地表滴灌条件下滴头流量对土壤水分入渗—再分布过程的影响

张志刚，李　宏，李　疆，程　平，刘　帮，李长城

(1.新疆农业大学林学与园艺学院， 新疆 乌鲁木齐 830052； 2.新疆林业科学院， 新疆 乌鲁木齐 830000)



地表滴灌条件下滴头流量对土壤水分入渗—再分布过程的影响

张志刚1,2，李宏2，李疆1，程平2，刘帮1，李长城1

(1.新疆农业大学林学与园艺学院， 新疆 乌鲁木齐 830052； 2.新疆林业科学院， 新疆 乌鲁木齐 830000)

摘要：在新疆林业科学院枣树示范基地进行了原状土的树下单点源滴灌试验，研究砂壤土在不同滴头流量条件下(滴头流量分别为8、12、16 L·h(-1))地表滴灌湿润体特征值的变化规律。结果表明：① 停止灌溉时湿润锋呈平卧半椭球体分布，随着滴头流量的增加湿润锋的分布范围逐渐增大，停止灌溉后12 h内各滴头流量下土壤中的水分运移均存在再分布过程，水分再分布后湿润锋呈直立半椭球体分布，湿润体的形状大小受到滴头流量及灌溉总量的影响，湿润锋水平、垂直运移距离与入渗时间存在显著的幂函数关系，决定系数(R2)均大于0.95；② 滴灌初期湿润锋在水平、垂直方向上的运移速率随着滴头流量的增加而增大，随着灌水历时的延长逐渐降低，滴头流量越大入渗距离比也就越大，并且随着灌溉时间的推移入渗距离比值逐渐减小，三种滴头流量下入渗距离比由最初的2～2.27逐渐减小到0.8～0.97；③ 随着滴头流量的增大湿润体的体积不断增大，湿润体含水量也随之增大，距离滴头越近含水量等值线越密，外围含水量等值线较稀疏，滴头正下方约40 cm处土壤含水量增加值达到最大，再分布后含水量等值线变为稀疏，水平扩散半径增加值较小，垂直方向再分布距离较大。

关键词：滴灌；水分再分布；湿润体特征值；运移速率；土壤含水量

水资源短缺是限制新疆地区可持续发展的主要因素，红枣作为南疆地区的重要产业，群众经济收入的主要来源，其发展在很大程度上受到干旱缺水的制约[1-2]。滴灌是一种既能有效地提高水分利用效率，又能减少作物根系层营养物质淋失的节水灌溉技术[1]。在正确的系统设计和高水平的田间作物水分管理条件下，滴灌系统能够适时适量地进行灌溉，在作物的根区创造出适宜的水、肥、气、热条件，从而获得节水、高产、优质的效果[2-3]。

对滴灌条件下水分运动规律及分布特性的研究，是进行正确滴灌系统设计和高水平田间作物水分管理的前提和基础，国内外学者对该方面的理论和试验研究较多[1-13]。通常研究方法主要是通过室内实验和野外试验，对滴灌入渗过程中土壤水分运移、分布规律以及外界影响因子进行数值模拟和计算，最经典的方法是以Richards方程为基础进行的点源入渗数值模拟，部分学者通过室内装箱实验测定滴灌水分运移规律及分布特性，该种方法破坏了土壤的原物理结构，故实验结果不能有效地指导实践，并且主要研究滴灌入渗过程湿润锋的运移以及土壤水分运动规律，或者单纯的研究土壤水分再分布过程，很少同时涉及到以上两方面的研究[1-9]。本文通过红枣树下单点源入渗试验，自动监测不同滴头流量条件下水分在土壤中的运移过程，对比不同滴头流量情况下土壤水分运移规律，为滴灌系统的设计和运行管理提供理论依据。

1材料与方法

1.1试验区概况

试验地位于新疆阿克苏地区温宿县境内的新疆林业科学院佳木良种试验站，E80°32′，N41°15′，海拔1 103.8 m。试验站总面积80 hm2，呈长方形，地势北高南低，西高东低，南北长1 600 m，东西宽650 m，地下水埋深2.8～3.3 m；属大陆性干旱荒漠气候，昼夜温差大；春季较短，多大风降温天气，时常有倒春寒现象发生，夏季炎热而干燥；降水量稀少，四季分配不均，降水量年际变化大，年均降水量65.4 mm，年蒸发量1 883.6 mm；年均气温10.1℃，极端最低温-27.4℃，年均日照时数2 747.7 h，≥10℃积温2 916.8℃～3 198.6℃，无霜期195 d[14-16]。

1.2试验土壤

试验站的土壤为棕色荒漠土，有机质0.5～4.6 g·kg-1之间，pH值8.11～9.85，呈弱碱性，土壤厚度约为3 m。取试验样地土壤深度为0～160 cm，第一层土壤为壤土层，深度为0～30 cm，第二层是砂土层，深度为30～50 cm，第三层是黏土层，深度为50～80 cm，第四层是砂土层，深度为80～160 cm，土壤理化性质见表1[17-18]。

表1　试验地土壤的主要理化性质

1.3样地选择及布置

在试验区内选择红枣林内一块比较平整且土壤未经过扰动的田块作为试验样地，结合果树种植株行距，试验用地面积为10 m×10 m，除去表面覆盖土以及杂物，将表层土壤翻修平整，样树选择地径3～4 cm，树高1.8～2 m，冠幅1.5 m×2 m，树势良好无病虫害的灰枣树各三棵。为避免果园的日常管理对试验样地造成影响，在样地边缘人工挖掘深度为1.8 m的壕沟，在壕沟内紧贴样地一侧围上防渗膜，防渗膜高出地面50 cm以上，防止大田灌溉后水分侧渗对试验样地的影响，然后把壕沟填满埋实。避免果园灌水对样地的冲击，在样地外围(隔离带外)堆置高度为0.5 m的土陇作为缓冲带，缓冲带同样铺设防渗膜。

1.4试验设备与试验方法

1.4.1试验设备滴灌试验设备由ECH20水分测量探头及多通道数据采集器、供水系统组成。土壤湿润体含水量采用Decagon公司生产的ECH20土壤水分传感器和48通道的自动数据采集器进行动态测量。供水系统由自制恒压水桶和常规滴头组成，试验过程中水桶提供恒压供水，考虑到南疆地区红枣对水分的需求特性，本次试验通过选取常规使用的8、12、16 L·h-1三个不同滴头流量，并通过更换不同的滴头来控制流量大小。

1.4.2试验方法滴灌试验于2014年在红枣生长季(5—9月)进行，试验采用自制压力设备，设计滴灌历时为6 h，实际滴头流量分别为q=8、12、16 L·h-1的试验梯度。每灌水梯度试验重复3次。以距样树根部10 cm处为原点(滴头供水点)，与树行垂直挖长2 m、宽0.5 m、深1.8 m的剖面，将ECH2O水分探头插入没有经过扰动的土壤剖面，水分探头布置好后再将土壤回埋浇水压实。在水平方向上，以样地原点(距树干10 cm)O点为起点，距离O点20、40、60、80、100、120、140、160、180 cm布置探头，探头埋深距离地面20 cm；在垂直方向上，以O点为顶点，距离地表20、40、60、80、100、120、140、160 cm的深度布置探头。另外与水平方向成30°、60°夹角再均匀布置两排探头，总共布置探头31个(图1)。试验进行时每隔10 min采集一次数据，试验完毕后待试验样地土壤容积含水量恢复到或接近初始含水量时，即土壤相对含水量为60%～62%(土壤容积含水量约11%～15%)，再进行下一灌溉水量试验。Decagon公司生产的ECH2O土壤水分传感器精确度为±1%，因此滴灌过程中某一处灌水前后两次土壤容积含水量差值为2%时(即该处含水量增加量为2%)，则认为湿润锋到达了该处；对湿润锋垂直运移距离的测量，通过查找监测数据确定出湿润锋到达垂直方向各个ECH2O土壤水分传感器时所对应的入渗时间，且每个灌水梯度重复3次取其均值作为湿润锋运移距离及所对应入渗时间。

图1ECH2O水分探头布置

Fig.1ECH2O moisture probe layout

1.5数据分析

采用SPSS 18.0、Excel 2007软件进行统计分析，数据处理过程中为克服初始含水量对试验结果的影响，以下数据分析均采用净增加含水量(试验过程中某时刻土壤含水量-初始含水量)，即土壤含水量增加值进行分析并采用SURFER8.0软件进行绘图。

2结果与分析

2.1滴头流量对湿润锋形状和运移过程的影响

图2为滴头流量分别为8、12、16 L·h-1时停止灌溉时湿润锋的形状；图3为滴头流量分别为8、12、16 L·h-1时停止灌溉12 h后湿润锋的形状。由图2可知，当停止灌溉时3种滴头流量条件下湿润锋呈平卧半椭球体分布，随着滴头流量的增加湿润锋的分布范围逐渐增大，滴灌过程中水分运移由于受到土壤质地以及初始含水量的影响，湿润锋边界呈不规则分布；水平方向上水分运移过程中当q≥12 L·h-1时，基质势的作用逐渐变小，水平运移距离逐渐减小，垂直方向上重力势的作用随着灌溉量的增加逐渐增大。停止滴灌后由于受到水势梯度和重力势的影响土壤中的水分还会继续运移一段时间，即土壤水分的再分布过程。土壤水分再分布过程中，湿润锋不断向外延伸，试验观察发现当停止灌溉12 h后土壤中水分延伸极为缓慢，湿润锋几乎不再向外延伸。对比图2、3可知，停止灌溉后12 h内各滴头流量条件下，土壤中水分运移均存在再分布过程，水分再分布后湿润锋呈直立半椭球体分布，水平扩散半径增加较小，垂直入渗距离增加较大，且随着滴头流量增加而增大，可见水分再分布过程中主要受到水势梯度与重力势作用的影响。

图2停灌时不同滴头流量下湿润锋的形状

Fig.2Pattern of the wetting body for different drip

discharges with no irrigation

水平扩散半径X(t)与垂直入渗距离Z(t)是滴灌入渗过程中湿润锋运移的两个重要的特征值。图4为不同滴头流量下湿润锋水平扩散半径X(t)和垂直入渗距离Z(t)随着时间t的变化过程。由图4可知，滴灌初期，同一滴头流量条件下，水平扩散半径大于垂直入渗距离，随着滴灌历时的延长，垂直入渗距离渐近并超过水平扩散半径，主要是由于灌溉初期土壤基质势起到主导作用，湿润锋在水平方向上运移距离大于垂直入渗距离，随着灌水量的增加，土壤中水分重力势作用以及水势梯度力增强，导致水分在水平方向上基本停止运移，垂直入渗距离逐渐增加且在800～1000 min时停止运移(包含水分再分布过程)；垂直入渗距离随着滴头流量增加而增大，由图4中水平扩散半径与入渗时间的关系可知，三种滴头在滴灌过程中水平扩散半径达到相同距离时，所需要的入渗时间随着滴头流量的增加逐渐减小，可见水平扩散过程中滴头流量直接影响到水平扩散半径的大小；由垂直入渗距离与入渗时间关系可知，滴灌初期三种滴头垂直入渗距离差异较小，可见滴灌初期由于灌溉量较小重力势作用与水势梯度表现不明显，灌水量的大小直接影响到水分再分布过程中垂直入渗增加的距离。

图3　停灌后12 h内不同滴头流量下湿润锋的形状

图4湿润锋水平、垂直入渗距离变化过程

Fig.4Changes in horizontal wetting front and vertical

wetting front during infiltration

对水平扩散半径X(t)、垂直入渗距离Z(t)与入渗时间t进行拟合，拟合结果如表2，从表2中可以得出湿润锋水平、垂直运移距离与入渗时间存在显著的幂函数关系，决定系数(R2)均大于0.95。由表2拟合的方程可知，根据不同的灌水时间可以计算出3种滴头流量在水平、垂直方向的入渗距离。在滴头流量不变的条件下，结合不同果树的根系分布特点，水平扩散、垂直入渗距离拟合方程可为滴头的布置间距以及滴灌总量的确定提供依据。

表2　不同滴头流量下湿润锋运移的拟合方程参数

注：长度单位(cm)，对应入渗时间t单位(min)。

Note: The unit of length is “cm” and that of time is minute.

2.2湿润锋平均运移速率分析

湿润锋运移的平均速率是指某一段时间内，湿润锋运移距离的变化量，用Vx(t)表示水平方向湿润锋运移平均速率，即Vx(t)=Δx/Δt，垂直方向的湿润锋运移平均速率用Vz(t)表示，即Vz(t)=Δz/Δt(Δx表示某一段时间内水平增加距离、Δz表示某一段时间内垂直增加距离、Δt表示与湿润锋运移相对应的某一段时间)。图5为垂直、水平方向湿润锋运移速率与入渗时间的关系曲线，利用幂函数Vx(t)=rtm，Vz(t)=jtk对二者进行拟合，决定系数R2均在0.96以上；表3为各个滴头流量条件下Vx(t)、Vz(t)与灌水历时的拟合结果。从图5中可知，滴灌初期湿润锋在水平、垂直方向上的运移速率随着滴头流量的增加而增大；湿润锋的运移速度在灌水初期较快，随着灌水历时的延长逐渐降低；以水分入渗时间达到120 min时为例，滴头流量分别为8、12、16 L·h-1时，水平方向上水分平均扩散速率分别为0.27、0.296、0.324 cm·min-1，垂直方向上水分平均入渗速率分别为0.254、0.28、0.298 cm·min-1，可见灌水初期同一滴头流量条件下湿润锋垂直方向上的运移速率小于水平方向上的运移速率，但是持续的入渗时间较水平方向上的长。根据不同滴头流量条件下湿润锋平均运移速率与入渗时间的关系结合不同植物的根系分布特征对制定合理的灌溉历时具有理论指导意义。

2.3湿润锋的入渗距离比值分析

水平扩散半径和垂直入渗距离的比值我们通常称为湿润锋入渗距离比(X为水平扩散半径，Z为垂直入渗距离)，研究滴灌条件下不同滴头流量的湿润锋入渗距离比特征值有利于结合不同植物根系的分布特征，制定合理灌溉计划以及指导滴头间距的布置。图6为三种滴头入渗距离比与入渗时间的关系，由该图可知，入渗距离比与入渗时间存在幂函数关系，可以用公式X/Z=Atu表示，拟合结果见表4，R2均在0.98以上。由图6可知，滴灌初期滴头流量越大入渗距离比也就越大，并且随着灌溉时间的推移入渗距离比值逐渐减小，滴头流量为8 L·h-1时，入渗距离比值由最初的2减小到停止运移后的0.97；滴头流量为12 L·h-1时，入渗距离比值由最初的2.13减小到停止运移后的0.89；滴头流量为16 L·h-1时，入渗距离比值由最初的2.27减小到停止运移后的0.8。结合图4可知，当入渗时间持续到250 min后水分运移在水平方向上的增加距离逐渐减小，入渗距离比值逐渐降低，并且其变化规律逐渐转变为滴头流量越小，入渗距离比越大，主要原因是在灌溉初期土壤中含水量较低，土壤水分运移过程中基质势起主导作用，此时以水平扩散为主，随着灌溉量的增加滴头正下方土壤中含水量逐渐饱和，随之产生的重力势与水势梯度作用也逐渐增大，此时逐渐以垂直入渗为主，因此，出现入渗距离比值逐渐随着滴头流量的增加而减小的现象。

图5　湿润锋平均运移速率与入渗时间的关系

图6　入渗距离比与入渗时间的关系

注：平均运移速率单位(cm·min-1)，对应入渗时间t单位(min)。

Note: The unit of average migration rate is “cm·min-1” and that of time is minute.

表4　入渗距离比与入渗时间的关系的拟合参数

注：对应入渗时间t单位(min)。

Note: The unit of time is minute.

2.4滴头流量对湿润体容积含水量的影响

用绘图软件SURFER8.0对灌溉过程中各个ECH2O水分探头实测的容积含水量增加值进行绘制，分别绘制出滴头流量为8、12、16 L·h-1容积含水量等值线图、停灌12 h后水分再分布后等值线图，图7为停止滴灌时不同滴头流量条件下土壤容积含水量等值线。由图7可知，随着滴头流量的增大湿润体的体积不断增大，湿润体含水量也随之增大；距离滴头越近含水量等值线越密，滴头正下方约40 cm处土壤含水量增加值达到最大值，主要是由于灌溉过程中由于受到土壤透水性的限制，灌溉量逐渐增大导致土壤中的水分不能及时扩散，水分在滴头正下方土壤中出现了暂时的停留聚集；三种滴头流量条件下湿润体外围含水量等值线较稀疏，由于滴灌过程中，在土壤中水分运移以滴头正下方40 cm处为中心向四周扩散，距离滴头越远土壤含水量越小，等值线也就越稀疏。以水平方向距滴头40 cm，垂直方向深40 cm处为例，当q=8 L·h-1时，该处含水量增加值为6%；随着滴头流量增大到12 L·h-1时，该处含水量增加值也随之增加了7%；q=16 L·h-1时，该处含水量又随之增加了8%，由此可知湿润体同一位置的含水量同样随着滴头流量的增大逐渐增加。

图7停灌时不同滴头流量土壤含水量变化等值线

Fig.7Isogram of soil moisture content of drip discharges with no irrigation

图8为停止滴灌12 h后不同滴头流量土壤容积含水量再分布后的等值线图，对比图7、图8可知，三种滴头流量条件下，土壤水分再分布后水平扩散半径增加值较小，相反垂直方向再分布距离较大，并且随着滴头流量的增大逐渐增加，垂直方向再分布过程较明显，主要是因为在分布过程中停止了灌水，水分在土壤中的运移主要受重力势与水势梯度影响，因此垂直方向再分布距离表现较为明显。水分再分布后湿润区域内含水量均不同程度的减小，且同一位置处土壤含水量增加值降低了4%～7%，距离滴点越近则土壤含水量下降幅度越大，反之下降幅度越小。停灌时湿润锋外缘处土壤含水量在再分布后均增大，且湿润体增大，再分布后含水量等值线变为稀疏。滴灌过程中存在再分布主要原因是：由于入渗终了后，上部土层水分接近饱和，下部土层仍是原来的状况，水分必然要由上面水势高的土层继续向下边水势较低的层次运动，在上层水分有所减少的同时，下层水分得到提高，于是接着又向更深土层迁移，对土壤中的水分重新进行了分配。因此，水分再分布后湿润体的分布区域有所增加，含水量降低且含水量等值线变为稀疏。

图8停灌12 h后不同滴头流量土壤含水量再分布等值线图

Fig.8Isogram of soil moisture content of drip discharges 12 hours after irrigation was stopped

3结论与讨论

在地表滴灌条件下通过对未经过扰动的原状土进行滴头流量对土壤水分运移过程影响试验，并对水分运移规律及特征值分析后，得出以下结论：

1) 停止灌溉时3种滴头流量条件下湿润锋呈平卧半椭球体分布，随着滴头流量的增加湿润锋的分布范围逐渐增大，停止灌溉后12 h内各滴头流量土壤中的水分运移均存在再分布过程，水分再分布后湿润锋呈直立半椭球体分布，湿润体的形状大小受到滴头流量及灌溉总量的影响，滴灌初期由于灌溉量较小重力势与水势梯度作用表现不明显，垂直入渗距离基本一致，灌水量的大小直接影响到水分再分布过程中垂直入渗增加的距离。湿润锋水平、垂直运移距离与入渗时间存在显著的幂函数关系。同一灌水历时，滴头流量增大时湿润锋的垂直、水平距离也都呈现出增加的趋势，水分垂直入渗时间大于水平扩散时间，该结论与李明思、赵颖娜的研究结论基本一致[2,6]。

2) 滴灌初期湿润锋在水平、垂直方向上的运移速率随着滴头流量的增加而增大，随着灌水历时的延长逐渐降低；同一滴头流量条件下湿润锋垂直方向上的运移速率小于水平方向上的运移速率，但持续的入渗时间较水平方向上的长；湿润锋水平、垂直运移速率与入渗时间存在显著的幂函数关系，决定系数(R2)均大于0.94。入渗距离比与入渗时间同样存在幂函数关系，滴灌初期滴头流量越大入渗距离比也就越大，并且随着灌溉时间的推移入渗距离比值逐渐减小，基质势、重力势、水势梯度之间的交替作用导致滴灌后期滴头流量越小入渗距离比越大。

3) 随着滴头流量的增大湿润体的体积不断增大，湿润体含水量也随之增大，距离滴头越近含水量等值线越密，滴头正下方约40 cm处土壤含水量增加值达到最大；三种滴头流量条件下湿润体外围含水量等值线较稀疏，湿润体同一位置的含水量同样随着滴头流量的增大逐渐增加。停灌后12 h内土壤中的水分还会继续运移，即水分的再分布过程，刘雪芹、范兴科认为停止灌水24 h内水分存在再分布过程[1]，造成不同研究结果的主要因素是受不同土壤质地的影响。

4) 三种滴头流量条件下，土壤水分再分布后水平扩散半径增加值较小，相反垂直方向再分布距离较大，并且随着滴头流量的增大逐渐增加，垂直方向再分布过程较明显，水分再分布后湿润区域内含水量均不同程度的减小，且同一位置处土壤含水量增加值降低了4%～7%，距离滴头越近则土壤含水量下降幅度越大，反之下降幅度越小。停灌时湿润锋外缘处土壤含水量在再分布后均增大，且湿润体增大，再分布后含水量等值线变为稀疏。

参 考 文 献：

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Effects of different dripper discharges on soil water infiltration/redistribution under drip irrigation

ZHANG Zhi-gang1,2, LI Hong2, LI Jiang1, CHENG Ping2, LIU Bang1, LI Chang-cheng1

(1.ForestryandHorticultureCollege,XinjiangAgriculturalUniversity,Urumqi,Xinjiang830052,China;2.XinjiangAcademyofForestrySciences,Urumqi,Xinjiang830000,China)

Abstract：The objective of the study was conducted to investigate the variations of different dripper discharges on the characteristic values of the wetted body under sand soil in the Jujube demonstration base of Xinjiang Academy of Forestry Sciences. The result showed that when irrigation was stopped, the wetting front performed like a lying semi-ellipsoid. With the increase of the dripper discharge, the distribution range of the wetting front was also increased. 12 hours after irrigation was stopped, soil moisture transport under each dripper discharge was redistributed. The wetting front resembled an upright semi-ellipsoid after redistribution. The moist body size and shape were affected by the dripper discharge and irrigation amount. There was a significant power function between the horizontal and vertical transport distance and infiltration time with an R2≥0.95. In addition, at early irrigation stage, the migration rate of wetting front in the horizontal and vertical became increased with amount of dripper discharge, and went decreased with irrigation time. The larger the dripper discharge, the greater the infiltration distance ratio. Infiltration distance ratio was decreased with irrigation time. The infiltration distance ratio from an initial value 2-2.27 was gradually reduced to 0.8～0.97 under three dripper flows. Furthermore, with the increase in dripper discharge volume, the volume of moist body and water content of soil became increased as well. Drip distance influenced moisture contour. Soil moisture content reached maximal 40cm below the dripper. After redistribution, the moisture contour became sparse, the horizontal diffusion radius was small, and the vertical redistribution distance was large.

Keywords:drip irrigation; water redistribution; characteristic value of wetted body; moist ratio; water content of soil

中图分类号：S275.6

文献标志码：A

作者简介：张志刚(1986—),男,河北衡水人,博士研究生,主要从事节水灌溉、林果栽培方面的研究。E-mail:648753460@qq.com。通信作者：李宏,研究员,博士生导师,主要从事森林培育方面的研究工作。E-mail：hong1962@126.com。

基金项目：国家林业公益性行业重大专项项目“新疆特色林果提质增效关键技术研究与示范”(201304701-2)

收稿日期：2015-02-19

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.02.36

文章编号：1000-7601(2016)02-0224-08