交替灌溉方式土壤水分運移及壟體參數初探

杜園園，王同朝，劉永忠，李萬星，靳鯤鵬，曹晉軍

（1.山西省農業科學院谷子研究所，山西長治046011；2.河南農業大學農學院，河南鄭州450002）

我國是一個農業大國，大力發展農業，保證主要作物產量持續增長對于保證我國的糧食安全至關重要。在作物生產過程中，農業對灌溉的依賴性很強，農田灌溉用水量占農業用水總量的90%～95%，但長期以來，農業生產中存在著灌溉水利用率低、浪費嚴重等問題，灌溉水的利用率只有40%左右[1-3]。許多專家學者在如何提高灌溉水利用率方面進行了大量的研究工作?？到B忠等[4]在傳統灌溉原理和方法的基礎上提出了控制性分根交替灌溉，隔溝交替灌溉是其中的一種形式。從交替灌溉技術的理論機制[5]和實踐看，控制性交替灌溉是一種高效而可行的節水技術[6]。但是，試驗中發現，在灌溉定額降低后，受交替灌溉的適用條件及其壟體主要技術參數的影響，從灌水技術上很難保證灌溉水的優化分配和有效利用。為了推廣應用交替灌溉技術，提高田間水分利用率，必須對該灌溉技術的適用條件和主要技術參數以及灌溉水的水分運移進行研究。

本研究基于交替灌溉技術進行灌水試驗，探索壟與溝之間的水分運移，確定其最佳壟體參數，為交替灌溉技術的推廣實施提供理論和事實依據。

1 材料和方法

1.1 試驗處理與設計

試驗于2009年5—6月在河南農業大學科教園區全自動防雨棚中進行，整個試驗過程中防止雨水落入池子內。測坑面積6.6 m2（3 m×2.2 m），坑深2 m，坑壁用13.5 cm厚的磚墻隔離以防側滲，土質為沙壤土。

試驗處理及試驗相關參數列于表1和表2。因溝長僅為3.0 m，可以假定沿溝長方向灌水濕潤均勻。

表1 試驗處理設計 cm

表2 試驗相關參數

1.2 觀測指標與方法

試驗采用取土烘干法，于溝內積水入滲完畢和灌水后 4，24，48，72，120，168 h 進行土壤各剖面含水量的觀測，試驗橫向分布布置在壟背中部（觀測點1）、壟坡中部（觀測點2）、灌水溝（觀測點3）及非灌水溝（觀測點4）4個觀測點，測定深度為1 m，每20 cm為一層，分5層測定。

1.3 數據分析

試驗數據采用 Excel 2003，DPSv6.55（Data Processing System）分析軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 壟作栽培中壟體壟高、壟寬與壟體體積及壟體地表面積的關系

由表3可知，在100 m×100 m的土地上，同一壟形，壟高相同而壟寬不同時，單位土地面積上的壟體體積不變。這是壟寬增加，壟數減少之故。但是，當壟高相同時，地表面積都隨著壟寬的增加而減少。

表3 100 m×100 m土體上壟體的壟高、壟寬與壟體地表面積和壟體體積的關系

在同一壟寬內，壟體體積隨壟高增加而增加，且壟高增加0.05 m，增加的壟體體積相同，為333.33 m3。地表面積也隨壟高的增加而增加，在同一壟寬內，壟高增加的高度相同但地表面積的增加率不同。隨著壟寬增加，壟高增加同一高度，地表面積的增加率則呈下降趨勢。

2.2 交替灌溉方式下壟體同一層次土壤水分濕潤動態

剖面同一層次（采用土層深度0～40 cm的土壤含水量資料）土壤水分的動態變化情況如圖1所示。

從圖1可以看出，交替灌溉方式下，灌水后，各觀測點同一層次的土壤含水量均隨著時間的延長有逐漸增大的趨勢（壟坡觀測點除外）。灌水后，壟背、壟坡、灌水溝和非灌水溝4個觀測點之間存在著明顯的水勢梯度，水勢梯度的存在使水分下滲和側滲，進入壟體中，從而利于植物對水分的吸收。

由表4可知，以土壤根系活動層為目標測定點，灌水結束后土壤平均含水量和土壤最大含水量均以T2處理為最大，且所需入滲時間最短?？梢?，壟高適中、壟底稍窄有利于側向入滲，相應地減少垂直入滲，避免深層滲漏[10-11]，以達到節水的目的。

表4 灌水結束后各處理最大水平濕潤情況

2.3 交替灌溉方式下各觀測點土壤水分再分配動態

對4個觀測點土壤含水量隨時間變化繪制關系曲線，用來說明交替灌溉方式下不同處理各測定點土壤剖面水分的入滲情況。

由圖2可知，在入滲完畢時，壟背（觀測點1）和壟坡（觀測點2）迅速吸水，土壤含水量瞬間升高，灌水后24 h時明顯下降，之后隨時間和土壤水分再分配的完成，壟背和壟坡觀測點土壤含水量逐漸升高。

灌水后短期內灌水溝（觀測點3）土壤整個剖面含水量迅速增加，灌水后整個觀察期內，灌水溝土壤含水量降低較快，由此說明，灌水后短期內壟溝內土壤在高含水量狀態下導水強度高，由于初始含水量較大，入滲速度相應較快，在觀測后期，壟溝表層水分再分配兼有側向入滲和表層蒸發，使深層土壤水分再分配以側滲為主。

非灌水溝（觀測點4）在土壤各剖面土壤水勢的作用下增強了土壤水分側向入滲，減少垂直下滲，土壤含水量逐漸上升，最后達到平衡。

不同處理間，各觀測點土壤含水量均表現為T2處理最高，T5次之，T4最低，說明適宜的壟體參數（T2處理）可有效改善土壤水分再分布，使交替灌溉方式發揮更大的節水效益。

3 結論

（1）通過研究交替灌溉方式不同壟體參數的土壤水分動態發現，壟背觀測點和壟坡觀測點的土壤含水量一直呈現緩慢增加趨勢；灌水溝觀測點土壤含水量在短期內迅速增加，后期呈現降低趨勢，非灌水溝土壤含水量則一直緩慢升高。因此，水平向土壤含水量梯度導致水分側向入滲，使同一層次土壤剖面水平向含水量增加。

（2）不同壟體參數下壟體體積與地表面積關系的研究發現，單位土地面積上，同一壟高不同壟寬的壟體體積相同，在栽培上宜選擇在同一壟體體積下土地表面積大的壟寬，以增加受光面積；在同一壟寬內，土地表面積和壟體體積隨壟高增加而增大，因此，栽培上宜選用高壟。理論上采用窄壟高壟，可以增加密度，增大生長空間和受光面積[12]。

（3）通過研究交替灌溉方式適宜的壟體參數發現，T2處理各觀測點土壤含水量均最高且持續時間最長，可使土壤水分得到更合理的分配，發揮更好的節水效益。T2處理壟高為田間廣泛采用的15 cm，壟距有所縮小，為55 cm，其可以增大地表面積，利于增加密度。

因此，采用交替灌溉方式實施灌水時，其壟體參數建議確定為壟高15 cm、壟寬55 cm，其既可以增大地表面積、改善植物生長環境，也有利于交替灌溉土壤水分的優化分配。

［1］潘英華，康紹忠.交替隔溝灌溉水分入滲特性[J].灌溉排水，2000，19（1）：1-4.

［2］程福厚，趙志軍，張紀英，等.灌溉方式對桃光合特性及結果的影響[J].河南農業科學，2007（1）：87-90.

［3］馮瑞云，崔福柱，趙明拴，等.玉米不同局部灌溉技術的節水機理研究[J].山西農業科學，2007，35（8）：62-64.

［4］康紹忠，梁忠鎖.控制性交替灌溉：一種新的農田節水調控思路[J].干旱地區農業研究，1997（2）：1-6.

［5］孫景生，康紹忠，蔡煥杰，等.控制性交替灌溉技術的研究進展[J].農業工程學報，2001，17（4）：1-5.

［6］梁宗鎖，胡煒.控制性分根交替灌水的節水效應[J].農業工程學報，1997，13（4）：58-63.

［7］唐永金.作物壟作的集合數學模型 [J].生物數學學報，2005，20（1）：83-85.

［8］唐永金，侯大斌.甘薯栽培適宜壟寬、壟高和壟形的理論探討[J].西南農業學報，1998，11（1）：123-125.

［9］田惠芳，竇愛民.建筑安裝工程預算工作手冊[M].北京：北京科學技術出版社，1994：23-27.

［10］馬金寶，畢建杰，張興強，等.寬壟溝灌覆膜條件下土壤水分側向入滲特性[J].灌溉排水學報，2006，25（6）：27-29.

［11］Selim HM，Kirkham D.Unsteady two-dimensional flow of water in unsaturated soils above and impervious barrier[J].Proceedings of the Soil Science Society of America，1973，37:489-495.

［12］呂軍杰，李俊紅，檀尊社，等.壟作覆蓋下小麥、玉米產量、土壤碳素轉化及水分研究[J].河南農業科學，2012，41（2）：68-72.