PP棉孔徑對涌泉根灌入滲特性的影響

郭子悅,代智光,任樂言,萬奇霖,朱寄子星,李世紀,任利宇,蔡耀輝

(1.西北農林科技大學 水利與建筑工程學院,陜西 楊凌 712100;2.西北農林科技大學 中國旱區節水農業研究院,陜西 楊凌 712100;3.河南科技大學 農業工程學院,河南 洛陽 471003;4.陜西崇仁水利工程有限公司,陜西 西安 710000;5.西北農林科技大學 水土保持科學與工程學院,陜西 楊凌 712100;6.中國科學院水利部水土保持研究所,陜西 楊凌 712100)

黃土高原地區土壤干旱,降水時空分布不均,日間蒸發量大,導致作物生長所需水分供求出現矛盾[1],不利于作物生長發育,造成作物大面積減產,嚴重制約當地農業的可持續發展[2]。為提高灌溉水分利用效率,增加作物產量,噴灌、滴灌、微噴灌、涌泉根灌等多種先進的節水灌溉技術已得到推廣應用[3-4]。其中涌泉根灌是采用套管將大流量灌水器與土壤隔離,通過灌水器直接將水肥輸送到作物根區的灌溉技術,有效避免了地表蒸發和深層滲漏,提高了作物水分利用效率,極大程度地改善了灌水器堵塞問題,同時不受地形條件限制,適合在黃土高原地區大面積推廣[5-6]。

自涌泉根灌技術提出以來[7],歷經十余年,國內外相關學者對涌泉根灌技術開展了大量研究,并取得一系列成果。針對涌泉根灌技術在田間應用效果,Dai等[8-9]對黃土高原棗樹進行了涌泉根灌水氮耦合試驗,研究表明,涌泉根灌能有效提高棗樹水肥利用效率。李哲等[10]以陜北山地蘋果為研究對象,建立了涌泉根灌條件下蘋果樹蒸騰蒸發量關于葉面積指數的估算模型,對陜北山地蘋果涌泉根灌灌溉制度制定提供理論支撐。Hao等[11]對陜北山地蘋果進行調虧灌溉,分析了蘋果各物候期的耗水規律和土壤根部含水率對果樹光合特性,果實產量和品質的影響,發現在蘋果萌芽展葉期和果實膨大期進行調虧灌溉可穩定蘋果產量,提高蘋果品質。

以上田間試驗的研究結果均為黃土高原山地果樹灌溉管理提供了理論指導,但在實際應用中,由于灌水技術參數設置不合理而降低水分利用效率的問題依然存在。土壤水分入滲能力直接影響灌溉水分的利用效率,因此,明晰涌泉根灌下土壤水分入滲特性,確定合理的灌水技術參數至關重要。近年來,相關學者對涌泉根灌土壤水分入滲特性進行了深入研究。汪有科等[12]在黃土坡地利用剖面法研究涌泉根灌不同孔徑、孔深條件下土壤水分運移規律,確定涌泉根灌適宜孔徑深度為30 cm～40 cm,孔洞直徑為6 cm;牛文全等[13]通過室內土箱試驗,研究涌泉根灌條件下土壤初始含水率對均質土壤水分擴散的影響,結果表明初始含水率對濕潤體大小有顯著影響,且隨著土壤含水率增加,各向濕潤鋒速度及濕潤體內水分分布均勻度均不斷增大;劉風華等[14]以江西紅壤土為例開展室內試驗,結果表明土壤初始入滲能力隨容重增加而減小,土壤水分入滲衰減速度隨容重增大而增大;趙新宇等[15]研究了相同灌水量下,灌水流量對涌泉根灌濕潤體的影響,室內土壤試驗結果表明灌水流量越大,濕潤體形狀越扁平;何振嘉等[16]將黃土高原棗園試驗區原狀土作為觀測面,研究涌泉根灌濕潤體水氮運移特征規律,試驗表明涌泉根灌入滲能力與肥液質量濃度呈正相關;代智光等[17]通過土壤剖面入滲試驗,研究灌水器埋深對涌泉根灌雙點源交匯入滲特性的影響,結果表明,涌泉根灌條件下,灌水器埋深對紅壤土水氮運移分布有顯著影響,且埋深超過60 cm時,造成氮肥淋失,不利于作物吸收。

上述研究主要集中于灌水技術參數和土壤物理參數等,但涌泉根灌的出流過程是灌水器和套管共同影響的結果,灌水器材料的選擇對其水力性有顯著影響[18-19]。目前在實際的田間應用中,涌泉根灌灌水器及配套套管制作材料多為聚丙烯材料,但該材料在田間長時間留存是否會通過降解引起環境污染的問題尚需明確[20]。已有研究中有學者將PP棉濾芯作為配套套管,該套管以不易產生二次污染的聚丙烯為材料,通過熱熔方式纏繞而成[21],且壓差穩定,不易產生土壤顆粒和根系堵塞,價格低廉,使用壽命長。

陳俊英等[22]以室內土箱試驗為基礎,研究PVC和PP棉兩種套管材料對涌泉根灌土壤入滲濕潤體特性的影響,結果表明灌水后兩種材料所形成的土壤表面濕潤半徑均與時間的自然對數呈線性關系,并建立了由表面濕潤半徑反演最大水平濕潤半徑和深度的預測模型;劉珂瑤等[23]采用室內土箱試驗,研究將PP棉作為涌泉根灌濾芯時灌水器流量和套管長度對土壤入滲的交互作用,結果表明灌水器流量為12 L/h、套管長度為40 cm的配套組合最有利于土壤水分運移。

綜上,目前對涌泉根灌技術研究主要集中在田間布設和材料選擇等方面,但關于不同孔徑PP棉對涌泉根灌入滲特性的研究未見報道。本試驗選用不同孔徑PP棉作為涌泉根灌套管,研究不同孔徑PP棉對涌泉根灌出流特性的影響,揭示不同孔徑對土壤入滲特性的影響機制,以期為涌泉根灌技術的應用提供指導依據。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

涌泉根灌土壤入滲試驗在西北農林科技大學旱區節水農業研究院灌溉水力學試驗大廳進行。試驗系統由供水裝置、灌水裝置、土箱和土壤水分傳感器4部分組成,如圖1(a)所示。其中供水裝置由水箱、水泵和輸水管道等組成;灌水裝置由灌水器和不同孔徑PP棉套管組成,不同孔徑PP棉微觀結構如圖1(b)所示,PP棉套管長度為40 cm,內徑為2.8 cm,厚度為1.7 cm。灌水裝置埋置于土箱一角,以模擬實際大田中1/4的土壤水分入滲情況,進水口距土壤表層10 cm[23]。黃土高原地區矮化密植蘋果樹根系主要集中在0～80 cm土層[24],為較好地確定蘋果根系濕潤體區域,選擇規格為45 cm×45 cm×75 cm的有機玻璃土箱,土箱底部與分層土壤中不透水層特征一致[25]。

圖1 試驗裝置、灌水器和PP棉套管細部結構及電鏡掃描示意圖

1.2 供試土壤

供試土壤為田間原狀土,取自陜西省延安市寶塔區蘋果園距土壤表面0～75 cm處,土壤類型為黃綿土。試驗前土壤經自然風干、碾壓、粉碎后過2 mm篩,按每層10 cm裝入土壤,層間打毛。土壤顆粒組成由馬爾文激光粒度分析儀MS2000測定,具體結果見表1,按照國際制,判定該土壤質地為砂壤土。試驗過程中用塑料薄膜覆蓋土壤表面,以防止土壤水分蒸發干擾試驗結果。

表1 供試土壤物理性狀

1.3 觀測指標

試驗各處理灌水量相同,灌水量計算公式如下:

m=γzp(θmax-θmin)

(1)

式中:m為灌水定額,mm;γ為土壤密度,取1.35 g/cm3;z為計劃濕潤層深度,取0.75 m;p為濕潤比,取0.35;θmax,θmin為土壤含水率上下限(質量百分比),本試驗分別取41.08%和1.89%。

經計算,總灌水量為7 L。試驗設置了4個不同孔徑PP棉(1 μm、10 μm、20 μm和50 μm),試驗設計方案見表2。本試驗灌水器流量為4 L/h,試驗時模擬大田試驗1/4濕潤體情況,因此實際灌水器流量取大田使用流量的1/4進行室內土箱試驗,Q=1 L/h。

表2 不同孔徑PP棉試驗設計方案

入滲開始后,用秒表計時,定時觀測所形成濕潤體在豎直向上方向、豎直向下方向和水平方向濕潤鋒的變化情況,并按照先密后疏的原則在有機玻璃外壁描出不同時刻所對應濕潤體的形狀,并用毫米鋼板刻度尺測量濕潤鋒運移距離,并利用EM50土壤水分監測系統(Decagon公司,美國)測定土壤含水率,共設置12個土壤水分傳感器(布設方式見圖1(a)),橫向間距為9 cm,豎向間距為25 cm,每10 min測定一次。

1.4 數據處理

所有數據采用SPSS 26進行分析,采用Origin 2018軟件繪制濕潤鋒運移圖,Surfer 15軟件繪制土壤水分分布及再分布圖。

2 結果與分析

2.1 不同孔徑PP棉對涌泉根灌濕潤體形狀的影響

圖2為不同套管孔徑時水平、豎直向上和豎直向下方向上濕潤鋒隨時間的動態變化曲線。由圖2可以看出,不同設計方案沿各方向濕潤鋒運移距離變化趨勢基本相同,均隨入滲時間增加而不斷增大,且濕潤鋒運移速率隨時間推移表現出不斷減小的趨勢,最終趨于穩定。灌水結束時,各設計方案(H1,H2,H3,H4)在水平方向濕潤鋒運移距離依次為20.0 cm、24.0 cm、31.1 cm、31.4 cm,豎直向上方向濕潤鋒運移距離依次為12.0 cm、19.4 cm、18.8 cm、21.8 cm,豎直向下方向上濕潤鋒運移距離均超過土箱邊界。綜合比較各設計方案,發現H4設計方案,即套管孔徑為50 μm時,豎直向下方向上的濕潤鋒運移速率最大,在灌水開始100 min后,最先到達土箱邊界,灌水結束時水平方向和豎直向上方向上濕潤鋒運移距離最大。

圖2 不同PP棉孔徑濕潤鋒動態變化

經分析,不同設計方案在水平、豎直向上和豎直向下方向上所形成濕潤鋒運移距離均與入滲時間呈冪函數關系,即R(t)=abt,結果如表3所示?？梢钥闯?各擬合方程的相關系數R2均在0.89以上,且均大于0.05顯著性水平對應的臨界相關系數(R0.05=0.514),這說明表3各方程能較好地擬合涌泉根灌土壤入滲濕潤鋒與入滲時間的關系。

灌水結束后,土壤水分繼續運移,但運移的速率遠小于灌水開始時的運移速率。表4為灌水結束后24 h后濕潤鋒的運移距離,可以看出再分布過程中各方向濕潤鋒變化幅度隨套管孔徑的增大而減小,其中H1設計方案水平方向和豎直向上方向上濕潤鋒的變化幅度分別為34.0%和45.8%,變化幅度最大,H4設計方案水平方向和豎直向上方向上濕潤鋒的變化幅度分別為14.0%和13.8%,變化幅度最小。

表4 再分布過程中濕潤鋒運移距離

2.2 不同孔徑PP棉對濕潤體內土壤水分分布的影響

圖3為不同套管孔徑下灌水結束時沿豎直方向濕潤體內土壤剖面體積含水率分布圖。觀察圖3可知,受套管埋設位置和長度的影響,灌水結束時,不同孔徑所形成濕潤體的高含水率區均出現于灌水器下方偏右位置,由表5可知,H1設計方案最高體積含水率為28.58%,H2設計方案最高體積含水率為30.92%,H3設計方案最高體積含水率為21.57%,H4設計方案最高體積含水率為34.91%。H4設計方案所形成濕潤體的最高含水率遠大于其他設計方案。

表5 濕潤體內最高體積含水率 單位:%

圖3 不同設計方案灌水結束時土壤剖面水分分布圖

觀察濕潤體的形狀和土壤水分分布規律,發現灌水結束后各設計方案濕潤體內的含水率等值線分布由內到外呈由疏到密分布,即距離灌水器越遠,土壤含水率越小,水勢梯度越大。H4設計方案形成濕潤體的高含水率區域最大,濕潤體的體積也越大,且水分分布最均勻,最有利于土壤水分運移。

2.3 灌水結束后不同孔徑PP棉對濕潤體內土壤水分再分布的影響

圖4為不同套管孔徑下灌水結束后24 h時沿豎直方向濕潤體內土壤剖面體積含水率分布圖。與灌水結束時各設計方案的濕潤體土壤含水率最大值相比,此時濕潤體土壤含水率的最大值明顯減小,其中H1設計方案最高體積含水率變化幅度為11.0%,H2設計方案最高體積含水率變化幅度為29.1%,H3設計方案最高體積含水率變化幅度為15.0%,H4設計方案最高體積含水率變化幅度為20.1%,H2設計方案變化幅度最大,H1設計方案變化幅度最小。最高體積含水率減小的原因是在重力勢和土壤水勢的共同作用下土壤水分由高含水區域向各個方向運移,使水分分布趨于均勻,同時濕潤體的體積也明顯增大。通過比較得出,灌水結束24 h后,H4設計方案形成濕潤體的體積最大,且水分分布最均勻,最有利于土壤水分運移。

圖4 不同設計方案灌水結束24 h土壤剖面水分分布圖

3 討 論

土壤濕潤體的大小和形狀影響著作物的生長狀況,對土壤水分入滲特性的研究是選擇和布置涌泉根灌灌水器的前提與基礎[26]。涌泉根灌條件下,濕潤體的位置主要受套管長度的影響,本研究選擇40 cm的PP 棉套管,所形成的濕潤體主要位于土箱底層,水分在土壤底部出現積聚現象。土箱底板類似分層土壤中的不透水層,可以利用該水分積聚現象,將涌泉根灌套管配合分層土壤中的不透水層使用,可以將水分積聚在作物根區。這與孫浩[27]的研究結論吻合,下襯阻水板可以調整土壤濕潤體內的土壤水分分布,使得土壤水分集中于灌水器附近及其上層土壤,從而降低深層滲漏風險,提高灌溉水分利用效率。

入滲初期,水平濕潤鋒運移速度大于豎直方向運移速度,隨著時間的推移,豎直濕潤鋒運移速度大于水平方向的運移速度。這是由于豎直方向由基質勢和重力勢共同作用,水平方向只由基質勢作為驅動力,隨著灌水時間推移,重力勢作用越來越明顯,最終濕潤體的形狀為橢球體,這與費良軍等[28]對不同流量下濕潤鋒運移特性的研究結果一致。

試驗結果表明四種設計方案的濕潤體最大水平擴散半徑均大于豎直入滲深度。這與何振嘉[29]的研究結果不同,主要原因是本試驗所使用的土箱尺寸限制了濕潤鋒在豎直向下方向的運移。另外,濕潤鋒豎直向上和豎直向下方向上運移距離出現差異,這是因為相同基質勢下,重力勢對土壤水分運移起決定性作用,豎直向上方向上,重力勢對土壤中水分運移有阻礙作用,豎直向下方向上,重力勢會促進土壤中水分運移。

土壤水分運移的驅動力主要來源于基質勢與重力勢產生的水勢梯度[30],隨著入滲時間的延長,濕潤鋒不斷向外延伸,濕潤體外邊緣的含水率與周圍含水率之間的差值逐漸減小,水勢梯度隨之降低。這與楊喜蓮等[31]研究結果一致,因此,濕潤鋒運移速率會隨著入滲時間的增加不斷降低,濕潤鋒的各向運移距離于入滲時間存在顯著的乘冪關系。

何振嘉等[20]通過大田試驗研究發現,涌泉根灌灌水過程中,在灌水器的配套套管中會形成一定程度的積水,這與本研究的試驗現象保持一致。涌泉根灌水分入滲過程中,當供水強度大于土壤水分入滲強度時,會在套管與土壤接觸界面上產生積水,所形成的入滲水頭會在入滲界面產生壓力勢,從而增大導水率,加快水分的擴散速度[32]。這與劉顯等[33]研究結果相似,即積水深度的增加,加大了重力勢及管壁側面與土壤的接觸面積,從而加快了濕潤鋒的運移。

灌水器流量相同時,套管孔徑對積水深度的影響較小,這是由于積水深度主要受灌水器流量和土壤特性影響。各套管孔徑下的積水深度與入滲歷時的關系均呈現迅速變大后趨于平穩的趨勢。灌水初期,灌水器出口端周圍土壤含水率急速到達飽和,與周圍土壤形成較大的水勢梯度,水勢梯度驅使土壤水分的運移,土壤入滲能力較強,因此套管內部積水深度較小。隨著入滲的繼續進行,土壤水勢梯度不斷減小,積水深度不斷增大后趨于平穩。這是由于入滲水頭的增加會使入滲界面的土壤骨架變形,密實度增加,導水率減小[34],從而使供水強度與土壤入滲能力達到平衡,積水深度呈現相對平穩的趨勢。

4 結 論

本文采用室內土箱模擬試驗,研究了灌水器套管孔徑對涌泉根灌土壤水分入滲特性的影響,得出以下主要結論:

(1) 涌泉根灌條件下,水分入滲所形成的濕潤體形狀為橢球體,各方向濕潤鋒運移距離與入滲時間均符合冪函數關系。

(2) 相同灌水條件下,PP棉套管孔徑選用50 μm時,濕潤鋒在豎直向下方向上運移速率最大,灌水開始80 min后最先到達土箱邊界,在水平,豎直向上方向上運移距離最大,分別為31.4 cm和21.8 cm。

(3) 涌泉根灌入滲過程中,PP棉套管孔徑選用50 μm時,灌水結束時所形成濕潤體和高含水率區域最大,再分布24 h后濕潤體內土壤水分分布最均勻。