肥液濃度對涌泉根灌濕潤體點源入滲影響研究

2018-12-28 06:09:12何振嘉

中國農村水利水電 2018年12期

何振嘉

(陜西省土地工程建設集團有限責任公司，西安 710075)

涌泉根灌是一種可將水肥直接輸送于果樹根部的微灌技術，與地面滴灌等技術相比，具有明顯減少水分蒸發、滴頭抗堵塞性能強等諸多優點[1,2]，適宜旱區果樹灌溉[3]。涌泉根灌濕潤體的大小與形狀對作物生長起關鍵性作用[4]。入滲能力、水力參數以及濕潤體特征值是灌溉條件下土壤水分運移特征的重要影響因素，其相關規律的研究可為灌溉制度的制定提供技術支撐[5]。濕潤體特征值受灌水時水分向土壤中入滲、入滲速度、一定時段內的累積入滲量、入滲后水分在土壤剖面上的分布等狀況的影響，因此，對點源入滲濕潤體特征值的研究為確定灌溉制度的基礎[6]。

國內已有研究對涌泉根灌土壤水分運動規律進行了廣泛的研究，其研究重點多從土壤初始含水率、土壤容重、灌水器埋深等方面開展，尤其在清水入滲條件下土壤水分運動、濕潤體形態及濕潤鋒運移規律等方面做了大量工作[7-10]，但在肥液入滲條件下涌泉根灌濕潤體研究極少。本文通過涌泉根灌條件下不同肥液濃度入滲試驗，研究肥液入滲對入滲能力、濕潤鋒運移規律以及含水率分布等影響，以期為涌泉根灌水肥耦合以及灌溉制度的制定奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

表1 試驗土壤顆粒級配組成Tab.1 Gradation composition of the test soil

1.2 試驗裝置及試驗設計

為了探究肥液濃度對涌泉根灌濕潤體入滲特性的影響，試驗氮肥選用易溶性的尿素(CO(NH2)2)(氮素含量≥46.4%)作為試供肥料，共設定了4種不同尿素施用量(0、1、1.25、1.5 kg)，每組試驗灌水量均為30 L，肥液濃度分別為33.3、41.7和50.0 g/L，清水為對照(肥液濃度為0 g/L)。根據設置的肥液濃度，以及尿素中氮素含量，計算出相應的尿素重量，按設定的濃度與清水混合配置。涌泉根灌入滲試驗由供水系統和涌泉根灌灌水器組成，供水系統采用帶有刻度截面積為70.88 cm2的硬質塑料制作的馬氏瓶進行自動供水。灌水器模擬滴頭流量均為7 L/h。根灌器上方有連通大氣的氣孔，通過調節馬氏瓶底部旋鈕開度控制流量，用秒表和20 mL量筒來濾定滴頭流量，并校驗試驗過程中部分時刻的灌水器流量，確保供水穩定。

涌泉根灌灌水器高20 cm(垂直埋深15 cm，地表裸露5 cm)，外徑4 cm，灌水器與配套套筒通過螺口直接安裝或拆卸，配套套筒(PVC材料)壁厚2 mm，內徑4 cm，外徑4.2 cm；在灌水器配套套管自上往下每隔2 cm打一個孔洞，孔徑為2 mm，開孔度20%，開孔部分用紗布包裹，防止土壤顆粒進入灌水器產生堵塞。試驗地塊布置圖如圖1所示。

圖1 涌泉根灌試驗地塊布置圖Fig.1 The bubbled-root irrigation test plot layout

1.3 試驗方法及觀測內容

(1)觀測坐標系建立。如圖2所示，水平剖面上以根灌器中心為觀測原點，豎直剖面上以涌泉根灌灌水器出水口(埋深15 cm)為觀測原點，分別觀測水平剖面和豎直剖面上水平方向和豎直方向的濕潤鋒運移距離。

圖2觀測坐標系Fig.2 Observation coordinate system

(2)馬氏瓶讀數和濕潤鋒運移位置。試驗地為原狀土壤坡面，坡面表面平整光滑(高2 m、寬2 m)，將水平剖面和豎直剖面作為觀測面。入滲量通過馬氏瓶的刻度讀取，不同時刻濕潤鋒運移距離使用鋼卷尺直接在試驗剖面上量出，為降低降雨和蒸發影響濕潤體，試驗結束后用塑料布遮蓋濕潤體。每組試驗3個重復，取其均值作為試驗結果。試驗系統見圖3。

圖3 試驗系統示意圖Fig.3 Experimental system structure

(3)土壤含水量。在灌水前、灌水結束時及灌水后1、3 d時用土鉆提取土壤樣品，用烘干法測定土壤含水量，取土位置為涌泉根灌灌水器東、南、西、北四個方向10 cm處，取其均值作為結果，取其取土深度為100 cm作為計劃濕潤層，分10層，每層10 cm。烘箱溫度105 ℃，烘干時間12 h。

(4)實驗數據分析。采用Microsoft Excel 2007分析軟件處理試驗數據并進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 肥液濃度對涌泉根灌入滲能力的影響

圖4為灌水量均為30 L，滴頭流量為7 L/h條件下，肥液濃度為50 g/L和清水的涌泉根灌累積入滲量曲線和入滲率隨時間變化曲線。由圖可以看出，相同入滲條件下涌泉根灌肥液入滲和清水入滲的累計入滲量均隨時間的延長而增大，且同一時間時肥液入滲的累積入滲量大于清水入滲的累積入滲量；在入滲開始1 h以內，肥液與清水的累積入滲量和入滲率隨時間的變化率均很大，這主要是由于，在入滲初期土壤水勢梯度較大，水量入滲速度較快；隨時間與入滲量的不斷增加，水勢梯度逐漸減小，肥液入滲和清水入滲的入滲率均減小，最終趨于緩和。入滲率隨著時間的增大而降低，且肥液入滲率大于清水入滲的入滲率，即肥液入滲的入滲速度要快于清水入滲，肥液入滲對涌泉根灌入滲的影響表現得更為顯著。整個入滲過程中累積入滲量、入滲速率與入滲時間均呈現較為光滑連續的曲線。

圖4 涌泉根灌累積入滲量及入滲率示意圖Fig.4 Schematic diagram of cumulative infiltration and infiltration rate of bubbled-root irrigation

涌泉根灌方式下不同肥液濃度土壤在入滲過程中累積入滲量隨肥液濃度增大而增大，表明土壤水分運動雖然為溶質遷移的載體，但溶質的運動同時影響到土壤水分運動。水分可以通過土壤表面的通道下滲，且在下滲過程中不斷接觸肥液中的各種分子與離子。土壤膠體具有較大的表面能，能夠吸附其他物質分子，因此，涌泉根灌入滲過程中，土壤膠體通過吸附尿素中的肥料分子，將養分保存于土壤中。同時，土壤膠體自身所攜帶的負電荷能夠吸附肥液中的許多陽離子，減弱了土體中的排斥作用，使較小的膠體微粒形成較大的土壤團聚體。入滲肥液濃度越大，土壤膠體能夠吸附更多的肥料分子，其增強了土壤膠粒的凝聚作用，使其形成更大的團粒結構，從而使土壤表面結構發生改變，土壤顆粒粒徑以及土壤孔隙相應增大，水分入滲的通道也越多，導致入滲量增加[11,12]。

土壤入滲過程主要受土壤入滲能力和供水強度的影響。供水強度與土壤入滲能力的對比關系決定土壤的入滲特性；供水強度由灌水量決定，土壤入滲能力主要受土壤自身特性的影響；土壤入滲能力一般用累計入滲量或入滲率來表示；入滲率隨著入滲過程的進行逐漸減小，入滲到一定程度時達到穩定。土壤水分運動的白金漢-達西定律將入滲過程的各種影響因素歸結于水勢梯度與非飽和導水率的共同作用。對入滲過程的分析主要集中于入滲后土壤剖面中含水量分布隨時間變化和濕潤鋒運移規律[13,14]。

土壤入滲過程可以用入滲模型進行描述。Horton模型認為入滲率會隨著入滲時間的推移而減小，主要是因為受到土壤表層因子的影響[15]，但其模型適用于粗略的估算流域的降雨入滲，難以精確的描述一點入滲；Philip模型和Green-Ampt模型均具有明確的物理意義，有著較為廣泛的應運，但Philip模型只適應于均質土壤一維垂直入滲，且入滲時間較短的情況，Green-Ampt模型主要用于研究初始干燥土壤在薄層積水時的入滲問題[16]。Kostiakov模型形式較為簡單，且能夠很好的表征本次試驗中土壤入滲過程。為探究涌泉根灌點源肥液入滲情況下的入滲特性，對肥液入滲和清水入滲的累積入滲量的實測數據用Kostiakov模型進行擬合。考斯加科夫公式為:

it=i1t-a

(1)

式中：it為任意時間的入滲速度，mm/min；i1為第一單位時間末的入滲速度，mm/min；t為入滲時間，min；α為經驗指數，α=0.3～0.8，初始含水量越高，α越小。

累計入滲量與入滲時間的關系可用下式進行計算：

(2)

式中：i0為第一個單位時間內土壤滲吸的平均速度。

將式(2)變形為：

Z=Ktα

(3)

式中：Z為涌泉根灌肥液自由入滲累積入滲量，L；K為入滲系數，L/min；α為入滲系數，無因次；t為入滲時間，min；具體擬合結果如下：

肥液入滲：Z= 0.093t1.035，R2= 0.998

(4)

清水入滲：Z= 0.024t1.292，R2=0.990

(5)

可看出， Kostiakov模型中肥液入滲的入滲系數大于清水，但入滲指數小于清水。取顯著性水平為0.01，分別分析清水和肥液入滲的實測數據，R2均大于臨界相關系數rd(0.605 5)，表明Kostiakov能夠很好的描述涌泉根灌肥液累積入滲量隨時間變化的關系。此外，入滲率與時間之間也符合冪函數關系，將其進行擬合，結果如下：

清水入滲i= 0.336t-0.22，R2=0.987

(6)

肥液入滲i= 0.334t-0.18，R2=0.995

(7)

可看出，肥液入滲時入滲率的入滲系數要低于清水入滲，而入滲指數要大于清水。取顯著性水平位0.01，分別分析清水和不同肥液濃度的實測數據，R2均大于臨界相關系數rd(0.605 5)，表明涌泉根灌的入滲率變化可以較好的用冪函數表述。

為驗證Kostiakov模型對模擬涌泉根灌入滲模擬的精度，將肥液濃度為50 g/L的涌泉根灌累積入滲量的實測值使用模型擬合，擬合結果見表2。

表2 實測值與模型擬合值對比表Tab.2 Comparison of simulated and measured values by the model

可以看出該模型的模擬值與實測值的相對偏差均在5.18%以內，可以利用此模型進行涌泉根灌累積入滲量的模擬。

2.2 涌泉根灌肥液入滲土壤濕潤峰運移特性

圖5為涌泉根灌點源肥液入滲(肥液濃度50 g/L)與清水入滲豎直剖面濕潤鋒隨時間的變化過程?？梢钥闯觯咳嗳霛B濕潤鋒運移形狀近似為橢圓形，清水入滲與肥液入滲的濕潤鋒運移具有相似的規律，濕潤鋒的運移速度開始較快，隨著時間的推移，運移速率逐漸減慢；肥液入滲在豎直方向的入滲速率要快于清水入滲，但在水平方向的入滲要慢于清水。在30 min之前，肥液入滲與清水入滲濕潤鋒的運移差異并不顯著，入滲30 min時，肥液入滲的濕潤鋒的豎直運移距離為16.2 cm，清水入滲的為15.7 cm；隨著時間的增加，濕潤鋒間的變化表現得更為顯著。入滲45 min時，肥液入滲的豎直濕潤鋒運移距離為24.6 cm，清水入滲的距離為20.5 cm。

圖5 涌泉根灌點源入滲濕潤鋒運移曲線Fig.5 Wetting front transport curve under suger-root irrigation point source infiltration

由數據還可以得出，入滲初期，水平濕潤鋒的運移速度比豎直方向的運移速度快，這是由于入滲開始基質勢起主導作用，水平濕潤鋒由0瞬時增大，大于豎直濕潤鋒的運移距離；隨著時間的推移，肥液入滲濕潤鋒在豎直方向的變化超過水平運移的速度，這是由于土壤水分運動在豎直方向受到基質勢和重力勢的共同作用，土壤水勢梯度減小，導致土壤水向下的運動增強，而水平方向只有基質勢的影響，這一點說明濕潤體的形狀為橢球體[17,18]。肥液入滲到10 min時豎直濕潤鋒運移距離超過水平濕潤鋒運移距離(此時豎直為9.3 cm，水平位8.3 cm)，清水入滲到25 min時豎直濕潤鋒超過水平濕潤鋒(此時豎直為15.7 cm，水平位15.5 cm)。

圖6為灌水量為30 L，滴頭流量為7 L/h時的清水和肥液濃度分別為33.3、41.7和50 g/L的涌泉根灌點源入滲在水平剖面上濕潤鋒運移隨時間變化的關系曲線?？梢钥闯?，濕潤鋒的運移距離隨時間的增加而增加，運移速率隨著時間的推移而減弱；濃度越大，濕潤鋒運移距離越慢；水平方向的濕潤鋒運移速度要快于豎直方向。

圖6 水平剖面濕潤鋒運移隨時間關系曲線Fig.6 Variation of wetting in horizontal profile

經分析，在水平剖面上的水平濕潤鋒和豎直濕潤鋒運移曲線符合冪函數規律，對其結果擬合見表3。

圖7為灌水量為30 L，滴頭流量為7 L/h時的清水和肥液濃度分別為33.3、41.7和50 g/L的涌泉根灌點源入滲在豎直剖面上濕潤鋒運移隨時間變化的關系曲線。可以看出，水平方向與豎直方向的濕潤鋒運移距離具有不同的變化規律；在水平方向和豎直方向上的濕潤鋒運移距離均隨濃度的增大而增大。

表3 水平剖面濕潤鋒運移擬合結果Tab.3 Fitting result of wetting front transport in horizontal profile

圖7 豎直剖面濕潤鋒運移距離Fig.7 Variation of wetting in vertical profile

對豎直剖面上的濕潤鋒運移距離與時間進行冪函數擬合，結果如表4。

2.3 肥液濃度對涌泉根灌肥液入滲濕潤體含水率動態分布的影響

圖8為清水和濃度分別為33.3、41.7和50 g/L的肥液入滲灌水結束時和分布1 d以及再分布3 d的涌泉根灌灌水器中心

表4 豎直剖面濕潤鋒運移擬合結果Tab.4 Fitting result of Wetting front transport in vertical profile

垂向土壤含水量的分布情況?？梢钥闯?，灌水可以較大幅度提高土壤含水量。灌水結束時0～100 cm內的平均土壤含水量(21.56%)明顯高于CK(5.14%)。其他條件相同時，不同濃度的涌泉根灌入滲土壤含水量均具有相似的分布規律；在灌水結束時，表層(27%)和中層(26.23%)土壤含水量明顯高于底層(14.79%)，表層略高于中層；這是由于涌泉根灌灌水器埋設于距地表15 cm距離處，在灌水過程中，流量超過土壤的入滲能力，在灌水器中會形成一定程度的積水，隨著積水深度的不斷增大，向上運移的濕潤鋒與上邊界的水勢梯度變小，在土壤基質勢的作用下引起濕潤鋒向上運移的速率加快，導致表層土壤的含水量略高于中層土壤；而灌水量不足以下滲到底層土壤，所以底層土壤含水量最低。分布1 d后，土壤含水量的分布由表層開始向下運移，表現出表層低(18.1%)、中層高(19.96%)、底層低(14.93%)的變化趨勢。再分布3 d后，0～100 cm內土壤平均含水量較灌水結束時降低6.34%；清水與不同肥液濃度的涌泉根灌土壤平均含水量大致相等，分別為：14.25%、14.8%、15.58和16.25%。

在一定肥液濃度范圍內，不同肥液濃度間土壤含水量的分布表現出一定的差異；高濃度肥液入滲土壤含水量分布曲線位于低濃度之下，說明涌泉根灌入滲在相同深度處的土壤含水量隨著肥液濃度的增大而增大。這是由于水分運動為溶質運移的載體，而溶質又能反作用于土壤水分運動，肥液濃度越大，土壤中形成的團粒結構也越多，相同時間內濕潤體的濕潤深度越大，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。

由入滲階段研究結果可以看出，肥液入滲階段增加了總孔隙和非毛管孔隙，其通氣導水能力增強，水穩性團聚體數量顯著增高，因此入滲量隨肥液濃度的增加而增大，但土壤水再分布階段，實際上是土壤孔隙中水分充滿的狀態轉化為排水變空的動態過程，即土壤處于脫濕狀態，根據土壤特性可知，脫濕狀態下的土壤孔隙一般來說變空的順序為從大到小，大孔隙中大部分為非毛管孔隙組成，因此再分布階段土壤的通氣導水能力變為排水能力，肥液濃度越大，再分布階段非毛管孔隙排水能力越強，排水量越大，而肥液濃度較小，再分布階段非毛管孔隙數量較低，排水能力較弱，相同再分布時間土壤排水速度較慢，排水量較少，因此當再分布達到一定時間時，肥液濃度下的含水率分布不如入滲階段含水率分布差異性明顯。

圖8 不同肥液濃度對灌水器處濕潤體土壤含水量分布圖Fig.8 Variation of vertical soil water content at emitter in different fertilizer concentration

2.4 肥液濃度對涌泉根灌肥液入滲濕潤體形狀的影響

圖9為灌水量為30 L，滴頭流量為7 L/h時的清水和肥液濃度分別為33.3、41.7和50 g/L的涌泉根灌點源入滲數值剖面上濕潤鋒運移距離與時間的關系曲線?？梢钥闯觯綌U散距離和豎直入滲深度均隨著入滲時間的增加而增加，但濕潤體運移速率逐漸減?。蝗霛B初期，由于供水強度大于土壤入滲能力，水平擴散速度略快于豎直入滲速度，隨著灌水時間的增加，豎直方向重力勢作用增大，導致濕潤鋒豎直比水平運移距離大。入滲肥液濃度越大，垂直剖面上水平方向運移距離越小，豎直方向運移距離就越大，涌泉根灌肥液入滲條件下濕潤體的形狀近似為橢球體，且隨著濃度的增大，灌水結束時濕潤體形狀越寬而深。