滴灌施肥條件下土壤濕潤鋒變化規(guī)律研究

趙彥波，尹 娟,2,3，尹 亮

(1.寧夏大學土木與水利工程學院，銀川 750021；2.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程中心，銀川 750021；3.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，銀川 750021)

滴灌施肥技術(shù)是一種根據(jù)土壤水分、養(yǎng)分平衡原理，計算作物在不同生長階段的需水、需肥量，通過滴頭適時適量地把水分和養(yǎng)分滴施到作物根部的現(xiàn)代高效節(jié)水節(jié)肥技術(shù)[1]。滴頭在滴施過程中灌水濕潤面積和濕潤深度是在根系分布范圍之內(nèi)，作物根區(qū)土壤水分、養(yǎng)分分布區(qū)狀況受滴頭流量和施肥濃度的影響，因此，研究滴灌施肥條件下土壤濕潤體大小、土壤水分運移分布規(guī)律，對制定合理的灌水施肥制度和設(shè)計規(guī)范的滴灌設(shè)備具有重要意義。目前，國內(nèi)外專家學者在土壤水肥運移方面做了大量研究，并取得了一系列成果。Cote等[2]運用Hydraus 2D土壤物理模擬軟件模擬研究了在地下滴灌條件下土壤水分及溶質(zhì)運移規(guī)律；張林等[3]在室內(nèi)多點源滴灌實驗的基礎(chǔ)上研究了土壤水分運移過程，得出了多點源滴灌條件下土壤水分運移規(guī)律為先點源入滲再交匯入滲最后形成濕潤帶的結(jié)論；鄭園萍等[4]采用室內(nèi)土箱試驗研究了多點源滴灌條件下沙壤土中水分遷移分布規(guī)律，結(jié)果表明綜合考慮灌溉時間、灌溉濕潤比、灌水結(jié)束后土壤水分再分布及濕潤鋒的交匯等因素，提出了沙壤土滴灌系統(tǒng)設(shè)計應該選擇流量較大的滴頭，且滴頭間距要小的結(jié)論；岳海英等[5]在室內(nèi)模擬研究了不同滴頭流量對濕潤體形狀的影響規(guī)律，結(jié)果表明，不同滴頭流量下的濕潤體體積與灌水量之間都滿足冪函數(shù)關(guān)系；李久生等[6]通過室內(nèi)滴灌實驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了點源滴灌濕潤鋒和土壤水分運動過程，反演論證了土壤水動力學參數(shù)。以上研究成果為合理設(shè)計滴灌系統(tǒng)提供了參考依據(jù)，而這些成果主要側(cè)重于單一的水分和養(yǎng)分運移，對于滴灌條件下土壤水肥運移研究較少。國內(nèi)外滴灌施肥技術(shù)在馬鈴薯、果樹、辣椒、西瓜、黃瓜、茄子、番茄、西蘭花等[7-13]方面的應用研究較多，關(guān)于枸杞滴灌施肥技術(shù)研究與應用較少。為此，針對以上問題，本試驗開展了寧夏中部旱區(qū)枸杞滴灌施肥條件下土壤水分、養(yǎng)分運移試驗研究。本文主要論述了枸杞根系主要吸水區(qū)濕潤鋒的變化分布規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 供試土壤與試驗設(shè)備

試驗在寧夏大學土木與水利工程學院實驗樓進行。供試土壤取自寧夏中部干旱區(qū)吳忠市同心縣下馬關(guān)鎮(zhèn)枸杞種植基地，土壤類型為沙壤土。在按實測土壤干容重裝土之前，自然風干土樣，然后用2 mm的篩進行土樣篩分，以達到土壤顆粒分布均勻。土壤容重1.41 g/cm3，向有機玻璃土箱內(nèi)分層裝土，每5 cm一層，各層之間將土壤打毛，每層土接觸更加緊密。裝完土后土箱內(nèi)土壤均勻沉降分布24 h，以達到初始條件完全相同的土壤剖面。試驗土壤的田間持水率和初始含水率為32%和6%。

本研究是在矩形有機玻璃土箱內(nèi)進行的滴灌施肥試驗，通過透明的土箱外壁觀測記錄濕潤鋒的運移分布情況。土箱規(guī)格60 cm×50 cm×60 cm，滴灌滴頭采用橡膠軟管代替，采用馬氏瓶為系統(tǒng)供水，滴頭流量大小通過調(diào)節(jié)馬氏瓶進氣口的開度來控制。出水口位于矩形土箱1/4的棱角處，所以就以濕潤體的1/4為研究對象，待出水口滴頭流量達到穩(wěn)定后固定好滴頭，開始計時進行滴灌試驗。

1.2 試驗方法

試驗共設(shè)3個控制因素，分別為滴頭流量、施氮濃度和計劃濕潤層。其中滴頭流量設(shè)0.3、0.5、0.7、0.9 L/h 4種不同處理(試驗已經(jīng)將濕潤體的1/4作為研究對象，所以4種不同的滴頭流量實際上分別相當于1.2、2.0、2.8、3.6 L/h的田間實際滴頭流量)。試驗以硝酸銨(分析純)作為氮肥，灌溉水氮素濃度設(shè)200、300、400、500 mg/L 4個濃度梯度。研究表明，枸杞根系主要分布層和土壤水分活躍層位于0～40 cm土層[14]，因此以該深度作為試驗的計劃濕潤層。試驗采用完全隨機試驗設(shè)計，共16組試驗。

開始供水滴灌試驗后灌水在入滲過程中，在相同的時間間隔內(nèi)用記號筆在土箱外側(cè)標記濕潤鋒，通過黏貼在試驗土箱外壁水平和垂直方向的刻度尺觀測濕潤鋒隨時間的運移距離。試驗開始后每隔10 min記錄一次濕潤鋒，等濕潤鋒間距變化不明顯，再每隔30 min記錄一次，濕潤鋒間距變化不明顯，再每隔60 min記錄一次，當垂直濕潤鋒運移深度達到350 mm后停止灌水，待濕潤體內(nèi)土壤水分均勻分布24 h后垂直濕潤鋒運移深度達到40 cm。為防止土壤水分蒸發(fā)，待灌水結(jié)束后用塑料薄膜進行覆蓋。

2 結(jié)果與分析

2.1 同一施氮濃度下濕潤鋒運移規(guī)律

對于不同滴頭流量不同施肥濃度條件下的滴灌而言，從灌水開始到灌水結(jié)束，入滲濕潤鋒的形狀均近似為半橢圓(圖1中只顯示了1/4橢圓)。灌水初期，在相同的時間間隔內(nèi)，濕潤鋒水平擴散距離明顯大于濕潤鋒垂直運移深度，隨著灌水時間的延長和灌水量的增加，濕潤鋒水平擴散距離與垂直運移深度在數(shù)值上趨于相等。隨著灌溉的進行，濕潤鋒垂直運移深度逐漸大于濕潤鋒水平擴散距離。灌水前期，在相同的時間間隔內(nèi)，濕潤鋒運移間隔最大，即水分在土壤中的擴散運移速度較大。隨著灌水的延續(xù)，在較大時間間隔內(nèi)濕潤鋒運移距離不斷減小，說明在灌水后期土壤水分運移速度減小。

出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因是入滲初期，土壤含水量很小，土壤基質(zhì)勢最大，土壤水分在基質(zhì)勢的作用下向前遷移擴散。豎直方向相對于水平方向，土壤質(zhì)地較大，孔隙較小不利用于水分的運移擴散。而水平方向土壤較松散，土壤孔隙較大，有利于土壤水分的遷移擴散，所以在灌水初期水平濕潤鋒運移距離大于垂直濕潤鋒運移距離。隨著灌水延續(xù)，土壤含水率逐漸增大，部分土壤已經(jīng)達到飽和，土壤基質(zhì)勢為零。濕潤鋒處在基質(zhì)勢和重力勢的雙重作用下，水分在豎直方向的運移速度大于水分在水平方向的運移速度，即垂直濕潤鋒運移距離大于水平濕潤鋒運移距離。

圖1為不同滴頭流量同一施氮濃度下濕潤鋒運移過程，h為入滲深度，L為水平距離。坐標系中的(0,0)點為滴頭所在位置。從圖1可以看出：在同一施氮濃度下，隨著滴頭流量的增大，在相同的時間間隔內(nèi)濕潤鋒運移距離變大，水平濕潤鋒運移距離變化更顯著，灌溉所形成的濕潤面積增大，垂直濕潤鋒到達計劃濕潤層的時間越短。以上規(guī)律說明增大滴頭流量能增大表層土壤濕潤面積，減小灌水時間。這種情況更適合于瓜果蔬菜的灌溉。

圖1 同一施氮濃度不同滴頭流量下濕潤鋒運移過程

2.2 同一滴頭流量下濕潤鋒運移規(guī)律

圖2為同一滴頭流量不同施氮濃度下土壤濕潤鋒的運移過程。從圖2可以看出：同一滴頭流量下隨著肥液濃度的增加，在相同的時間間隔內(nèi)水平濕潤鋒運移距離逐漸變小，垂直濕潤鋒運移距離相對變大。濕潤鋒剖面形狀由最初的1/4圓面變成豎直1/4橢圓面，4個濕潤鋒面隨著肥液濃度的增大而減小。以上現(xiàn)象說明，在同一滴頭流量下進行滴灌灌溉，隨著灌水氮素濃度的增大，水平濕潤鋒運移速度會逐漸變小，垂直濕潤鋒運移速度會逐漸增大。灌溉形成的濕潤面積較小，能明顯促進土壤水分的深層運移。所以在灌溉耐旱作物時，可以適當增加灌溉水肥液濃度，達到縮小土壤表層濕潤面積，促進水分養(yǎng)分向根系深層運移的目的。

圖2 同一滴頭流量不同施氮濃度下濕潤鋒運移過程

結(jié)合圖1和圖2可知，肥液濃度和滴頭流量都能影響土壤水分的分布情況，決定濕潤鋒運移距離的大小，而滴頭流量的影響程度更大。灌水結(jié)束后，濕潤體水分均勻分布24 h，濕潤鋒還會向前運移一段距離。滴頭流量一定，肥液濃度越大濕潤鋒向前運移擴散距離越小。肥液濃度一定，滴頭流量越大濕潤鋒向前運移擴散距離越大。通過累積入滲量和水量平衡原理計算可得表1，在同一滴頭流量下，濕潤鋒到達同一計劃濕潤層時，灌水量隨著肥液濃度的增大而減小，灌水歷時隨著肥液濃度的增大而減小。在同一肥液濃度下，濕潤鋒到達同一計劃濕潤層時，灌水量隨著滴頭流量的增大而增大，灌水歷時隨著滴頭流量的增大而減小。

表1 不同處理下灌水量與灌水歷時

出現(xiàn)上述規(guī)律的主要原因是：在滴灌施肥條件下土壤水分入滲濕潤鋒運移規(guī)律主要由土壤入滲率和滴頭流量大小決定。當?shù)晤^流量小于土壤入滲率，即滴頭流量為0.3和0.5 L/h時，土壤表面不形成積水。土壤水分在基質(zhì)勢和重力勢的作用下，慢慢向四周擴散。水平濕潤鋒和垂直濕潤鋒運移速度基本相同，所形成的濕潤體體積較小。隨著灌水濃度的增大，土壤中溶質(zhì)逐漸增大，有效促進了土壤水分的深層運移。當?shù)晤^流量大于土壤入滲率，即滴頭流量為0.7和0.9 L/h時，土壤表面產(chǎn)生積水，形成積水入滲。表層土壤很快達到飽和，水平濕潤鋒在基質(zhì)勢的作用下迅速向前運移。在持續(xù)供水的情況下，水平濕潤距離不斷增大，所形成的濕潤面積不斷變大。在灌水后期，濕潤體內(nèi)土壤水分在重力勢和壓力勢的作用下向深層運移。隨著灌水濃度的增加土壤溶質(zhì)勢變大，促進了水分在豎直方向的運移擴散。

2.3 水平濕潤鋒隨時間的變化規(guī)律

同一滴頭流量不同施氮濃度處理下水平濕潤鋒隨時間的變化規(guī)律見圖3，不同滴頭流量和不同施氮濃度下水平濕潤距離與時間的擬合關(guān)系見表2，均滿足冪函數(shù)L=atb。

圖3 水平濕潤鋒隨時間的變化規(guī)律

從表2可以看出冪指數(shù)b隨滴頭流量q和施肥濃度c無明顯變化，其平均值約為0.32。而冪函數(shù)系數(shù)a隨滴頭流量的增加而增加，隨施氮濃度的增大而減小。這表明水平濕潤距離受滴頭流量大小和施肥濃度高低的影響。從圖3中可以看出灌水歷時相同時，滴頭流量越大，擬合曲線斜率越大，即水分水平擴散速率越大，相同時間間隔內(nèi)水平濕潤距離越大。同一滴頭流量下，隨著施氮濃度的增大，擬合曲線斜率越小，即水分水平擴散速率越小，相同時間間隔內(nèi)的水平濕潤距離越小。以上現(xiàn)象說明在同一施肥濃度下，增大滴頭流量會擴大土壤濕潤面積。在同一滴頭流量下，增大施肥濃度能減小土壤濕潤面積。這是因為隨著滴頭流量的增大，灌水強度逐漸大于土壤入滲能力，地表逐漸形成積水，從而加快了水分在水平方向的運移。隨著施肥濃度的增大，土壤溶質(zhì)迅速增大，隨之土壤土水勢也增大，加上土壤重力勢的影響水分向豎直方向擴散，抑制了水分在水平方向的運移。

表2 水平濕潤鋒擬合式及相關(guān)系數(shù)

2.4 垂直濕潤鋒隨時間的變化規(guī)律

垂直濕潤鋒運移距離與時間之間滿足冪函數(shù)關(guān)系，擬合參數(shù)列于表3。圖4給出了不同滴頭流量和不同施氮濃度下垂直濕潤距離隨時間的變化規(guī)律。從表3中可以看出，冪指數(shù)b隨滴頭流量q和肥液濃度c無明顯變化，而冪函數(shù)系數(shù)a隨著滴頭流量q的增大而增大，隨施氮濃度c的增大而減小。這表明垂直濕潤距離既受滴頭流量的影響，也受施肥濃度的影響。

表3 垂直濕潤鋒擬合式及相關(guān)系數(shù)

圖4 垂直濕潤鋒隨時間的變化規(guī)律

從圖4中可以看出，同一施氮濃度下隨著滴頭流量的增加曲線斜率增大，土壤水分垂直運移速度增大。說明增大滴頭流量有利于土壤水分在豎直方向的運移；同一滴頭流量下，隨著施氮濃度的增大曲線斜率增大，水分垂向運移速度增大。說明增大施肥濃度有利于土壤水分的豎向運移。出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因是增大滴頭流量，土壤很快達到飽和，在基質(zhì)勢和重力勢的作用下加速了土壤水分的運移擴散。在同一滴頭流量下，隨著施肥濃度的增加，土壤溶質(zhì)勢增大及土壤水勢增大，土壤水分遷移速度增大，促進了土壤水分的運移。

3 討 論

在實際作物灌溉過程中，制定合理的灌溉制度十分關(guān)鍵。因此在充分了解作物根系分布的基礎(chǔ)上，推算出灌溉定額以及灌水在根區(qū)土壤中的運移深度，就能實現(xiàn)精準適時適量灌溉，即能節(jié)約水資源又能減少人工投入，實現(xiàn)高效節(jié)水，提高作物產(chǎn)量的目的。

該研究表明，滴頭流量和施肥濃度都會在一定程度上影響灌溉水在土壤中的運移分布規(guī)律。土壤水分的運移深度和擴散半徑都會隨著滴頭流量的增大而增大，大滴頭流量灌溉有利于擴大土壤濕潤面積，小滴頭流量有利于土壤水分向深層運移。當?shù)晤^流量一定時，增大施肥濃度可以促進土壤水分的豎向遷移擴散。當施肥濃度一定時，增大滴頭流量可以增大土壤濕潤體。灌水形成的水平濕潤鋒與垂直濕潤鋒都與時間滿足冪函數(shù)關(guān)系，且系數(shù)a是隨著滴頭流量的增大而增大，隨施肥濃度的增大而減小。因此可以通過函數(shù)關(guān)系來預測一定灌水時間內(nèi)土壤水分運移深度。

本試驗假設(shè)土壤均質(zhì)各項同性來研究滴頭流量和施肥濃度對灌溉水在土壤中運移過程的影響，沒有考慮土壤其他物理性質(zhì)對灌水在土壤中分布的影響；關(guān)于土體中水分運移深度與時間之間是否存在確切的數(shù)學關(guān)系，該研究還得出的結(jié)論還不夠充分，滴頭流量和施肥濃度對冪函數(shù)系數(shù)a的影響沒有給出確切的影響因子，沒有通過數(shù)學方法加以求證。所以在接下的研究中會是筆者重點研究說明的問題。

4 結(jié) 論

利用室內(nèi)滴灌施肥試驗，對飽和區(qū)水平濕潤鋒和垂直濕潤鋒進行了觀測，分析了肥液濃度和滴頭流量對土壤水分分布的影響，得出如下結(jié)論。

(1)滴頭流量是影響土壤濕潤體大小的關(guān)鍵因素。同一施肥濃度下滴頭流量越大，灌水到達計劃濕潤層的時間就越短，形成的濕潤體體積會越大，灌水結(jié)束后濕潤鋒繼續(xù)遷移的距離會越大。

(2)施肥濃度是影響土壤水分分布的主要因素。同一滴頭流量下施肥濃度越大，越有利于水分在豎直方向的擴散，形成的濕潤體體積越小，灌水結(jié)束后土壤水分再分布的距離會越小。

(3)水平與垂直濕潤鋒運移距離受滴頭流量和施肥濃度的影響。水平與垂直濕潤鋒運移距離與時間滿足冪函數(shù)關(guān)系，冪指數(shù)b隨流量q和施肥濃度c無明顯變化，系數(shù)a隨滴頭流量的增加而增加，隨施肥濃度的增大而減小。

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