涌泉根灌下灌水器埋深對水氮運(yùn)移特性影響的研究

何 振 嘉

(1.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，西安 710075；2.國土資源部退化及未利用土地整治工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710021)

涌泉根灌是一種通過將水肥輸送到果樹根部灌溉的灌水方式[1]。灌水器在涌泉根灌水流過渡器的保護(hù)下可較大程度的避免堵塞[2]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對微灌濕潤體水分入滲方面進(jìn)行了大量研究，取得了顯著成果[3,4]。同時(shí)，對不同灌水方式下土壤水分分布及濕潤鋒運(yùn)移情況的數(shù)值模擬也做了大量研究[5-7]，通過利用HYDRUS3D軟件對涌泉根灌水分運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬已較為成熟[8,9]。另外，對不同條件下的濕潤體特征值也進(jìn)行了較多研究，牛全文等[10]做了室內(nèi)入滲試驗(yàn)，結(jié)果表明各方向濕潤鋒運(yùn)移距離隨土壤初始含水率的增大而增大。費(fèi)良軍等[11]分析了入滲濕潤深度范圍內(nèi)肥液濃度分別對土壤氮素分布特性的影響。結(jié)果表明：涌泉根灌肥液濃度在50 g/L以內(nèi)時(shí)，累積入滲量與各方向濕潤鋒運(yùn)移距離均與時(shí)間存在著冪函數(shù)關(guān)系。劉顯等[12]對涌泉根灌不同灌水器埋深條件下土壤水分入滲進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，灌水器埋深對水分入滲濕潤體特性有較大影響。費(fèi)良軍等[13]研究涌泉根灌在不同土壤容重條件下濕潤體特性，結(jié)果表明，土壤容重越大，濕潤鋒運(yùn)移距離及濕潤體內(nèi)水分含量越小。吳恒卿等[14]做了雙點(diǎn)源入滲試驗(yàn)，結(jié)果表明流量和灌水器間距對涌泉根灌濕潤體特性均有一定影響。費(fèi)良軍等[15]和黎鵬紅等[16]研究了水分入滲濕潤體特性與滴頭流量的關(guān)系。樊曉康等[17]研究了水分入滲條件下灌水器埋深對濕潤體特性的影響。李卓[18]等研究了水分入滲條件下容重對入滲特性的影響。

綜上所述，國內(nèi)外對不同灌水方式下土壤水分運(yùn)移特性已進(jìn)行了大量研究，尤其在涌泉根灌土壤水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律方面也進(jìn)行了深入探討，研究重點(diǎn)多從水分入滲條件下濕潤體特性研究等方面開展，在肥液入滲條件下涌泉根灌濕潤體特性研究極少。本文通過對涌泉根灌肥液入滲條件下不同灌水器埋深入滲試驗(yàn)，揭示灌水器埋深對肥液入滲濕潤體特征值及水氮分布運(yùn)移的影響，以期為涌泉根灌水肥耦合技術(shù)的推廣提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

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

1.2 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

涌泉根灌入滲試驗(yàn)采用PVC馬氏瓶進(jìn)行自動(dòng)供水。灌水器流量為5 L/h，灌水量30 L，試驗(yàn)共設(shè)定3個(gè)灌水器埋深梯度，分別為15、25、35 cm，由灌水器高度減去裸露地面高度確定埋深。試驗(yàn)過程由馬氏瓶恒定供水，調(diào)節(jié)馬氏瓶底部旋鈕開度控制流量，并校驗(yàn)試驗(yàn)過程中部分時(shí)刻的灌水器流量，確保供水穩(wěn)定。

涌泉根灌灌水器高40 cm，外徑4 cm，灌水器配套套筒(PVC材料)壁厚2 mm，內(nèi)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(gè)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(jìn)入灌水器產(chǎn)生堵塞。灌水器安裝方式如圖1所示。

圖1 灌水器示意圖Fig.1 The schematic diagram of the emitter

1.3 試驗(yàn)方法及觀測內(nèi)容

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Experimental system structure

2 結(jié)果與分析

2.1 灌水器埋深對入滲特性的影響

圖3為不同灌水器埋深對累積入滲量和入滲速率關(guān)系曲線。可以看出，隨著入滲時(shí)間增長，累積入滲量(在一定時(shí)段內(nèi)通過單位面積的總水量)呈冪函數(shù)增大趨勢。隨著灌水器埋深增加，累積入滲量呈減小趨勢，入滲開始，累積入滲量差異較小，隨著時(shí)間增加，差異逐漸顯著。入滲初期，不同埋深條件下的入滲率均較大，隨著入滲時(shí)間增加，入滲速率(在單位時(shí)段內(nèi)通過單位面積的水量)逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定。隨著灌水器埋深加深，入滲率呈現(xiàn)減小趨勢，這主要是因?yàn)樯顚油寥烂軐?shí)度較大，入滲能力減小所致。

圖3 灌水器埋深對涌泉根灌累積入滲量及入滲速率的影響Fig.3 Effect of depth of irrigator on accumulated infiltration and infiltration rate of bubbled-root irrigation

經(jīng)分析，肥液入滲條件下不同灌水器埋深與累積入滲量變化符合Kostiakov入滲模型，其形式為：

Z=Ktα

(1)

式中：Z為涌泉根灌肥液自由入滲累積入滲量，mm；K為入滲系數(shù)，mm/minα；α為入滲系數(shù)，無因次；t為入滲時(shí)間，min；具體擬合結(jié)果見表2。

表2 累積入滲量擬合參數(shù)表Tab.2 The fitting parameters for cumulative infiltration

注：**為0.01水平顯著。

由表2可以看出，采用Kostiakov入滲模型，各參數(shù)擬合結(jié)果較好，相關(guān)系數(shù)均大于0.95，不同灌水器埋深模擬出來的相關(guān)系數(shù)均大于顯著性水平α=0.01時(shí)的臨界值。

使用式(1)對灌水器埋深為15 cm的試驗(yàn)進(jìn)行模擬計(jì)算，得到累積入滲量實(shí)測值和模擬值如表3所示。

表3 實(shí)測值與模型擬合值對比表Tab.3 Comparison of simulated and measured values by the model

由表3可以看出，該模型模擬值與大田試驗(yàn)實(shí)測值總體上相對偏差在-3.35%～3.54%以內(nèi)，說明采用式采用Kostiakov入滲模型計(jì)算涌泉根灌單位面積上累積入滲量是可靠的。

2.2 灌水器埋深對濕潤體特性的影響

2.2.1 灌水器埋深對濕潤鋒特性的影響

圖4為不同灌水器埋深不同方向濕潤鋒與時(shí)間關(guān)系曲線。水平方向和豎直方向的濕潤鋒運(yùn)移距離隨著灌水器埋深增加呈減小趨勢。在入滲100 min內(nèi)，濕潤鋒運(yùn)移速率之間的差異較為明顯，隨著時(shí)間的推移，不同埋深條件濕潤鋒運(yùn)移速率逐漸趨于一致。這主要是因?yàn)橥寥廊霛B能力隨埋深的增加而降低，開始入滲時(shí)，入滲能力間的差異較顯著，在土壤基質(zhì)勢的作用下，土壤入滲能力下降，這種差異逐漸弱化，濕潤鋒運(yùn)移速率趨于一致。

經(jīng)分析，不同灌水器埋深在涌泉根灌肥液入滲濕潤鋒運(yùn)移距離與時(shí)間t可用冪函數(shù)進(jìn)行擬合，即：

R(t)=Atb

(2)

式中：R(t)為水平(豎直)方向上的濕潤鋒運(yùn)移距離，cm；A、b均為擬合參數(shù)。

對圖4濕潤鋒運(yùn)移距離與時(shí)間利用冪函數(shù)擬合，結(jié)果見表4。

表4 濕潤鋒運(yùn)移距離擬合結(jié)果Tab.4 Wetting front migration distance fitting results

注：**為0.01水平顯著。

圖4 不同灌水器埋深濕潤鋒隨時(shí)間變化圖Fig.4 Different depth of wet front of emitters with time

由表4可以看出，相關(guān)系數(shù)均大于0.93，且均大于顯著性水平rα=0.01時(shí)的臨界值(0.605 5)，各向濕潤鋒運(yùn)移距離各參數(shù)擬合結(jié)果較好。經(jīng)分析，不同方向濕潤鋒運(yùn)移距離擬合的兩個(gè)參數(shù)A、b與灌水器埋深間表現(xiàn)為單變量變化，分別對A、b與灌水器埋深的關(guān)系進(jìn)行冪函數(shù)擬合。

對水平濕潤鋒運(yùn)移距離擬合參數(shù)A、b進(jìn)行分析，結(jié)果如下：

參數(shù)A：

A(h)x=39.401h-0.849R2=0.990

(3)

A(h)z=43.072h-0.837R2=0.989

(4)

參數(shù)b：

b(h)x=0.208h0.261R2=0.995

(5)

b(h)z=0.177h0.28R2=0.995

(6)

將參數(shù)的擬合結(jié)果帶入公式(2)，得到涌泉根灌水平方向和豎直方向濕潤鋒運(yùn)移距離隨時(shí)間和灌水器埋深變化的數(shù)學(xué)模型。見下式：

R(t,h)x=39.401h-0.849t0.208h0.261

(7)

R(t,h)z=43.072h-0.837t0.177h0.28

(8)

式中：R(t,h)x為涌泉根灌不同灌水器埋深條件下水平濕潤峰運(yùn)移距離，cm；R(t,h)z為涌泉根灌不同灌水器埋深條件下豎直濕潤峰運(yùn)移距離，cm；h為灌水器埋深，cm；t為灌水時(shí)間，min。

為驗(yàn)證模型精度，對灌水器埋深為25 cm的試驗(yàn)進(jìn)行模擬計(jì)算，使用公式(7)、(8)得到水平方向和豎直方向濕潤鋒運(yùn)移距離實(shí)測值和模擬值，見表5。

表5 水平方向和豎直方向濕潤鋒運(yùn)移距離實(shí)測值和模擬值Tab.5 Horizontal and vertical wetting front movement distance measured value and analog value

由表5可以看出，各方向濕潤鋒運(yùn)移距離的擬合值與實(shí)測值的相對偏差均在-4.91%～3.69%以內(nèi)，滿足精度要求，可利用公式(7)、(8)對不同灌水器埋深條件下水平和豎直濕潤鋒運(yùn)移距離進(jìn)行模擬。本試驗(yàn)中設(shè)置了相同土壤條件不同灌水器埋深處理對濕潤鋒運(yùn)移的影響，對于不同的土壤類型，不同的土壤初始含水率以及不同土壤容重等條件是否符合該公式將是今后研究的重點(diǎn)。

經(jīng)分析，濕潤體體積近似于橢球體，用橢圓方程表示，令：

(9)

式中：X、Z分別為水平和豎直方向濕潤鋒運(yùn)移距離，cm；A、B分別為對應(yīng)于X、Z向的橢圓軸。

將不同方向濕潤鋒運(yùn)移模型代入式(9)，得到不同灌水器埋深條件下濕潤體數(shù)學(xué)模型為：

(h=15,25,35；0 min

(10)

2.2.2 灌水器埋深對濕潤體體積的影響

涌泉根灌屬于地下灌溉，受重力勢和基質(zhì)勢的共同作用，不同灌水器埋深條件對準(zhǔn)確預(yù)測濕潤體水平方向濕潤距離是否能夠達(dá)到作物根系需要，豎直方向是否可以避免涌泉根灌深層滲漏的風(fēng)險(xiǎn)等方面具有重要意義。按照橢球體體積公式(9)計(jì)算不同埋深條件下濕潤體體積。

(11)

結(jié)果如表6所示。

表6 不同肥液濃度條件下濕潤體體積Tab.6 Moist body volume under different fertilizer concentration

從表6可看出，濕潤體體積隨著灌水器埋深增加呈遞減趨勢。與埋深15 cm時(shí)的濕潤體體積相比，灌水器埋深分別為25和35 cm時(shí)的濕潤體體積減小幅度分別為9.87%和15.83%。灌水器埋深越淺，濕潤區(qū)域越大，但容易引起較大的地表蒸發(fā)，灌水器埋深越大，濕潤區(qū)域越小，水分蒸發(fā)量越小，且濕潤深度更大，更符合棗樹根系較深的需求。

2.3 灌水器埋深對土壤含水率的影響

圖5(a)為灌水器埋深25 cm條件下距離灌水器位置不同處土壤含水率曲線。圖5(b)為不同灌水器埋深條件下距離灌水器位置相同處土壤含水率曲線。圖5(c)和圖5(d)為灌水結(jié)束、1 d及3 d時(shí)含水率曲線。

圖5 灌水器埋深對土壤含水率影響Fig.5 Effect of depth of irrigator on soil moisture content

從圖5可以看出，在相同埋深條件下，土壤含水率均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，距灌水器出水口越遠(yuǎn)，土壤含水率越低；隨著埋深增加，土壤含水率峰值的位置越低。埋深15、25和35 cm含水率峰值分別為20.05%、25.8%和26.92%、增幅為28.68%和4.34%，土層深度越深水分入滲越困難。隨灌水器埋深增加，灌水結(jié)束時(shí)豎直向下濕潤區(qū)域越深，上部濕潤區(qū)域越低，有助于可發(fā)揮涌泉根灌減小地表土壤蒸發(fā)的優(yōu)勢。在水分再分布過程中，土壤含水率總體降低，且在土層深度0～60 cm范圍含水率降低最為明顯。灌水器埋深越潛，土壤含水率降低越明顯，15和35 cm條件下灌水器出水口處含水率平均變化值分別為10%和8.4%；在深度90 cm以下區(qū)域，含水率波動(dòng)較小，說明在此區(qū)域以下，水分入滲能力相對較小，此階段灌水器埋深15和35 cm條件下灌水器出水口處含水率平均變化值分別為7%和5.5%。

2.4 涌泉根灌單點(diǎn)源肥液自由入滲氮素特性

圖6 不同灌水器埋深對含量的影響Fig. 6 Effect of different embedment depth on ammonium nitrogen content

2.5 灌水器埋深對土壤水、氮分布影響分析

2.5.1 灌水器埋深對土壤水分分布影響分析

選取計(jì)劃濕潤深度0～70 cm含水比率 及水分分布均勻程度Ed為分析指標(biāo)，對于一次灌水，水分分布應(yīng)以便于作物吸收為主，以試驗(yàn)區(qū)棗樹為例，根據(jù)棗樹根區(qū)主要分布在水平180 cm，垂直70 cm范圍的特點(diǎn)，此處選取計(jì)劃濕潤深度0～70 cm含水比率λ及水分分布均勻程度Ed為分析指標(biāo)，即：

(12)

式中：i為土壤深度，取值為10,20,…,100 cm；θm為質(zhì)量含水率，g/g。

(13)

利用公式(12)、(13)計(jì)算得到水分分布情況對不同肥液濃度下土壤水分的敏感系數(shù)。(計(jì)劃濕潤深度0～70 cm含水比率λ及水分分布均勻程度Ed權(quán)重均為0.5進(jìn)行)，判斷不同灌水器埋深對水分分布情況的影響程度。計(jì)算結(jié)果見表7。

表7 水分分布分析Tab.7 Water distribution analysis

由表7可以看出，灌水器埋深增加時(shí)，水分分布情況對灌水器埋深條件敏感性較高，達(dá)到0.224；灌水器埋深減小時(shí)，水分分布情況對灌水器埋深條件敏感性較低，僅是0.031。相比較而言，以埋深25 cm為基準(zhǔn)，增加灌水器埋深使得0～70 cm含水比率和水分分布均勻程度均降低，且水分分布均勻程度降低幅度較大。減小灌水器埋深，0～70 cm含水比率幾乎無影響，這是因?yàn)闇p小灌水器埋深幅度使得水分變化均在0～70 cm范圍內(nèi)；水分分布均勻程度略有提高，幅度較小。

選取計(jì)劃濕潤層0～70 cm含氮比率及氮素分布均勻程度為分析指標(biāo)，計(jì)算方法同公式(12)、(13)。通過計(jì)算肥液濃度的變化程度對分析指標(biāo)的影響，得到氮素分布情況對不同肥液濃度的敏感系數(shù)(以計(jì)劃濕潤層0～70 cm含氮比率及氮素分布均勻程度權(quán)重均為0.5進(jìn)行)，判斷不同灌水器埋深對氮素分布情況的影響程度。計(jì)算結(jié)果如表8所示。

表分布分析Tab.8 distribution analysis

3 結(jié) 語

(1)隨著灌水器埋深增加，涌泉根灌肥液入滲累積入滲量及入滲率均呈減小趨勢；累積入滲量與入滲時(shí)間之間符合Kostiakov冪函數(shù)模型關(guān)系；水平方向和豎直方向濕潤鋒運(yùn)移距離均隨入滲時(shí)間增長而增加，隨著灌水器埋深增加，各向濕潤鋒運(yùn)移距離呈減小趨勢，濕潤體體積逐漸減小，灌水器埋深15 cm較埋深25、35 cm形成的濕潤體體積減小幅度分別為9.87%、6.62%，雖然埋深較淺濕潤區(qū)域更大，但是較大的地表濕潤面增加了水分蒸發(fā)，而埋深大的濕潤區(qū)域雖有減小，但水分蒸發(fā)量小，且濕潤深度更大，生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)根據(jù)作物根系分布特征確定灌水器埋深深度更為合理。

(2)灌水器埋深不同，土壤含水率分布有較大差異，表現(xiàn)為隨著埋深增加，土壤含水率峰值出現(xiàn)位置越深。以含水率峰值為界限，峰值以上，隨灌水器埋深增加，相同位置處土壤含水率越低，峰值以下，相同位置處土壤含水率越高。以灌水器出水口為基準(zhǔn)，隨灌水器埋深增加，灌水結(jié)束時(shí)向下濕潤區(qū)域越深，而向上由于距離地表更遠(yuǎn)，濕潤區(qū)域更遠(yuǎn)離地表，表現(xiàn)出埋深增加，上部含水率越低的特點(diǎn)，這有助于減小地表蒸發(fā)損失。灌水器埋深增加時(shí)，水分分布情況對灌水器埋深條件敏感性較高；灌水器埋深減小時(shí)，水分分布情況對灌水器埋深條件敏感性較低。