微潤(rùn)灌下施肥濃度和水頭對(duì)水氮分布的研究

孟 涵，申麗霞，王瑞軍，李慧敏，李京玲，孫雪嵐

（太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024）

0 引 言

微潤(rùn)灌溉是目前國(guó)內(nèi)外新型灌溉方式，其原理是通過(guò)微潤(rùn)管的內(nèi)外水勢(shì)差，微潤(rùn)管持續(xù)對(duì)植物根系給水。該技術(shù)可以使土壤水分處于水/氣最佳狀態(tài)并且使這一狀態(tài)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的保持下去，使作物在全生命期內(nèi)處于最佳灌溉條件下生長(zhǎng)，微潤(rùn)灌溉不會(huì)破壞土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，同時(shí)還能使得土壤通氣性良好、氧氣充足［1］。此外，微潤(rùn)灌溉技術(shù)運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)力是水勢(shì)能和土壤勢(shì)能，不需要?jiǎng)恿υO(shè)備，運(yùn)行成本低［2］，具有灌溉水分均勻，水肥一體化灌溉可操作性高等好處。目前，微潤(rùn)灌溉技術(shù)主要用于溫室大棚蔬菜、花卉等作物灌溉，同時(shí)也應(yīng)用于果樹(shù)等作物灌溉[3]。該項(xiàng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于新疆、貴州、內(nèi)蒙古等地，在促進(jìn)蔬菜、果蔬等作物增產(chǎn)方面發(fā)揮了不可替代的作用。

微潤(rùn)灌溉下水分在土壤中的入滲，受壓力水頭及肥料濃度等諸多因素影響。前人發(fā)現(xiàn)微潤(rùn)帶的壓力水頭對(duì)作物的生長(zhǎng)指標(biāo)和土壤指標(biāo)有重要影響，如薛萬(wàn)來(lái)等[4]發(fā)現(xiàn)土壤累積入滲量與壓力水頭正相關(guān)，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離隨壓力水頭增大而增加；何玉群等[5]研究發(fā)現(xiàn)微潤(rùn)管的壓力對(duì)玉米的產(chǎn)量和水分利用效率都有顯著的影響。聶坤堃等[6]通過(guò)室內(nèi)土箱模擬試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)KNO3溶液在一定濃度范圍內(nèi)增強(qiáng)了土壤入滲能力。因此進(jìn)行了室內(nèi)土箱肥液入滲試驗(yàn)以研究壓力水頭和施肥濃度雙因素對(duì)水分在土壤中入滲的影響，肥料選用含氮量較高復(fù)合肥硝酸銨鈣，通過(guò)分析土壤的水氮分布、濕潤(rùn)鋒運(yùn)移和累計(jì)入滲量等指標(biāo)，為微潤(rùn)灌溉水肥一體化的農(nóng)業(yè)應(yīng)用提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)于2021年3-5月在山西省太原市太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)土樣取自山西省太原市小店區(qū)種植大棚內(nèi)表層0～30 cm 的熟土，土樣取回后自然風(fēng)干并碾壓后作為試驗(yàn)土樣。過(guò)2.00 mm 孔徑篩分后，再通過(guò)MS2000 型激光分析粒度儀測(cè)定分析土壤的顆粒和粒徑，其土壤顆粒組成和初始含氮量見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)土壤基本理化性質(zhì)Tab.1 Physico-chemical properties of the initial soil

1.2 試驗(yàn)裝置

裝置由供水部分、輸水部分和滲水部分構(gòu)成。其中供水部分為與大氣連接的恒壓馬氏瓶和可調(diào)節(jié)高度的支架板；輸水部分為內(nèi)徑16 mm 的PE 管和閥門；滲水部分是規(guī)格為70 cm×40 cm×40 cm，有機(jī)玻璃板制成試驗(yàn)土箱和微潤(rùn)管，每個(gè)試驗(yàn)箱中左右對(duì)稱鋪設(shè)兩條微潤(rùn)管。牛文全等[8]的室內(nèi)土箱模擬試驗(yàn)研究結(jié)果表明，在0.2～2.0 m 水頭范圍內(nèi), 微潤(rùn)帶流量與壓力水頭近乎呈線性關(guān)系，適宜的埋深為15～20 cm，所以該試驗(yàn)微潤(rùn)管埋深為15 cm，間隔為15 cm，其中微潤(rùn)管順土箱的長(zhǎng)度方向鋪設(shè)。其裝置圖見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental device

在試驗(yàn)箱的40 cm×40 cm面上以微潤(rùn)管為原點(diǎn)，每5 cm打一個(gè)孔便于取土樣進(jìn)行測(cè)量，以微潤(rùn)管為坐標(biāo)原點(diǎn)，微潤(rùn)管上方為Y+，下方為Y-，因微潤(rùn)管對(duì)稱布設(shè)，且微潤(rùn)管出水均勻，土質(zhì)均勻，所以水平方向只需測(cè)量一側(cè)，試驗(yàn)均取左側(cè)微潤(rùn)管為繪制管，則微潤(rùn)管水平方向?yàn)閄。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用雙因素設(shè)計(jì)，以壓力水頭和施肥濃度為變量，設(shè)計(jì)2×4 組試驗(yàn)處理。壓力水頭設(shè)計(jì)1.0 m 和1.5 m 兩個(gè)水平，記為H1 和H2；施肥濃度設(shè)計(jì)0、300、600、900 mg/L，分別記為N0、N3、N6、N9。

該試驗(yàn)通過(guò)控制土壤密度為1.30 g/cm3，每5 cm 填一層土，填土期間要振夯以保證土壤顆粒得到充分接觸。

施加肥料為復(fù)合肥硝酸銨鈣，是一種極易溶于水，含氮和速效鈣的新型高效復(fù)合肥料，其肥效快，可快速補(bǔ)氮；其中增加了鈣，使養(yǎng)分更加全面，并且植物可直接吸收，便于實(shí)施水肥一體化。

1.4 試驗(yàn)方法與測(cè)定內(nèi)容

通過(guò)控制土壤容重的方法進(jìn)行填土，填至20 cm 時(shí)進(jìn)行鋪設(shè)微潤(rùn)管，組裝閥門使其與PE 輸水管相接，并檢驗(yàn)滲水性以及是否漏水，無(wú)漏水狀況以及滲水性良好時(shí)繼續(xù)裝填，使其埋深為15 cm。

調(diào)節(jié)支架板的高度和恒壓馬氏瓶高度，使其達(dá)到試驗(yàn)設(shè)計(jì)水頭。排盡恒壓馬氏瓶、PE 輸水管和微潤(rùn)管中空氣，根據(jù)試驗(yàn)所設(shè)施肥濃度將硝酸銨鈣溶于水中攪拌均勻后倒入恒壓馬氏瓶中，開(kāi)始記錄濕潤(rùn)鋒運(yùn)移情況和恒壓馬氏瓶?jī)?nèi)水面下降高度。

試驗(yàn)開(kāi)始于8:00，過(guò)程中每隔12 h用取土器取樣，通過(guò)烘干法測(cè)量其含水率；因硝酸銨鈣中銨態(tài)氮含量較低，所以該試驗(yàn)中只測(cè)量硝態(tài)氮，每隔12 h 取土樣后通過(guò)紫外分光光度計(jì)法測(cè)量硝態(tài)氮含量。

試驗(yàn)第一天8:00～20:00 每隔2 h 測(cè)量恒壓馬氏瓶?jī)?nèi)水面下降的高度和濕潤(rùn)鋒在Y+、Y-和X方向上的運(yùn)移情況，第二天后每隔4 h 重復(fù)測(cè)量以上步驟，其中每天20:00 至次日8:00 的夜晚時(shí)間隔12 h 測(cè)一次。結(jié)果分析時(shí)均取60 h 為試驗(yàn)終止時(shí)刻。

2 結(jié)果與分析

2.1 壓力水頭和施肥濃度對(duì)濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移影響

試驗(yàn)數(shù)據(jù)為3次重復(fù)后取的平均值，通過(guò)AutoCAD軟件描繪出各處理情況下濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移曲線圖。

2.1.1 濕潤(rùn)鋒運(yùn)移形狀圖

由圖2可以看出線源入滲時(shí)，濕潤(rùn)線大致呈同心圓，隨著入滲的進(jìn)行，以微潤(rùn)管為圓心，濕潤(rùn)半徑逐漸增大。提高壓力水頭和施肥濃度，濕潤(rùn)體半徑也會(huì)顯著增大，且隨著水分在土壤中的不斷入滲，受重力的影響濕潤(rùn)體逐漸向下偏移。

圖2 濕潤(rùn)鋒運(yùn)移圖Fig.2 Migration map of wetting front

2.1.2 濕潤(rùn)鋒各方向運(yùn)移距離

Y+、X和Y-比較60 h內(nèi)各方向的運(yùn)移距離，若到達(dá)土壤表面的時(shí)間或終止時(shí)刻運(yùn)移距離相同則比較上一時(shí)間的運(yùn)移距離。濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離與時(shí)間近似符合y=a tb（a為入滲系數(shù)，b為入滲指數(shù)）的冪函數(shù)關(guān)系，通過(guò)Origin對(duì)其進(jìn)行擬合，結(jié)果為表2，對(duì)其擬合函數(shù)求導(dǎo)為入滲速率公式。將該公式代入時(shí)間值與實(shí)測(cè)值比較得圖3和圖4，后對(duì)該入滲速率公式進(jìn)行擬合得表2中運(yùn)移速率擬合公式。1.0 m 壓力水頭下，H1N9＞H1N6＞H1N3＞H1N0，即各處理隨著施肥濃度的增高濕潤(rùn)鋒向Y+運(yùn)移的速度也相應(yīng)更快；濕潤(rùn)鋒在X向及Y-向與Y+方向的運(yùn)移規(guī)律一致，運(yùn)移速度均與施肥濃度呈正相關(guān)。在1.5 m 的壓力水頭下，各方向上濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速度與1.0 m 水頭下的變化趨勢(shì)相同。單研究施肥濃度對(duì)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移的影響會(huì)發(fā)現(xiàn)隨著濃度增高，濕潤(rùn)鋒在各個(gè)方向上運(yùn)移越來(lái)越快。未施加肥料時(shí)，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離在各向H2N0＞H1N0，濃度在300、600 和900 mg/L時(shí)，濕潤(rùn)鋒在各方向H2N3＞H1N3，H2N6＞H1N6，H2N9＞H1N9，濕潤(rùn)鋒1.0 m 水頭下的運(yùn)移距離都小于1.5 m 水頭下的運(yùn)移距離。單研究壓力水頭對(duì)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移的影響會(huì)發(fā)現(xiàn)壓力水頭越大，濕潤(rùn)鋒各方向的運(yùn)移速度越快。

表2 濕潤(rùn)鋒擬合曲線Tab.2 Wetting front fitting curve

圖3 Y+方向運(yùn)移距離Fig.3 Migration distance of Y+

圖4 運(yùn)移速度Fig.4 Migration rate

2.2 壓力水頭和施肥濃度對(duì)入滲量的影響

圖5累計(jì)入滲量H2N9＞H2N6＞H2N3＞H2N0＞H1N9＞H1N6＞H1N3＞H1N0，擬合直線為一次函數(shù)且斜率大小順序同上。同一水頭下施肥濃度的增加，擬合直線斜率和累計(jì)入滲量均增大，且隨著入滲過(guò)程的進(jìn)行，入滲量差異也越來(lái)越大；相同施肥濃度下，壓力水頭增加，對(duì)應(yīng)的入滲量和擬合直線斜率也增加。但試驗(yàn)后期入滲量多在擬合直線的下方，入滲量后期變緩，猜測(cè)是因?yàn)槿霛B過(guò)程中減少了微潤(rùn)管附近的土壤基質(zhì)勢(shì)。壓力水頭作為土壤水分移動(dòng)主要?jiǎng)恿χ?，增加水頭會(huì)加快濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移。復(fù)合肥硝酸銨鈣中的鈣離子增加了土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，增大土壤孔隙，使得土壤導(dǎo)水率增強(qiáng)；硝酸銨鈣的濃度增加，溶液的溶質(zhì)勢(shì)增加，溶質(zhì)勢(shì)和對(duì)流作用提高了濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移能力。

圖5 累計(jì)入滲量隨時(shí)間變化Fig.5 Cumulative infiltration volume changes with time

2.3 硝態(tài)氮含量

圖6依次為H1N0～H2N9 各處理60h 后的土壤硝態(tài)氮等值線分布圖，硝態(tài)氮含量最大為H2N6 和H1N9 處理，均達(dá)到9.20 mg/kg，極小值為H2N0 處理，硝態(tài)氮僅有2.31 mg/kg；硝態(tài)氮平均值最大的是H2N9處理，平均值最小的為H2N0處理。微潤(rùn)管附近硝態(tài)氮含量較少，遠(yuǎn)處硝態(tài)氮含量較高，硝態(tài)氮會(huì)在遠(yuǎn)處積累，最大值多出現(xiàn)在微潤(rùn)管右下方深層土壤處。該試驗(yàn)中除H2N9 處理外，其他處理均隨著肥液濃度的增大，濕潤(rùn)體內(nèi)相同節(jié)點(diǎn)處硝態(tài)氮量相應(yīng)增高；未施肥和施肥濃度為900 mg/L 時(shí)，高水頭的硝態(tài)氮含量小于低水頭，H2N6 和H2N3的硝態(tài)氮含量隨水頭增加而增加。

H2N9 出現(xiàn)施肥濃度增加，硝態(tài)氮含量減少的原因是入滲較快，硝態(tài)氮隨水運(yùn)移積累在遠(yuǎn)處，在該試驗(yàn)取樣范圍內(nèi)未取到最遠(yuǎn)處點(diǎn)，導(dǎo)致H2N9硝態(tài)氮含量最高點(diǎn)未出現(xiàn)在取樣數(shù)據(jù)中，試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)底層土壤取樣測(cè)量，其硝態(tài)氮為10.70 mg/kg，大于取樣點(diǎn)的極大值。清水入滲時(shí)水頭與硝態(tài)氮含量成反比，是因?yàn)镠2N0 入滲快于H1N0，且沒(méi)有氮的補(bǔ)充，H2N0 的硝態(tài)氮隨水遷移至遠(yuǎn)處。雖然水分運(yùn)移會(huì)使微潤(rùn)管近處的硝態(tài)氮含量減少，但恒壓馬氏瓶中的水肥進(jìn)入土壤，還是會(huì)增加微潤(rùn)管附近的硝態(tài)氮，二者的耦合作用較為復(fù)雜。待肥料在土壤完全溶解后，硝酸銨鈣在土壤中隨水遷移，因?yàn)槠洳粫?huì)引起土壤板結(jié)，土壤可變得疏松，所以硝酸銨鈣中的離子被土壤吸附較難，硝態(tài)氮隨水遷移后在遠(yuǎn)處積累。劉顯等[10]人也證實(shí)硝酸根帶有負(fù)電，與同樣帶有負(fù)電的土壤膠體之間產(chǎn)生排斥作用，不易被土壤膠體所吸附，具有較強(qiáng)的移動(dòng)性，水分運(yùn)動(dòng)時(shí)隨著向周圍運(yùn)移。

2.4 土壤含水率

圖7依次為H1N0～H2N9 各處理60 h 后的土壤含水率等值線分布圖，發(fā)現(xiàn)土壤含水率在微潤(rùn)管周圍含量最高，遠(yuǎn)處逐漸減少，且隨著水頭和施肥濃度的增加，土壤含水率均不斷增加。H2N9為所有處理中含水率極大值，達(dá)到20.80%，含水率極小值為H1N0處理，其含水率只有17.00%；平均含水率最高為H2N9，平均含水率最低為H1N0。含水率最高的處理是1.5 m 壓力水頭，900 mg/L的施肥濃度，極值與平均值均最大。線源入滲的含水率分布以微潤(rùn)管為圓心，近似呈向下移的同心圓，微潤(rùn)管下方含水率高于同一水平位置的上方含水率。

圖7 土壤含水率等值線Fig.7 Soil moisture content contour

施肥濃度和壓力水頭對(duì)含水率成正比是由于水為溶質(zhì)運(yùn)移的載體，而溶質(zhì)又能反作用于土壤水分運(yùn)動(dòng)，肥液濃度越大，土壤中形成的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)也越多，相同時(shí)間內(nèi)濕潤(rùn)體的濕潤(rùn)深度越大，使得表層土壤的孔隙率增大，則相同位置處的土壤含水量也越高。這也與何振嘉[11]認(rèn)為在一定施肥濃度和壓力水頭下，增加水頭或增加肥料濃度，均會(huì)增加土壤中的含水率一致。而且肥料硝酸銨鈣中含有的鈣離子對(duì)土壤具有一定的保水作用，肥液濃度越大，鈣離子濃度越高，保水效果越顯著[12]。

3 討 論

對(duì)微潤(rùn)灌溉水肥一體化下的線源入滲研究發(fā)現(xiàn)，在1.0 m和1.5 m 的水頭，0～900 mg/L 硝酸銨鈣肥料下，壓力水頭和施肥濃度均對(duì)微潤(rùn)入滲情況影響顯著。濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離距離和速度、累計(jì)入滲量、含水率和硝態(tài)氮含量均隨著水頭和濃度的增加而提高。

康守旋等[13]研究了不同量的硝酸鈣溶液對(duì)渾水膜孔灌多點(diǎn)源入滲水氮運(yùn)移的影響，發(fā)現(xiàn)肥液對(duì)渾水有一定的增滲作用。李義林等[14]使用肥液質(zhì)量濃度為0、0.2、0.4 g/L史丹利大量元素水溶肥作為入滲溶液，施氮量增大，累積入滲量和濕潤(rùn)體體積均增大，濕潤(rùn)體內(nèi)水肥量也增多。由于水分運(yùn)動(dòng)為溶質(zhì)運(yùn)移的載體，而溶質(zhì)又能反作用于土壤水分運(yùn)動(dòng)，肥液濃度越大，土壤中形成的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)也越多，相同時(shí)間內(nèi)濕潤(rùn)體的濕潤(rùn)深度越大，使得表層土壤的孔隙率增大，則相同位置處的土壤含水量也越高[11]。氮肥濃度增大，土壤溶質(zhì)勢(shì)變大，土壤吸力就越大[15]。本試驗(yàn)中通過(guò)提高施肥濃度，可以增加水分入滲速度和濕潤(rùn)體內(nèi)的水氮含量，與其他研究者的結(jié)論一致。因此可以適當(dāng)提高水肥溶液中的肥料濃度加快水分入滲，同時(shí)增加土壤中的氮素含量。

畢遠(yuǎn)杰等[16]研究壓力水頭對(duì)濕潤(rùn)鋒的影響，發(fā)現(xiàn)壓力水頭增加，能夠加快水分沿各個(gè)方向擴(kuò)散,濕潤(rùn)體面積也將進(jìn)一步增加。隨著供水壓力的增加，入滲界面的壓力勢(shì)增大，入滲速率隨之增大，進(jìn)而在相同入滲時(shí)間內(nèi)累計(jì)入滲量也增大[17,18]。壓力水頭的增大，入滲界面的壓力勢(shì)會(huì)增大，導(dǎo)致入滲速率增大,濕潤(rùn)鋒推移速度加快。本試驗(yàn)與其他學(xué)者的研究相同，壓力水頭作為入滲的主動(dòng)力之一，提高水頭可以加快水分在土壤中的入滲。

4 結(jié) 論

（1）水分分布近似為以微潤(rùn)管所鋪設(shè)位置為圓心的同心圓，入滲一段時(shí)間后含水率會(huì)在微潤(rùn)管附近出現(xiàn)極大值，多出現(xiàn)在微潤(rùn)管的下方，遠(yuǎn)處含水率最低，且有向下偏移的趨勢(shì)，相同節(jié)點(diǎn)土壤含水率隨水頭和肥料增加也相應(yīng)增大。

（2）土壤中的硝態(tài)氮會(huì)在遠(yuǎn)離微潤(rùn)管處形成硝態(tài)氮的聚集區(qū)，表明硝態(tài)氮容易隨水流失。1.0 m 壓力水頭下，硝酸銨鈣900 mg/L 肥入滲處理土壤含水量和硝態(tài)氮量最大；1.5 m 壓力水頭下，硝酸銨鈣900 mg/L 入滲處理土壤中含水量和硝態(tài)氮量最大。清水入滲時(shí)，取樣范圍內(nèi)硝態(tài)氮表現(xiàn)為隨入滲過(guò)程進(jìn)行含量減小，含水量最大為H2N0處理，硝態(tài)氮量最大為H1N0處理。試驗(yàn)中壓力水頭1.5 m，硝酸銨鈣濃度為900 mg/L時(shí)，濕潤(rùn)體中含水率和硝態(tài)氮含量最高，為最適宜處理。