不同施N濃度下滴頭流量對土壤水分運移的影響研究

蘇振娟，尹 娟,2,3，吳軍斌，劉宇朝，劉學智

(1.寧夏大學 土木與水利工程學院，銀川 750021；2.旱區現代農業水資源高效利用教育部工程中心，銀川 750021；3.寧夏節水灌溉與水資源調控工程技術研究中心，銀川 750021)

0 引 言

我國作為一個農業大國，水土資源的不足嚴重制約著我國的農業發展，尤其是我國西北地區經濟作物的發展。因此，大力發展節水灌溉，推廣節水農業，對實現水資源可持續利用具有重要意義，也是解決我國缺水危機的根本出路[1,2]。隨著節水農業的快速發展，我國在新型節水灌溉方法上做了很多努力，并取得了一定成果。自20世紀90年代以來，節水灌溉得到了快速發展，而在眾多的灌溉技術當中，滴灌是效果較為理想的方式之一。滴灌是一種根據作物需水量，通過灌水器將水和液體肥料小流量、長時間、高頻率地灌溉到作物根區的一種現代精準節水灌溉技術[3,4]。相比傳統灌溉方式，滴灌省水節能、灌水均勻度高，不僅有助于作物根系對水分、養分的吸收，也可防止深層滲漏和肥料流失等損失，對減弱土壤次生鹽堿化和實現作物經濟效益最大化具有現實意義[5,6]。適宜的水肥組合有利于作物協調生長，達到養分高效利用，實現以肥調水、以水促肥效果[7-9]。大多學者通過實驗研究了灌水量和施肥量對水分分布、運移及濕潤體特征等的影響，認為灌溉定額和施肥量是影響地下滴灌土壤水分運移和滴灌濕潤體的決定性因素[10,11]。因此，對滴灌條件下土壤水分運移、濕潤體特征及其影響因素的研究，是完善滴灌系統設計和提高滴灌水利用效率的前提和基礎。

寧夏位于黃土高原、蒙古高原和青藏高原交匯處，屬干旱半干旱地帶，是我國生態安全戰略格局的重要組成，也是我國旱區農業的主要發展地區之一。然而，干旱少雨、蒸發強烈、生態環境敏感復雜等問題使得寧夏水資源供需矛盾日益突出。隨著我國節水農業布局的進一步完善，寧夏將成為西北地區最主要的旱區高效節水農業發展區之一，截止2017年底寧夏已發展高效節水灌溉面積15.3 萬余hm2，其中微灌面積占全區高效節水灌溉面積的70%左右[12]。目前針對滴灌技術的研究主要集中在滴灌制度及滴灌參數設計上，然而關于滴灌對寧夏中部干旱帶灰鈣土壤水分運移及滴灌濕潤體影響的研究較少。為了探明滴灌施肥對土壤水分運移規律的影響，文章開展了寧夏中部干旱帶滴灌點源入滲土箱模擬實驗，研究同一施肥濃度，不同滴頭流量下土壤水分運移規律，為滴灌系統的設計、運行管理和提高作物水分利用效率提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤取自寧夏中部干旱帶吳忠市同心縣下馬關鎮枸杞種植基地。土壤為灰鈣土，基本物理參數如表1所示，土壤基本理化性質如表2所示。

表1 土壤物理參數Tab.1 Soil physical parameters

表2 土壤基本理化性質Tab.2 Basic physical and chemical properties of soil

1.2 試驗設計

點源滴灌入滲實驗由馬氏瓶和矩形有機玻璃土箱組成，土箱長、寬、高為60 cm×50 cm×60 cm，滴頭用橡膠軟管代替，試驗裝置示意圖如圖1所示。根據枸杞生產實際情況，以0～40 cm深度作為試驗的計劃濕潤層[13-15]。土壤自然風干、粉碎、過篩(2 mm)后，按5 cm一層進行分層裝土，共8層，40 cm。裝土后箱內土壤均勻沉降24 h，使土壤剖面初始條件完全相同。由于滴灌入滲時，水分運動形成的濕潤體具有對稱性，因此本實驗選取滴灌形成濕潤體的1/4為研究對象，試驗過程中把滴頭放在土箱的直角處[14]。待出水口滴頭流量達到穩定后固定好滴頭，開始試驗并計時，待垂直濕潤鋒運移深度為350 mm處停止灌水。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the test device

1.3 試驗方法及觀測內容

試驗共設2個因素，分別為滴頭流量和施氮濃度。滴頭流量為0.3、0.5、0.7、0.9 L/h(q1、q2、q3、q4)；氮肥(硝酸銨)濃度為200、300、400、500 mg/L(N1、N2、N3、N4)。采用完全隨機組合設計，總計16組實驗。試驗將濕潤體的1/4作為研究對象，所以4種不同的滴頭流量實際上分別相當于1.2、2.0、2.8、3.6 L/h的田間實際滴頭流量。

滴水24 h后用直徑為2 cm的土鉆分層取土，縱向和橫向取土間距均為5 cm，直至未濕潤土壤停止。土壤含水率用烘干法測定。

2 結果與分析

2.1 水平向土壤含水率變化規律

通過對深度0～40 cm的水平向土壤含水率統計分析(如表3所示)，發現0～20 cm土層含水率的顯著性高于20～40 cm。所以本文著重探討0～20 cm土層水平方向含水率變化規律。

表3 0～40 cm土層深度滴頭流量對含水率的影響統計Tab.3 Statistical analysis of the influence of the drip rate at the depth of 0～40 cm on the moisture content

注：P<0.05為顯著。

2.1.1 滴頭流量對水平向土壤含水率變化的影響

圖1為同一施氮濃度，不同滴頭流量下0～20 cm耕作層水平向土壤含水率的變化過程。施氮濃度為N1時，滴頭流量q1、q2、q3、q4的水平向土壤含水率分布在13.06%～19.26%、14.19%～20.43%、14.72 %～21.19 %和14.93%～21.60%，含水率差隨滴頭流量的增大而增大；N2水平下，滴頭流量q1、q2、q3、q4的水平向含水率在14.21%～20.23%、15.37%～20.60%、15.38%～21.50 %和16.10 %～21.89 %，滴頭流量含水率差大小關系為q3>q1>q4>q2；N3水平下，滴頭流量q1、q2、q3、q4的水平向含水率在15.68%～20.66%、15.91%～20.81%、16.21%～21.07%和16.42%～21.66%分布，其中q4的含水率差最大(5.24%)，q3最小(4.86%)，而q1和q2的相差不大；N4水平下，q1、q2、q3和q4含水率分布在16.04%～20.26%、16.51%～20.76%、17.06 %～21.31 %和17.33%～21.87%，含水率差分別為3.86%、4.25%、4.25%和4.54%。由此可以得出，當施氮水平一定時，滴頭流量越大，滴頭距離相同處的水平向含水率越高，且土壤含水率差越大；隨著施氮濃度的增大，不同滴頭流量對0～20 cm耕作層水平向土壤含水率分布的影響逐漸減弱。

點源滴灌入滲過程中，濕潤體含水率經過了24 h的再分布，受水勢梯度的影響，水分向四周擴散。并且在濕潤范圍內每個點處的含水率與周圍各點的含水率都不相同。離滴頭愈遠，基質勢和土壤的吸附作用越弱，濕潤體含水率愈小；在相同灌水時間內滴頭流量越大，總灌水量也就越大，基質勢和土壤的吸附作用越強，相應含水率就大。故在0～20 cm土層時，滴頭流量對該層土壤水平向含水率影響較大。

圖2 0～20 cm土層不同滴頭流量對水平向土壤含水率分布的影響Fig.2 Influence of different tip flows in soil layer 0～20 cm on horizontal soil moisture content distribution

2.1.2 滴頭距離對水平向含水率的影響

由不同滴頭流量水平向土壤含水率分布狀況可知，無論施氮水平和滴頭流量如何，0～20 cm土層的土壤含水率均隨距滴頭距離的增大而降低，且在濕潤鋒附近減幅明顯。為了量化土壤含水率與滴頭距離之間的關系，對0～20 cm土層土壤含水率與滴頭距離進行了非線性擬合，得出含水率與滴頭距離滿足二次多項式θ=AX2+BX+C(如表4所示)，并且擬合效果較好。從表4可以看出多項式系數A、B隨滴頭流量和施肥濃度的變化無明顯差異，其平均值分別為-0.003 72和0.023 53。而系數C在同一施氮濃度下，隨滴頭流量的增大而增大，進一步說明水平方向含水率受滴頭流量的影響較大。

表4 水平方向含水率擬合關系式及相關系數Tab.4 Horizontal relationship of water content fitting relationship and correlation coefficient

2.2 豎直方向土壤含水率變化規律

2.2.1 滴頭流量對豎直方向土壤含水率變化的影響

圖3為同一施氮濃度不同滴頭流量下，濕潤體豎直方向含水率的分布規律，從圖3可以看出隨著深度的增加，含水率不斷減小；靠近濕潤鋒處，滴頭流量越大，減幅越明顯。當施氮濃度為N1，滴頭流量為q1、q2、q3、q4時濕潤體含水率在14.83%～19.27%、15.08%～20.54%、15.44%～21.39%和15.61%～21.71%范圍內，且含水率差值隨著滴頭流量的增大而增大；N2水平下，滴頭流量q1、q2、q3、q4的含水率在15.69%～20.16%、15.80%～20.65%、16.80%～21.57%和17.16%～21.96%間分布，且含水率差的大小關系為q2>q4>q3>q1；當為N3時，滴頭流量q1、q2、q3、q4對應的含水率分布范圍為15.95%～20.69%、16.21%～20.79%、16.50%～21.20%、16.69%～21.45%，其中滴頭流量為q4時的含水率差最大，而q2的含水率差最小；N4水平，滴頭流量q1、q2、q3、q4對應的含水率分布范圍為16.46%～20.80%、16.88%～20.88%、17.18%～21.50%和17.71%～21.99%，滴頭流量q1的含水率差最大為4.34%，而q2的最小為4%。

水分在豎向分布過程中，主要受基質勢和重力勢的共同作用，隨著滴頭流量的增加，灌水量增大，重力勢增加，土壤水分向下運動增強，使得同一施氮水平下，滴頭流量越大，濕潤體深度越大，含水率范圍擴大。

圖3 不同滴頭流量對豎直方向含水率的影響Fig.3 The influence of different droplet flow rate on vertical moisture content

2.2.2 滴頭距離對豎直方向含水率分布的影響

由不同滴頭流量對豎直方向土壤含水率分布的影響可知，豎向土壤含水率均隨滴頭距離的增大而逐漸降低，且在濕潤鋒附近減幅明顯；為了量化豎向土壤含水率與滴頭距離之間的關系，對豎向含水率與滴頭距離關系擬合，發現含水率與距滴頭深度的也滿足二次多項式θ=AX2+BX+C，并且擬合效果良好，具體擬合關系見表5。從表5可以看出多項式系數A、B隨滴頭流量和施肥濃度無明顯變化，其平均值分別為-0.001 26和0.030 18。而系數C在同一施氮濃度下，隨滴頭流量的增大而增大。這也說明了，豎直方向含水率也受滴頭流量的影響較大。

表5 豎直方向含水率擬合關系式及相關系數Tab.5 Vertical relationship of water content fitting relationship and correlation coefficient

因為豎向相對水平方向，土壤質地較大，孔隙較小，不利于水分的運移擴散，含水率相對較大。故綜合對比水平方向與豎向含水率變化規律及擬合函數關系，可以發現同一施氮濃度和滴頭流量條件下豎向含水率大于水平向含水率。同時通過以上分析發現，當施氮濃度為N3(300 mg/L)時，不同滴頭流量對土壤水平方向和豎直方向水分分布的影響較其他施氮水平顯著。

2.3 水平向和豎直向含水率分布規律

為綜合研究4種滴頭流量作用下土壤含水率水平方向和豎直方向分布規律，以滴頭所在位置為坐標原點(0，0)，規定豎直向下為正，用Surfer軟件繪出施氮量在300 mg/L的等值線圖，在圖中，X與Z的物理意義是表示：到達滴頭的水平與豎直距離的遠近。

從圖5可以看出距原點越近，含水率等值線分布越密，距原點越遠，含水率等值線分布越疏。表明在點源滴灌下，距滴頭越近，土壤含水率越高，距滴頭愈遠含水率愈低，且濕潤區上部含水率變化率小而下部含水率變化較大。滴頭流量為q1時，濕潤區上部(0～20 cm)含水率等值線大體呈“U”形分布，濕潤區中部(20～30 cm)含水率等值線大體呈“屋脊形”，濕潤區下部(30～40 cm)含水率等值線大體呈水平帶狀分布；滴頭流量q2與q1的含水率分布規律一致；滴頭流量q3的濕潤區上部呈“U”形分布，中下部呈近似水平直線分布，土壤含水率等值線逐漸趨于平緩，等值線較密；滴頭流量為q4時，濕潤區上部呈“尖U字形”分布，中下部呈“屋脊形”分布。點源滴灌入滲下，土體經過24 h再分布，受水勢梯度的作用，水分向四周擴散，從水勢高的地方運動到水勢低的地方，水分含量不斷減小；隨著時間推移，水勢梯度逐漸減小，水分含量變化逐漸平穩呈現出疏到密的分布規律。

圖4 不同滴頭流量下濕潤體含水率等值線圖分布Fig.4 Distribution of contour map of wetted water content under different dripper flow rates

4種流量滴頭下方土壤含水率都小于飽和含水率(飽和含水率22%)，但隨著滴頭流量增加，滴頭下方高含水區(土壤含水率≥20.5%)范圍在擴大，而且高含水區距地表的范圍也在不斷增大。由表6可以看出，流量較小時，滴頭下方形成的高含水區距地表的距離小。隨著滴頭流量的增大，相應的最大含水率也在增大。濕潤鋒附近含水率也隨著滴頭流量的增大而增大。因此，小流量滴灌可能對抑制地表蒸發具有積極作用。但是大流量會破壞周邊土壤結構。所以在選用滴頭流量時，要考慮滴頭流量是否會破壞滴頭附近的土壤。

表6 不同滴頭流量下高含水區情況Tab.6 High water-bearing area under different dripper flow rates

3 結 語

通過室內試驗點源滴灌條件下土壤水分運移過程分析可以得出以下結論。

滴頭流量是影響土壤濕潤體含水率的主要因素。同一施肥濃度下滴頭流量越大，同一位置處的含水率越大。

豎直方向含水率大于水平向含水率。同一施氮水平下，在豎直方向，隨著滴頭流量的增加，豎直方向的重力勢增加，越有利于水分在豎直方向的擴散，相應濕潤體含水率較高。

濕潤區上部含水率等值線大體呈“U字形”分布，中部含水率等值線大體呈“屋脊形”，下部含水率等值線大體呈水平帶狀分布，濕潤體水分分布呈上部復雜、下部簡單的特征。

滴頭下方存在高含水區，且隨著滴頭流量的增加，高含水區范圍不斷增大。且濕潤鋒附近含水率也隨著滴頭流量的增大而增大。

滴頭流量和施氮濃度都會在一定程度上影響灌溉水在土壤中的分布規律。滴頭流量是影響水分在土壤中主要因素，這與張亞南[16]研究得出的結論一致。土壤含水率大小隨著滴頭流量的增大而增大，大流量滴頭灌溉有利于擴大土壤濕潤面積，小流量滴頭有利于抑制土壤蒸發。

本實驗假設土壤均質各向同性，沒有考慮土壤其他物理性質對灌水在土壤中分布的影響。在接下來的研究中，要考慮不同土壤類型、容重對含水率的影響。