沼液穴灌入滲特征及Philip入滲模型擬合

鄭 健,張彥寧,王 燕,張恩繼

(1.蘭州理工大學西部能源與環境研究中心，甘肅 蘭州 730050；2.甘肅省生物質能與太陽能互補供能系統重點實驗室，甘肅 蘭州 730050；3.蘭州理工大學能源與動力工程學院，甘肅 蘭州 730050)

我國在“十二五”規劃期間，戶用沼氣和規模化沼氣工程發展迅速，利用生物質能已經是我國村鎮能源建設的主要方向之一。截止2015年底，我國已有5000多萬口戶用沼氣池[1]。但沼氣的生產伴隨著沼液的產生，大量沼液的隨意排放，必然會對環境造成危害。中國農業部于2015年印發的《到2020年化肥使用量零增長行動方案》[2]中提倡采用有機肥替代化肥，而沼液是一種含有水溶性及多種養分的速效有機肥，更易于植物吸收利用[3]。國內外相關研究也多集中于沼液灌溉對作物產量[4-6]及品質[7-9]、地下水水質[10]、土壤中重金屬累積[11-12]以及土壤肥力[13-15]的提高等方面，而對于沼液土壤入滲機理的基礎性研究鮮見報道。課題組在調研過程中發現農民灌溉施用的沼液粘性較純水高且含有一定量的有機懸浮顆粒，而研究表明沼液中的有機懸浮顆粒有利于土壤環境改善[16-17]，但從土壤入滲角度分析液體的粘性[18]和顆粒含量均會對土壤入滲特性產生不可忽略的影響[19-21]。因此，為使沼液在農田中更科學、合理的應用，有必要針對沼液特點開展入滲特征研究。

沼液穴灌技術是農民在設施農業生產中總結的一種節水、節肥技術，具有簡單、低成本、易操作的特點，現在已經成為農村沼液應用的最主要方式之一。但目前該技術的實施主要根據經驗，對其相關的試驗研究和理論分析還少見報道。基于此，本文以沼液穴灌技術為基礎，通過室內試驗研究分析沼液配比、穴孔直徑和土壤容重對土壤入滲特征的影響，利用數理統計方法分析影響沼液穴灌入滲的因素和濕潤體變化規律，同時應用具有明確物理意義的Philip入滲模型對沼液穴灌累積入滲量進行擬合分析。以期為獲得合理的沼液穴灌技術參數提供理論支撐，解決水/沼液一體穴灌技術在實際應用中遇到的問題。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及裝置

試驗土壤取自甘肅省蘭州市周邊正常使用的溫室大棚表層0～40 cm的土壤，經過自然風干、粉碎后，過2 mm孔徑的土壤篩備用，土壤顆粒級配見表1，按照中國土壤分類標準其土壤類型為粉質壤土，田間持水量為22.23%(質量含水率)。沼液取自正常使用的戶用沼氣池，原料以牛糞和麥秸為主，發酵物總固體質量分數(TS)為8%，經曝氣靜置2個月，待其理化性質穩定后，用紗布過濾掉沼液中較大的顆粒備用。試驗裝置主要由土箱和馬氏瓶組成，如圖1所示。土箱為30°扇形有機玻璃裝置，高和寬分別為50 cm和40 cm，馬氏瓶用來提供恒定水頭，容量520 mL。

1.2 試驗設計

試驗設置土壤容重、沼液濃度和穴孔直徑3個控制因素。土壤容重為1.35 g·cm-3和1.45 g·cm-3，依據前期預試驗結果，設置4個沼液與水的配比(沼液∶水，體積比)，分別為1∶4、1∶6、1∶8和純水(CK)，3個穴孔直徑，分別為3、5 cm和7 cm，設定孔深為5 cm。每組試驗設置兩組重復，共計72組試驗，取平均值作為試驗結果。

1.3 試驗方法

1.3.1 沼液理化性質 試驗開始前測定不同配比的理化性質，采用電導率儀(雷磁DDS-11A)測定不同濃度沼液的電導率值；利用烘干稱量法測量不同濃度沼液中的干物質質量；利用奧氏粘度計測定不同濃度沼液的相對粘度；全氮含量采用凱式定氮法測定；硝態氮含量采用紫外分光光度計測定[22]；銨態氮采用納氏試劑比色法測定[22]。測定結果見表2。

1.馬氏瓶;2. 進水管;3.排氣管;4.穴孔; 5.土槽;6.濕潤峰;7.取樣點;8.土體1. martensitic bottle;2. inlet pipe;3. exhaust pipe;4. soil hole; 5. soil bin;6. wetting front;7. sampling point;8. soil圖1 試驗裝置及取樣示意圖Fig.1 Schematic diagram of the test equipment and sampling

1.3.2 穴灌試驗 試驗土體采用分層填裝(每層5 cm)，依據土壤容重計算每層裝土質量，用電子秤(感量為0.01 g)稱量；按設定沼液與水的配比裝入馬氏瓶，用乳膠軟管將馬氏瓶出水孔與試驗土槽連接。為方便在試驗中記錄數據，根據實際穴灌濕潤體的形狀，在土槽邊壁繪制間距5 cm的網格線。然后，同時打開馬氏瓶出水孔和排氣孔閥門，當沼液進入穴孔時開始計時，隨著試驗的進行，當濕潤峰運移到與水平或者垂向的網格線相切時(網格密度5 cm×5 cm)，記錄一次入滲時間和累積入滲量，并用記號筆在土槽邊壁上繪制濕潤鋒運移曲線。當入滲量達到520 ml(馬氏瓶最大容量)或者入滲時間達到10 h以上時，關閉馬氏瓶的進水孔和排氣孔閥門，待穴孔內沼液入滲完，試驗結束，立即取土樣測定土壤質量含水率。

表1 土壤顆粒級配

表2 不同配比沼液理化性質

2 結果與分析

2.1 沼液穴灌土壤入滲規律

2.1.1 累積入滲量變化規律 由圖2可以看出，不同試驗處理的累積入滲量在初始階段增加較快，隨著入滲歷時的延長，累積入滲量增加幅度逐漸降低，其中CK處理累積入滲量增加幅度明顯大于沼液處理。相同土壤容重及沼液配比條件下累積入滲量隨著穴孔直徑的增加而增大。在相同土壤容重及穴孔直徑條件下累積入滲量隨著沼液配比的降低而增大。當入滲歷時180 min時，容重為1.45 g·cm-3的CK處理累積入滲量分別是沼液配比為1∶4、1∶6、1∶8處理的3.47、2.64、2.16倍；容重為1.35 g·cm-3的CK處理累積入滲量分別是濃度為1∶4、1∶6、1∶8處理的3.62、3.12、2.77倍。

初步分析產生的原因為：(1)在入滲初始階段，表層土壤干燥，含水率較低，土壤基質勢較大，基質吸附力起主要作用，另一方面，由于表層土壤存在相互連通的大孔隙和傳導孔隙[23]，水分入滲的氣相阻力較低，其毛管作用也較為明顯，故初始累積入滲量增加較快，隨著入滲試驗的進行，土壤的含水率逐漸增加，土壤表層水分飽和層也逐漸加厚，土壤基質的吸力梯度逐漸減弱，加上通氣孔隙的減少，氣相阻力逐漸增大，毛管作用隨之降低，入滲速率也逐漸降低，當入滲進行到一定時間后，土壤基質的吸力梯度和毛管作用趨于零，在重力作用下，入滲速率會維持在一個較為穩定的水平上[24-25]。(2)穴灌過程中，累積入滲量受到土壤基質勢作用影響，同時重力勢的影響也不可忽略。隨著穴孔直徑的增加，重力勢的作用越顯著，在入滲過程中，土壤基質勢作用逐漸降低，重力勢起主導作用，致使累積入滲量隨著穴孔直徑的增加呈遞增趨勢。(3)沼液入滲過程中，沼液中的有機懸浮顆粒在土壤的表層沉積，形成沉積層，與CK處理相比，該沉積層改變了穴灌入滲的邊界條件，起到了阻滲作用，并且隨著沼液中有機懸浮顆粒含量的增加阻滲作用越明顯。同時，由于液體在土體中的流動速度慢，土壤孔隙小(當土壤容重為1.35 g·cm-3時，當量孔徑0.03 mm以上占10.26%、0.03～0.0038 mm占16.50%、0.0038～0.0004 mm占7.7%，而0.0004 mm以下占64.54%[26])，液體在土壤中的流態為層流，而層流狀態下液體的粘性會增加液體運動的阻力[18]。

注：a.土壤容重1.35 g·cm-3, 孔徑3 cm;b. 土壤容重1.35 g·cm-3, 孔徑5 cm;c. 土壤容重1.35 g·cm-3, 孔徑7 cm;d. 土壤容重1.45 g·cm-3, 孔徑3 cm;e. 土壤容重1.45 g·cm-3, 孔徑5 cm;f. 土壤容重1.45 g·cm-3, 孔徑7 cm。Note: a. soil bulk density 1.35 g·cm-3, hole diameter 3 cm; b. soil bulk density 1.35 g·cm-3, hole diameter 5 cm; c. soil bulk density 1.35 g·cm-3, hole diameter 7 cm; d. soil bulk density 1.45 g·cm-3, hole diameter 3 cm; e. soil bulk density 1.45 g·cm-3, hole diameter 5 cm; f. soil bulk density 1.45 g·cm-3, hole diameter 7 cm.圖2 不同處理對沼液累積入滲量的影響Fig.2 The influence of different treatment on the cumulative infiltration volume of biogas slurry

2.1.2 累積入滲量影響因素分析 為進一步闡明不同土壤容重、穴孔直徑和沼液配比與累積入滲量之間的關系，應用數理統計方法建立了累積入滲量(It)與土壤容重(x1)、穴孔直徑(x2)和沼液配比(x3)間的經驗模型，并對其偏回歸系數值進行了檢驗。回歸分析及方程檢驗結果如式(1)所示。

(1)

式中,It為累積入滲量,x1為土壤容重,x2為穴孔直徑，x3為沼液配比，*為P=0.05水平上差異顯著，**為P=0.01水平上差異顯著。

由式1可以看出，累積入滲量與土壤容重、穴孔直徑和沼液配比回歸方程的決定系數(R2)值達到了0.91，各影響因子t檢驗分別為0.40、2.94、-13.86，均到達了顯著和極顯著水平，P檢驗均小于0.05。表明該回歸方程擬合度較高，適應性較好。回歸方程中累積入滲量與土壤容重、穴孔直徑和沼液配比的偏回歸系數檢驗均達到顯著或極顯著水平，即土壤容重、穴孔直徑和沼液配比的變化均會對累積入滲量產生影響。

從回歸方程各因素的擬合系數分析，穴孔直徑與累積入滲量呈正相關，土壤容重、沼液配比與累積入滲量呈負相關，即隨穴孔直徑增加累積入滲量呈逐漸增大趨勢，而隨土壤容重、沼液配比的增加累積入滲量呈逐漸減小趨勢。從系數值的大小來看，試驗中沼液穴灌受沼液配比的影響最大，土壤容重次之，穴孔直徑最小。因此，沼液穴灌過程中，要充分考慮土壤容重、穴孔直徑和沼液配比耦合作用對累積入滲量的影響。

2.2 沼液穴灌濕潤體形狀變化規律

以穴孔底部的水平直線為水平軸，穴孔側壁與土壤接觸面為垂直軸建立坐標系，量取實測不同處理的水平最大濕潤距離(H)和垂向最大濕潤距離(V)，并建立函數關系，分析濕潤體變化規律，結果如表3所示。由表可知：穴孔直徑為3 cm時水平最大濕潤距離大于垂向最大濕潤距離，穴孔直徑為5 cm和7 cm時水平最大濕潤距離小于垂向最大濕潤距離，且差異隨穴孔直徑的增加而增大，表明隨穴孔直徑的增加，濕潤體形狀會逐漸由水平軸大于垂直軸的橢球體趨向于水平軸小于垂直軸的橢球體；土壤容重為1.45 g·cm-3各處理的濕潤體水平最大濕潤距離與垂向最大濕潤距離差異明顯小于土壤容重為1.35 g·cm-3的各處理，結果表明相同處理條件下土壤容重的增加會使濕潤體趨向于球體。

形成上述規律的主要原因為：(1)入滲初期基質勢作用是濕潤鋒運移的主要驅動力，穴孔直徑為3 cm時，沼液與穴孔邊壁的接觸面積大于其底面積，因而受到基質勢的影響作用比穴孔直徑為5 cm和7 cm時更大，使得水平濕潤距離大于垂向濕潤距離。隨穴孔直徑的增加，重力勢作用逐漸大于基質勢，使濕潤鋒在水平方向上的運移速率逐漸小于垂直方向上的運移速率；(2)同一質地土壤大孔隙比例均隨土壤容重增大而遞減[27]，而土壤中大孔隙比例的降低減弱了壓力勢對土壤垂向入滲的影響。

2.3 沼液穴灌濕潤鋒運移擬合分析

穴灌入滲中水平最大濕潤距離(H)與垂向最大濕潤距離(V)呈線性關系(見表3)，為進一步分析穴灌條件下濕潤鋒運移與時間的關系，將水平最大濕潤距離(H)隨時間的變化曲線采用y=mxn進行擬合，結果如表4所示。擬合結果中各處理擬合指數(n)均小于1，說明當入滲時間趨于無窮大時，單位時間濕潤距離的增加速率逐漸減小并最終趨于穩定。擬合方程決定系數(R2)均在0.97以上，說明穴灌入滲時濕潤鋒的最大濕潤距離與時間的函數關系可以用冪函數進行描述。

2.4 沼液穴灌Philip入滲模型擬合分析

Philip入滲模型具有結構簡單、參數少、物理意義明確的特點，便于建立其特征參數與土壤物理特征間關系，并在田間入滲試驗資料中得到了很好的驗證[28]。因此，本文采用Philip入滲模型對沼液穴灌累積入滲量進行擬合分析。

Philip入滲模型是根據垂直入滲的級數解獲得的，其累積入滲量可表示為[29]：

I(t)=St0.5+At

式中,I(t)為累積入滲量(mL)，t為入滲時間(min)，S為土壤吸滲率(mL·min-0.5)，A為土壤穩定入滲率(mL·min-1)。

分析Philip入滲模型擬合結果發現(見表5)：(1)Philip入滲模型中土壤穩定入滲率(A)在沼液處理中的值均為負值，CK處理中均為正值，且隨著穴孔直徑的增加而增大。(2)Philip入滲模型能夠準確描述沼液穴灌累積入滲量隨時間的變化規律，決定系數R2均在0.98以上。(3)土壤容重及沼液配比一定時，土壤吸滲率(S)隨穴孔直徑的增大而增加；土壤容重及穴孔直徑一定時，土壤吸滲率(S)隨沼液配比的降低而增加，即1∶4<1∶6<1∶81.45 g·cm-3。

Philip入滲模型表明，在入滲初期，土壤吸滲率(S)起主要作用，隨著入滲時間的增長，土壤穩定入滲率(A)則成為影響入滲的主要因素[29]，且通常為正值。管瑤等[30]在土壤點源入滲自動測量系統監測滴頭下土壤濕潤過程研究中采用Philip入滲模型進行擬合分析時出現土壤穩定入滲率(A)為負值的結果，作者分析這可能與Philip模型的衰減系數固定為-0.5相關，-0.5的衰減系數限制了Philip入滲模型只能適用于某些特定土壤。但范嚴偉等[28]采用Philip入滲模型對中壤土、沙壤土、壤土和沙土進行擬合分析的結果表明土壤累積入滲量變化過程符合Philip模型，且土壤穩定入滲率(A)為正值。國內外學者王全九[31]、史曉楠[32]和Alagna V.[33]等對Philip入滲模型的研究也表明Philip入滲模型對不同土壤均具有較好的適應性。同時，本文采用Philip入滲模型進行擬合分析時，沼液處理土壤穩定入滲率(A)為負值，而CK(純水)處理為正值。因此，本文認為沼液穴灌中土壤穩定入滲率(A)為負值，與沼液的粘性及所含有的有機懸浮顆粒有關。土壤吸滲率(S)隨穴孔直徑、沼液配比和土壤容重變化規律產生的原因，與累積入滲量變化規律形成原因相同。

表4 水平最大濕潤距離與時間擬合參數

表5 Philip入滲模型擬合參數

Table 5 Fitting parameters of Philip infiltration model

土壤容重/(g·cm-3)Soil bulk density沼液配比Ratio of biogas slurry孔徑/cmAperture SAR21.351∶41∶61∶8CK36.1186-0.11400.9875512.3800-0.22250.9819715.1884-0.22130.995438.1776-0.05220.9954515.1897-0.24850.9942716.9528-0.23760.9964313.0832-0.15380.9986517.2512-0.19750.9963722.8406-0.49460.9881316.51501.18810.9994524.06351.29660.9990726.79041.35560.99801.451∶41∶61∶8CK39.7628-0.14510.9927510.4763-0.13910.9891714.3129-0.26980.985239.5383-0.04260.9950513.1333-0.15950.9882716.3985-0.31530.9935311.6212-0.12570.9937515.6369-0.17690.9942719.6169-0.19690.9924315.37060.93320.9977518.67201.18910.9952720.44501.27460.9966

3 結 論

1)沼液穴灌累積入滲量隨著沼液配比和土壤容重的增大而降低，隨著穴孔直徑的增加而增大；CK處理累積入滲量增加幅度明顯大于各沼液配比處理；應用數理統計方法建立的累積入滲量與土壤容重、穴孔直徑和沼液配比的回歸方程，決定系數R2值達到0.91，擬合良好。表明在沼液穴灌實施中要充分考慮土壤容重、穴孔直徑和沼液配比耦合作用對累積入滲量的影響。

2)隨穴孔直徑的增加，沼液穴灌形成的濕潤體形狀會逐漸由水平軸大于垂直軸的橢球體趨向于水平軸小于垂直軸的橢球體；相同沼液配比和穴孔直徑條件下土壤容重的增加會使濕潤體趨向于球體；沼液穴灌濕潤鋒最大濕潤距離與時間的函數關系可以用冪函數進行描述。

3)Philip入滲模型能夠準確描述沼液穴灌累積入滲量隨時間的變化規律，決定系數R2均在0.98以上；土壤吸滲率(S)隨穴孔直徑的增大而增加，隨沼液配比和土壤容重的增加而降低；土壤穩定入滲率(A)為負值，與沼液的粘性及所含有的有機懸浮顆粒有關。

4)綜合考慮土壤容重、穴孔直徑和沼液配比對累積入滲量和濕潤體變化的影響，建議的實施方案為：1.35 g·cm-3、5 cm、1∶6和1.45 g·cm-3、7 cm、1∶8。