微潤灌施下壓力水頭對濕潤鋒及土壤水氮運移的影響

李慧敏，申麗霞，王瑞軍，孟 涵，李京玲，孫雪嵐

（太原理工大學水利科學與工程學院，太原 030024）

0 引 言

微潤灌溉是一種利用半透膜性能的高效節(jié)水灌溉技術(shù)，通過借助一定的壓力水頭，達到持續(xù)微量供水的目的[1-4]。有關(guān)微潤灌溉室內(nèi)試驗研究，主要包括應用機理和模型與模擬兩個方面。應用機理方面主要研究壓力水頭、微潤管埋深、土壤容重、初始含水率、微咸水灌溉、水溫等對微潤灌土壤水分入滲特性的影響。如畢遠杰等[5]、張少文等[6]均對微潤管埋深與壓力水頭下土壤水分入滲進行了研究。邱照寧等[7]研究了水溫對低壓微潤管出流影響，發(fā)現(xiàn)微潤管在空氣中的出流量與水溫線性相關(guān)，且壓力水頭越大溫度對其出流影響越大。模型與數(shù)值模擬方面主要集中在微潤灌對入滲模型的擬合上。如冀榮華等[8]利用HYDRUS-3D 有限元模型對微潤灌下土壤水分入滲進行了數(shù)值模擬。但多數(shù)研究都集中在均質(zhì)土的水分入滲上，對于其他機理研究較少。由此可見，微潤灌對于水肥一體化的研究還存在一定空缺，尤其是室內(nèi)試驗對于水肥的應用機理研究還缺少大量的試驗研究與證明。

微潤灌溉的出流量主要受到壓力水頭、微潤管埋深、土壤質(zhì)地以及容重的影響[9]。微潤灌的沿程水頭損失[3]及地表蒸發(fā)很小，因此當微潤管埋深、土壤質(zhì)地及容重等參數(shù)確定的條件下，壓力水頭成為影響出流量的主要因素。牛文全等[2,10]發(fā)現(xiàn)壓力水頭在0～2.4 m 范圍內(nèi)，微潤帶的出流量與壓力水頭呈線性遞增關(guān)系，并通過96 組田間試驗得出微潤管出流量的影響因素所占的比重為壓力水頭＞土壤容重＞初始含水率。鑒于前人的研究經(jīng)驗，本試驗設(shè)計壓力水頭在1～2 m范圍內(nèi)，對微潤灌施肥條件下濕潤鋒及水氮運移規(guī)律進行了深入研究，以期為微潤灌水肥一體化條件下壓力水頭對濕潤體內(nèi)水肥運移規(guī)律的影響提供理論依據(jù)，逐漸豐富微潤灌施的相關(guān)理論。

氮素是植物生長發(fā)育必需元素，對植物體內(nèi)正常物質(zhì)循環(huán)和能量代謝有著重要意義[11]。硝態(tài)氮（NO3-）是植物吸收土壤中無機氮的主要形式，研究硝態(tài)氮在土壤中的運移規(guī)律，對不同壓力水頭下微潤灌室外種植試驗具有指導意義。本次試驗使用的硝酸銨鈣肥，是一種含氮和速效鈣的新型高效復合肥料，為白色圓形顆粒，極易溶于水，含氮量15.5%，其中90%以上為硝態(tài)氮，其余為銨態(tài)氮。硝酸銨鈣具有肥效長，揮發(fā)損失小，降低土壤酸堿度，增加土壤團粒結(jié)構(gòu)的特點[12]。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

試驗時間為2021年4-5月，試驗地點為山西省太原理工大學水利學院的土壤實驗室，試驗用土為黏壤土。試驗前，將取得的土壤進行風干、碾壓，再用孔徑為2 mm 的濾篩進行篩分，過篩后即為試驗用土。使用MS2000 型激光分析粒度儀測定試驗土顆粒粒徑，土壤粒徑分布為0.02 mm＜d＜2 mm 含量為37.64%，0.002 mm＜d＜0.02 mm 含量為41.62%，d＜0.002 mm含量為20.74%。測定土壤初始含水率為0.94%，初始硝態(tài)氮含量為1.26 mg/kg。

1.2 試驗裝置

試驗裝置由供水系統(tǒng)與土箱組成，如圖1所示。供水系統(tǒng)包括馬氏瓶、活動支架、輸水管、微潤管、進出口閥門等。馬氏瓶為有機玻璃材質(zhì)，內(nèi)徑為10 cm，高度為50 cm，配有細玻璃棒和橡膠塞，并通過細玻璃棒平衡氣壓提供連續(xù)恒壓水頭，其側(cè)壁標有刻度，便于讀取下降高度，計算入滲量?；顒又Ъ芸赏ㄟ^調(diào)節(jié)高度實現(xiàn)水頭調(diào)控。輸水管為內(nèi)徑為16 mm 的黑色PE 管，微潤管為內(nèi)徑為16 mm 的高分子半透膜，二者通過閥門連接。馬氏瓶出水口與微潤管的高差為設(shè)計的壓力水頭。土箱為有機玻璃材質(zhì)，規(guī)格為（長×寬×高）70 cm×40 cm×40 cm，厚度為1 cm，左右兩側(cè)中心處對稱打孔，孔徑為18 mm,用來布設(shè)微潤管，在微潤管孔四周，水平和豎直方向，每5 cm 處打有直徑為12 mm 的取樣孔，如圖2所示。以微潤管為坐標原點，水平向右為X軸，豎直向上為Y軸正方向，建立二維坐標系。

圖1 室內(nèi)土箱試驗裝置圖Fig.1 Indoor soil chamber test device diagram

圖2 取樣點示意圖（單位：cm）Fig.2 Schematic diagram of sampling points

1.3 試驗設(shè)計與方法

本試驗以壓力水頭為試驗變量，共設(shè)5 組處理(T1:1.00 m、T2:1.25 m、T3:1.50 m、T4:1.75 m、T5:2.00 m)，每組處理施600 mg/L 硝酸銨鈣、固定微潤管埋深15 cm，土壤容重均控制在1.3 g/cm3，所有處理重復3 次。試驗前，將試驗用土按照原始體積質(zhì)量分層裝入土箱，以5 cm 為一層，逐層填土、夯實，以利于土壤顆粒充分接觸。當土層填到20 cm 時，連接微潤管，然后將馬氏瓶注入清水，排氣后開通微潤管進口閥門，檢測微潤管是否正常使用。待微潤管潤濕后將水排盡，繼續(xù)填土、夯實，直到微潤管上層覆土15 cm 時停止。待所有處理填土完畢，再分別將馬氏瓶內(nèi)注入肥液。先將馬氏瓶內(nèi)加水，注入一半后，將氣泡排盡，再重新加水，稱取1.178 g 硝酸銨鈣溶于水后倒入馬氏瓶內(nèi)，加滿水，試驗開始計時，設(shè)定試驗時間為72 h。第一天白天間隔2 h,其余白天隔4 h，夜間隔12 h記錄馬氏瓶內(nèi)液面下降高度，同時測量濕潤鋒在不同方向的運移距離；每隔12 h 在土箱側(cè)面取樣點取一次土樣，用烘干法測定其含水率，用紫外分光光度計測定硝態(tài)氮的含量。3次重復取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 壓力水頭對濕潤鋒運移的影響

通過對各處理下濕潤鋒運移規(guī)律的分析，發(fā)現(xiàn)試驗結(jié)束時，濕潤體形狀近似為一個左右對稱的圓柱體。可以使用任意時刻鉛直平面內(nèi)二維濕潤鋒邊界形狀的半橢圓形解析式[13]對本試驗各處理下的濕潤鋒進行描述，即：

式中：x、y分別代表濕潤鋒在水平、鉛直方向上的最大運移距離，cm。

將上述等式兩邊均乘以A2，得到：

令A/B=m，m表示濕潤體的寬深比。由方程可知，當m=1時，表示濕潤體縱剖面為圓形，本試驗結(jié)果表明m值大致在0.91左右，為圓形。通過對濕潤鋒運移距離與灌水時間進行擬合，發(fā)現(xiàn)運移距離與灌水時間符合冪函數(shù)關(guān)系，見式(3)，且擬合程度較高，擬合結(jié)果見表1。

表1 各處理濕潤鋒運移距離與時間的擬合參數(shù)Tab.1 Fitting parameters of migration distance and time of wet front in each treatment

式中：R為運移距離，cm；T為灌水時間，h；a、b分別為入滲系數(shù)和入滲指數(shù)。

由表1可知，各決定系數(shù)均大于0.98，說明不同壓力水頭下，濕潤鋒在水平、垂直向上、垂直向下3個方向的運移距離與灌水時間具有較好的冪函數(shù)關(guān)系，且在X、Y+、Y-3 個方向上入滲系數(shù)a均與壓力水頭呈正相關(guān)關(guān)系，入滲指數(shù)b均與壓力水頭呈負相關(guān)關(guān)系。通過對濕潤鋒運移距離曲線的擬合系數(shù)分析，得出a和b均與壓力水頭h具有明顯的線性關(guān)系：

（1）X方向：

將擬合系數(shù)a、b帶入公式(3)，得出不同壓力水頭下水平運移距離與時間的關(guān)系模型：

（2）Y+方向：

將擬合系數(shù)a、b帶入公式(3)，得出不同壓力水頭下垂直向上運移距離與時間的關(guān)系模型：

（3）Y-方向：

將擬合系數(shù)a、b帶入公式(3)，得出不同壓力水頭下垂直向下運移距離與時間的關(guān)系模型：

2.2 壓力水頭對土壤水分的影響

壓力水頭通過影響微潤帶出流量的大小與速率，進而影響濕潤體內(nèi)土壤含水率的變化，而累積入滲量能直觀的反映入滲特征，為對比微潤灌施下壓力水頭對土壤水分的影響，繪制了不同壓力水頭下累積入滲量的變化曲線及72 h 時土壤含水率變化曲線，進而分析出壓力水頭對土壤水分的影響規(guī)律。

如圖3所示，為各處理下累積入滲量隨時間的變化關(guān)系圖。由圖3可知，累積入滲量隨入滲時間的增加逐漸增長。相同時刻下，壓力水頭與累積入滲量的關(guān)系表現(xiàn)為T5＞T4＞T3＞T2＞T1,即壓力水頭越大，入滲速率越快，累積入滲量越多。如圖4所示，為72 h時各處理在垂直方向上土壤剖面平均含水率分布圖。由圖4可知，同一時刻相同位置不同壓力水頭下土壤含水率表現(xiàn)為T5＞T4＞T3＞T2＞T1，即壓力水頭越大，同一時刻相同土層深度的土壤含水率越大。累積入滲量與土壤含水率表現(xiàn)的規(guī)律一致，這是因為壓力水頭可以影響微潤管的出流量及水分入滲速率，壓力水頭越大，入滲界面的壓力勢越大，微潤管出流量越多，土壤水分入滲速率越快，同一時刻相同土層深度的土壤含水率越大，累積入滲量越多。另一方面，硝酸銨鈣完全溶解于水，溶質(zhì)隨水運移，鈣離子與土壤膠體發(fā)生反應，導致土壤團粒結(jié)構(gòu)增加，土壤孔隙率增大，導水率增加。壓力水頭越大，土壤團粒結(jié)構(gòu)越多，土壤水分運移速率越快，土壤含水率越大。

圖3 各處理下累積入滲量隨時間變化關(guān)系圖Fig.3 Relationship diagram of cumulative infiltration with time under each treatment

圖4 各處理下含水率的變化圖Fig.4 Variation of water content under each treatment

通過對累積入滲量的動態(tài)變化進行擬合，發(fā)現(xiàn)累積入滲量符合Kostiakov 經(jīng)驗入滲公式，即符合I=aTb（I為累積入滲量，L；T為入滲時間，h；a為入滲系數(shù)，b為入滲指數(shù)），且擬合程度較好，均為0.999，如表2所示，為各處理下累積入滲量的擬合參數(shù)。由表2可知，當壓力水頭由1 m 增加到2 m，參數(shù)a分別增加了1.02、1.04、1.16 和1.24 倍，參數(shù)b分別增加了1.02、1.03、1.04和1.05倍。由此說明參數(shù)a、b與壓力水頭均為正相關(guān)關(guān)系，壓力水頭對參數(shù)a、b的影響極為顯著，且壓力水頭越大時入滲系數(shù)a的變幅越大。分析認為，入滲系數(shù)a反映了土壤入滲能力的大小，其值與土壤結(jié)構(gòu)有關(guān)；入滲指數(shù)b反映了土壤水分入滲能力的衰弱程度，由于水分入滲使土壤孔隙率減小，土壤中原有的空氣被排出，土壤水分入滲能力會發(fā)生改變。本試驗中，壓力水頭越大，參數(shù)a、b均增大，說明隨壓力水頭的增加，土壤的入滲能力增強，且土壤水分入滲能力的衰弱速度減慢。這是因為壓力水頭越大，入滲界面的壓力勢越大，土壤含水率越大，土壤入滲能力增強。隨著土壤含水率增加，土壤孔隙率減少，而土壤飽和含水率不變，土壤入滲能力會逐漸衰弱。但是本試驗使用的硝酸銨鈣能夠改變土壤結(jié)構(gòu)，壓力水頭越大，微潤管出流量越多，土壤中肥液越多，土壤膠體一般帶負電荷，會與肥液中的鈣離子發(fā)生中和反應，導致土壤團粒結(jié)構(gòu)增多，土壤孔隙率變大，導水率增加，土壤入滲能力增強，這在一定程度上減緩了土壤入滲能力的衰弱速度。

表2 各處理下累積入滲量擬合參數(shù)Tab.2 Fitting parameters of cumulative infiltration under each treatment

2.3 壓力水頭對土壤硝態(tài)氮含量的影響

土壤中氮素的遷移一般會隨著土壤中水分的運移而發(fā)生變化。通過繪制以微潤管布設(shè)位置為中心，濕潤體縱剖面不同深度土層60 h 時平均硝態(tài)氮含量等值線分布圖，進而分析微潤灌施下壓力水頭對土壤中硝態(tài)氮含量的影響規(guī)律。

如圖5所示，為各處理60 h時土壤硝態(tài)氮含量等值線分布圖，發(fā)現(xiàn)硝態(tài)氮含量整體變化與含水率變化相反。由圖5可知，硝酸銨鈣隨水運移，在垂直微潤管的平面上距離微潤管越遠，土壤中硝態(tài)氮含量越高，且與微潤管相同垂直距離處，下部的硝態(tài)氮含量高于上部的含量；在微潤管所在的水平面上，土壤中硝態(tài)氮含量先變小再增多。這是因為宏觀上肥液受重力作用，肥液向下入滲量多于向上運移量，而硝酸銨鈣易發(fā)生淋溶累積，因此距微潤管越遠土壤硝酸銨鈣含量越多。在微觀上，由于土壤膠體帶負電荷，硝酸根離子與之發(fā)生離子間排斥作用，硝酸根離子會向土壤表面及最底層運移，而硝酸銨鈣中的鈣離子與土壤膠體發(fā)生反應，導致土壤團粒結(jié)構(gòu)增加，孔隙率增大，導水率增加，硝酸根離子運移速率加快，因此距離微潤管越遠，土壤中硝態(tài)氮含量越多。而在微潤管附近，由于微潤管連續(xù)入滲，微潤管周圍硝酸銨鈣不斷得到補充，因此在微潤管所在的水平面上，硝態(tài)氮含量先變小再增加，硝態(tài)氮含量最小值出現(xiàn)在微潤管附近。

圖5 各處理60 h時土壤硝態(tài)氮含量等值線分布圖Fig.5 contour distribution of soil nitrate nitrogen content at 60 h of each treatment

由圖5可以發(fā)現(xiàn)相同深度土層硝態(tài)氮含量表現(xiàn)為T5＞T4＞T3＞T2＞T1，說明壓力水頭越大，相同深度土層硝態(tài)氮含量越高。如在距微潤管水平距離0 cm、垂直距離-10 cm處，T2～T5處理的硝態(tài)氮含量分別是T1的1.62、2.05、2.58和3.11倍。這是因為同一時刻相同位置的土層，壓力水頭越大，入滲界面的壓力勢越大，水分入滲速率越快，對土壤溶質(zhì)的攜帶能力越強，溶質(zhì)運移速率越快，土壤中硝態(tài)氮含量越高[14]。另一方面，壓力水頭越大，微潤管出流量越多，土壤團粒結(jié)構(gòu)越多，孔隙率越大，硝酸根離子運移速率越快，因此壓力水頭越大，同一時刻相同深度土層硝態(tài)氮含量越高。

3 討 論

本研究發(fā)現(xiàn)壓力水頭對濕潤鋒運移距離、土壤含水率、累積入滲量及硝態(tài)氮含量均有極顯著影響（p＜0.01）。壓力水頭是影響微潤灌溉出流量的主要因素，通過影響入滲界面的壓力勢改變水分運動通量[1],從而使?jié)駶欎h運移距離、濕潤體的含水率及硝態(tài)氮含量、累積入滲量發(fā)生變化。本文壓力水頭對含水率及累積入滲量的影響規(guī)律與前人研究類似。本試驗發(fā)現(xiàn)，在微潤灌施硝酸銨鈣條件下，濕潤體縱剖面為圓形，濕潤鋒在水平、垂直向上、向下3個方向的運移距離與灌水時間均符合冪函數(shù)關(guān)系，且入滲系數(shù)a與壓力水頭呈正相關(guān)關(guān)系，入滲指數(shù)b與壓力水頭呈負相關(guān)關(guān)系，由此建立不同壓力水頭下濕潤鋒在水平、垂直向上、向下3個方向的運移距離與時間的關(guān)系模型。通過對累積入滲量進行擬合，發(fā)現(xiàn)累積入滲量與灌水時間符合Kostiakov 經(jīng)驗入滲公式，參數(shù)a、b與壓力水頭均為正相關(guān)關(guān)系，壓力水頭對參數(shù)a、b的影響極為顯著，且壓力水頭越大時入滲系數(shù)a的變幅越大。本試驗同時發(fā)現(xiàn)土壤硝態(tài)氮含量的變化與含水率有相反規(guī)律，在垂直微潤管的平面上距離微潤管越遠，土壤中硝態(tài)氮含量越高，且與微潤管相同垂直距離處，下部的硝態(tài)氮含量高于上部的含量；在微潤管所在的水平面上，土壤中硝態(tài)氮含量先變小再增多，硝態(tài)氮含量最大值出現(xiàn)在土壤表面或最深處。壓力水頭對硝態(tài)氮運移有促進作用，壓力水頭越大，氮素運移越快，土壤中硝態(tài)氮含量越高?？凳匦萚15]對硝酸鈣溶液在渾水膜孔灌多點源入滲條件下水氮運移的研究，發(fā)現(xiàn)硝酸鈣溶液對渾水有增滲作用。本試驗所使用的硝酸銨鈣也發(fā)生了增滲作用。壓力水頭越大，入滲界面的壓力勢越大，微潤管出流量越多，土壤水分入滲速率越快。土壤膠體一般帶負電荷，肥液中硝酸根離子與土壤膠體發(fā)生排斥作用，以及硝酸根離子間作用，硝酸根離子向土壤表面和最底層運移，而鈣離子與土壤膠體發(fā)生中和反應，土壤團粒結(jié)構(gòu)增加，孔隙率增大，水分及硝酸根離子運移速率加快，土壤入滲能力增強，在一定程度上減緩了因含水率增加導致土壤入滲能力衰弱的速度。在宏觀上表現(xiàn)為壓力水頭越大，相同時刻相同深度土層含水率越大，土體表面及最深處硝態(tài)氮含量越高。

本試驗采用均質(zhì)土壤進行研究，與大田土壤相比存在一定差距，對微潤灌在大田中的應用還需要進一步研究怎樣防止硝酸銨鈣的淋溶累積對地表及地下水體的危害。由于試驗場地的限制，壓力水頭的設(shè)置組較少，還需要設(shè)計囊括更大范圍的水頭進行更深入的研究。目前對于水氮相互作用的研究較少，本研究主要集中硝態(tài)氮隨水分在土壤中的運移過程，對于氮素各種形態(tài)間的轉(zhuǎn)化研究較少，還需要更深入的研究，若要得到田間實際條件下的驗證，還有待深入研究和完善。

4 結(jié) 論

本試驗研究了微潤灌施硝酸銨鈣條件下壓力水頭對濕潤鋒運移距離、土壤水分入滲及硝態(tài)氮運移的影響，得出以下結(jié)論：

（1）在微潤灌施硝酸銨鈣條件下，濕潤體縱剖面為圓形，且濕潤鋒在水平、垂直向上、向下3個方向的運移距離與灌水時間均符合冪函數(shù)關(guān)系，入滲系數(shù)a與壓力水頭呈正相關(guān)關(guān)系，入滲指數(shù)b與壓力水頭呈負相關(guān)關(guān)系。

（2）壓力水頭對土壤水分運移有促進作用。壓力水頭越大，入滲界面的壓力勢越大，土壤水分入滲速率越快，同一時刻相同深度土層的含水率越大，累積入滲量越大。累積入滲量與灌水時間符合Kostiakov 經(jīng)驗入滲公式，參數(shù)a、b與壓力水頭均為正相關(guān)關(guān)系。

（3）在垂直微潤管的平面上距離微潤管越遠，土壤中硝態(tài)氮含量越高，且與微潤管相同垂直距離處，下部的硝態(tài)氮含量高于上部的含量；在微潤管所在的水平面上，土壤中硝態(tài)氮含量先變小再增多，硝態(tài)氮含量最大值出現(xiàn)在土壤表面或最深處。壓力水頭對硝態(tài)氮運移有促進作用，同一時刻相同土層深度，壓力水頭越大，氮素運移越快，土壤平均硝態(tài)氮含量越高。

（4）硝酸銨鈣能夠改變土壤的孔隙結(jié)構(gòu)。硝酸銨鈣中鈣離子與土壤膠體發(fā)生中和反應，導致土壤團粒結(jié)構(gòu)增加，孔隙率增大，土壤入滲能力增強，因此在大面積施用時，要避免其淋溶累積對水體及環(huán)境造成危害。