紅壤區(qū)涌泉根灌雙點源入滲水氮運移特性

代智光， 趙新宇， 胡盛明

(1. 河南科技大學 農(nóng)業(yè)工程學院， 河南 洛陽 471003； 2. 南昌工程學院 水利與生態(tài)工程學院， 江西 南昌 330099)

涌泉根灌是在地下滴灌基礎上發(fā)展起來的一種節(jié)水灌溉技術[1].近年來，國內外學者針對涌泉根灌技術做了大量的研究.文獻[2]對棗樹涌泉根灌的水氮耦合效應進行了研究，結果表明涌泉根灌能顯著提高棗樹產(chǎn)量和水氮利用效率.文獻[3]利用Hydrus-3D模型對再生水涌泉根灌土壤水分入滲過程進行數(shù)值模擬，預測了桃樹涌泉根灌灌水器的最優(yōu)布置參數(shù).文獻[4]通過大田試驗，研究了涌泉根灌調虧灌溉對蘋果產(chǎn)量、品質及水分利用效率的影響，提出了陜北地區(qū)蘋果樹涌泉根灌最優(yōu)的灌溉量.文獻[5-6]分別研究了黃綿土和紅壤條件下，涌泉根灌自由入滲水氮的運移特性，結果表明銨態(tài)氮的轉化率與肥液濃度密切相關，且肥液濃度不同，土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的分布存在顯著差別.文獻[7]研究了肥液濃度對涌泉根灌自由入滲土壤濕潤體以及濕潤體內水氮運移的影響，并提出了涌泉根灌肥液入滲濕潤體內土壤含水率和銨態(tài)氮濃度分布的數(shù)學模型.文獻[8]研究了涌泉根灌多點源交匯入滲濕潤體內水分分布的變化，結果表明在相同灌水量、流量下，相比單點源和四點源灌溉，雙點源交匯入滲土壤濕潤體內水分分布的均勻性最好，因而應用也最為廣泛.

目前，針對雙點源交匯入滲土壤水分運移分布的問題已有大量研究，而有關氮素的運移分布研究尚未見報道.基于此，結合紅壤特征，通過涌泉根灌雙點源交匯入滲試驗，研究不同肥液濃度條件下土壤水氮的運移特性分布，以期為涌泉根灌在紅壤區(qū)的推廣應用提供參考.

1 試驗材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗在南昌工程學院校內進行.試驗前期，在試驗區(qū)隨機選取3個點，測定土壤顆粒級配及理化指標，結果如表1所示，根據(jù)國際制土壤分類判定土壤質地為壤土.

表1 土壤顆粒級配及理化指標

1.2 試驗設計

試驗裝置由土壤剖面、馬氏瓶和灌水器組成.馬氏瓶用于提供恒定水頭，其內徑為14 cm，高為100 cm.通過調整出口開關來控制出流流量.灌水器通過橡膠管與馬氏瓶連接，其內徑為4 cm，長度為45 cm.由迷宮流道段和出水段組成，其中迷宮流道段長度為25 cm，出水段長度為20 cm，表面均勻開設直徑為5 mm的小孔，達到隔絕土壤，提高入滲面積的作用.開孔面積占出水段表面積的20%，并用紗布包裹，以避免土壤顆粒堵塞灌水器，具體如圖1所示.

圖1 試驗布置及灌水器細部結構圖

試驗采用剖面法.在試驗區(qū)選擇未經(jīng)擾動的天然坡面，清除土壤表層覆土及雜草后，將剖面修整為光滑整齊的階地，灌水器的孔洞布置在距臺階邊緣3 cm處.肥料采用硝酸銨鈣(5Ca(NO3)2·NH4NO3·10H2O)，入滲肥液濃度共設置為0、0.46、1.39、3.24和5.55 mmol·L-1等5個梯度.結合試驗區(qū)土壤導水特性，設定灌水器初始流量為2.5 L·h-1，灌水器埋深為45 cm，灌水器間距為50 cm，供水總時長為300 min.按照先密后疏的原則設置時間間隔，記錄馬氏瓶讀數(shù).交匯入滲發(fā)生后，以灌水器底部為起點，用直尺測量交匯面處濕潤鋒在豎直向上和豎直向下的運移距離，供水停止后，在距離灌水器5、15和25 cm(交匯面)處采用土鉆法取土，帶回實驗室測定土壤含水率、銨態(tài)氮以及硝態(tài)氮含量.土壤含水率采用烘干法測定，土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量采用紫外/可見光光度計(PerkinElmer，LAMBDA265)進行測定.

2 結果與分析

2.1 肥液濃度對涌泉根灌交匯時間的影響

涌泉根灌雙點源交匯入滲發(fā)生的時間與肥液濃度的關系見圖2.

圖2 交匯入滲發(fā)生時間與肥液濃度關系

由圖2可知，當肥液濃度分別為0、0.46、1.39、3.24和5.55 mmol·L-1時，濕潤鋒的交匯時間分別201、198、187、179和171 min，即隨著肥液濃度的增大，濕潤鋒交匯的時間越來越早.這是因為在水平方向，引起濕潤鋒運移距離的差異主要是由溶質勢造成的，肥液濃度越大，溶質勢越小，濕潤鋒運移的勢能差就越大，因此濕潤鋒的運移速度就越快，交匯時間也就越早[9].

對濕潤鋒交匯時間和肥液濃度的關系進行了擬合，結果如下：

T(c)=198.76e-0.029c，

(1)

式中：T(c)為濕潤鋒交匯時間，min；c為肥液濃度，0≤c≤5.55 mmol·L-1.

分析表明，式(1)的相關系數(shù)R2大于其對應的臨界相關系數(shù)(R0.05=0.950)，這說明當0≤c≤5.55 mmol·L-1時，紅壤區(qū)涌泉根灌濕潤鋒交匯時間與肥液濃度之間呈指數(shù)函數(shù)關系.

2.2 肥液濃度對累計入滲量的影響

不同肥液濃度條件下涌泉根灌土壤累計入滲量隨入滲歷時的變化如圖3所示.由圖3可知，入滲歷時相同時，隨著肥液濃度增加，涌泉根灌土壤累計入滲量逐漸增大，灌水結束時，肥液濃度分別為0、0.46、1.39、3.24和5.55 mmol·L-1時處理對應的累計入滲量依次為16.41、16.72、17.09、17.51和17.76 L，對應的濃度增幅依次為0.380%、0.220%、0.120%和0.057%，即肥液濃度對土壤累計入滲量有明顯的促進作用，但促進作用隨著肥液濃度的增大而逐漸減弱.

圖3 不同肥液濃度下累計入滲量隨入滲歷時變化曲線

對累計入滲量和入滲歷時的關系進行了擬合，擬合結果見表2.表中：I(t)為累計入滲量；t為入滲歷時.由表2可知：0≤c≤5.55 mmol·L-1時，交匯前，土壤累計入滲量與入滲歷時之間符合冪函數(shù)關系；交匯后，兩者之間符合對數(shù)函數(shù)的變化關系.

表2 不同肥液濃度下累計入滲量與入滲歷時關系擬合匯總表

2.3 肥液濃度對土壤濕潤鋒運移特性的影響

在交匯面處，土壤濕潤鋒在豎直向上和豎直向下兩個方向的運移距離隨入滲歷時的變化曲線如圖4所示.由圖4可知：肥液濃度相同時，土壤濕潤鋒豎直向上的運移距離均小于豎直向下；入滲歷時相同時，肥液濃度越大，土壤濕潤鋒的運移距離也就越大.

圖4 交匯面處濕潤鋒運移距離與入滲歷時關系曲線

表3為交匯面處濕潤鋒運移距離與入滲歷時擬合匯總表.表中Z(t)u和Z(t)d分別為交匯面處濕潤鋒豎直向上和豎直向下兩個方向的運移距離.由表3可知，相關系數(shù)R2均大于0.900，且大于其對應的臨界系數(shù)(R0.05=0.666)，這說明用表3的公式來擬合濕潤鋒運移距離和入滲歷時的關系是合理的，即交匯面處濕潤鋒的運移距離和入滲歷時之間符合對數(shù)函數(shù)關系.

表3 交匯面處濕潤鋒運移距離與入滲歷時擬合匯總表

2.4 肥液濃度對濕潤體內含水率分布的影響

在灌水結束時，水平方向距離灌水器分別為5、15和25 cm處在土層深度為0～100 cm范圍內土壤含水率分布見圖5.

圖5 距離灌水器不同距離處土層含水率分布曲線

由圖5可知：在距離灌水器不同距離處，在土層深度為0～100 cm范圍內土壤的含水率分布均表現(xiàn)為隨著土層深度的增大，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，且在土層深度為40～60 cm范圍內土壤含水率均最大；在相同土層范圍內，肥液濃度越大，相應的土壤含水率就越高.以距離灌水器5 cm處為例，肥液濃度分別為0、0.46、1.39、3.24和5.55 mmol·L-1時，在土層深度為20～40 cm范圍內的含水率依次為27.49%、28.21%、29.79%、31.79%和32.41%，增幅依次為2.62%、5.06%、6.71%和1.95%，即肥液濃度對相同土層內的土壤含水率有促進作用.

此外，交匯作用對土壤水分的分布也存在一定的影響.以肥液濃度為1.39 mmol·L-1為例，在距離灌水器分別為5、15和25 cm處，土層深度為0～100 cm范圍內平均含水率依次為21.62%、11.11%和10.36%，減幅依次為48.61%和6.75%.由此可見，距離灌水器5～15 cm處，土壤含水率急劇下降，而距離灌水器15～25 cm處，土壤含水率的減小幅度較小.與單點源自由入滲相比，雙點源交匯入滲提高了交匯面處的土壤含水率，提高了灌水的均勻度，而交匯面處作物根系分布也較為密集，因此交匯入滲有利于作物對土壤水分的吸收利用[3].

2.5 肥液濃度對濕潤體內銨態(tài)氮分布的影響

灌水結束情況下，水平方向上距離灌水器為5、15和25 cm處，在土層深度為0～100 cm時銨態(tài)氮分布見圖6.由圖6可知，距離灌水器不同位置處，銨態(tài)氮在土層深度為0～100 cm范圍內均隨著土層深度增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，且主要分布在土層深度為0～60 cm處.以肥液濃度為1.39 mmol·L-1為例，在水平方向距離灌水器5 cm處，在土層深度分別為0～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm時銨態(tài)氮的含量依次為79.21、159.21、279.12、48.44和23.97 mg·kg-1，增幅依次為100.88%、75.41%、-82.65%和-50.52%.

圖6 距離灌水器不同距離處土層內銨態(tài)氮分布曲線

在相同土層內，銨態(tài)氮的分布表現(xiàn)為距灌水器水平距離越近，銨態(tài)氮含量越大，且交匯作用對銨態(tài)氮的影響較小.以土層深度為40～60 cm為例，在水平方向距灌水器為5、15和25 cm處銨態(tài)氮的含量分別為279.12、73.44和24.11 mg·kg-1，減幅依次為73.69%和67.17%.這是因為銨態(tài)氮帶正電荷，易被土壤膠體所吸附，而在交匯面處，盡管濕潤鋒發(fā)生了交匯，但交匯對銨態(tài)氮分布的影響很小[5-6].

2.6 肥液濃度對濕潤體內硝態(tài)氮分布的影響

灌水結束時，水平方向上距離灌水器5、15和25 cm處在土層深度為0～100 cm內硝態(tài)氮的分布情況見圖7.

圖7 距離灌水器不同距離處土層內硝態(tài)氮分布曲線

由圖7可以看出，距離灌水器相同距離處，濕潤體內硝態(tài)氮含量均隨著土層深度的增加呈先增加后降低的趨勢，且在40～60 cm土層內硝態(tài)氮含量最大.以距離灌水器15 cm為例，灌水結束時，肥液濃度為0、0.46、1.39、3.24和5.55 mmol·L-1時硝態(tài)氮含量依次為4.22、26.10、45.90、67.73和100.35 mg·kg-1，即肥液濃度越大，濕潤體內硝態(tài)氮含量也越大，且硝態(tài)氮含量與肥液濃度符合線性變化關系.此外，在0～80 cm土層內，相比銨態(tài)氮，硝態(tài)氮的分布也更加均勻.

相同土層范圍內，硝態(tài)氮分布與銨態(tài)氮存在顯著差異.以土層深度為20～40 cm為例，當肥液濃度為1.39 mmol·L-1時，在距離灌水器5、15和25 cm處硝態(tài)氮含量分別為72.23、45.90和69.18 mg·kg-1.由此可見，灌水結束時，距離灌水器5 cm處硝態(tài)氮含量最大，其次為交匯面處(25 cm)，距離灌水器15 cm處硝態(tài)氮含量最小.這是因為硝態(tài)氮易隨水分一起運移，因此交匯面處硝態(tài)氮含量不降反升[10].

3 結 論

1) 肥液濃度越大，濕潤鋒交匯的時間越早，且交匯發(fā)生時間與肥液濃度之間呈指數(shù)函數(shù)關系；肥液濃度越大，土壤累計入滲量也越大，在交匯發(fā)生前，土壤累計入滲量與入滲歷時之間符合冪函數(shù)關系；在交匯發(fā)生后，土壤累計入滲量與入滲歷時之間符合對數(shù)函數(shù)關系.

2) 肥液濃度越大，在交匯面處濕潤鋒的運移距離也越大，且交匯面處濕潤鋒在豎直向上和豎直向下兩個方向的運移距離與入滲歷時之間均符合對數(shù)函數(shù)關系.

3) 肥液濃度越大，相同土層內的土壤含水率就越高，且雙點源交匯入滲提高了交匯面處的土壤含水率，提高了灌水的均勻度；灌水結束時，銨態(tài)氮主要分布在0～60 cm土層內，且距灌水器水平距離越近，銨態(tài)氮含量越大，而交匯作用對銨態(tài)氮的分布影響較小；濕潤體內硝態(tài)氮含量在40～60 cm土層內最大，在水平方向上距離灌水器5 cm處硝態(tài)氮含量最大，其次為交匯面處(25 cm)，而距離灌水器15 cm處硝態(tài)氮含量最小.