灌水器流量對涌泉根灌濕潤體肥液入滲影響研究

李曉, 何振嘉

(1.西安市西北郊城市排洪渠道管理中心, 西安 710016; 2.陜西省土地工程建設集團有限責任公司,自然資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室, 西安 710075)

棗樹是陜北黃土高原區的傳統經濟樹種，近年來已成為米脂、清澗等地經濟產業的重要支柱[1]，但是，棗區春季干旱少雨的氣候特點極大地阻礙了紅棗產業的發展，尤其是在水資源供需矛盾日益嚴峻的背景下，研究適用于陜北山地棗樹根系埋深較深特點的節水灌溉技術是目前亟待解決的問題[2]。涌泉根灌是一種可直接將水肥輸送到果樹根部進行灌溉的微灌技術，減少蒸發損失、抑制雜草生長并避免水肥在地表的積聚，提高了水肥利用效率[3]。由于灌水器套管的保護，避免了灌水器堵塞，維護費用較低，較滴灌和管灌優勢明顯[4]。眾多學者對濕潤體土壤點源入滲研究取得了大量成果。劉顯等[5]對不同初始含水率情況下涌泉根灌水肥耦合入滲進行了研究，提出了該條件下濕潤鋒運移距離的數學模型。費良軍等[6]對不同肥液濃度涌泉根灌入滲濕潤體及水氮運移特性進行了研究，并建立了肥液濃度與濕潤鋒運移相關模型，分析了不同灌水器埋深條件下涌泉根灌土壤水分、濕潤鋒運移情況，結果表明，灌水器埋深對濕潤鋒運移距離有較大的影響[7-10]。李耀剛等[11-12]對涌泉根灌條件下土壤水分運動的研究表明，濕潤體特征值隨著流量與開孔度的變化而變動。黎朋紅等[13]和費良軍等[10,14]通過大田試驗證明了濕潤鋒運移距離與灌水器流量呈正相關關系，濕潤鋒運移距離及濕潤體內水分含量與土壤容重呈負相關關系。

綜上所述，國內學者對涌泉根灌土壤水分運移特性已進行了大量研究，但大多集中于土壤初始含水率、土壤容重、灌水器埋深等方面，關于涌泉根灌對農田養分的研究主要集中在滴灌等微灌條件下土壤水氮運移方面[15-16]，對不同流量條件下涌泉根灌肥液入滲技術要素的研究還較少。流量大小影響入滲深度，滴頭流量過小，灌水則無法入滲到棗樹根區，降低灌水利用效率；滴頭流量過大，則會引起地表滲水以及深層滲漏，因此，適宜的滴頭流量是研究涌泉根灌條件下灌水技術要素的重要關鍵。為了能夠推廣涌泉根灌節水保肥型微灌技術，并適宜山地果樹的水肥耦合模式，提高水肥利用率，本文通過涌泉根灌濕潤體入滲試驗，研究不同灌水器流量條件對肥液入滲濕潤體特征值、土壤水分及氮素運移的影響，以期為涌泉根灌水肥高效利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

1.2 試驗裝置及試驗設計

涌泉根灌入滲試驗由供水系統和涌泉根灌灌水器組成，供水系統采用馬氏瓶(YT-MS，西安固泰傳感器有限公司)進行自動供水。試驗氮肥選用易溶性的尿素[CO(NH2)2]，購自陜西奧維乾元化工有限公司，氮素質量分數≥46.4%，設定肥液濃度為33.3 g·L-1。灌水器流量分別為4、7、10 L·h-1，灌水量40 L，灌水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量筒來濾定灌水器流量，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，配套套筒(PVC材料)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1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。灌水器安裝方式如圖1所示。

圖1 灌水器安裝方式Fig.1 Installation mode of the emitter

1.3 試驗方法及觀測內容

1.3.1觀測坐標系 水平剖面上以根灌器中心為觀測原點，垂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垂直剖面上的濕潤鋒運移距離。

1.3.2馬氏瓶讀數和濕潤鋒運移位置 在試驗區原狀土壤坡面，將水平剖面和垂直剖面作為觀測面。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。

1.3.3土壤含水率及氮素測定 土壤含水率采用烘干法測定，土壤氮素含量采用CleverChem200全自動間斷化學分析儀(德國DeChem-Tech. GmbH)測定。具體方法：先用電子秤稱取5.0 g土樣放入100 mL塑料瓶中，然后加入50 mL濃度為1 mol·L-1的氯化鉀溶液，置于振蕩器上以250 r·min-1振蕩30 min，振蕩完后用濾紙過濾，濾液收集于5 mL比色管中；最后將比色管中的濾液置于CleverChem200型全自動間斷分析儀內測定，得到土壤中硝態氮及銨態氮含量。每組試驗3個重復，取均值。

1.3.4指標計算 不同流量條件下累積入滲量與時間的關系用Kostiakov模型進行擬合，如式(1)所示。

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，mm·min-1；α為入滲系數；t為入滲時間，min。

入滲系數K、入滲指數α與灌水器流量q呈線性關系。

Kq=μq+k0

(2)

αq=vq+α0

(3)

式中，Kq、αq為肥液入滲系數、入滲指數；μ、v為擬合系數；k0、α0為清水入滲系數、入滲指數。

2 結果與分析

2.1 灌水器流量對涌泉根灌肥液入滲能力的影響

圖2 流量對涌泉根灌累積入滲量(A)和入滲率(B)的影響Fig.2 Influence of flow rate on cumulative infiltration (A) and infiltration rate (B) of bubbled-root irrigation

利用式(1)對不同流量條件下累積入滲量與時間的關系進行擬合,結果如表1所示。

表1 累積入滲量擬合參數表Table 1 Cumulative infiltration amount fitting parameter table

由表1可以看出，采用Kostiakov入滲模型，各參數擬合結果較好，相關系數均大于0.98，不同灌水器流量模擬出來的相關系數均大于顯著性水平rα=0.01時的臨界值。隨著流量的增大，模擬方程的系數越來越大，指數越來越小。利用式(2)、式(3)得到入滲系數K、入滲指數α與灌水器流量q的關系:

Kc=-0.034q+0.007，R2=0.998

(4)

αc=-0.019q+0.981，R2=0.991

(5)

將式(4)、(5)入滲參數Kq、αq回歸方程式代入式(1)，得到涌泉根灌不同肥液濃度條件下隨灌水時間變化的單位面積上累積入滲量的模型為：

Z=(0.034q-0.007)t(-0.019q+0.981)

(6)

為驗證式(6)的可靠性，采用該模型計算灌水器流量q為7 L·h-1的涌泉根灌肥液入滲單位面積上累積入滲量，擬合結果見表2。

表2 累計入滲量實測值與模型擬合值對比Table 2 Comparison of the measured values of cumulative infiltration and the fitted values of the model

由表2可知，模型的擬合值與實測值的相對偏差在-3.22%～7.08%以內，相對偏差均低于±10%，說明采用式(6)計算不同流量條件下涌泉根灌單位面積上累積入滲量是可靠的。

2.2 灌水器流量對涌泉根灌肥液入滲濕潤體特性的影響

2.2.1灌水器流量對涌泉根灌肥液入滲濕潤鋒運移的影響 探究灌水器流量對濕潤體特征值與入滲時間的變化規律對涌泉根灌田間實際應用具有重要指導意義。由圖3A可以看出，水平剖面的濕潤鋒運移距離均隨著入滲時間的增長而增長；且流量越大，同一入滲時間濕潤鋒與時間關系曲線斜率越大，濕潤鋒運移距離越大。水平方向的濕潤鋒運移距離要快于垂直方向，且隨著流量的增大這一特征更加明顯。由圖3B和C可以看出，垂直剖面上的濕潤鋒運移距離均隨著入滲時間的增長而增長;且流量越大，擬合曲線的斜率越大，運移速率越快，同一入滲時間處的濕潤鋒運移距離越大。垂直方向的濕潤鋒運移距離要快于水平方向，且隨著流量的增大這一特征更加明顯，這是由于垂直剖面在入滲過程受到重力勢作用逐漸變大，使得垂直方向運移距離快于水平距離。

注：A:水平剖面水平方向；B:垂直剖面水平方向；C:垂直剖面垂直方向。Note: A: Horizontal direction at horizontal profile; B: Horizontal direction at vertical profile vertical; C: Vertical direction at vertical profile vertical.圖3 不同流量條件下各方向濕潤鋒運移距離變化Fig.3 Variation of wetting front migration distance in all directions under different flow conditions

灌水結束時，各流量條件下(4、7和10 L·h-1)水平剖面上的濕潤鋒運移距離分別為35.3、38.8和41.6 cm，增幅依次為9.91%和7.22%。垂直剖面上水平方向的濕潤鋒運移距離分別為37.7、42.2和48.2 cm，增幅依次為11.93%和14.22%;垂直方向的濕潤鋒運移距離分別為50.1、53.4和57.3 cm，增幅依次為6.58%和7.30%。通過對比各流量條件下濕潤鋒運移距離與流量的關系可以看出，流量對涌泉根灌垂直剖面上水平方向運移距離的影響最為明顯，對垂直剖面向下濕潤鋒運移影響最小。土壤入滲能力和供水強度是影響涌泉根灌肥液入滲的主要因素，當供水強度小于土壤入滲能力時，供水強度的大小對涌泉根灌肥液入滲及濕潤鋒運移距離起決定性因素，供水流量越大，一定時間內的供水量越大，則表現為濕潤鋒運移距離也越大。而當供水強度大于土壤入滲能力時，涌泉根灌灌水器中將產生一定的積水，且積水量隨著流量的增大而增大，積水部位周圍土壤含水率迅速飽和，不同流量狀況下形成的壓力不同，流量越大，灌水器內產生的壓力也越大，同時，加大了重力勢及灌水器管壁與土壤接觸面積，從而導致大流量情況下水平擴散距離越大。

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經分析，不同流量條件下各方向上的濕潤鋒運移距離與入滲時間呈顯著的冪函數關系，即：

(7)

式中,Rx(t)、Hx(t)和Hz(t)分別為水平剖上水平方向以及垂直剖面上水平方向和垂直方向濕潤鋒運移距離，cm；a、b、c、d、e、f為對應的擬合參數。

用式(7)分別對各流量條件下不同方向濕潤鋒運移距離的實測數據進行擬合，結果如表3所示。

表3 各方向濕潤鋒運移距離與入滲時間的擬合結果Table 3 Fitting results of wetting front migration distance and infiltration time in all directions

可見，用冪函數對各方向濕潤鋒與時間的擬合結果決定系數R2值均大于0.97，其相關關系顯著。對表3中擬合參數a、b、c、d、e、f與流量進行分析，得到各擬合參數與流量的相關關系，其擬合結果如下。

①水平剖面水平濕潤鋒：

(8)

②垂直剖面水平濕潤鋒：

(9)

③垂直剖面垂直濕潤鋒：

(10)

將式(8)(9)(10)分別帶入式(7)，可得各方向濕潤鋒運移距離與灌水器流量的數學模型。

(11)

為驗證模型(11)的可靠性，在相同試驗條件下對涌泉根灌灌水器流量為7 L·h-1的濕潤鋒運移距離進行擬合，擬合結果見表4。

表4 濕潤鋒運移距離實測值與模型擬合值對比Table 4 Comparison of measured values of wet front transfer distance and model fitting values

由表4中各方向濕潤鋒運移距離的實測值和模型擬合值對比可知，其相對誤差在±8.26%以內，說明利用模型(11)對涌泉根灌肥液入滲不同灌水器流量及入滲時間下各方向的濕潤鋒運移距離的預測是較為可靠的。

2.2.2灌水器流量對涌泉根灌肥液入滲濕潤體含水率動態分布的影響 灌水結束時濕潤體內部的水分狀況，以及經過時間再分布之后的水分狀況對灌溉制度的制定具有很大的參考價值。從圖4可以看出，涌泉根灌灌水方式下，流量越大，同一位置處的含水率越高。灌水結束時，水分分布區域相對集中，含水率較高的區域在土壤表層，這是由于涌泉根灌是將灌水器埋設于距表層土壤15 cm處，表層土壤首先受到水分補給，導致表層土(0～30 cm)壤含水率較高，達到28.45%；底層土壤(60～100 cm)由于灌水量不足，濕潤鋒并未運移至該土層，因此土壤含水率較低，接近CK(11.78%)。在肥液入滲初期，影響入滲的主要因素為供水強度，灌水器流量越大，一定時間內的供水量也越多，土壤中壓力不斷加大，因此增大了高含水區域范圍;隨著入滲時間的增加，供水強度逐漸超過入滲強度，灌水器內的積水隨灌水器流量的增加而增大，因此，加大了肥液入滲的重力勢以及與土壤的接觸面積，對肥液向下入滲起到了顯著的促進作用。灌水結束1 d后，水分會發生再分布，1 d后由于水分的滯后性，濕潤鋒繼續向下運移，上層土壤含水率明顯減小，下層土壤受到上層水分向下運移的補給，形成表層低(18.55%)、中間高(20.39%)、底層低(14.46%)的趨勢；此外，在水勢梯度作用下土壤水分繼續向下運移，但運移速率較為緩慢，整個濕潤體內土壤含水率分布變的較為穩定，趨于相對均勻；3 d后，濕潤體繼續擴大，但濕潤體內含水率明顯降低，0～100 cm范圍內土層平均含水率僅為15.10%，略高于CK。在實際生產過程中，水分再分布1 d后，濕潤體基本達到穩定狀態，可將分布1 d時濕潤體特征值作為灌水技術指導依據。

2.2.3灌水器流量對涌泉根灌肥液入滲濕潤體形狀的影響 從圖5可以看出，濕潤鋒運移曲線均隨著時間的增長而變化。在灌水結束時，4、7和10 L·h-1灌水器流量濕潤體的水平和垂直向運移距離分別為：36、41.7、46.2和46.9、54.9、65.6 cm。流量越大，濕潤鋒在水平方向與垂直方向的運移距離均越大，且隨著流量的增大，趨勢更加明顯。這主要是由于入滲初期，土壤初始含水率較低，而土壤基質勢最大，水份在土壤基質勢的作用下運移擴散，供水強度大于土壤入滲能力，水平擴散速度略快于垂直入滲速度;隨著灌水時間的增加，垂直方向重力勢作用增大，導致垂直濕潤鋒比水平運移距離大，濕潤體的形狀近似為橢球體，灌水器流量越大，表層土壤濕潤面積增大的速度就越快，濕潤體越寬且深。

A：灌水結束時；B:結束1 d后；C:結束3 d后A：At the end of irrigation；B: 1 d after the end of irrigation ; C: 3 d after the end of irrigation圖4 不同流量在灌水器處土壤含水率隨時間變化Fig.4 Soil water content at different emitters at the emitter varies with time

A：4 L·h-1；B:7 L·h-1；C:10 L·h-1圖5 灌水結束后垂直剖面濕潤鋒運移隨時間動態變化曲線Fig.5 Dynamic curve of wet frontal movement with time in vertical section at the end of irrigation

2.3 灌水器流量對涌泉根灌肥液入滲氮素運移的影響

A：灌水結束時；B:結束1 d后A：At the end of irrigation；B: 1 d after the end of irrigation圖分布情況

3 討論

本文通過不同流量涌泉根灌肥液入滲試驗，對涌泉根灌肥液入滲特性及濕潤體水氮運移的變化規律進行了研究，發現流量對涌泉根灌肥液入滲能力有較大的影響，相同肥液濃度條件下，流量越大，入滲能力越強，這與劉顯和費良軍[17]研究結果一致。本文分別建立了灌水器流量與涌泉根灌累積入滲量以及濕潤鋒運移距離的數學模型，且模型精度較高。研究表明，涌泉根灌清水入滲條件下，濕潤體形狀為橢球體。肥液入滲條件下同樣得到相同結論，且隨灌水器流量的增大濕潤體的形狀越寬且深。涌泉根灌肥液入滲條件下，流量越大，同一位置處的含水率越高[18-19]。灌水結束1 d后，土壤含水率表現為表層低(18.55%)、中間高(20.39%)、底層低(14.46%)的趨勢，在實際生產過程中，水分再分布1 d后，濕潤體基本達到穩定狀態[20]，可將分布1 d時濕潤體特征值作為灌水技術指導依據。

A：灌水結束時；B:結束1 d后A：At the end of irrigation；B: 1 d after the end of irrigation圖分布

本文初步探究了灌水器流量對涌泉根灌點源肥液入滲土壤水氮運移特性的影響，為涌泉根灌的推廣提供技術參考。根據果園種植密度及果樹根系分布特點，灌水器布設方式及布設間距會對濕潤體特性產生影響。因此，不同灌水器流量在雙點源布設或多點源布設條件下對濕潤體特征值及水氮運移特性的將是深入研究的重點。