技术领域
本发明属于土壤水入渗分布技术领域，尤其涉及一种微喷灌溉条件下入渗水和无机溶质全局性分布测试方法。
背景技术
田间灌水有效利用率、田间灌溉储存有效利用率、田间灌水均匀度等灌水效率的评价指标是建立在入渗水在土壤中分布的基础之上。微喷灌水方式下，将无机化肥溶解于水中，喷洒后进入田间，同步实施施肥和灌水。水流运动是无机化肥运动的直接推动力，但由于土壤吸附，无机溶质的对流迁移和弥散特性，以及土壤结构性质在很大程度上影响了无机化肥的运动和分布特性，因此溶解态无机化肥的分布与水流运动模式有显著的差异。
目前，由于测试手段的限制，仍然基于若干点位的测定结果灌水效果进行评价。Flury等采用染色示踪剂在14种土壤条件下开展的水流运动示踪试验结果显示，均匀入渗边界条件下，具有结构发育的土壤中入渗水分布表现出明显的不均匀性，即使在无结构发育、介质相对均匀的条件下，水流运动的非线性(如入渗流动的不稳定性)，仍然将导致入渗水分布不均匀。由于微喷的不均匀性，以及土壤中水流运动和无机溶质迁移的非均匀性和非线性，因而，对于微喷这一灌水方式，基于点位含水率变化，以及无机化肥浓度变化测量结果对灌水效率的评价方法实际上不能真正反映灌溉后的水量和溶质分布情况，发展微喷灌溉条件下入渗水和无机溶质全局性分布测试方法，对微喷灌溉效率的评价也才更为准确和全面，也才更加有利于提升灌溉效率。
发明内容
针对背景技术存在的问题，本发明提供一种全局性的微喷灌条件下入渗水和无机溶质全局性分布测试方法，能够有效地、准确地测定并评价微喷灌条件下土壤水和无机溶质入渗再分布，进而评价微喷灌系统的喷洒质量。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种微喷灌溉条件下入渗水和无机溶质全局性分布测试方法，包括如下步骤：
S1.布置试验区，将喷洒区域表面进行水平处理，测定土壤物理及水动力参数性质；
S2.采用水箱供水，水中溶解质量分数不小于15％的无机溶质溶液作为示踪剂，在试验区进行微喷实验，喷洒时以极坐标的形式测定微喷头的喷洒水量分布，单位面积喷洒水量达到40mm后停止实验，将试验区使用防水和隔热材料覆盖以防止土壤水分蒸发；
S3.配置2.5％的甲酚红—亚甲基蓝混合显色溶液；
S4.24-48小时后，挖除未喷洒区域形成工作区，然后沿轴线方向逐层形成剖面，测定不同位置、不同深度的土壤含水率，其后用显色溶液对剖面进行显色，拍照记录显色模式,并测定不同深度位置显色区的浓度分布；
S5.根据所测定的显色区和未显色区土壤含水率，确定显色区的土壤含水率变化量，根据显色区域以及显色区内含水率的变化量以及不同深度位置显色区的浓度分布，确定喷灌水和无机溶质再分布对灌溉需求的满足程度。
进一步，所述步骤S4中，无机溶质溶液改变土壤pH值变化，显色剂在不同的浓度条件下显现出不同的浓度变化，测定入渗区域和区域内土壤溶液无机溶质浓度的全局性分布，通过已知土壤浓度条件下的颜色信息的方法，分段线性拟合确定显色区颜色～浓度关系。
进一步，所述步骤S5中，基于微喷灌水效率系数E
其中，N为进行测定的剖面数量，i和k分别表示第i剖面和剖面内的第k个深度位置，n为从地表～剖面最大深度的测量数量，P(i,x)表示微喷头在第i个轴向剖面的x位置的喷洒水量，C为喷洒水量中的无机溶质浓度，c
进一步，所述无机溶质示踪剂和显色剂分别为碳酸铵和甲酚红—亚甲基蓝混合溶液。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明微喷灌溉条件下入渗水和无机溶质全局性分布测试方法；能够有效地、准确地测定并评价微喷灌条件下土壤水和无机溶质在整个土壤剖面的全局性入渗再分布，进而评价微喷灌系统的喷洒质量与效率。
附图说明
图1是本发明实施例微喷灌溉条件下入渗水和无机溶质全局性分布测试方法、观测垂直剖面位置试验示意图；
图2为微喷头喷洒水量分布以及沿轴线测量剖面位置；
图3(a)和(b)分别为D剖面和H剖面水流再分布模式(显色区)；
图4(c)和(d)分别为E剖面显色前土壤和显色后土壤颜色变化，(e)为E剖面水流再分布模式(显色区)解析结果，(f)为E剖面根据浓度～颜色关系确定的浓度分布模式；
图5(g)和(h)为剖面1～6沿轴线方向喷洒水量和入渗区水量分布均值和显色区深度轮廓线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，本发明实施例中提供一种微喷灌条件下入渗水和无机溶质全局性分布测试方法，包括以下步骤，S1.布置试验区，将喷洒区域表面进行水平处理，测定土壤物理及水动力参数性质；S2.采用水箱供水，水中溶解质量分数不小于15％的无机溶质溶液作为示踪剂，在试验区进行微喷实验，喷洒时以极坐标的形式测定微喷头的喷洒水量分布，单位面积喷洒水量达到40mm后停止实验，将试验区使用防水和隔热材料覆盖以防止土壤水分蒸发；S3.配置2.5％的甲酚红—亚甲基蓝混合显色溶液；S4.24-48小时后，挖除未喷洒区域形成工作区，然后沿轴线方向逐层形成剖面，测定不同位置、不同深度的土壤含水率，其后用显色溶液对剖面进行显色，拍照记录显色模式,并测定不同深度位置显色区的浓度分布；S5.根据所测定的显色区和未显色区土壤含水率，确定显色区的土壤含水率变化量，根据显色区域以及显色区内含水率的变化量以及不同深度位置显色区的浓度分布，确定喷灌水和无机溶质再分布对灌溉需求的满足程度。
按上述实施例中，所述步骤S4中垂直剖面形成后，以雾状喷洒的形式向剖面喷洒浓度为2.5％的甲酚红—亚甲基蓝混合溶液，碳酸铵质量分数不小于15％的情况下，能够将土壤pH值最大提升1.5,无机溶质浓度更大的区域，其pH值变化量也越大，
入渗过程中，由于土壤对于无机溶质的吸附、污染溶质对流迁移和弥散作用、以及土壤介质条件下的差异，入渗区域中无机溶质浓度表现出显著的不均匀性。(NH
弱碱阳离子
氢氧根离子浓度变化大于氢离子浓度,导致了土壤溶液pH值的变化，并且pH值的变化与氢氧根离子浓度变化相关，无机溶质(碳酸铵)浓度越大，则氢氧根离子浓度也就越大，相应的影响pH值的变化量也就越大，因而无机溶质浓度更大的区域，其pH值变化量也越大，甲酚红—亚甲基蓝混合溶液随着pH值的增加呈现出黄色～玫瑰红色～紫色的颜色变化，这样就能够根据土壤是否颜色变化识别微喷水入渗后发生流动的区域。
土壤溶液中碳酸铵浓度越大的情况下，其颜色变化就越明显，通过设定的已知土壤浓度条件下的颜色信息的方法确立显色区颜色～浓度之间的关系，这样就能够根据是否颜色变化以及颜色变化程度相应的测定入渗区域以及入渗区域内无机溶质的再分布，从而实现流动区域和浓度再分布的全局性识别。如图3所示，图3(a)和(b)分别为D剖面和H剖面水流再分布模式(显色区)，图4(c)和(d)分别为E剖面显色前土壤和显色后土壤颜色变化，(e)为E剖面水流再分布模式(显色区)解析结果，(f)为E剖面根据浓度～颜色关系确定的浓度分布模式。
按上述技术方案，所述步骤五中，基于喷灌入渗水和无机溶质再分布微喷灌水效率系数E
其中，N为进行测定的剖面数量，i和k分别表示第i剖面和剖面内的第k个深度位置(简称：k深度，下同)，n为从地表～剖面最大深度的测量数量，P(i,x)表示微喷头在第i个剖面的x位置的喷洒水量，C为喷洒水量中的无机溶质浓度，x
以下进一步通过一个较佳的实例来详细阐述本发明的测试方案，具体实施步骤如下：
1)布置如图1所示的试验区，将喷洒区域表面进行了水平处理，以防止局部积水，用剪刀小心地将表面植物剪除，避免破坏原状土结构；
2)进行喷洒试验，准备喷洒用水，采用水箱供水，水中溶解质量分数为15％的碳酸铵，单喷头喷洒，工作压力20kPa，喷洒半径1.0m，喷洒区域270°；喷洒强度0.0048mm/s，喷洒时间140min，总喷洒水量40mm；喷洒结束后将试验区用防水和隔热材料覆盖。喷洒时采用雨量桶以极坐标的方式测定微喷头的喷洒水量分布(沿轴线方向不同位置的喷洒水量)，4个轴线位置的微喷喷洒水量分布测量结果如表1所示。微喷头喷洒水量分布如图2所示。
表1轴线方向微喷喷洒水量分布
3)微喷头有一定的喷洒范围，为270°；未喷洒的区域为工作区(如图2所示)，先前开挖区是在试验结束24小时后挖除的未喷洒90°区域，挖除后形成工作区首先开挖；在形成工作区后，沿垂直方向逐层形成多个剖面，在每个剖面是哪个建立平面坐标系，其中x表示距离圆心位置，如图2所示，其中1～7，C～J均为测量剖面，如图1所示，剖面深度为80cm，测量不同位置和深度的相关数据土壤含水率(监测点如图1所示)，并拍照记录显色。并测定试验土壤物理及水动力参数，测定结果如表2所示；
表2实验土壤物理及水动力性质
4)配置浓度为2.5％的甲酚红-亚甲基蓝混合溶液：称取甲酚红-亚甲基蓝各25g充分溶解1000ml无水乙醇中；在轴线位置逐层形成剖面，并逐层测量剖面含水率后，向坡面喷洒显色剂；土壤发生颜色变化并稳定后，拍照记录剖面显色模式。试验后，分别计算不同深度显色区和未显色区的平均土壤含水率，并确定显色区土壤土壤含水率变化量(显色区的平均含水率与未显色区含水率之差)。
5)在土壤pH值变化区域内，设定浓度为0.1C
6)将以上测定结果(即所有剖面所测定的显色区土壤含水率的变化，不同深度位置显色区的浓度分布等)作为(1)式的输入，计算得到本实例在微喷灌水效率系数E
上述实施例只是用于对本发明的举例和说明，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明不局限于上述实施例，根据本发明教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围内。
