我國是一個農業大國,其中蘋果樹種植面積和產量均居世界首位。而我國北方山丘區是蘋果的主要產區,在這些地區年降雨量不但少且集中在汛期,容易形成徑流損失,干旱問題十分突出,因此,發展果園節水灌溉勢在必行。傳統的地面灌溉 和 一 系 列 新 型 的 灌 溉 方 法 一 直 是 果 園 灌 溉 的 主 力軍,在此環境下孫西歡教授于1998年提出了一種同時解決干旱問題與防治水土流失問題,并注重生態效益和經濟效益的一種適合北方山 丘果林灌溉的新方法———蓄水 坑灌法。其特色在于節水、保水、抗旱、增產,充分利用當地降雨徑流和有效控制水土流失等,從而提高果林作物的生產效益。蓄水坑灌法從提出到現在,經歷了15a,期間做了大量的試驗并取得了豐碩的成果,馬娟娟、周青云、郭向紅等對土壤水分運動方面做了大量研究,但這些大都是在室內實驗的基礎上建立的數值模擬。在田間,由于受到人為、氣象、土壤等不確定外界因素的影響,現在只有樊曉波把蓄水坑灌和地面灌溉的水分分布特征進行過對比,而坑深作為蓄水坑灌中的一個重要參數,對蓄水坑灌的灌溉制度的制定和灌水質量的評價起著至關重要的作用,還沒有進行過系統的不同坑深條件下的土壤水分分布研究。本文針對田間的土壤水分運動,選取不同的蓄水坑的坑深,對蓄水坑灌條件下的土壤含水率增量在垂向和徑向的運移規律進行全面的分析,為提高灌溉水的利用效率以及蓄水坑灌法在田間的推廣應用奠定基礎。

1 材料與方法

\\(1\\)試驗區概況。本次試驗在山西省晉中市太谷縣果樹研究所進行。山西農科院果樹研究所成立于1958年,地處太谷縣西南,占地450hm2,距縣城12km,東經112°32′,北緯37°23′,年平均氣溫9.8 ℃,無霜期175d,多年平均降雨量約460mm,屬典型的暖溫帶季風影響下的大陸性半干旱氣候類型。蘋果品種主要以紅富士和丹霞為主,果樹株距行距均為2m。土壤以粉\\(沙\\)壤土為主,土壤密度為1.47g/cm3,田間持水率為0.167,土壤的機械組成見表1?！颈?】


\\(2\\)試驗設計。本次試驗旨在研究不同蓄水坑深條件下的土壤水分動態,試驗中選取生長良好、長勢接近、具有代表性的果樹進行研究。試驗中采用蓄水坑深分別為40cm和60cm進行田間工程布置和試驗。由于試驗選取的果樹樹齡較短且樹冠較小,考慮根系的生長環境,測點在徑向上分別布置在距樹干30、50、90、120cm處,在深度范圍內每隔20cm測一次,最大測點深度為200cm,測點布置見圖1。本次試驗在2013年5月22日進行灌前含水率的測定,在5月23日進行灌水,灌水定額為300L/株,在灌后1d進行土壤含水率進行測定?！緢D1】

\\(3\\)測定項目與方法。本次試驗分別在灌前和灌后進行土壤取樣,然后用烘干法測定土壤含水率。

\\(4\\)數據處理與分析。試驗中采用Microsoft Office Excel2003和surfer8.0對數據和圖表進行處理。

2 結果分析

2.1 不同坑深土壤含水率垂向變化特征對比
圖2為蓄水坑灌條件下,蓄水坑深分別為40cm和60cm條件下的各層土壤含水率增量的垂向分布對比圖。由圖2可以看出,在坑深為40cm的條件下,距樹干30、50、90和120cm處的土壤含水率增量在垂向的變化基本一致,即在地面附近,土壤的含水率增量較低,隨著深度的增大,土壤含水率增量也隨著增加,到達一定深度范圍內,土壤含水率增量開始減少,土壤含水率增量的高值區在深度范圍40~140cm。在地表0~40cm深度范圍內,土壤徑向30、120cm處為0.05左右,在徑向50、90cm處含水率增量為0.1左右;在40~80cm深度范圍內,由于水分是從地表以下40cm處向四周運移,土壤含水率增量開始增大,最大值達到0.35;在80~140cm范圍內,土壤含水率增量在各個徑向均呈現減少趨勢,但仍屬于含水率增量的高值區,均值為0.25;在140~200cm深度范圍內,土壤含水率增量依然遞減,但遞減幅度相對較小,在深度200cm處出現最小值0.05?！緢D2.略】

在坑深為60cm的條件下,隨著土壤深度的增加,土壤含水率增量同樣呈先增大后減少的趨勢。在地表以下0~40cm范圍內,土壤含水率增量相對較少,在各個徑向上,基本在0.1~0.2之間變化,明顯小于坑深為40cm處理的土壤含水率增量;由于60cm坑深處理水分主要在地表以下60cm處開始擴散,土壤含水率增量主要在60~120cm的深度范圍內增加,且在100~120cm范圍處出現最大值0.36,與40cm坑深處理的最大值相近,但明顯大于40cm坑深處理在此深度范圍的土壤含水率增量;在120~160cm深度范圍,土壤含水率增量開始減少,均值達到0.25,仍然是含水率增量的較大范圍,但與40cm坑深處理的差距在漸漸變小;在180~200cm土壤含水率增量最小,由于水分不能充分運移到該范圍,坑深為60cm的處理和坑深為40cm處理的土壤含水率增量值無明顯差異,都出現低值區。

進一步采用式\\(1\\)形式的指數函數,對圖2中的含水率增量變化曲線進行擬合,擬合結果見表2?！?】



式中:θ為土壤含水率增量;z為土層深度;a、b、c為參數?！颈?】

從表2可以看出,相關系數均在0.86以上,說明土壤含水率增量在垂向的分布符合式\\(1\\)形式的指數函數。同時,由表2可知,參數a、c在不同徑向上均是隨著坑深的增加而增大,參數b在不同徑向上均為負值,且隨著坑深的增加而減小。

2.2 不同坑深土壤含水率徑向變化特征對比
圖3為蓄水坑灌條件下,采用不同的坑深,在地表以下0~200cm深度范圍內的各層土壤含水率增量徑向變化圖?！緢D3】

通過對比2種坑深條件下的土壤含水率增量在各個徑距下的分布,可以看出,土壤水分增量沿徑距方向的分布規律一致,即在距離蓄水坑較近處,土壤水分增量較大,距離蓄水坑較遠處,土壤水分增量較小,且在距離樹干較近的一側土壤水分增量更大。這是由于采用蓄水坑灌灌水時,在確定灌水定額的情況時,無論坑深的大與小,灌溉水總是以蓄水坑為中心向四周運移,因此,在蓄水坑周圍的土壤水分增量大,在距樹干遠的地方,水分不能充分運移,對土壤水分增量的影響較小。

從圖3中可以看出,在40、80cm深度范圍內,在徑向30、50、90和120cm處,坑深40cm的土壤含水率增量明顯大于坑深60cm的土壤含水率增量,差值的最小值為0.01,最大值為0.09,均值在0.05左右;在深度120cm以下,40cm坑深的土壤含水率增量小于60cm坑深的土壤含水率增量,最小差值為0.02,最大差值為0.1,均值在0.06左右。

對圖3中的含水率增量變化曲線采用式\\(2\\)形式的指數函數進行擬合,擬合結果見表3?！?】


式中:θ為土壤含水率增量;r為徑向距離;a、d、e為參數。從表3可以看出,相關系數很高,均在0.99以上,說明土壤含水率增量在徑向的分布符合式\\(2\\)形式的指數函數。其中由于蓄水坑灌是一種中深層的灌溉方式,擁有獨特的灌溉機理,因此,參數a和e在40和80cm深度處,都是隨坑深的增加而減小;在120和160cm深度處,都是隨坑深的增加而增大。參數d在不同深度范圍內均隨著坑深的增加而減小?！颈?】

2.3 不同坑深土壤含水率增量
2維分布對比分析圖4為灌水前和灌水后蓄水坑灌不同坑深條件下土壤含水率增量的2維分布圖。由圖4可以看出,2種坑深處理下,土壤水分增量變化的規律基本一致,均為在徑向以蓄水坑為中心,在垂向以某一土層深度為中心,向四周逐漸減小分布特征?！緢D4】

坑深40cm條件下,土壤含水率增量最大值出現在垂向深度80~100cm附近,為0.35;而坑深60cm條件下,土壤含水率增量的最大值出現在垂向100~120cm附近,為0.36。整體來說,坑深60cm條件下的土壤濕潤深度較大;而在徑向,2種坑深條件下,土壤含水率增量出現增加的區域基本一致,均以蓄水坑為中心,各層的土壤含水率增量沿各個徑距處依次遞減,水平濕潤范圍相當。同時采用式\\(3\\)對不同坑深土壤水分增量2維分布進行擬合,擬合結果見表4?！?】


式中:r為徑向距離;z為土層深度;θ為土壤含水率增量;a、b、c、d、e為參數?！颈?】

由表4可以看出,相關系數均在0.95以上,說明土壤含水率增量的2維分布符合式\\(3\\)形式呈指數分布。同時,由表4可知,參數a、c隨著坑深的增加而增大,參數b、e、d隨著坑深的增加而減小。

3 結語

通過對蓄水坑灌不同蓄水坑深條件下的各層土壤含水率增量在垂向和徑向的變化特征分析,可以得出以下結論。

\\(1\\)在蓄水坑灌條件下,40和60cm坑深的各層土壤水分增量在垂向上的分布特征一致,即隨著深度的增加,均呈現先增大后減少的趨勢,只是坑深40cm的土壤水分增量的高值區在40~140cm深度,60cm水分增量的高值區在60~160cm深度范圍,說明坑深越大,在深層的土壤水分增量越大,向下濕潤的土體范圍也越深。因此坑深可以有效調控土壤水分在垂向上的分布,可以更好地為果樹生長創造良好的環境。

\\(2\\)蓄水坑灌條件下,不同蓄水坑深條件下,各層土壤水分增量在徑向分布規律相同,以蓄水坑為中心,距蓄水坑近處,土壤水分增量較大,距蓄水坑遠處,土壤水分增量較小,且靠近樹干一側的土壤水分增量相對更大。因此,坑深對土壤水分增量的徑向分布無明顯影響。

蓄水坑灌法是一種中深層的立體灌溉方法,坑深作為其中重要的參數,對坑深的探索研究,將對灌溉制度的制定,灌水質量的評價,蓄水坑灌法的推廣起到關鍵作用。