一种控制土壤水分运动方向并提高入渗速率的诱导方法

摘要

本发明公开了一种控制土壤水分运动方向并提高入渗速率的诱导方法，具体按照以下步骤实施：步骤1，首先根据地面植被状况，将地面进行棋盘式划分；步骤2，根据棋盘方格的尺寸，选定应布置诱导包规格；步骤3，诱导包填埋。能控制土壤水分的运动方向并提高水分入渗速率。

说明书

技术领域

本发明属于农业灌溉方法技术领域，涉及一种控制土壤水分运动方向并提高入渗速率的诱导方法。

背景技术

水分运动是水在分子力、毛细管引力和重力作用下在土壤中发生的物理过程。到达地面的水只有进入土壤到达作物根系周围才可被作物利用，并且当土壤表面有积水时，若能增加水的下渗速率，既可以减少表面积水蒸发，也可以实现高效农业灌溉。根据目前研究，影响土壤水分运动的因素主要有：土壤质地、土壤构造、土壤前期含水量、供水方式与强度、供水水质及土壤温度。针对这些主要影响因素，大量研究提出了多种增加土壤入渗方法，可大致分为工程措施和化学方法。前者主要包括翻耕、植被等。其中翻耕是工程措施中最常用的方法，这种方法通过农机具的机械力量作用于土壤，调整耕作层土壤质地和构造，促进水分下渗，但翻耕必须在播前或收获后田间没有作物生长的时期进行，不适用于保护耕作条件；植被对土壤水分入渗也有促进作用，这是因为灌丛对降雨的再分配以及灌丛根系网络使土壤渗透特性有所改变，但该方法实施时间较长，且仅适用于非耕地。化学方法促进土壤水分下渗的方法根据目前研究主要有施用磷肥、施加保水剂、施加生物炭等。施用磷肥对土壤下渗水量增加作用明显，但过量的磷肥使用有可能造成地下水污染及江河水富营养化；保水剂是利用强吸水性树脂制成的一种超高吸水保水能力的高分子聚合物，因其高吸水性促进水分下渗，但高分子聚合物在实施后不能回收，对土壤造成长时间的污染；施加生物炭对水分下渗的促进作用受施用方式和用量的共同制约，方法较复杂。Green-Ampt通过对土壤水分运动特征和土壤含水量分布的分析和概化，提出土壤湿润锋面水平且湿润锋面存在一个固定不变吸力的假定，在达西定理的基础上提出了Green-Ampt入渗公式，其中包含两个参数，一是饱和导水率，另一是湿润锋面吸力。因此如果能够提供一个附加的吸力，将可以有效促进土壤水分的下渗，本发明就是据此提出的一种促进水分下渗的方法，对比目前已有的方法具有适用条件广、无污染、操作简便的特点。

发明内容

本发明的目的是提供一种控制土壤水分运动方向并提高入渗速率的诱导方法，能控制土壤水分的运动方向并提高水分入渗速率。

本发明所采用的技术方案是，一种控制土壤水分运动方向并提高入渗速率的诱导方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，首先根据地面植被状况，将地面进行棋盘式划分；

步骤2，根据棋盘方格的尺寸，选定应布置诱导包规格；

步骤3，诱导包填埋。

步骤1具体为：根据地面植被生长状况，将地面进行棋盘式划分，划分时植被根系位于棋盘方格内，划分线位于相邻的植被之间。

步骤2中的诱导包为圆柱形，诱导包的圆柱半径r与诱导包控制范围半径R之间的关系为：r＝0.08R，其中0.08为线性关系系数，诱导包控制范围半径R＝0.5L，其中，L为每个棋盘方格的边长L，诱导包的圆柱高度h＝0.15L-0.25L。

划分时植被根系位于棋盘方格正中间。

在步骤3进行诱导包填埋时，给每个棋盘方格的四个内角各填埋一个诱导包，诱导包的填埋深度为：诱导包袋顶端应低于地表面2-10cm。

在步骤3中在每个棋盘方格顶角处进行挖诱导包放置坑，坑在竖直截面为梯形，坑低直径为诱导包直径1.2-1.4倍，坑壁斜度为75°。

诱导包的制作方法为：

步骤a，根据所需诱导包的尺寸，选取制作诱导包的诱导包袋材料，用诱导包袋材料制做尺寸为：宽边长度为d＝πr，长边长度c，其中c＞h，得诱导包袋，然后将宽边的一端密封，另一端开口；

步骤b，将吸水性材料按照一定的密度填充进诱导包袋内，然后未密封的一端进行回折密封，回折的长度m＝c-h，形成完整诱导包。

在制作诱导包时，密封处使用防水材料进行密封。

本发明的有益效果是：

(1)本发明提供了一种可以有效提高水分下渗速率的方法。经实验表明，该方法可以使水分下渗速率提高30％到40％。速率提高明显，能够实现水分快速下渗。

(2)本发明在提高水分下渗速率的同时，对水分在水平方向上的分布具有控制作用。该发明可以使水分集中在作物根系周围，提高水分利用效率，实现节水灌溉。

(3)本发明在实施过程中，诱导包可回收多次使用，并且实施过程中不会大面积破坏地面状况。故本发明无污染、适合免耕条件，且可以在作物的整个生育期内都持续发挥作用。

附图说明

图1是本发明一种控制土壤水分运动方向并提高入渗速率的诱导方法实施例中地面划分示意；

图2是本发明一种控制土壤水分运动方向并提高入渗速率的诱导方法实施例中诱导包袋示意图；

图3是本发明一种控制土壤水分运动方向并提高入渗速率的诱导方法实施例中诱导包袋回折后的示意图；

图4是本发明一种控制土壤水分运动方向并提高入渗速率的诱导方法实施例中诱导包放置坑的示意图；

图5是本发明一种控制土壤水分运动方向并提高入渗速率的诱导方法实施例中单独诱导包具体实施使用示意图；

图6是图5的立体图；

图7本发明一种控制土壤水分运动方向并提高入渗速率的诱导方法实施例中多个诱导包实施后影响状况示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种控制土壤水分运动方向并提高入渗速率的诱导方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，首先根据地面植被状况，将地面进行棋盘式划分；

步骤2，根据棋盘方格的尺寸，选定应布置诱导包规格；

步骤3，诱导包填埋。

步骤1具体为：根据地面植被生长状况，将地面进行棋盘式划分，划分时植被根系位于棋盘方格内，划分线位于相邻的植被之间。

步骤2中的诱导包为圆柱形，诱导包的圆柱半径r与诱导包控制范围半径R之间的关系为：r＝0.08R，诱导包控制范围半径R＝0.5L，其中L为每个棋盘方格的边长，0.08为线性关系系数，诱导包的圆柱高度h＝0.15L-0.25L。

划分时植被根系位于棋盘方格正中间。

在步骤3进行诱导包填埋时，给每个棋盘方格的顶角处各填埋一个诱导包，诱导包的填埋深度为：诱导包袋顶端应低于地表面2-10cm。

在步骤3中在每个棋盘方格顶角处进行挖诱导包放置坑，坑在竖直截面为梯形，坑低直径为诱导包直径1.2-1.4倍，坑壁斜度为75°。

诱导包的制作方法为：

步骤a，根据所需诱导包的尺寸，选取制作诱导包的诱导包袋材料，用所述诱导包袋材料制做尺寸为：宽边长度为d＝πr，长边长度c，其中c＞h，得诱导包袋，然后将宽边的一端密封，另一端开口；

步骤b，将吸水性材料按照一定的密度填充进诱导包袋内，然后未密封的一端进行回折密封，回折的长度m＝c-h，形成完整诱导包。

在制作诱导包时，密封处使用防水材料进行密封。

本发明的原理为：

根据土壤水分运动方程，通过人工制作诱导包，人为的改变了土壤水分的能量，提供附加的土壤水吸力，改变湿梯度，诱导土壤水分运动，提高水分下渗速率及控制水分运动方向。

在能量角度，土壤水分运动服从于热力学第二定理，总是从能量高的地方向能量低的地方移动。根据经典物理学，物质具有的能量可分为动能和势能，而土壤水分运动速度较慢，一般不考虑土壤水分的动能，因此土壤水分能量通常是指它的势能。土壤水分所具有的势能分为重力势、基质势、压力势和溶质势。总土水势是土壤中所有各种作用力产生的分势的总和，即

式中，为总土水势；为基质势；溶质势；压力势；重力势；温度势。

饱和土壤中，只存在压力势和重力势，即

非饱和土壤中，与对土壤水分运动的影响都可忽略，则式(1)简化为

本发明所提供的诱导包，提供了附加的土壤水吸力，产生附加势能，以表示，为负值。则在非饱和土壤中，诱导包可控制范围内，式(3)变为

无诱导包的非饱和土壤中土水势由式(3)计算，有诱导包的土壤中总土水势由式(4)计算，根据数量关系，可明显得出式中，为无诱导包非饱和土壤中总土水势；为有诱导包非饱和土壤中总土水势。

在水分下渗过程中，用达西定理描述一维情况下水分通量，土柱两端势能之差

式中，为无诱导包土柱两端势能之差；为有诱导包土柱两端势能之差；为饱和土壤中总土水势，由式(2)计算。

根据数量关系，明显得出

达西定理对一维情况下土壤水分运动描述为

式中，q为土壤水分通量；为土柱两端势能之差；l为土柱长度；k_s为土壤饱和导水率。

根据式(5)、(6)带入式(8)计算可得，无诱导包土壤水分运动通量q，及有诱导包土壤水分运动通量q′，根据数量关系，明显可得

q＜q′ (9)

那么，本发明所提供的诱导方法，可以使土壤水分通量得到有效增加。

对土壤水分入渗过程，Green-Ampt通过对土壤水分运动特征和土壤含水量分布的分析和概化，提出土壤湿润锋面水平、湿润锋面存在一个固定不变吸力及湿润锋面以上的土壤处于饱和状态的假定，在达西定理的基础上提出了Green-Ampt入渗公式

I＝(θ_s-θ_i)z_f>

式中，z_f为概化的湿润锋深度；h_f为湿润锋处吸力；H为表面积水深度；

θ_s为饱和土壤含水量；θ_r为滞留土壤含水量。

本发明提供的技术方法中，人工制作的诱导包提供人为附加的土壤水吸力，用h_add表示，根据式(10)，则实施诱导包后土壤入渗率表示为

进根据式(12)，实施诱导包后土壤入渗时间表示为

明显可得，实施该诱导方法后，入渗率增大，入渗时间减少。

在棋盘方格的顶角处填埋诱导包，则以作物根系为中心，在一近似正方形范围内，受到四个顶角诱导包同时影响，水分下渗速率最快，且水分含量最高。该近似正方形边长约为

l＝0.6L (18)

对于每个棋盘方格田块，实施诱导包后，其顶角处水分含量较少，中间部分水分含量较高，将水分集中于作物根系周围，实现节水灌溉。

本发明人工制作的诱导包，人为改变了水力梯度，可控制水分下渗方向。每个单独的诱导包控制范围一定，且越靠近诱导包的土壤水分含量越低，越远离诱导包的土壤水分含量越高。

实施例

步骤1，棋盘式划分田块。

如图1所示，根据地面植被状况，将地面进行棋盘式划分，划分时需尽量保证植被根系位于正方形中间，划分线位于相邻植被之间，划分完成后，每个棋盘方格田块边长为L。

步骤2，选定诱导包规格并制作诱导包。

在水平一维方向，每个诱导包控制范围可近似为以诱导包为圆心，半径为R的圆形，且其控制半径与每个正方形田块边长相等。

R＝0.5L (1)

式中，R为诱导包控制半径；L为棋盘方格边长。

诱导包高度在h＝0.15L-0.25L之间，诱导包半径与诱导包控制范围半径之间有线性关系，则诱导包半径

r＝0.08R (2)

式中，r为诱导包半径；0.08为线性关系系数。

诱导包是经诱导包袋填充为圆柱形，则诱导包袋宽边可根据诱导包半径计算为

d＝π·r (3)

式中，d为诱导包袋宽边。

以划分田块边长1m为例，则诱导包控制半径R＝0.5m，取诱导包高度在h＝0.15L＝15cm，诱导包半径为r＝4cm，诱导包袋宽边则为d＝12.5cm。以此例结合附图进一步说明。

如图2所示，用诱导包袋材料制作长c＝18cm、宽d＝12.5cm的长方形包袋，宽边一端密封，另一端开口方便填充材料。在制作包袋时，需用防水材料对缝隙密封，防止进水漏水。

如图3所示，将吸水性材料按照一定的密度填充进包袋至半径4cm的圆柱形诱导包，由于h＝c-m＝15cm，则m＝3，然后将剩余3cm回折密封，形成完整诱导包。

步骤3，诱导包填埋。

如图4所示，在每个正方形顶角处进行挖坑。坑在竖直截面为梯形，深度至少比诱导包高度高2cm，最多比诱导包高度高10cm；坑底直径约为诱导包直径1.2倍，坑壁斜度为75°。在方便作业的同时尽可能少的破坏地面原貌。

如图5所示、如图6所示，将诱导包回折密封一端向下，垂直放入已挖好的坑中。填埋土壤密度与周围自然土保持一致，且诱导包袋顶端应低于地表面2-10cm，顶端用土壤覆盖，覆盖土壤密度与周围自然土保持一致。

如图7所示，诱导包袋影响状况。在每个棋盘方格田块顶角处填埋诱导包。以作物根系为中心，在一近似正方形范围内，受到四个顶角诱导包同时影响，水分下渗速率最快，且水分含量最高。该近似正方形边长约为l＝0.6L＝0.6m。

对于每个正方形田块，实施诱导包后，其顶角处水分含量较少，中间部分水分含量较高，将水分集中于作物根系周围，实现节水灌溉。