滴灌施肥條件下PAM不同施用方式對(duì)土壤水肥分布特性的影響

呂桂軍，袁巧麗，劉艷偉，劉小剛

（1.河南省小流域生態(tài)水利工程技術(shù)研究中心，河南開封475004；2.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南開封475004；3.開封市水生態(tài)修復(fù)工程技術(shù)研究中心，河南開封475004；4.昆明理工大學(xué)農(nóng)業(yè)與食品學(xué)院，昆明650500）

0 引 言

近年來，隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水資源缺乏的狀況日趨嚴(yán)重，供需矛盾越來越突出，尤其農(nóng)業(yè)用水方面，其利用效率較低[1]，浪費(fèi)嚴(yán)重，節(jié)水潛力巨大。與此同時(shí)，長(zhǎng)期的過量和不均衡施肥導(dǎo)致了土壤板結(jié)、鹽堿化和環(huán)境污染等問題，此類問題的加劇也制約了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。滴灌施肥憑借其根區(qū)灌溉的局部灌溉優(yōu)勢(shì)，水肥被直接輸送至根系周圍，極大地減少了灌溉用水量和肥料的投入[1]，是解決水資源緊缺地區(qū)水肥資源不足及利用效率低等問題的重要措施之一。

聚丙烯酰胺（Polyacrylamide，簡(jiǎn)稱PAM）是一種水溶性高分子聚合物，可以應(yīng)用在工業(yè)廢水處理、飲用水處理、食品行業(yè)、農(nóng)業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域。以往研究表明PAM 可與許多物質(zhì)產(chǎn)生親和、吸附，表現(xiàn)出絮凝、團(tuán)聚、減阻、成膜等作用[2]，目前陰離子型PAM 被廣泛用于農(nóng)業(yè)土壤結(jié)構(gòu)改良。國(guó)內(nèi)外學(xué)者也對(duì)此進(jìn)行了大量的研究，Kijne[3]研究表明PAM 能增加團(tuán)聚體水穩(wěn)定性，提高滲透率。Lentz[4]認(rèn)為PAM 的降低入滲或提高入滲作用取決于PAM 的類型、使用劑量、土壤類型和操作方法等。韓鳳朋[5]等發(fā)現(xiàn)在一定用量范圍內(nèi)，土壤體積質(zhì)量減小而飽和導(dǎo)水率增加。于健[6]等不同PAM 施用方法對(duì)PAM的效果試驗(yàn)表明不同形態(tài)的PAM 均可增加土壤入滲、減少侵蝕。白崗栓[7]等PAM噴施量與施用方式對(duì)風(fēng)沙土風(fēng)蝕的影響表明PAM 噴灑在土壤表層能形成結(jié)皮，能有效抵御風(fēng)蝕，但噴施PAM 溶液的結(jié)皮狀況及抗風(fēng)蝕能力與PAM 的噴施量及土壤特性等密切相關(guān)。張淑芬[8]的結(jié)果表明，在土壤水能夠充分供應(yīng)植物生長(zhǎng)且有剩余時(shí)，PAM 可以有效吸收土壤孔隙中的自由水并保存起來，增加水勢(shì)梯度，從而可以在灌溉過程中減少水分滲入時(shí)間，降低土壤表面蒸發(fā)量。

已往研究多集中在對(duì)土壤入滲和侵蝕，土壤物理特性，水分及某種作物生長(zhǎng)的影響方面，滴灌施肥下水分、硝態(tài)氮的遷移等研究也較成熟，但是在滴灌施肥條件下使用土壤改良劑及其最佳施用方式的相關(guān)研究還較少。因此，本試驗(yàn)研究在滴灌施肥條件下，PAM 的不同施用方式對(duì)土壤水肥分布的影響，以期為滴灌施肥條件下高效施用PAM 提供理論依據(jù)和實(shí)踐參考。

1 材料和方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)土壤為昆明理工大學(xué)呈貢校區(qū)試驗(yàn)林內(nèi)的紅壤土，取土深度為從表層至40 cm，取得的土壤經(jīng)風(fēng)干、碾壓，過2 mm 篩后除去植物根系等雜物，均勻混合制成室內(nèi)試驗(yàn)土樣。土壤基本理化性質(zhì)如表1所示。

表1 土壤基本理化性質(zhì)

供試PAM 采用曲周縣國(guó)盛生物肥料有限公司生產(chǎn)的陰離子型PAM，外觀為白色粉末。參照前人[9]的試驗(yàn)結(jié)果，本次試驗(yàn)PAM用量為3 g/m2。試驗(yàn)用的入滲肥液采用史丹利農(nóng)業(yè)集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的大量元素水溶肥20-20-20+TE，主要成分為總養(yǎng)分（N-P2O5-K2O）≥60%，硝態(tài)氮≥6%，鐵0.1%，鋅0.05%，錳0.05%，鉬0.01%，硼0.05%，TE 0.25%～3.0%。試驗(yàn)前稱取6 g 水溶肥，溶解于15 L 清水中，配制成400 mg/L 的肥液。

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)裝置由土箱和供水系統(tǒng)兩部分組成，如圖1所示。試驗(yàn)土箱由厚度10 mm 透明有機(jī)玻璃制成，規(guī)格大小為40 cm 玻璃制成，規(guī)格大小為（長(zhǎng)×寬×高）。供水系統(tǒng)利用恒流蠕動(dòng)泵（BT-200SD 型上海青浦滬西儀器廠）控制滴頭流量為2.5 L/h。試驗(yàn)土箱與蠕動(dòng)泵之間用橡膠軟管連接，將橡膠軟管一頭放置在土箱頂端一角，如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置圖

1.3 試驗(yàn)方法與測(cè)定內(nèi)容

試驗(yàn)設(shè)置2 種處理，為混施和表施PAM，重復(fù)2 次，以未施PAM 作為對(duì)照。按照PAM 用量3 g/m2施用PAM，表施是在土壤表面均勻撒施0.48 g的PAM，混施是在表層土壤0～25 cm范圍內(nèi)均勻混合0.48 g的PAM。設(shè)置蠕動(dòng)泵的轉(zhuǎn)速為46 r/min，滴頭流量為2.5 L/h。按土壤容重1.30 g/cm3，將試驗(yàn)土樣分層裝入土箱，每5 cm 一層，層間打毛，裝土高度35 cm。裝土完成后，將滴頭固定在土箱一角。試驗(yàn)過程中以先密后疏的時(shí)間間隔記錄數(shù)據(jù)，不同時(shí)刻下，表層用彩色釘標(biāo)記出水平運(yùn)移距離，土箱側(cè)面描繪濕潤(rùn)體運(yùn)移痕跡。入滲時(shí)間2 h 后，試驗(yàn)結(jié)束停止供水，隨即用小土鉆開始取土，水平方向間隔5 cm，垂直方向間隔5 cm，一直取到濕潤(rùn)鋒干濕交界處，取土樣點(diǎn)分布如圖2所示。

圖2 取土樣點(diǎn)分布圖（單位：cm）

取土完畢后，用方格紙描繪濕潤(rùn)鋒運(yùn)移軌跡，記錄濕潤(rùn)鋒坐標(biāo)。用烘干法測(cè)定土壤含水率；速效鉀按照土水質(zhì)量比1∶5 浸提，采用火焰光度計(jì)測(cè)定；土壤硝態(tài)氮用2 mol/L KCl 浸提，紫外可見分光光度計(jì)測(cè)定；速效磷用0.5 mol/L NaHCO3浸提，鉬銻抗比色法測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 PAM施用方式對(duì)濕潤(rùn)鋒推移規(guī)律的影響

供水系統(tǒng)是恒流蠕動(dòng)泵，單位時(shí)間內(nèi)滴出的水量相同。滴出的水量一是入滲進(jìn)入土壤形成土壤濕潤(rùn)體；二是蒸發(fā)進(jìn)入大氣，且隨著濕潤(rùn)體與大氣接觸面的擴(kuò)大，蒸發(fā)作用會(huì)越來越強(qiáng)，土表蒸發(fā)少則濕潤(rùn)體的含水率大。不同PAM 施用方式下濕潤(rùn)鋒的水平運(yùn)移距離和垂直運(yùn)移距離隨時(shí)間的變化曲線如圖3所示。圖3說明在入滲過程中，水平入滲距離和垂直入滲距離均隨入滲時(shí)間的增加而逐漸變大，入滲開始階段濕潤(rùn)鋒推進(jìn)速率較快，但隨著入滲時(shí)間的延長(zhǎng)，濕潤(rùn)體與干土交界面的迅速擴(kuò)大，濕潤(rùn)鋒的推進(jìn)速率開始減小，運(yùn)移距離隨時(shí)間的延長(zhǎng)增幅減緩。

在入滲結(jié)束120 min 時(shí)，表施處理下土壤濕潤(rùn)鋒的水平運(yùn)移距離最大，達(dá)到了約34.2 cm，且在相同時(shí)刻始終保持運(yùn)移距離最大。這應(yīng)是由于表施處理的土壤表層PAM 含量高，遇到水分在土壤表面形成一層薄膜，降低了蒸發(fā)面梯度，減少了土壤蒸發(fā)；同時(shí)PAM 能有效地降低流體的摩擦阻力，增大土壤表層導(dǎo)水能力，因此相較于對(duì)照和混施，表施的入滲水分最多，水平方向?qū)芰ψ顝?qiáng)，水平運(yùn)移距離最大。且表施由于有效抑制了土壤的水分蒸發(fā)，因此都會(huì)有更多的水分入滲進(jìn)入土壤，因此在垂直方向上表施的入滲距離也最遠(yuǎn)。這與張淑芬[8]，哈麗代姆·居麥[10]等人的研究結(jié)果一致。

在入滲結(jié)束120 min 時(shí)，水平方向上對(duì)照的運(yùn)移距離稍大于混施，分別為29.8 cm、27.8 cm。這是由于混施的土壤表面PAM 的含量少，未能有效抑制土壤蒸發(fā)，土壤表面蒸發(fā)大，可用于入滲的水量少及土壤中的PAM 吸水性、保水性共同作用，形成了入滲初期濕潤(rùn)鋒運(yùn)移較慢的現(xiàn)象，但是隨著土壤中PAM 的吸水飽和土壤導(dǎo)水能力的提高，入滲后期混施的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速度將會(huì)超過對(duì)照，這一點(diǎn)也可以從圖5的分析結(jié)果“60 min 左右混施的濕潤(rùn)體體積增長(zhǎng)速率超過對(duì)照”得到很好的印證。

2.2 PAM 施用方式對(duì)土壤濕潤(rùn)體體積增長(zhǎng)速率的影響

為了觀察濕潤(rùn)體形狀并計(jì)算濕潤(rùn)體的體積增長(zhǎng)速率，并以此判斷PAM 不同施用方式對(duì)土壤入滲能力和節(jié)水效果的影響。在土箱側(cè)面用記號(hào)筆描繪出0.5、1、5、10、20、60、120 min 7個(gè)不同時(shí)刻的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移曲線，對(duì)照、表施、混施3種情況下的濕潤(rùn)體形狀分別如圖4所示?？煽闯?，在整個(gè)入滲過程中，3 種情況下的垂直運(yùn)移距離始終小于水平運(yùn)移距離，濕潤(rùn)體形狀近似扁平橢球體。這與盧俊寰[11]等人的研究一致。

圖4 PAM不同施用方式下0.5、1、5、10、20、60、120 min時(shí)濕潤(rùn)鋒對(duì)比曲線

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)比圖4中對(duì)照、表施、混施6 種情況下的曲線，發(fā)現(xiàn)相同時(shí)刻下濕潤(rùn)體形狀都類似橢球體[12,13]，且表施、混施、對(duì)照的水平運(yùn)移距離與垂直運(yùn)移距離的比值情況為：表施＞混施＞對(duì)照。以上現(xiàn)象說明隨著PAM 施用濃度的增加，能明顯提高土壤的水平入滲能力，降低垂向的入滲能力。

李曉斌[12]等人的研究結(jié)果表明，濕潤(rùn)鋒水平半徑最大位置并非在土壤表面。土壤黏粒含量越大，透水性越差的土壤，其滴灌濕潤(rùn)體最大直徑越靠近地表，且濕潤(rùn)體入滲深度越小，最大直徑越大。試驗(yàn)用土壤為黏壤土，最大直徑靠近土壤表面，此處將土壤表面看作水平濕潤(rùn)半徑最大位置。根據(jù)前人研究結(jié)果[12,13]，擬定本次點(diǎn)源入滲試驗(yàn)中濕潤(rùn)體形狀為橢球體，土壤濕潤(rùn)體體積可以使用橢球體體積公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：V（t）濕潤(rùn)體體積；X（t）為水平運(yùn)移距離與入滲時(shí)間的擬合冪函數(shù)；Z（t）為垂直運(yùn)移距離與入滲時(shí)間的擬合冪函數(shù)。

在入滲過程中，PAM 不同施用方式下土壤濕潤(rùn)體的體積如表2所示。

表2 PAM不同施用方式下土壤濕潤(rùn)體體積

由表2可知，土壤濕潤(rùn)體體積與入滲時(shí)間呈線性關(guān)系，這與張振華[13]等人的結(jié)果一致。隨著入滲時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，在入滲結(jié)束120 min 時(shí)，混施的土壤濕潤(rùn)體體積已開始大于對(duì)照，而表施條件下土壤濕潤(rùn)體體積最大，約為其他施用方式下的兩倍，達(dá)到72 755.48 cm3。這說明表施PAM 能有效地抑制土壤蒸發(fā)，增大土壤濕潤(rùn)體體積，節(jié)水效果明顯，這與張淑芬[8]的研究結(jié)果一致。

為了進(jìn)一步了解施用PAM 對(duì)濕潤(rùn)體形成擴(kuò)散速度是否有影響，由已知數(shù)據(jù)，對(duì)濕潤(rùn)體體積增長(zhǎng)速率與入滲時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示。在本次入滲試驗(yàn)過程中，表施和混施體積增長(zhǎng)速率始終保持增大，增幅越來越小，而對(duì)照條件下濕潤(rùn)體體積增長(zhǎng)速率逐漸減小，最后趨于平穩(wěn)。在入滲初始階段，對(duì)照的體積增長(zhǎng)速率大于表施和混施，在5 min左右表施的增長(zhǎng)速率超過對(duì)照，60 min左右混施的增長(zhǎng)速率超過對(duì)照。這是因?yàn)镻AM 本身具有較好的吸水性[3]，入滲初期由于PAM 的吸水作用而減緩了濕潤(rùn)體的擴(kuò)散速度，而入滲中后期隨著PAM 吸水飽和，增加土壤入滲能力的顯現(xiàn)，表施和混施的體積增長(zhǎng)速率都超過了對(duì)照，這也說明了施用PAM 對(duì)增加土壤導(dǎo)水率，加快土壤濕潤(rùn)體擴(kuò)散有促進(jìn)作用。

圖5 PAM不同施用方式下濕潤(rùn)體體積增長(zhǎng)速率

2.3 濕潤(rùn)體的水分空間分布規(guī)律

滴灌施肥模式下，土壤濕潤(rùn)體的形狀、大小和水分分布狀況對(duì)灌溉制度的制定有著重要的指導(dǎo)意義[10]。利用Surfer 軟件繪制PAM 不同施用方式下的土壤濕潤(rùn)體質(zhì)量含水率等值線圖，如圖6所示。

圖6 PAM不同施用方式下土壤濕潤(rùn)體含水率分布

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)并結(jié)合圖6分析可知，在入滲試驗(yàn)中，PAM不同施用方式下土壤含水率變化規(guī)律基本一致，都是在滴頭下方處土壤含水率最大，距離滴頭越遠(yuǎn)土壤含水率越小。在水平方向相同位置處濕潤(rùn)體含水率的大小基本符合：表施＞混施＞對(duì)照；在垂直方向相同位置處濕潤(rùn)體邊界含水率的大小基本符合：表施＞對(duì)照＞混施。該土壤水分分布狀態(tài)說明，表施PAM 遇水后溶解，其分子同土壤顆粒通過絮凝作用和對(duì)土壤分散顆粒的團(tuán)聚作用，使土壤微團(tuán)聚體組成發(fā)生變化，促進(jìn)了土壤水分入滲，提高了土壤含水率，且灌水后還可在土壤表層形成一層薄膜，降低了蒸發(fā)面梯度，阻礙了土壤水分蒸發(fā)，因此表施的濕潤(rùn)體體積最大，含水率最高，可見表施PAM的節(jié)水效果最好。

混施情況下，土壤表層PAM 含量少，未能有效減少土壤蒸發(fā)，導(dǎo)致最終混施和對(duì)照土壤濕潤(rùn)體體積相差不大，但根據(jù)圖5的分析結(jié)果“60 min 左右混施的濕潤(rùn)體體積增長(zhǎng)速率超過對(duì)照”可知隨著入滲時(shí)間的延長(zhǎng)，混施的濕潤(rùn)體體積將會(huì)超過對(duì)照，這說明混施PAM 可以提高土壤入滲能力。另外，在120 min 混施濕潤(rùn)體體積已開始超過對(duì)照，且水平方向相同位置處混施土壤含水率大于對(duì)照，垂直方向相同位置處混施小于對(duì)照，該現(xiàn)象說明混施PAM 能夠有效增加土壤持水能力，減少土壤深層滲漏。

2.4 PAM施用方式對(duì)土壤養(yǎng)分分布特征的影響

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合圖7（a）～圖7（c）分析可知，PAM不同施用方式下硝態(tài)氮含量總體趨勢(shì)均隨距離的增加，先增大后減小。徑向上在5～15 cm 范圍內(nèi)處達(dá)到峰值，垂向上在5～10 cm 范圍內(nèi)達(dá)到峰值，即在土壤濕潤(rùn)體的中部偏上的位置發(fā)生累積，在累積區(qū)硝態(tài)氮含量的累積情況為：表施＞混施＞對(duì)照。這一現(xiàn)象說明施用PAM 對(duì)于土壤保持氮肥有較大的促進(jìn)作用。

硝態(tài)氮在濕潤(rùn)鋒處并未出現(xiàn)累積現(xiàn)象，這與楊夢(mèng)嬌[14]等人的研究結(jié)果有類似的現(xiàn)象，但與李久生[15]等發(fā)現(xiàn)的滴灌施肥條件下硝態(tài)氮易在濕潤(rùn)鋒附近有累積現(xiàn)象的結(jié)論有差異。分析可能的原因是室內(nèi)模擬試驗(yàn)受到土箱大小的限制，硝態(tài)氮隨水溶解后經(jīng)水平運(yùn)移與土箱壁接觸產(chǎn)生累積而導(dǎo)致該區(qū)域的硝態(tài)氮含量濃度升高。另外硝態(tài)氮在土壤中的遷移與累積與土壤質(zhì)地也有密切關(guān)系，根據(jù)黃耀華[16]等的研究結(jié)果，硝態(tài)氮在土壤中的遷移能力表現(xiàn)為：砂質(zhì)壤土>黏壤土>壤質(zhì)黏土。針對(duì)硝態(tài)氮易發(fā)生下滲損失的現(xiàn)象，對(duì)比圖7中垂向20 cm 處硝態(tài)氮含量，發(fā)現(xiàn)表施PAM 的含量最小，而混施和對(duì)照的數(shù)值接近，分析認(rèn)為，可能是由于表施PAM 增加了水分水平入滲水量，降低了垂直入滲水量，因而減弱了硝態(tài)氮的垂直遷移能力所造成的。

圖7 PAM不同施用方式下濕潤(rùn)體氮磷鉀含量分布對(duì)比（單位：mg/kg）

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合圖7（d）～圖7（i）分析可知，采用滴灌施肥，土壤濕潤(rùn)體的速效鉀和速效磷含量的分布規(guī)律較為相似，其含量最大值出現(xiàn)在滴頭附近，含量達(dá)到103～153 mg/kg。速效鉀和速效磷在徑向0～15 cm、垂向0～5 cm的土壤表層范圍內(nèi)累積，速效鉀和速效磷發(fā)生了聚表現(xiàn)象，在累積區(qū)內(nèi)速效鉀和速效磷的累積情況為：表施＞混施＞對(duì)照。這一現(xiàn)象發(fā)生的原因可能是由于K+有較好的隨水遷移能力，在滴頭下方水分遷移速率較大時(shí)，速效鉀的對(duì)流遷移作用大于吸附固定，表現(xiàn)為對(duì)流控制下的溶質(zhì)遷移，在一定水平距離后，水分遷移速率減小，吸附固定作用加強(qiáng)而導(dǎo)致速效鉀在某區(qū)域累積[17]。以上結(jié)果說明相較于對(duì)照和混施，表施條件下速效鉀和速效磷的累積范圍更大，應(yīng)更有利于作物的吸收[18]。

3 結(jié) 論

文章通過室內(nèi)入滲試驗(yàn)?zāi)M了滴灌施肥條件下，不同PAM 施用方式對(duì)土壤濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離、土壤濕潤(rùn)體形狀體積、土壤濕潤(rùn)體水分以及養(yǎng)分分布等特性的影響。結(jié)果表明：

（1）相較于對(duì)照和混施，相同時(shí)間內(nèi)表施的土壤濕潤(rùn)鋒推進(jìn)速率最快，水平運(yùn)移距離最大。而在垂直方向上3種施用方式的濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移距離相差很小。表施PAM 能有效降低土壤表面蒸發(fā)，增加水平方向土壤入滲能力。

（2）表施、混施、對(duì)照3種情況下的濕潤(rùn)體形狀均為扁平橢球狀，表施的濕潤(rùn)體更加扁平。120 min 入滲結(jié)束時(shí)，PAM不同施用方式的濕潤(rùn)體體積大小是：表施>混施>對(duì)照，表施的體積約為混施和對(duì)照的2 倍，說明表施PAM 對(duì)減小地表蒸發(fā)具有抑制作用。在入滲初始階段，對(duì)照的速率大于表施和混施，入滲中后期表施和混施的體積增長(zhǎng)速率均超過對(duì)照，說明施用PAM對(duì)增加土壤入滲能力有明顯的促進(jìn)作用。

（3）在水平方向相同位置處濕潤(rùn)體含水率的大小基本符合：表施＞混施＞對(duì)照；在垂直方向相同位置處濕潤(rùn)體邊界含水率的大小基本符合：表施＞對(duì)照＞混施。該土壤水分分布情況說明：表施能有效減少土表蒸發(fā)，節(jié)水效果最好。相較于對(duì)照，混施PAM 能夠有效增加土壤持水能力，減少土壤深層滲漏，保水效果好。

（4）土壤濕潤(rùn)體硝態(tài)氮含量在5～15 cm 范圍內(nèi)處達(dá)到峰值，垂向上在5～10 cm 范圍內(nèi)達(dá)到峰值，即在土壤濕潤(rùn)體的中部偏上的位置發(fā)生累積，在累積區(qū)硝態(tài)氮含量的累積情況為：表施＞混施＞對(duì)照。速效鉀和速效磷在徑向0～15 cm、垂向0～5 cm 的土壤表層范圍內(nèi)累積，在累積區(qū)內(nèi)速效鉀和速效磷的累積情況為：表施＞混施＞對(duì)照。這說明表施條件下速效鉀、速效磷的累積范圍更大，應(yīng)更有利于作物的吸收。

綜上分析，相較于混施和對(duì)照，表施PAM 對(duì)防止土壤水分蒸發(fā)，增大土壤導(dǎo)水率，增強(qiáng)土壤保水性，提高土壤保肥能力具有明顯的優(yōu)勢(shì)，且土壤表施PAM 作業(yè)條件好，操作方便，更具有現(xiàn)實(shí)推廣意義。