間接地下滴灌下水分及硝態(tài)氮的分布運(yùn)移

周少梁，孫三民

(塔里木大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300)

間接地下滴灌是1種新型的高效節(jié)水灌溉技術(shù),它由普通地表滴灌與布設(shè)在滴頭下方土壤中的導(dǎo)水裝置構(gòu)成,導(dǎo)水裝置包括了上部不透水邊界(PVC管),下部透水邊界和透水底部(砂粒層),水由滴灌管經(jīng)帶有調(diào)節(jié)閥的小管滴入到導(dǎo)水裝置,再通過導(dǎo)水裝置中的粗砂到達(dá)透水邊界,最終由透水底部入滲到根區(qū)土壤[1].與一般地表滴灌比較，間接地下滴灌可減少地表蒸發(fā)；與地下滴灌比較，又避免了滴頭易堵塞的問題.

在我國(guó)北方灌溉農(nóng)業(yè)體系中，嚴(yán)重存在著農(nóng)作物收獲后土壤中硝態(tài)氮?dú)埩魡栴}[2]，累積的硝態(tài)氮沒有及時(shí)被作物吸收利用，若此時(shí)氣候濕潤(rùn)或進(jìn)行大量灌溉，硝態(tài)氮將會(huì)發(fā)生向下移動(dòng)甚至淋失，進(jìn)一步遷移至地下水[3-4].為了合理的設(shè)計(jì)地下滴灌系統(tǒng)、有效管理灌溉用水，必須根據(jù)地下滴灌條件下的土壤水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律和作物的生長(zhǎng)特性，選取合理的設(shè)計(jì)參數(shù)，使得地下滴灌能夠顯著提高作物產(chǎn)量和水分利用效率[5-6].

關(guān)于滴灌點(diǎn)源入滲規(guī)律的研究有較長(zhǎng)的歷史[7-8]，滴灌的土壤水分運(yùn)動(dòng)機(jī)理、集水區(qū)的作用以及濕潤(rùn)鋒也有許多文獻(xiàn)表述,并發(fā)現(xiàn)濕潤(rùn)鋒水分運(yùn)動(dòng)不僅與滴水量有關(guān)還與土壤質(zhì)地、滴頭流量有關(guān)[9-11].地埋式滴灌土壤含水量隨著土壤深度的增加而增大,土壤總鹽含量隨著土壤深度的增加呈對(duì)數(shù)遞減趨勢(shì),土壤鹽分與水分的變化相反[12].在地下滴灌條件下土壤濕潤(rùn)體近似于圓柱，周圍濕潤(rùn)鋒處的鹽分較高，與含水率分布相反[13]；此外，毛管埋深的增加會(huì)降低表層土壤的水分含量、增加硝態(tài)氮含量[14].間接地下滴灌濕潤(rùn)鋒與時(shí)間有明顯的冪函數(shù)關(guān)系，且大流量會(huì)使土壤濕潤(rùn)鋒距離減小，增加出水口處的土壤含水率[15-16]，積水深度會(huì)促進(jìn)水分在水平方向的運(yùn)移[17].

近年來，我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過量使用氮肥的現(xiàn)象比較普遍，造成了氮肥利用率低，資源浪費(fèi)和環(huán)境污染等問題，特別是硝態(tài)氮的淋失造成了地下水的污染[18-19].而目前關(guān)于間接地下滴灌下的土壤鹽分研究多是通過測(cè)定電導(dǎo)率來分析鹽分分布，有針對(duì)性的關(guān)于僅硝態(tài)氮1種離子在土壤中的運(yùn)移研究較少.

本文以室內(nèi)間接地下滴灌試驗(yàn)為基礎(chǔ)，研究了不同肥液濃度下土壤濕潤(rùn)體硝態(tài)氮含量變化分布，結(jié)合作物根系的發(fā)展特征選擇合適的化肥施用量，旨在為間接地下滴灌對(duì)不同作物的應(yīng)用提供幫助，降低硝態(tài)氮的淋失，提高養(yǎng)分利用率，防止水土污染.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

室內(nèi)試驗(yàn)于2017年10～12月在塔里木大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院灌溉試驗(yàn)基地進(jìn)行，試驗(yàn)系統(tǒng)由有機(jī)玻璃試驗(yàn)土箱和供水裝置組成.試驗(yàn)土箱用厚度8 mm的有機(jī)玻璃做成長(zhǎng)×寬×高為500 mm×500 mm×500 mm 的立方體.土槽壁上以5 cm為1個(gè)單位標(biāo)出長(zhǎng)寬高的刻度，供水裝置為提供恒定水頭的馬氏瓶.

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所采用的土壤為灌溉試驗(yàn)基地的土，土質(zhì)為沙壤土，土壤的初始硝態(tài)氮含量為1.7 mg/kg，風(fēng)干后過1 mm土篩清除雜質(zhì)再裝入有機(jī)玻璃土箱，試驗(yàn)土樣分層裝入土箱，每5 cm為1層，層間打毛，土壤設(shè)計(jì)容重為1.40 g/cm3，土樣裝入土箱自然沉降24 h以后再進(jìn)行試驗(yàn).

為了便于觀測(cè)水分運(yùn)移情況，試驗(yàn)導(dǎo)水裝置中將圓柱形PVC管從正中間劈開，用膠布固定在土槽壁的內(nèi)側(cè)的1/2處，PVC管下端為5 cm砂石，先將砂石導(dǎo)入PVC管中，再將PVC管向上提，形成半圓體的砂體與土壤接觸，砂體上層距土層表面的距離固定為20 cm.

灌水時(shí)間為2 h，流速為3 L/h.為了研究間接地下滴灌模式下土壤水分硝態(tài)氮的運(yùn)移特征，采用南疆地區(qū)果樹種植普遍使用的滴灌沖施肥配置肥料溶液，該肥料總養(yǎng)分大于40%、氮元素含量大于14%.根據(jù)當(dāng)?shù)毓麡涫┓柿繛橐罁?jù)設(shè)置肥液的濃度梯度，分別為300、600、1 000、1 300 mg/L.測(cè)定其濕潤(rùn)鋒運(yùn)移情況、含水率以及硝態(tài)氮含量，各處理組具體情況如表1所示.

表1 試驗(yàn)方案

灌水過程中使用秒表計(jì)時(shí)，在灌水的前1 h內(nèi)，每隔10 min用黑色記號(hào)筆在土箱上描出濕潤(rùn)鋒位置，1 h后每隔15 min畫1次濕潤(rùn)鋒的位置，直至灌水結(jié)束，用鋼尺在土箱側(cè)面從出水口初處分別沿水平向左、豎直向下方向測(cè)量土壤濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移距離，同時(shí)記錄下對(duì)應(yīng)時(shí)間.

灌水結(jié)束24 h后，用直徑1cm土鉆，在PVC管外側(cè)沿橫縱方向每隔5 cm設(shè)置1個(gè)點(diǎn)取樣，每個(gè)點(diǎn)處垂直向下每隔5 cm取樣，共取土樣72個(gè)，土樣采用烘干法測(cè)含水率，烘干后稱取5 g干土用法國(guó)Alliance公司的SmartChem200間斷化學(xué)分析儀測(cè)其土壤中的硝態(tài)氮含量.

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel處理.

2 結(jié)果與分析

2.1 間接地下滴灌土壤濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移

濕潤(rùn)鋒隨時(shí)間的形狀變化如圖1所示(圖中的方框?yàn)樯皩?，在4個(gè)處理中，每次的灌溉水量和灌水時(shí)間相同，對(duì)濕潤(rùn)鋒的影響基本相近，故選擇其中T4處理做為代表進(jìn)行分析.由圖1可以看出，在T4處理下濕潤(rùn)鋒的形狀近似于橢圓的形狀，這是因?yàn)樗阶笥曳较虻娜霛B條件相同，故呈現(xiàn)出左右基本對(duì)稱的現(xiàn)象.隨著灌水時(shí)間的增加，濕潤(rùn)鋒向下的運(yùn)移距離要大于濕潤(rùn)鋒向上的運(yùn)移距離.120 min以后，4個(gè)方向上，豎直向上和向下的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離不同，且和水平方向的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離不同,以水平方向的距離為最大,垂直向上的為最小,這可能是由于垂直向上方向水自身的重力抵消了部分土壤吸力.

圖1 土壤濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移Figure 1 Soil moisture front movement

濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離隨時(shí)間變化而變化的情況如圖2所示，滴灌初期,土壤初始含水率較低,土壤入滲能力大,入滲較快.隨著水分的不斷入滲,土壤含水率增大,其入滲能力減小入滲變慢[20].在入滲初期,滴頭周圍土壤為干土,土壤吸力為水分運(yùn)移的主要作用力,各個(gè)方向吸力基本一致.前20 min水平和豎直向下方向濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速度基本相同，20 min后水平方向的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速度大于豎直向下的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速度.而后，水平方向的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離要大于豎直向下的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離，這一現(xiàn)象與土壤容重和流速有關(guān)，對(duì)于質(zhì)地較沙的沙壤土,土壤容重越大,水平濕潤(rùn)鋒的遷移越快,這是由于容重增加土壤非飽和導(dǎo)水能力增大的緣故[21].本試驗(yàn)中沙壤土容重為1.40 g/cm3，容重較大，所以水平方向的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移較快；此外還與水流速有關(guān)，當(dāng)流速過大，土壤入滲速率變慢，滴灌管內(nèi)出現(xiàn)積水時(shí)，也會(huì)加大水平方向濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移速度.

在T4處理下，灌水2 h后，水平方向上向右的濕潤(rùn)鋒最大濕潤(rùn)距離為21.2 cm，大于豎直方向向下的最大濕潤(rùn)距離17.7 cm.土壤濕潤(rùn)鋒的水平方向運(yùn)移距離和垂直方向運(yùn)移距離與灌水時(shí)間的變化符合二次函數(shù)關(guān)系：

x=At2+Bt+C

(1)

y=At2+Bt+C

(2)

式中，x為濕潤(rùn)鋒水平運(yùn)移距離(cm)；y為濕潤(rùn)鋒豎直運(yùn)移距離(cm)；t為灌水時(shí)間(min)；A、B、C為擬合參數(shù)；邊界條件t>0.

圖2 T4處理濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離隨時(shí)間的變化Figure 2 T4 processing moisture front migrationdistance change with time

以上的擬合曲線的相關(guān)系數(shù)R2都大于0.99，擬合關(guān)系達(dá)顯著水平，表明兩者之間具有良好的二次函數(shù)關(guān)系，所以當(dāng)流量固定，土壤條件已知的狀況下，可以通過灌水時(shí)間來預(yù)測(cè)濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移距離，控制灌水時(shí)間，起到精確灌溉的目的.

2.2 土壤含水率的分布規(guī)律

水平方向平均土壤質(zhì)量含水率(將豎直方向上的土壤含水率取平均值)的變化曲線如圖3所示.從出水口水平向右至土箱邊界處，土壤含水率與其所處的水平位置密切相關(guān)，含水率變化的整體趨勢(shì)是隨著入滲距離的增加而逐漸減小,最靠近出水口處的含水率最高為12.03%，距離出水口15 cm處的含水率最低為5.25%.采用二次函數(shù)來擬合2者之間的關(guān)系：

θm=-0.029x2-0.0307x+12.129R2=0.9929

(3)

式中，θm為土壤質(zhì)量含水率(%)；x為濕潤(rùn)鋒水平運(yùn)移距離(cm).

以上的擬合曲線的相關(guān)系數(shù)R2大于0.99，擬合關(guān)系達(dá)顯著水平，表明2者之間具有良好的二次函數(shù)關(guān)系.

圖3 土壤含水率隨水平距離的變化Figure 3 Soil moisture content changes with horizontal distance

圖4所示為豎直方向平均土壤質(zhì)量含水率(將水平方向上的土壤含水率取平均值)的變化曲線，以出水口處為橫坐標(biāo)原點(diǎn)，向下為正，向上為負(fù).如圖4所示，土壤含水率與豎直位置密切相關(guān)，在出水口下方5 cm處的含水率最大，為15.73%，其上下2側(cè)的土壤呈現(xiàn)含水率隨著和水源處的距離增加而含水率降低的規(guī)律,最上層和最下層的土壤沒有被水浸濕，為初始含水率1.20%.整個(gè)圖像明顯可看到水源處下部的含水率基本大于上部含水率，這可能是因?yàn)橹亓ψ饔?，使得水分向下的擴(kuò)散能力更強(qiáng)，致使出水口下部土壤含水率更高.采用二次函數(shù)來擬合2者之間的關(guān)系：

θm=-0.0279y2+0.1448y+14.925R2=0.9928

(4)

式中，θm為土壤質(zhì)量含水率(%)；y為濕潤(rùn)鋒豎直方向運(yùn)移距離(cm)；以上的擬合曲線的相關(guān)系數(shù)R2大于0.99，擬合關(guān)系達(dá)顯著水平，表明2者之間具有良好的二次函數(shù)關(guān)系.

圖4 土壤含水率隨豎直距離的變化Figure 4 Soil moisture content changes with vertical distance

間接地下滴灌條件下，土壤含水率的變化與距離出水口的位置呈顯著相關(guān)關(guān)系.隨著灌水時(shí)間的增加,濕潤(rùn)半徑不斷增大,而濕潤(rùn)區(qū)也隨之不斷增大.隨著距出水口距離增加,土壤含水率降低.這與入滲過程中土壤結(jié)構(gòu)的變化有關(guān)，土壤團(tuán)聚體遇到水濕潤(rùn)時(shí)會(huì)膨脹崩解,土壤孔隙度降低,形成不透水的結(jié)皮,導(dǎo)致土壤入滲率下降[22].

2.3 土壤硝態(tài)氮的分布規(guī)律

圖5所示為不同處理下的土壤硝態(tài)氮含量隨水平距離變化圖.肥液濃度為300 、600、1 000 mg/L時(shí)，在水平方向0～10 cm內(nèi)，硝態(tài)氮含量隨水平距離x的增加而減少，與水平方向土壤含水率分布相似，呈遞減趨勢(shì)，說明間接地下滴灌施肥水分運(yùn)動(dòng)狀況顯著影響硝態(tài)氮在土壤中的運(yùn)移分布,土壤含水量高處硝態(tài)氮含量較高.

當(dāng)肥液濃度為1 300 mg/L時(shí)，硝態(tài)氮在濕潤(rùn)體中的分布隨水平距離增加呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢(shì)，在距離水源5 cm處達(dá)到最大值.這是因?yàn)楦邼舛鹊姆室?，含有的硝態(tài)氮相對(duì)飽和，隨著水平距離的增加，土壤中含水率降低，硝態(tài)氮不斷析出，在距水源5 cm處持續(xù)聚集，使得硝態(tài)氮含量在此處最大，而后遞減.

圖5 土壤硝態(tài)氮含量隨水平距離的變化Figure 5 Soil nitrate nitrogen content changes with horizontal distance

圖6所示為距出水口不同水平距離豎向硝態(tài)氮分布變化圖，a、b、c分別為距離出水口0、5、10 cm的豎向硝態(tài)氮分布情況.在T4處理下，土壤中硝態(tài)氮的含量與含水率分布基本相反，含水率高的地方硝態(tài)氮含量低，含水率低的地方硝態(tài)氮含量高.在接近出水口處土壤硝態(tài)氮含量接近0%，首先是因?yàn)榉室旱臐舛忍貏e低，其次硝態(tài)氮主要以溶質(zhì)的形式存在于溶液中，低濃度的肥液在入滲過程中表現(xiàn)出對(duì)硝態(tài)氮的淋洗作用，肥液在入滲過程中不斷將硝態(tài)氮運(yùn)移至距出水口最遠(yuǎn)處聚集.

T1、T2處理下，土壤中硝態(tài)氮的含量與含水率分布基本相同，含水率高的地方硝態(tài)氮含量高，含水率低的地方硝態(tài)氮含量低，土壤中硝態(tài)氮的含量在接近出水口處達(dá)到峰值，隨著與出水口距離增加，硝態(tài)氮濃度呈降低趨勢(shì)，在土壤濕潤(rùn)體邊緣沒有明顯的硝態(tài)氮積累；在T3處理下，由圖6-A可知，在出水口附近硝態(tài)氮積累比較明顯；由圖6-B可知，距離增加，硝態(tài)氮含量降低，硝態(tài)氮積累比較微弱，且在不同水平距離下都在濕潤(rùn)體邊緣出現(xiàn)硝態(tài)氮的積累.

3 討論

硝態(tài)氮在土壤中很少被土壤顆粒所吸持,主要以溶質(zhì)的形式存在于土壤溶液中[23].因此硝態(tài)氮的分布與土壤含水率有很大關(guān)系.經(jīng)本試驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)肥液濃度較低時(shí)，土壤中硝態(tài)氮分布與土壤含水率成反比；當(dāng)肥液濃度較高時(shí)土壤中硝態(tài)氮的分布與土壤含水率成正比.硝態(tài)氮在土壤中屬于非反應(yīng)性離子,土壤吸附力極弱，其運(yùn)移受對(duì)流作用控制,表現(xiàn)為硝態(tài)氮隨土壤含水量增量的增大而聚集[24].而在10～15 cm階段硝態(tài)氮含量又呈現(xiàn)小幅度上升，說明在濕潤(rùn)體邊緣硝態(tài)氮出現(xiàn)累積現(xiàn)象[25]，這是因?yàn)樵谶@段距離水分運(yùn)移能力相對(duì)較弱，致使硝態(tài)氮運(yùn)移變?nèi)?，從而出現(xiàn)硝態(tài)氮聚集現(xiàn)象.通過T2、T3、T4

圖6 距出水口不同水平距離下的硝態(tài)氮含量豎向分布的變化Figure 6 Vertical distribution of nitrate nitrogen at different horizontal distances from the outlet

對(duì)比可知土壤硝態(tài)氮濃度隨肥液增加而增加.

李久生等[26]用HYDRUS-2D模擬地表滴灌土壤水分和硝態(tài)氮的運(yùn)移分布.模擬結(jié)果指出,不同滴頭流量、灌水量和肥液濃度條件下,硝態(tài)氮均在濕潤(rùn)土體邊緣累積.在本試驗(yàn)中，T3、T4符合前人的研究結(jié)果，而T1、T2中硝態(tài)氮的峰值出現(xiàn)在出水口處，且濕潤(rùn)體邊緣沒有明顯積累現(xiàn)象，可能是肥液濃度較高，進(jìn)入土壤后水分被土壤吸收致使硝態(tài)氮析出，故在出水口附近硝態(tài)氮含量達(dá)到最大值，整個(gè)入滲過程就是硝態(tài)氮的不斷析出過程，而沒有出現(xiàn)淋洗現(xiàn)象，所以濕潤(rùn)鋒附近沒有明顯的硝態(tài)氮積累.

孫三民等[27]在田間試驗(yàn)證明，鹽分積累在濕潤(rùn)鋒附近，但上濕潤(rùn)鋒的鹽分含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于下濕潤(rùn)鋒的鹽分含量，與本試驗(yàn)現(xiàn)象不同.該試驗(yàn)中上下濕潤(rùn)鋒的硝態(tài)氮含量基本相近.造成該現(xiàn)象的可能原因是大田環(huán)境中的土質(zhì)不均，土壤容重不均，下層土壤密度過大，而土箱試驗(yàn)全為均質(zhì)沙壤土，上下層密度相對(duì)均勻.另一方面室外試驗(yàn)受天氣影響，蒸發(fā)加速了上層濕潤(rùn)鋒的水分散失，致使鹽分在表層積累；但這些因素對(duì)土壤濕潤(rùn)鋒運(yùn)移的影響較小.

4 結(jié)論

在灌水流速為3 L/h的條件下，用土壤容重為1.40 g/cm3的沙壤土進(jìn)行間接地下滴灌，灌水2 h.隨時(shí)間推移，水分在水平方向運(yùn)動(dòng)距離比豎直方向的運(yùn)動(dòng)距離遠(yuǎn)，各方向濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速度隨時(shí)間減慢，水平方向運(yùn)移速度大于豎直方向的運(yùn)移速度，且濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移情況與時(shí)間2者之間具有良好的二次函數(shù)關(guān)系.

在間接滴灌條件下，土壤的平均含水率在水平方向上呈現(xiàn)從水源處向外圍依次遞減.在豎直方向上的變化情況與水平方向相似，從水源處向上下兩邊依次遞減.隨著入滲水量的增加，水分的重力作用增強(qiáng)，土壤毛細(xì)管力減弱，使得水分向下入滲速率大于向上入滲速率，故下部的含水率要略高于上部，越靠近水源處的各點(diǎn)含水率越高.

硝態(tài)氮的分布情況與土壤含水率和肥液濃度有很大關(guān)系.低濃度的肥液對(duì)硝態(tài)氮淋洗情況嚴(yán)重，故在水源處的硝態(tài)氮含量最低，且在濕潤(rùn)峰附近出現(xiàn)硝態(tài)氮積累，土壤含水率與硝態(tài)氮含量成反比；高濃度的肥液容易析出，故在水源處出現(xiàn)硝態(tài)氮的積累，達(dá)到峰值，與土壤含水率成正比.