不同施N濃度下滴頭流量對(duì)土壤水分運(yùn)移的影響研究

蘇振娟，尹 娟,2,3，吳軍斌，劉宇朝，劉學(xué)智

(1.寧夏大學(xué) 土木與水利工程學(xué)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)

0 引 言

我國(guó)作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，水土資源的不足嚴(yán)重制約著我國(guó)的農(nóng)業(yè)發(fā)展，尤其是我國(guó)西北地區(qū)經(jīng)濟(jì)作物的發(fā)展。因此，大力發(fā)展節(jié)水灌溉，推廣節(jié)水農(nóng)業(yè)，對(duì)實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用具有重要意義，也是解決我國(guó)缺水危機(jī)的根本出路[1,2]。隨著節(jié)水農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，我國(guó)在新型節(jié)水灌溉方法上做了很多努力，并取得了一定成果。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，節(jié)水灌溉得到了快速發(fā)展，而在眾多的灌溉技術(shù)當(dāng)中，滴灌是效果較為理想的方式之一。滴灌是一種根據(jù)作物需水量，通過(guò)灌水器將水和液體肥料小流量、長(zhǎng)時(shí)間、高頻率地灌溉到作物根區(qū)的一種現(xiàn)代精準(zhǔn)節(jié)水灌溉技術(shù)[3,4]。相比傳統(tǒng)灌溉方式，滴灌省水節(jié)能、灌水均勻度高，不僅有助于作物根系對(duì)水分、養(yǎng)分的吸收，也可防止深層滲漏和肥料流失等損失，對(duì)減弱土壤次生鹽堿化和實(shí)現(xiàn)作物經(jīng)濟(jì)效益最大化具有現(xiàn)實(shí)意義[5,6]。適宜的水肥組合有利于作物協(xié)調(diào)生長(zhǎng)，達(dá)到養(yǎng)分高效利用，實(shí)現(xiàn)以肥調(diào)水、以水促肥效果[7-9]。大多學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了灌水量和施肥量對(duì)水分分布、運(yùn)移及濕潤(rùn)體特征等的影響，認(rèn)為灌溉定額和施肥量是影響地下滴灌土壤水分運(yùn)移和滴灌濕潤(rùn)體的決定性因素[10,11]。因此，對(duì)滴灌條件下土壤水分運(yùn)移、濕潤(rùn)體特征及其影響因素的研究，是完善滴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)和提高滴灌水利用效率的前提和基礎(chǔ)。

寧夏位于黃土高原、蒙古高原和青藏高原交匯處，屬干旱半干旱地帶，是我國(guó)生態(tài)安全戰(zhàn)略格局的重要組成，也是我國(guó)旱區(qū)農(nóng)業(yè)的主要發(fā)展地區(qū)之一。然而，干旱少雨、蒸發(fā)強(qiáng)烈、生態(tài)環(huán)境敏感復(fù)雜等問(wèn)題使得寧夏水資源供需矛盾日益突出。隨著我國(guó)節(jié)水農(nóng)業(yè)布局的進(jìn)一步完善，寧夏將成為西北地區(qū)最主要的旱區(qū)高效節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展區(qū)之一，截止2017年底寧夏已發(fā)展高效節(jié)水灌溉面積15.3 萬(wàn)余hm2，其中微灌面積占全區(qū)高效節(jié)水灌溉面積的70%左右[12]。目前針對(duì)滴灌技術(shù)的研究主要集中在滴灌制度及滴灌參數(shù)設(shè)計(jì)上，然而關(guān)于滴灌對(duì)寧夏中部干旱帶灰鈣土壤水分運(yùn)移及滴灌濕潤(rùn)體影響的研究較少。為了探明滴灌施肥對(duì)土壤水分運(yùn)移規(guī)律的影響，文章開(kāi)展了寧夏中部干旱帶滴灌點(diǎn)源入滲土箱模擬實(shí)驗(yàn)，研究同一施肥濃度，不同滴頭流量下土壤水分運(yùn)移規(guī)律，為滴灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理和提高作物水分利用效率提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤取自寧夏中部干旱帶吳忠市同心縣下馬關(guān)鎮(zhèn)枸杞種植基地。土壤為灰鈣土，基本物理參數(shù)如表1所示，土壤基本理化性質(zhì)如表2所示。

表1 土壤物理參數(shù)Tab.1 Soil physical parameters

表2 土壤基本理化性質(zhì)Tab.2 Basic physical and chemical properties of soil

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

點(diǎn)源滴灌入滲實(shí)驗(yàn)由馬氏瓶和矩形有機(jī)玻璃土箱組成，土箱長(zhǎng)、寬、高為60 cm×50 cm×60 cm，滴頭用橡膠軟管代替，試驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。根據(jù)枸杞生產(chǎn)實(shí)際情況，以0～40 cm深度作為試驗(yàn)的計(jì)劃濕潤(rùn)層[13-15]。土壤自然風(fēng)干、粉碎、過(guò)篩(2 mm)后，按5 cm一層進(jìn)行分層裝土，共8層，40 cm。裝土后箱內(nèi)土壤均勻沉降24 h，使土壤剖面初始條件完全相同。由于滴灌入滲時(shí)，水分運(yùn)動(dòng)形成的濕潤(rùn)體具有對(duì)稱性，因此本實(shí)驗(yàn)選取滴灌形成濕潤(rùn)體的1/4為研究對(duì)象，試驗(yàn)過(guò)程中把滴頭放在土箱的直角處[14]。待出水口滴頭流量達(dá)到穩(wěn)定后固定好滴頭，開(kāi)始試驗(yàn)并計(jì)時(shí)，待垂直濕潤(rùn)鋒運(yùn)移深度為350 mm處停止灌水。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the test device

1.3 試驗(yàn)方法及觀測(cè)內(nèi)容

試驗(yàn)共設(shè)2個(gè)因素，分別為滴頭流量和施氮濃度。滴頭流量為0.3、0.5、0.7、0.9 L/h(q1、q2、q3、q4)；氮肥(硝酸銨)濃度為200、300、400、500 mg/L(N1、N2、N3、N4)。采用完全隨機(jī)組合設(shè)計(jì)，總計(jì)16組實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)將濕潤(rùn)體的1/4作為研究對(duì)象，所以4種不同的滴頭流量實(shí)際上分別相當(dāng)于1.2、2.0、2.8、3.6 L/h的田間實(shí)際滴頭流量。

滴水24 h后用直徑為2 cm的土鉆分層取土，縱向和橫向取土間距均為5 cm，直至未濕潤(rùn)土壤停止。土壤含水率用烘干法測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 水平向土壤含水率變化規(guī)律

通過(guò)對(duì)深度0～40 cm的水平向土壤含水率統(tǒng)計(jì)分析(如表3所示)，發(fā)現(xiàn)0～20 cm土層含水率的顯著性高于20～40 cm。所以本文著重探討0～20 cm土層水平方向含水率變化規(guī)律。

表3 0～40 cm土層深度滴頭流量對(duì)含水率的影響統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistical analysis of the influence of the drip rate at the depth of 0～40 cm on the moisture content

注：P<0.05為顯著。

2.1.1 滴頭流量對(duì)水平向土壤含水率變化的影響

圖1為同一施氮濃度，不同滴頭流量下0～20 cm耕作層水平向土壤含水率的變化過(guò)程。施氮濃度為N1時(shí)，滴頭流量q1、q2、q3、q4的水平向土壤含水率分布在13.06%～19.26%、14.19%～20.43%、14.72 %～21.19 %和14.93%～21.60%，含水率差隨滴頭流量的增大而增大；N2水平下，滴頭流量q1、q2、q3、q4的水平向含水率在14.21%～20.23%、15.37%～20.60%、15.38%～21.50 %和16.10 %～21.89 %，滴頭流量含水率差大小關(guān)系為q3>q1>q4>q2；N3水平下，滴頭流量q1、q2、q3、q4的水平向含水率在15.68%～20.66%、15.91%～20.81%、16.21%～21.07%和16.42%～21.66%分布，其中q4的含水率差最大(5.24%)，q3最小(4.86%)，而q1和q2的相差不大；N4水平下，q1、q2、q3和q4含水率分布在16.04%～20.26%、16.51%～20.76%、17.06 %～21.31 %和17.33%～21.87%，含水率差分別為3.86%、4.25%、4.25%和4.54%。由此可以得出，當(dāng)施氮水平一定時(shí)，滴頭流量越大，滴頭距離相同處的水平向含水率越高，且土壤含水率差越大；隨著施氮濃度的增大，不同滴頭流量對(duì)0～20 cm耕作層水平向土壤含水率分布的影響逐漸減弱。

點(diǎn)源滴灌入滲過(guò)程中，濕潤(rùn)體含水率經(jīng)過(guò)了24 h的再分布，受水勢(shì)梯度的影響，水分向四周擴(kuò)散。并且在濕潤(rùn)范圍內(nèi)每個(gè)點(diǎn)處的含水率與周圍各點(diǎn)的含水率都不相同。離滴頭愈遠(yuǎn)，基質(zhì)勢(shì)和土壤的吸附作用越弱，濕潤(rùn)體含水率愈?。辉谙嗤嗨畷r(shí)間內(nèi)滴頭流量越大，總灌水量也就越大，基質(zhì)勢(shì)和土壤的吸附作用越強(qiáng)，相應(yīng)含水率就大。故在0～20 cm土層時(shí)，滴頭流量對(duì)該層土壤水平向含水率影響較大。

圖2 0～20 cm土層不同滴頭流量對(duì)水平向土壤含水率分布的影響Fig.2 Influence of different tip flows in soil layer 0～20 cm on horizontal soil moisture content distribution

2.1.2 滴頭距離對(duì)水平向含水率的影響

由不同滴頭流量水平向土壤含水率分布狀況可知，無(wú)論施氮水平和滴頭流量如何，0～20 cm土層的土壤含水率均隨距滴頭距離的增大而降低，且在濕潤(rùn)鋒附近減幅明顯。為了量化土壤含水率與滴頭距離之間的關(guān)系，對(duì)0～20 cm土層土壤含水率與滴頭距離進(jìn)行了非線性擬合，得出含水率與滴頭距離滿足二次多項(xiàng)式θ=AX2+BX+C(如表4所示)，并且擬合效果較好。從表4可以看出多項(xiàng)式系數(shù)A、B隨滴頭流量和施肥濃度的變化無(wú)明顯差異，其平均值分別為-0.003 72和0.023 53。而系數(shù)C在同一施氮濃度下，隨滴頭流量的增大而增大，進(jìn)一步說(shuō)明水平方向含水率受滴頭流量的影響較大。

表4 水平方向含水率擬合關(guān)系式及相關(guān)系數(shù)Tab.4 Horizontal relationship of water content fitting relationship and correlation coefficient

2.2 豎直方向土壤含水率變化規(guī)律

2.2.1 滴頭流量對(duì)豎直方向土壤含水率變化的影響

圖3為同一施氮濃度不同滴頭流量下，濕潤(rùn)體豎直方向含水率的分布規(guī)律，從圖3可以看出隨著深度的增加，含水率不斷減??；靠近濕潤(rùn)鋒處，滴頭流量越大，減幅越明顯。當(dāng)施氮濃度為N1，滴頭流量為q1、q2、q3、q4時(shí)濕潤(rùn)體含水率在14.83%～19.27%、15.08%～20.54%、15.44%～21.39%和15.61%～21.71%范圍內(nèi)，且含水率差值隨著滴頭流量的增大而增大；N2水平下，滴頭流量q1、q2、q3、q4的含水率在15.69%～20.16%、15.80%～20.65%、16.80%～21.57%和17.16%～21.96%間分布，且含水率差的大小關(guān)系為q2>q4>q3>q1；當(dāng)為N3時(shí)，滴頭流量q1、q2、q3、q4對(duì)應(yīng)的含水率分布范圍為15.95%～20.69%、16.21%～20.79%、16.50%～21.20%、16.69%～21.45%，其中滴頭流量為q4時(shí)的含水率差最大，而q2的含水率差最??；N4水平，滴頭流量q1、q2、q3、q4對(duì)應(yīng)的含水率分布范圍為16.46%～20.80%、16.88%～20.88%、17.18%～21.50%和17.71%～21.99%，滴頭流量q1的含水率差最大為4.34%，而q2的最小為4%。

水分在豎向分布過(guò)程中，主要受基質(zhì)勢(shì)和重力勢(shì)的共同作用，隨著滴頭流量的增加，灌水量增大，重力勢(shì)增加，土壤水分向下運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，使得同一施氮水平下，滴頭流量越大，濕潤(rùn)體深度越大，含水率范圍擴(kuò)大。

圖3 不同滴頭流量對(duì)豎直方向含水率的影響Fig.3 The influence of different droplet flow rate on vertical moisture content

2.2.2 滴頭距離對(duì)豎直方向含水率分布的影響

由不同滴頭流量對(duì)豎直方向土壤含水率分布的影響可知，豎向土壤含水率均隨滴頭距離的增大而逐漸降低，且在濕潤(rùn)鋒附近減幅明顯；為了量化豎向土壤含水率與滴頭距離之間的關(guān)系，對(duì)豎向含水率與滴頭距離關(guān)系擬合，發(fā)現(xiàn)含水率與距滴頭深度的也滿足二次多項(xiàng)式θ=AX2+BX+C，并且擬合效果良好，具體擬合關(guān)系見(jiàn)表5。從表5可以看出多項(xiàng)式系數(shù)A、B隨滴頭流量和施肥濃度無(wú)明顯變化，其平均值分別為-0.001 26和0.030 18。而系數(shù)C在同一施氮濃度下，隨滴頭流量的增大而增大。這也說(shuō)明了，豎直方向含水率也受滴頭流量的影響較大。

表5 豎直方向含水率擬合關(guān)系式及相關(guān)系數(shù)Tab.5 Vertical relationship of water content fitting relationship and correlation coefficient

因?yàn)樨Q向相對(duì)水平方向，土壤質(zhì)地較大，孔隙較小，不利于水分的運(yùn)移擴(kuò)散，含水率相對(duì)較大。故綜合對(duì)比水平方向與豎向含水率變化規(guī)律及擬合函數(shù)關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)同一施氮濃度和滴頭流量條件下豎向含水率大于水平向含水率。同時(shí)通過(guò)以上分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)施氮濃度為N3(300 mg/L)時(shí)，不同滴頭流量對(duì)土壤水平方向和豎直方向水分分布的影響較其他施氮水平顯著。

2.3 水平向和豎直向含水率分布規(guī)律

為綜合研究4種滴頭流量作用下土壤含水率水平方向和豎直方向分布規(guī)律，以滴頭所在位置為坐標(biāo)原點(diǎn)(0，0)，規(guī)定豎直向下為正，用Surfer軟件繪出施氮量在300 mg/L的等值線圖，在圖中，X與Z的物理意義是表示：到達(dá)滴頭的水平與豎直距離的遠(yuǎn)近。

從圖5可以看出距原點(diǎn)越近，含水率等值線分布越密，距原點(diǎn)越遠(yuǎn)，含水率等值線分布越疏。表明在點(diǎn)源滴灌下，距滴頭越近，土壤含水率越高，距滴頭愈遠(yuǎn)含水率愈低，且濕潤(rùn)區(qū)上部含水率變化率小而下部含水率變化較大。滴頭流量為q1時(shí)，濕潤(rùn)區(qū)上部(0～20 cm)含水率等值線大體呈“U”形分布，濕潤(rùn)區(qū)中部(20～30 cm)含水率等值線大體呈“屋脊形”，濕潤(rùn)區(qū)下部(30～40 cm)含水率等值線大體呈水平帶狀分布；滴頭流量q2與q1的含水率分布規(guī)律一致；滴頭流量q3的濕潤(rùn)區(qū)上部呈“U”形分布，中下部呈近似水平直線分布，土壤含水率等值線逐漸趨于平緩，等值線較密；滴頭流量為q4時(shí)，濕潤(rùn)區(qū)上部呈“尖U字形”分布，中下部呈“屋脊形”分布。點(diǎn)源滴灌入滲下，土體經(jīng)過(guò)24 h再分布，受水勢(shì)梯度的作用，水分向四周擴(kuò)散，從水勢(shì)高的地方運(yùn)動(dòng)到水勢(shì)低的地方，水分含量不斷減小；隨著時(shí)間推移，水勢(shì)梯度逐漸減小，水分含量變化逐漸平穩(wěn)呈現(xiàn)出疏到密的分布規(guī)律。

圖4 不同滴頭流量下濕潤(rùn)體含水率等值線圖分布Fig.4 Distribution of contour map of wetted water content under different dripper flow rates

4種流量滴頭下方土壤含水率都小于飽和含水率(飽和含水率22%)，但隨著滴頭流量增加，滴頭下方高含水區(qū)(土壤含水率≥20.5%)范圍在擴(kuò)大，而且高含水區(qū)距地表的范圍也在不斷增大。由表6可以看出，流量較小時(shí)，滴頭下方形成的高含水區(qū)距地表的距離小。隨著滴頭流量的增大，相應(yīng)的最大含水率也在增大。濕潤(rùn)鋒附近含水率也隨著滴頭流量的增大而增大。因此，小流量滴灌可能對(duì)抑制地表蒸發(fā)具有積極作用。但是大流量會(huì)破壞周邊土壤結(jié)構(gòu)。所以在選用滴頭流量時(shí)，要考慮滴頭流量是否會(huì)破壞滴頭附近的土壤。

表6 不同滴頭流量下高含水區(qū)情況Tab.6 High water-bearing area under different dripper flow rates

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)點(diǎn)源滴灌條件下土壤水分運(yùn)移過(guò)程分析可以得出以下結(jié)論。

滴頭流量是影響土壤濕潤(rùn)體含水率的主要因素。同一施肥濃度下滴頭流量越大，同一位置處的含水率越大。

豎直方向含水率大于水平向含水率。同一施氮水平下，在豎直方向，隨著滴頭流量的增加，豎直方向的重力勢(shì)增加，越有利于水分在豎直方向的擴(kuò)散，相應(yīng)濕潤(rùn)體含水率較高。

濕潤(rùn)區(qū)上部含水率等值線大體呈“U字形”分布，中部含水率等值線大體呈“屋脊形”，下部含水率等值線大體呈水平帶狀分布，濕潤(rùn)體水分分布呈上部復(fù)雜、下部簡(jiǎn)單的特征。

滴頭下方存在高含水區(qū)，且隨著滴頭流量的增加，高含水區(qū)范圍不斷增大。且濕潤(rùn)鋒附近含水率也隨著滴頭流量的增大而增大。

滴頭流量和施氮濃度都會(huì)在一定程度上影響灌溉水在土壤中的分布規(guī)律。滴頭流量是影響水分在土壤中主要因素，這與張亞南[16]研究得出的結(jié)論一致。土壤含水率大小隨著滴頭流量的增大而增大，大流量滴頭灌溉有利于擴(kuò)大土壤濕潤(rùn)面積，小流量滴頭有利于抑制土壤蒸發(fā)。

本實(shí)驗(yàn)假設(shè)土壤均質(zhì)各向同性，沒(méi)有考慮土壤其他物理性質(zhì)對(duì)灌水在土壤中分布的影響。在接下來(lái)的研究中，要考慮不同土壤類型、容重對(duì)含水率的影響。