壓力水頭和施氮量對微潤灌土壤水氮運移的影響

郭晗笑，申麗霞，樊 耀，牛 爽，楊 玫，孫雪嵐，劉榮豪

（太原理工大學 水利科學與工程學院，太原 030024）

0 引 言

【研究意義】微潤灌溉水肥一體化是將肥料充分溶解到水中，通過半透膜管以線源連續(xù)出流的方式輸送至作物根區(qū)，微潤灌條件下水肥一體化的水氮運移和分布是微潤灌系統(tǒng)設計和管理的重要依據(jù)。【研究進展】目前關(guān)于微潤灌溉土壤水分運動規(guī)律的研究大多集中于初始土壤含水率[1]、壓力水頭、微潤管埋深、土壤體積質(zhì)量、質(zhì)地[2-6]等，以及微潤灌溉條件下土壤水分運動數(shù)值與模擬研究[7-8]。前人關(guān)于水肥運移規(guī)律的研究大多集中在噴灌、滴灌、溝灌、畦灌等灌溉方式上[9-12]，賈騰月[13]通過室外種植試驗研究了微潤灌溉模式下水氮鹽運移規(guī)律，但關(guān)于微潤灌水肥一體化模式下水氮運移的研究還較少。

【切入點】土壤中的氮素形態(tài)分為有機氮和無機氮二大類，以有機氮為主；無機氮主要是硝態(tài)氮和銨態(tài)氮，都能直接被植物吸收利用。尿素是目前使用較普遍的一種有機氮肥，進入土壤后以分子狀態(tài)存在，部分可以以分子狀態(tài)被作物吸收，也可在土壤中經(jīng)過各種礦化過程產(chǎn)生銨態(tài)氮、硝態(tài)氮供作物吸收利用。鑒于尿素適宜采用深施方法，可減少氮肥損失量[14]，因此本試驗將分析純尿素溶于水作為肥液入滲，以微潤灌溉這種新型的地下灌溉節(jié)水技術(shù)為依托，進行了室內(nèi)土箱模擬試驗?！緮M解決的關(guān)鍵問題】探究不同壓力水頭和施氮量對濕潤體內(nèi)水氮分布的影響，以期為微潤灌水肥一體化的廣泛推廣提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

試供土壤取自山西省太原市尖草坪區(qū)芮城村，在太原理工大學校內(nèi)水利實驗室進行，室內(nèi)溫度26～29 ℃。將土自然風干、碾壓后，采用MS2000 型激光粒度分析儀測定，土壤自然堆積狀態(tài)下粒徑級0.02 mm＜d≤2 mm、0.002 mm＜d≤0.02 mm、d＜0.002 mm 顆粒分別占36.63%、43.00%、20.36%，根據(jù)國際制土壤劃分標準，屬于黏壤土。試驗土壤體積質(zhì)量為1.35 g/cm3，初始土壤含水率8%、硝態(tài)氮量為21.68 mg/kg，銨態(tài)氮量為2.24 mg/kg，pH 值為7.2。

1.2 試驗裝置

試驗裝置如圖1 所示。由土箱、微潤管（內(nèi)徑16 mm）、輸水管（Φ16PE 管）、馬氏瓶、水室、閥門、活動支架等組成。土箱由有機玻璃板制成，尺寸為100 cm×40 cm×40 cm（長×寬×高），其二側(cè)面中心位置各開一個18 mm 的圓孔以布置微潤管，在遠離活動支架一側(cè)的有機玻璃板上按照取土位置開孔徑20 mm 的圓孔，裝土時用木塞封閉圓孔。各斷面微潤管埋設位置為參考原點，沿與微潤管帶垂直方向（H）和水平方向（R）5、10、15 cm 處為取土位置。活動支架水平放置，可通過調(diào)節(jié)支架高度以控制壓力水頭。馬氏瓶和水室內(nèi)徑為100 mm，由帶有刻度的有機玻璃管制成，二者通過帶有閥門的輸水管連接，水室液面與微潤管的高差即為壓力水頭。

圖1 試驗裝置 Fig.1 The figures of experiment installing

1.3 試驗方法及測定內(nèi)容

試驗在室內(nèi)進行，無其他自然環(huán)境因素的干擾。試驗前根據(jù)土壤體積質(zhì)量1.35 g/cm3分層填土，每間隔5 cm 振搗、打毛，確保土壤顆粒充分接觸，填土至20 cm 深時埋置微潤管。試驗設置6 個處理（見表1），每個處理重復3 次。根據(jù)施氮量稱取相應質(zhì)量的分析純尿素溶于水中為入滲溶液，加入馬氏瓶。打開全部閥門，排除管內(nèi)的空氣，通過調(diào)節(jié)水室水面高度設定所需壓力水頭，同時開始記錄馬氏瓶刻度，計算累積入滲量。入滲的前12 h 每隔2 h 記錄1 次馬氏瓶刻度，之后每隔4 h 或12 h 記錄1 次，并在土箱一側(cè)描繪濕潤鋒運移位置，入滲132 h 后關(guān)閉閥門。使用外徑為20 mm 的取土器取土樣，采用烘干法計算土壤含水率，銨態(tài)氮量、硝態(tài)氮量采用2 mol/L 的KCl 浸提，紫外分光光度計測定。

表1 試驗處理 Table1 Experimental treatments

2 結(jié)果與分析

2.1 累積入滲量

圖2（圖中**代表相關(guān)極顯著）為壓力水頭為1、1.5 m 下3 個施氮量處理的水分累積入滲量隨時間的動態(tài)變化。由圖2 可知，累積入滲量均隨時間呈線性增加，線性擬合發(fā)現(xiàn)，T1、T2、T3、T4、T5、T6 處理的趨勢線斜率分別為0.072 1、0.054 2、0.043 0、0.081 3、0.065 3、0.057 3，對應的分別為0.995 8、0.997 0、0.996 4、0.996 8、0.995 5、0.996 4，為線性增函數(shù)，各處理微潤管均為均勻出流。經(jīng)過132 h 的入滲后，各處理的累積入滲量分別為9.12、6.68、5.59、10.55、8.34、7.24 L。

圖2 1、1.5 m 壓力水頭各處理累積入滲量 Fig.2 Cumulative infiltration under 1、1.5 m pressure head

入滲溶液氮素量相同時，線性回歸趨勢線的斜率、累積入滲量均為壓力水頭1.5 m＞壓力水頭1 m，表明在微潤灌溉下，壓力水頭提供的壓力勢為入滲的主要驅(qū)動力，壓力水頭增大，入滲界面壓力勢隨之增加，導致入滲速率與入滲量增大，這與前人的研究成果一致[2]。壓力水頭相同時，趨勢線斜率、累積入滲量均表現(xiàn)為T1 處理＞T2 處理＞T3 處理、T4 處理＞T5 處理＞T6 處理，即微潤管內(nèi)氮素量對出流速率有影響，且隨著入滲時間的延長，不同施氮量下的累積入滲量差異也越來越大。微潤管內(nèi)液體濃度增大導致膜內(nèi)外水勢差減小，入滲液氮素量越大，入滲速率越慢，入滲量越小。入滲后期，實測的累積灌水量逐漸趨于擬合的趨勢線以下，這是由于微潤管附近土壤含水率增加，出流受基質(zhì)勢影響減小。

2.2 濕潤體及土壤含水率

T1、T2 處理土壤濕潤體的大小隨時間的變化過程如圖3 所示。為了觀測氮肥入滲液對濕潤體大小和形狀的影響，分別選取2 個處理的左、右1/2 濕潤體為研究對象。從圖3 可以看出，濕潤體橫剖面形狀為以微潤管為中心近似呈圓形，且隨著入滲時間的加長，濕潤體橫剖面面積逐漸增大。

圖3 T1、T2 處理不同時刻濕潤鋒 Fig.3 Wetting front of different time under T1 and T2 treatments

濕潤鋒運移隨時間的變化可擬合為冪函數(shù)關(guān)系，表2 反映了濕潤鋒垂直向上運移距離Y 與時間t 的擬合函數(shù)關(guān)系：Y=atb（a 為入滲系數(shù)，b 為入滲指數(shù)）。壓力水頭相同時，隨著入滲肥液氮素量增加，入滲系數(shù)和運移速率減小。入滲肥液氮素量相同時，壓力水頭增大，入滲系數(shù)和運移速率增大。濕潤鋒推進速率隨時間加長逐漸減緩。入滲初期，各方向運移距離幾乎相等。24 h 后明顯表現(xiàn)為垂直向下方向的運移距離最大，垂直向上方向與水平方向運移距離相近的規(guī)律，主要原因是在入滲初期，土壤含水率較小，土壤水分運動受基質(zhì)勢的影響較大，重力對水分運動的影響較小。隨著微潤管帶附近土壤含水率增大，基質(zhì)勢的作用逐漸減小，土壤水分運動受重力勢的作用越來越大。入滲結(jié)束時，T1、T2、T3、T4、T5、T6 處理濕潤鋒垂直向上運移距離分別是18.4、16.8、16、20、18.6、18.3 cm，且T1 處理＞T2 處理＞T3 處理，T4 處理＞T5 處理＞T6 處理，表明肥液的濕潤鋒運移距離均小于清水入滲，肥液質(zhì)量濃度越大，濕潤鋒運移距離減小，且隨著入滲時間延長，肥液質(zhì)量濃度對濕潤鋒運移距離的影響更為明顯。

表2 濕潤鋒垂直向上運移距離隨時間的擬合結(jié)果 Table 2 Fitting result of wetting front migration distance with time in vertical up direction

根據(jù)入滲132 h 后實測的濕潤體內(nèi)不同位點土壤含水率數(shù)據(jù)，利用surfer 11 軟件繪制不同處理的濕潤體剖面水分等值線圖，如圖4 所示（H、R 表示垂直和水平坐標）。由圖4 可知，T1、T2、T3、T4、T5、T6 處理距微潤管中心5 cm 附近土壤水分等值線含水率分別為19.5%、18%、17%、21%、20%、19.5%，隨入滲距離的增大逐漸減小。微潤管埋深20 cm 時，對微潤管垂直方向-20～15 cm 的土層水分影響顯著，入滲液含氮量對濕潤體內(nèi)土壤水分分布也產(chǎn)生一定影響。T1、T2、T4 處理較T3、T5、T6 處理水分受重力勢的作用更為明顯，濕潤體中心處于微潤管帶中心位置偏下，說明施肥促進了土壤的保水能力。濕潤體在相同位置相同時刻，壓力水頭增大，土壤含水率增大，入滲液含氮量增大，土壤含水率減小。

2.3 銨態(tài)氮量

圖5 為1、1.5 m 壓力水頭下不同處理微潤管帶垂直方向（R=0 cm）銨態(tài)氮量分布圖。由圖5 可知，試驗結(jié)束時，相同位置銨態(tài)氮量T4 處理＞T1 處理，壓力水頭增大，銨態(tài)氮量增多。清水入滲時，垂直方向上銨態(tài)氮量無顯著差異。壓力水頭相同時，T2 處理＞T3處理＞T1處理，T6處理＞T5處理＞T4處理，且肥液入滲時，土壤中銨態(tài)氮量隨著與微潤管帶的距離增加而減小。主要原因是：尿素分子在土壤中運移的主要機制是溶質(zhì)運移的對流機理。土壤對尿素分子有吸持作用，尿素分子在脲酶的作用下經(jīng)氨化過程生成銨態(tài)氮。入滲肥液氮素量相同時，壓力水頭增大，濕潤鋒運移距離增大，尿素分布范圍增大，使得尿素分子與土壤中脲酶的接觸機會增多，促進尿素的分解轉(zhuǎn)化。壓力水頭相同時，與清水入滲相比，肥液入滲使得微潤管附近氮素量增大，土壤銨態(tài)氮量增多。但尿素在土壤中分布過于集中，會限制尿素的分解轉(zhuǎn)化作用，試驗發(fā)現(xiàn)，T1、T2、T3、T4、T5、T6 處理土壤中銨態(tài)氮量分別在第3、5、6、3、3、4 天達到峰值，之后隨著硝化反應的進行有減小趨勢，而硝態(tài)氮量逐漸增加。因此1 m 壓力水頭處理中，銨態(tài)氮量T2 處理＞T3 處理，主要原因是因為T3 處理尿素還沒有完全水解。

圖4 不同處理土壤水分分布 Fig.4 Distribution of the soil water under different treatments

圖5 銨態(tài)氮量分布 Fig. 5 Distribution of the ammonium nitrogen

2.4 硝態(tài)氮量

圖6 為1、1.5 m 壓力水頭下不同處理微潤管帶垂直方向（R=0 cm）硝態(tài)氮量分布情況。從圖6 可以看出，隨著壓力水頭增大，硝態(tài)氮量增大，說明微潤管附近土壤含水率較高，有利于土壤中硝態(tài)氮釋放。土壤深度不變的情況下，壓力水頭增加，入滲界面的壓力勢也隨之增加，水分入滲速率增大，對土壤溶質(zhì)的攜帶能力增強。壓力水頭相同時，T2 處理＞T3 處理＞T1 處理，T5 處理＞T6 處理＞T4 處理，氮素肥液入滲土壤硝態(tài)氮量大于清水入滲，土壤中硝態(tài)氮主要來源于NH4+的硝化作用，由于不同處理尿素水解銨態(tài)氮達到峰值所需時間不同，硝化作用進程不同會對土壤中硝態(tài)氮量產(chǎn)生影響。

肥液入滲時，硝態(tài)氮量最大值出現(xiàn)在微潤管周圍，隨運移距離增大而減小。清水入滲硝態(tài)氮量的分布特征表現(xiàn)為隨距離增大而增大的趨勢，在距微潤管帶10～15 cm 土層硝態(tài)氮量較大，而微潤管帶附近硝態(tài)氮量較少，這是由于硝態(tài)氮在土壤中作為溶質(zhì)隨土壤水遷移，不能被土壤顆粒吸附，隨著運移距離增大，土壤含水率減小，對流作用減小，硝態(tài)氮累積量增多。微潤管帶垂直向上0～15 cm 土層和垂直向下0～-15 cm 土層硝態(tài)氮量相差不大，各處理均無明顯的淋溶累積現(xiàn)象。

圖6 硝態(tài)氮量分布 Fig.6 Distribution of the nitrate nitrogen

3 討 論

本研究發(fā)現(xiàn)，壓力水頭和施氮量對累積入滲量、濕潤鋒運移距離、土壤含水率、硝態(tài)氮累積量、銨態(tài)氮累積量均影響顯著（p＜0.05）。不同壓力水頭下，微潤管附近土壤含水率最大，距離微潤管距離越遠，土壤含水率越小。同一施氮量下，壓力水頭增大，微潤灌溉累積入滲量增大，促使水肥分布范圍增大，氮素量增多，這與劉小剛等[3]研究不同壓力水頭和土壤體積質(zhì)量濕潤體內(nèi)的水鹽分布特征結(jié)論一致。同時本試驗結(jié)果表明，相同位置肥液入滲無機氮量大于清水入滲。

同一壓力水頭下，施氮量增大，微潤灌溉累積入滲量減小，濕潤鋒運移距離減小，與武海霞等[15]研究尿素對一維垂直入滲特性的影響結(jié)果相似。李義林等[16-17]使用史丹利大量元素水溶肥，肥液質(zhì)量濃度為0、0.2、0.4 g/L 的入滲溶液，研究發(fā)現(xiàn)施氮量增大，累積入滲量隨而增大，濕潤體體積增大，濕潤體內(nèi)水肥量增多?？凳匦萚18]研究了不同量的硝酸鈣溶液對渾水膜孔灌多點源入滲水氮運移的影響，發(fā)現(xiàn)肥液對渾水有一定的增滲作用。馬雪姣等[19]研究發(fā)現(xiàn)累積入滲量、濕潤鋒運移距離、土壤含水率、硝態(tài)氮量均隨硝酸鉀溶液量增大而增大。與本研究結(jié)論相反原因可能是由于入滲肥液種類不同，肥液中的養(yǎng)分與土壤顆粒發(fā)生化學反應，通過影響土壤結(jié)構(gòu)進而影響入滲特性。肥液增滲機理的原因是由于大部分土壤膠體顆粒帶有負電荷，可與土壤中帶相反電荷的離子發(fā)生離子交換，吸收交換土壤中帶大量相反電荷的陽離子，使其電性中和，土壤顆粒間的排斥作用減小甚至消失，微小的土壤膠體顆粒逐漸凝聚形成較大的土壤團聚體，從而改善土壤結(jié)構(gòu)，增大土壤空隙，促使土壤導水能力發(fā)生變化，水分入滲通道增多，入滲量增大。微潤灌尿素肥液入滲對累積入滲量和濕潤鋒運移的抑制作用可能是因為尿素肥液在土壤中運動的黏滯力大于改善土壤孔隙狀況的作用，導致濕潤鋒運移速度減緩，而且溶液施氮量越大，濕潤鋒處的黏滯力作用表現(xiàn)越強。肥液入滲時，土壤中銨態(tài)氮量、硝態(tài)氮量主要與尿素水解和硝化作用進程有關(guān)。

微潤灌溉水氮分布特征受多種因素（壓力水頭、微潤管埋深、間距、土壤特性、灌溉方式等）的影響，根據(jù)不同作物、不同生長期的需求，通過微潤灌溉水肥一體化系統(tǒng)有效控制水肥用量，以期均勻施肥、精準施肥，達到節(jié)水節(jié)肥的目的。關(guān)于微潤灌溉水肥一體化土壤水氮運移特征研究還需學者通過試驗和數(shù)學模擬的方法進一步驗證與完善。

4 結(jié) 論

1）減小壓力水頭或增加入滲液氮素量，微潤灌溉累積入滲量、入滲速率、濕潤體剖面面積、微潤管附近土壤含水率均減小。濕潤鋒推進速率隨時間延長而減緩，濕潤體內(nèi)土壤含水率隨距微潤管帶距離增大而減小。

2）相同位置，微潤灌溉銨態(tài)氮量、硝態(tài)氮量隨壓力水頭增大而增多。與500 mg/L 氮肥入滲處理相比，1 m 壓力水頭下，1 000 mg/L 氮肥入滲處理土壤中銨態(tài)氮量、硝態(tài)氮量較小，1.5 m 壓力水頭下，1 000 mg/L 氮肥入滲土壤中銨態(tài)氮量、硝態(tài)氮量較多。

3）清水入滲時，在垂直方向銨態(tài)氮量分布無明顯差異，硝態(tài)氮量的分布特征表現(xiàn)為隨距離增大而增多。氮肥入滲時銨態(tài)氮、硝態(tài)氮量均隨濕潤鋒運移距離增大而減少。