叶津阳， 邢栋， 等. 微润灌多重变水头下土壤水分动态演变与数值模拟[J]. 农业机械学报， 2023， 54（11）： 306-318， 368.

[14] 张前英， 吴海平， 巴利珍， 等. 滴灌土壤湿润体特征及体积计算方法研究[J]. 山西农业大学学报（自然科学版）， 2022， 42（3）： 114-122.

[15] 赵伟霞， 张振华， 蔡焕杰， 等. 间接地下滴灌土壤湿润体特征参数[J]. 农业工程学报， 2010， 26（4）： 87-92.

[16] 古俊飞， 马海燕， 徐立荣， 等. 不同压力下新型地下灌水器流量及湿润锋变化[J]. 节水灌溉， 2024（6）： 35-39， 45.

[17] 卡地尔江.米吉提， 马英杰， 洪明， 等. 不同灌水条件下田菁根际土壤水盐变化规律试验研究[J]. 水利与建筑工程学报， 2012， 10（4）： 1-5， 17.

[18] 王晓愚. 地下滴灌田间管网系统水力要素室内试验与数值模拟研究[D]. 西安： 西安理工大学， 2009： 3-5.

[19] HASSANLI A M， EBRAHIMIZADEH M A， BEECHAM S. The effects of irrigation methods with effluent and irrigation scheduling on water use efficiency and corn yields in an arid region[J]. Agricultural Water Management， 2009， 96（1）： 93-99.

[20] 牛文全， 樊晓康， 陈俊英. 初始含水率对涌泉根灌土壤渗透特征的影响[J]. 排灌机械工程学报， 2012， 30（4）： 491-496.

[21] 李耀刚， 蒋存仁. 滴灌双点源土壤水分入渗特性数值模拟研究[J]. 节水灌溉， 2021（1）： 33-38.

[22] ELMALOGLOU S， DIAMANTOPOULOS E. Effects of hysteresis on redistribution of soil moisture and deep percolation at continuous and pulse drip irrigation[J]. Agricultural Water Management， 2009， 96（3）： 533-538.

[23] 卡地尔江·米吉提， 阿布都卡依木·阿布力米提， 冯济慈， 等. 棉花自动化滴灌灌水频次对土壤墒情及产量的影响[J]. 节水灌溉， 2024（9）： 89-95.

[24] 郝闯闯， 刘大忠， 买买提明·买吐松， 等. 滴灌灌水器特征参数对砂土湿润进程的影响[J]. 排灌机械工程学报， 2024， 42（5）： 508-516.

[25] 赵彭辉. 施肥浑水膜孔灌单向交汇入渗土壤水氮运移特性及影响因素试验研究[D]. 西安： 西安理工大学， 2024： 1-30.

基金项目：新疆科技发展计划项目（2022LQ04001）;扬州市重点研发计划（产业前瞻与关键核心技术）项目（YZ2023004）;江苏省科技计划专项资金（重点研发计划现代农业）项目（BE2023340）

作者简介：卡地尔江·米吉提（1985—），男，新疆伽师人，讲师，硕士，主要从事水资源高效利用技术与理论研究。

通讯作者简介：阿布都卡依木·阿布力米提（1990—），男，新疆叶城人，高级工程师，硕士，主要从事灌溉自动化理论和技术研究。