紅壤蓄水滲灌水氮入滲特征研究

裴青寶，廖振棋，余 雷，董文彪，陳鵬帆

（1.江西省水利科學(xué)研究院，南昌330099；2.南昌工程學(xué)院，南昌330099；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西楊凌712100）

0 前 言

紅壤在我國(guó)南方丘陵區(qū)有較廣的分布[1]，是臍橙、柑橘等經(jīng)濟(jì)作物生長(zhǎng)的重要載體[2,3]。臍橙、柑橘是需水量較高的水果品種，大部分種植地區(qū)雖然雨量充沛，但存在年際波動(dòng)、季節(jié)性分布不均勻等問(wèn)題（1961-2016年江西省氣候時(shí)空變化特征）[4]，容易造成季節(jié)性的干旱，同時(shí)還存在土壤結(jié)構(gòu)性差、種植地區(qū)夏季蒸發(fā)量大等因素對(duì)實(shí)現(xiàn)臍橙、柑橘的穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)帶來(lái)一定的困難。隨著臍橙、柑橘產(chǎn)業(yè)的快速可持續(xù)發(fā)展，以節(jié)水、高產(chǎn)和高品質(zhì)為目標(biāo)的生產(chǎn)模式成為必然選擇[5]。臍橙、柑橘等作物采用不同類(lèi)型節(jié)水灌溉技術(shù)時(shí)，受土壤自身特性等的影響，土壤水分濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移及交匯規(guī)律具有較大差異，灌溉后其濕潤(rùn)體的形狀和范圍不盡相同[6-8]。針對(duì)紅壤黏粒含量較高，水分養(yǎng)分不易滲入到深層土壤中的特點(diǎn)[9]，擬將蓄水坑灌應(yīng)用到臍橙、柑橘灌溉中。研究表明該種灌溉技術(shù)灌溉后濕潤(rùn)體的形狀濕潤(rùn)鋒的推進(jìn)等均影響到了作物對(duì)水分、養(yǎng)分的吸收利用[10]。灌溉濕潤(rùn)面積和濕潤(rùn)深度應(yīng)盡量與根系分布范圍具有一致性，可以通過(guò)濕潤(rùn)鋒的分布來(lái)判斷灌溉水量的多少和灌水質(zhì)量，但土壤質(zhì)地、容重、含水量、灌溉水水質(zhì)等均對(duì)濕潤(rùn)體特性有影響[11-13]，各節(jié)水灌溉技術(shù)相對(duì)應(yīng)的灌水器埋深、壓力變化、開(kāi)孔率等直接影響到作物對(duì)水分、養(yǎng)分的吸收利用[14-17]。蓄水坑灌、深層坑灌等作為坑灌的一種形式可將水分直接輸送到作物根系附近，可有效地減少地表蒸發(fā)徑流損失，提高水肥利用效率[18-20]。有研究發(fā)現(xiàn)土壤含水量與土層深度乘積與土壤硝態(tài)氮含量之間存在著極顯著相關(guān)關(guān)系[21]。但目前在紅壤區(qū)域針對(duì)蓄水坑灌技術(shù)的應(yīng)用研究較少，紅壤區(qū)水氮入滲影響因素尚不明晰。因此，本研究通過(guò)室內(nèi)土箱試驗(yàn)，灌水量及埋深對(duì)單個(gè)蓄水坑灌紅壤水氮分布的影響，以期為紅壤丘陵區(qū)臍橙、柑橘蓄水坑灌技術(shù)應(yīng)用推廣提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試紅壤取自江西省贛南丘陵地區(qū)尋烏縣澄江鎮(zhèn)，于2019年4月在南昌工程學(xué)院江西省水工程安全與資源高效利用工程研究中心灌溉排水實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)，室內(nèi)溫度25～28 ℃，將土自然風(fēng)干、碾壓后，采用MS2000 型激光粒度分析儀測(cè)定，土壤自然堆積狀態(tài)下粒徑級(jí)0.02 mm＜d≤2 mm、0.002 mm＜d≤0.02 mm、d＜0.002 mm 顆粒分別占28.52%、41.13%、30.35%，根據(jù)國(guó)際制土壤劃分標(biāo)準(zhǔn)，屬于黏壤土。試驗(yàn)土壤容重為1.39 g/cm3，初始土壤含水率5.6%、硝態(tài)氮量為18.68 mg/kg，銨態(tài)氮量為1.94 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)裝置如圖1和圖2所示，由馬氏瓶，土箱、輸水管、鐵支架、水室、閥門(mén)等組成。土箱由有機(jī)玻璃板制成，尺寸為80 cm×50 cm×50 cm。灌水器采用內(nèi)徑為5 cm，高為20 cm，底部開(kāi)孔率為40%，底部起曲面5 cm 高，開(kāi)孔率為40%，上部曲面15 cm 不開(kāi)孔。馬氏瓶?jī)?nèi)裝入配制好的KNO3溶液(814.5 mg/L)，試驗(yàn)設(shè)定3 個(gè)不同灌水量分別為1、2、3 L，設(shè)定3 個(gè)不同灌水器埋深分別為10、15、20 cm設(shè)計(jì)方案見(jiàn)表1。

圖1 試驗(yàn)土箱示意圖Fig.1 Schematic diagram of test device

圖2 單坑試驗(yàn)裝置圖Fig.2 Chart of single pit test device

表1 試驗(yàn)處理Tab.1 Test treatment

按土樣采集區(qū)平均干容重每層5 cm 分層裝填土箱，每層用夯土器夯勻，層與層之間采用毛刷刷毛，填至灌水器埋設(shè)深度時(shí)，先將灌水器安裝在土箱相應(yīng)位置處，通過(guò)固體膠水將灌水器與土箱接觸的縫隙閉合，并繼續(xù)填土至設(shè)定位置。設(shè)定馬氏瓶初始水頭高于灌水器曲面開(kāi)孔上端2 cm，試驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行，無(wú)其他自然環(huán)境因素的干擾。待土箱填土自然沉降24 h 后開(kāi)始試驗(yàn)；試驗(yàn)開(kāi)始后，打開(kāi)馬氏瓶供水，入滲過(guò)程中記錄馬氏瓶讀數(shù)，并間隔一段時(shí)間用記號(hào)筆在土箱側(cè)面記錄濕潤(rùn)鋒的變化。9 個(gè)處理均設(shè)置3 次重復(fù)試驗(yàn)，數(shù)據(jù)取平均值，采用Microsoft Office Excel 2010 與Surfer 8.0 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌水量與埋深條件下的入滲特性

如圖3所示，紅壤地蓄水滲灌0～10 min內(nèi)平均入滲率為初滲率，10～200 min 之間入滲率逐漸降低，200～540 min 內(nèi)平均入滲率為穩(wěn)滲率。有研究表明[22]，對(duì)初滲率的影響程度為土壤容重>土壤含沙量>土壤初始含水率>入滲肥液濃度；對(duì)穩(wěn)滲率的影響程度為土壤含沙量＞土壤容重＞入滲肥液濃度＞土壤初始含水率。而在不同入滲階段對(duì)入滲率影響程度不同，入滲初期土壤沉降引起土壤孔隙度減少，對(duì)水土界面結(jié)構(gòu)和水流入滲通道有一定影響；此時(shí)，滲入土體的肥液離子較少，離子置換作用小，對(duì)土壤顆粒吸附較弱入滲肥液對(duì)入滲率的影響較小。隨著入滲時(shí)間延續(xù)，土壤濕潤(rùn)區(qū)不斷向下擴(kuò)展，濕潤(rùn)區(qū)內(nèi)水勢(shì)梯度差別減小，故不同灌水量下入滲初期初滲率相差較大，隨著入滲時(shí)間的增加入滲率在短時(shí)間內(nèi)快速減小，隨之逐漸趨于一個(gè)穩(wěn)定值，最后入滲率變化值逐漸趨于穩(wěn)定，且接近于0值。

圖3 入滲率變化曲線(xiàn)Fig.3 Variation curve of infiltration rate

由圖3可知，各處理初始入滲率為：T7>T8>T4>T1>T9>T5>T2>T6>T3，各處理10～210 min 之間的入滲率大小為T(mén)7>T4>T1> T8>T5>T2>T9>T6>T3，這兩個(gè)階段灌水量對(duì)入滲率的影響均大于灌水器埋深的影響，同一埋深下，灌水量越大，入滲的影響越大；各處理間的穩(wěn)滲率相差不大，其主要和土壤的自身入滲特性有關(guān)。

2.2 不同灌水量與埋深條件下濕潤(rùn)鋒變化

由圖4可見(jiàn)，垂向濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離隨著灌水器埋深增加而減小，隨著灌水量的增加而增加；在入滲160 min 內(nèi)，垂向濕潤(rùn)鋒的推進(jìn)速度較快，隨著入滲時(shí)間增加，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率逐漸趨于平緩。在主要是因?yàn)樵谌霛B前期，土壤水勢(shì)梯度大，入滲較快；入滲后期土壤基質(zhì)勢(shì)的作用下，土壤入滲能力下降，這種差異逐漸弱化，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率趨于一致。對(duì)不同灌水量和灌水器埋深下對(duì)單坑蓄水滲灌的垂向濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離與入滲時(shí)間進(jìn)行冪函數(shù)擬合，即：

圖4 垂向濕潤(rùn)鋒隨時(shí)間變化圖Fig.4 Variation of vertical wetting front with time

式中：y為垂向濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離，cm；A、B為擬合參數(shù)；C為灌水器埋深，為10、15、20 cm。

由表2的擬合結(jié)果可知：各擬合函數(shù)相關(guān)系數(shù)均大于0.96，各參數(shù)擬合結(jié)果也較好，擬合參數(shù)A隨著灌水量的增大和灌水器埋深的增加而增大。

表2 垂向濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離擬合結(jié)果Tab.2 Fitting results of vertical wetting front migration distance

2.3 不同灌水量與埋深條件下濕潤(rùn)體內(nèi)含水率分布

如圖5所示，濕潤(rùn)體內(nèi)含水率曲線(xiàn)都是以蓄水坑中心軸為中心的不規(guī)則1/4 橢圓形，表層含水率小，隨著深度的增加含水率逐漸變大，在一區(qū)域達(dá)到峰值，然后又逐漸變小。不同處理下蓄水滲灌入滲后濕潤(rùn)體內(nèi)含水率的分布表現(xiàn)為距離灌水器位置越遠(yuǎn)，含水率越小，等值線(xiàn)分布越密集，水勢(shì)梯度也越小。灌水量越大，濕潤(rùn)體內(nèi)高含水率區(qū)域越大，同一節(jié)點(diǎn)處的含水率也越大；隨著灌水器埋深加大，濕潤(rùn)體范圍向右下方移動(dòng)。入滲結(jié)束后灌水器下方的土壤含水率隨土壤深度增大逐漸變小，土壤含水率徑向變化量為隨著徑向距離增加而減小，土壤含水率垂向分布與徑向變化趨勢(shì)相同。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的滲灌方式灌溉過(guò)程中水分不需要流經(jīng)地表而直接通過(guò)坑滲裝置側(cè)壁流入中深層土壤減小了表層土壤的濕潤(rùn)范圍，坑底的不透水性阻礙了水分的垂向直接入滲，迫使水分向蓄水坑周?chē)\(yùn)動(dòng)。

由圖5可見(jiàn)，隨著灌水量的增加，土壤濕潤(rùn)范圍增加，灌水器右下方濕潤(rùn)體內(nèi)高含水率分布區(qū)域變大，土壤含水率為32%以上的分布面積越廣。灌水量為1 L 時(shí)，土壤含水率為32%以上區(qū)域主要分布在灌水器下方0～25 cm、徑向距離0～20 cm 范圍內(nèi)，含水率峰值為34%。灌水量為2 L 時(shí)，含水率為32%以上區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，主要分布在灌水器下方0～30 cm、徑向距離0～25 cm范圍內(nèi)，含水率峰值為35%。灌水量為3 L 時(shí)，含水率為32%以上區(qū)域最大，主要分布在灌水器下方0～35 cm、徑向距離0～30 cm范圍內(nèi)，含水率峰值為38%。

圖5 土壤含水率分布圖Fig.5 Distribution of soil moisture content

不同灌水器埋深的情況下，隨著灌水器埋深的增加，含水率分布區(qū)域下移，高含水率區(qū)域主要分布在灌水器下方0～20 cm。且同一灌水量下，土壤最高含水率隨灌水器埋深的增加有減小的趨勢(shì)。處理T7、T4、T1 在各相同灌水量條件下呈現(xiàn)出具有較高含水率范圍的狀態(tài)，其中一處理T7最大。

2.4 不同灌水量與埋深條件下濕潤(rùn)體內(nèi)硝態(tài)氮分布

從圖6可見(jiàn)，濕潤(rùn)體內(nèi)硝態(tài)氮垂向分布范圍基本相同，土壤硝態(tài)氮含量等值線(xiàn)均以蓄水坑為中心軸的不規(guī)則橢圓。同一灌水量時(shí)，灌水器周邊硝態(tài)氮含量變化梯度相對(duì)均勻，縱向分布規(guī)律與徑向分布規(guī)律近似一致。不同坑深時(shí)，硝態(tài)氮等值線(xiàn)的垂向分布均隨土壤深度的加深先增大后減小，距離灌水器徑向距離較遠(yuǎn)處斷面的土壤硝態(tài)氮存在較大的波動(dòng)。各處理濕潤(rùn)體內(nèi)硝態(tài)氮峰值均隨灌水量的增大而增大，且出現(xiàn)硝態(tài)氮含量峰值隨灌水量的增大在土體內(nèi)下移的現(xiàn)象。

圖6 土壤硝態(tài)氮分布圖Fig.6 Distribution of nitrate nitrogen in soil

在不同處理下對(duì)濕潤(rùn)體內(nèi)層厚為5 cm 土層硝態(tài)氮濃度分布狀況進(jìn)行方差分析和回歸分析。由表3的多因素方差分析表明，土層深度變化對(duì)土壤硝態(tài)氮濃度變化規(guī)律影響較為顯著（P<0.05），灌水量變化對(duì)土壤硝態(tài)氮濃度變化規(guī)律影響較為顯著（P<0.05），徑向距離變化對(duì)土壤硝態(tài)氮濃度變化規(guī)律影響較為顯著（P<0.05）。峰值處溶質(zhì)主要受溶質(zhì)勢(shì)和重力勢(shì)作用向土壤深層運(yùn)移，峰值位置也由右下方運(yùn)移，使得該兩層土壤硝態(tài)氮濃度受灌水量影響顯著。硝態(tài)氮峰值受灌水器影響較為顯著（P<0.05），不同灌水量之間的硝態(tài)氮峰值含量濃度差異顯著（P<0.05）。隨著入滲時(shí)間的增加，土壤中對(duì)流作用減弱，在分子擴(kuò)散作用與機(jī)械彌散作用下，溶質(zhì)隨水分向土壤中深層運(yùn)移。故土壤深度、徑向距離、灌水量的變化對(duì)土壤硝態(tài)氮的分布均有顯著影響，影響程度為：灌水量>土層深度>灌水器埋深>灌水量×灌水器埋深>土層深度×灌水器埋深>土層深度×灌水量>土層深度×灌水量×灌水器埋深。

表3 方差分析Tab.3 Analysis of variance

3 討 論

3.1 灌水量與埋深對(duì)入滲特性的影響

研究表明土壤入滲過(guò)程入滲率均隨入滲時(shí)間推移經(jīng)歷快速減小、逐漸減小和趨于穩(wěn)定的3 個(gè)階段[23]。風(fēng)干后的土壤的初滲率在入滲初期很大，隨之在較短的時(shí)間快速降低，最后趨于穩(wěn)定[24]，本次實(shí)驗(yàn)紅壤地區(qū)蓄水滲灌入滲率也呈現(xiàn)相同變化過(guò)程。

同一灌水量下，硝酸鉀溶液入滲率隨著灌水器埋深而減少；在同一灌水器埋深情況下，硝酸鉀溶液入滲率隨著灌水量的增加而增加；具體體現(xiàn)在硝酸鉀溶液的硝酸根離子的作用，由于各個(gè)膠體之間相互吸引從而凝聚成較大的粒子，從而形成團(tuán)聚體，增大了土壤顆粒的粒徑，使得土壤結(jié)構(gòu)變松散，土壤孔隙變大，土壤曲折系數(shù)減小，土壤水分運(yùn)移時(shí)所遇到的阻力變小，使其入滲率變大，從而促進(jìn)硝酸鉀溶液入滲，而灌水量增加，越促進(jìn)硝酸鉀溶液的入滲，入滲率差異性越明顯。

3.2 灌水量與埋深對(duì)含水率分布的影響

土壤吸力和重力是土壤水分運(yùn)動(dòng)的兩種驅(qū)動(dòng)力[25]，即土壤的基質(zhì)勢(shì)和重力勢(shì)作用。在開(kāi)始入滲時(shí)，土壤的基質(zhì)勢(shì)作用占主導(dǎo)作用，重力勢(shì)作用相對(duì)較??；由于在均質(zhì)土壤中入滲，因此在徑向和垂向上的土壤基質(zhì)勢(shì)作用相同。但由于側(cè)面開(kāi)孔率略高于底部開(kāi)孔率，因此在入滲初期，土壤水分徑向運(yùn)移速度比縱向運(yùn)移速度略快。隨著灌水歷時(shí)推移，土壤含水量逐漸增大，土壤的基質(zhì)勢(shì)作用減弱，重力勢(shì)在驅(qū)動(dòng)土壤水分運(yùn)移中逐漸起主要作用，土壤水分在垂向的入滲的速度開(kāi)始明顯大于徑向。當(dāng)馬氏筒瓶?jī)?nèi)的水量入滲完后，即進(jìn)入土壤水分非恒定入滲階段，此時(shí)土壤的入滲率趨于穩(wěn)定，灌水器的水量也逐漸減小，直至灌水器的水分全部入滲完畢。當(dāng)灌水器內(nèi)的水分全部入滲后，就進(jìn)入再分布階段。由于灌水器周邊的含水量比濕潤(rùn)鋒處的含水量高，即灌水器附近的勢(shì)能比濕潤(rùn)鋒附近的高，高含水量的處水分在勢(shì)梯度的作用下擴(kuò)散至低含水量處。在濕潤(rùn)體徑向和垂向的同一位置處，土壤含水率隨灌水歷時(shí)的增大而增大。入滲開(kāi)始后，灌水器周?chē)耐寥篮试谳^短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到或接近飽和，所以在同一時(shí)刻，隨著徑向距離、垂向距離的增加土壤含水率由飽和含水率逐漸減小至初始值。

3.3 灌水量與埋深對(duì)灌硝態(tài)氮分布的影響

由圖6可見(jiàn)，不同灌水量時(shí)，濕潤(rùn)體內(nèi)硝態(tài)氮濃度隨入滲時(shí)間的增加而逐漸累積增加，且灌水量不同硝態(tài)氮的累積量不同，灌水量越多時(shí)，硝態(tài)氮含量越大。土壤硝態(tài)氮的再分布規(guī)律為由灌水器周邊至濕潤(rùn)體邊緣呈現(xiàn)“低-高-低”的分布態(tài)勢(shì)。這與張微笑等人的研究結(jié)果相似[26-28]。

硝態(tài)氮的主要運(yùn)移方式是對(duì)流，使得在濕潤(rùn)體邊緣有大量累積?？颖诟浇秶扇霛B剛開(kāi)始時(shí)，土壤為初始含水率，坑壁附近的水勢(shì)梯度大，水流的流速比較大而易于隨水分運(yùn)移從而造成了這個(gè)區(qū)域的淋溶損失，入滲中期該區(qū)域土壤的含水率高，較高的濕度致使土壤的通透性差，土壤處于還原條件使得反硝化作用加強(qiáng)，在反硝化細(xì)菌作用下產(chǎn)生亞硝酸和游離態(tài)氮，造成一定硝態(tài)氮的損失，此外還有很多因素會(huì)影響硝態(tài)氮的分布，在有氧條件下，在硝化細(xì)菌的作用下發(fā)生硝化作用，而影響硝化細(xì)菌活性的因素包括土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤水分、含氧量、pH 等，這些因素的變化都會(huì)影響到硝化過(guò)程進(jìn)而影響硝態(tài)氮的含量、分布。而在無(wú)氧的條件下還會(huì)發(fā)生反硝化作用，從而影響硝態(tài)氮的濃度的分布。硝酸根離子由于帶負(fù)電荷，與土壤膠體所帶電荷相同，故不易被帶負(fù)電荷土壤膠體吸附，具有較強(qiáng)的移動(dòng)性。

4 結(jié) 論

（1）灌水量與灌水器埋深均對(duì)紅壤蓄水坑灌入滲率有影響。在達(dá)到穩(wěn)定入滲階段之前，灌水量對(duì)入滲率的影響大于灌水器埋深的影響；垂向濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離隨著灌水器埋深增加而減小，隨著灌水量的增加而增加；垂向濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離與入滲時(shí)間之間有較好的冪函數(shù)關(guān)系，系數(shù)A隨灌水量與埋深的增加而增加。

（2）灌水量越大，土壤濕潤(rùn)范圍增加，高含水率區(qū)域越大，濕潤(rùn)體內(nèi)同一節(jié)點(diǎn)處的含水率也越大；隨著灌水器埋深加大，濕潤(rùn)體范圍向右下方移動(dòng)；入滲后灌水器下方的土壤含水率隨土壤深度增大再逐漸變小，土壤含水率徑向變化量為隨著徑向距離增加而減小，距離灌水器位置越遠(yuǎn)，含水率越小，其等值線(xiàn)分布越密集，水勢(shì)梯度也越小。

（3）相同灌水量下，硝酸鉀溶液入滲率隨著灌水器埋深而減少；在相同灌水器埋深情況下，硝酸鉀溶液入滲率隨著灌水量的增加而增加。灌水量不同硝態(tài)氮的累積量不同，灌水量越大時(shí)，硝態(tài)氮含量越大。土壤硝態(tài)氮的分布規(guī)律為由灌水器周邊至濕潤(rùn)體邊緣呈現(xiàn)“低-高-低”的分布態(tài)勢(shì)。各處理土壤硝態(tài)氮含量峰值均隨著灌水器埋深的增加而逐漸下移；隨著灌水量增加，土壤硝態(tài)氮含量峰值范圍也擴(kuò)大。對(duì)土壤硝態(tài)氮的分布顯著影響為：灌水量>土層深度>徑向距離>灌水量×徑向距離>土層深度×徑向距離>土層深度×灌水量>土層深度×灌水量×徑向距離。