施氮時(shí)序?qū)}堿土入滲特征參數(shù)影響的試驗(yàn)研究

吳晨濤，王春霞，周 亮，胡松可，付 博

（石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆石河子832003）

我國(guó)是一個(gè)干旱缺水的發(fā)展中國(guó)家，人均可利用的水資源量?jī)H為目前世界平均水平的1/4，是目前全球人均水資源最貧乏的發(fā)展中國(guó)家之一[1]。然而，中國(guó)由于人口基數(shù)龐大，又是目前世界上用水量最多的發(fā)展中國(guó)家，淡水資源的大量匱乏問題使得合理地開發(fā)利用我國(guó)的水資源成為一個(gè)重要的熱點(diǎn)問題。同時(shí)我國(guó)也是一個(gè)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國(guó)，一方面，由于不利的自然條件等因素，導(dǎo)致了我國(guó)西北干旱地區(qū)次生鹽堿土大面積分布；另一方面，在我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)中，由于農(nóng)業(yè)灌區(qū)缺乏科學(xué)的灌溉管理與技術(shù)的指導(dǎo)，因此灌溉不當(dāng)，導(dǎo)致許多農(nóng)業(yè)灌區(qū)的土壤嚴(yán)重地發(fā)生次生鹽堿化[2]。我國(guó)農(nóng)業(yè)上化肥使用量也是全球化肥使用量最多的國(guó)家之一。農(nóng)田中過多使用化肥，會(huì)造成氮肥的利用效率不高以及過量施肥問題，導(dǎo)致土壤性狀惡化、產(chǎn)品質(zhì)量下降、環(huán)境污染、成本增加等一系列問題。因此，土壤次生鹽堿化的災(zāi)害防治和氮肥量降低及效率提高問題已成為了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展的重要技術(shù)命題。西北地區(qū)更是資源性土壤缺水的現(xiàn)象嚴(yán)重，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者針對(duì)不同條件下土壤的類型、滴頭流量、滴頭間距、間歇性供水等對(duì)土壤點(diǎn)源入滲的規(guī)律、土壤濕潤(rùn)體變化規(guī)律的影響等做了大量的研究，并且研究取得了國(guó)際性的豐碩成果[3?7]。

低產(chǎn)鹽漬土是一種具有世界性的低產(chǎn)鹽漬化土壤，由于近年來我國(guó)土壤水資源的短缺和土地資源的日益減少和氣候的變化，實(shí)行了節(jié)水灌溉，提高了土壤生產(chǎn)能力，改良和合理利用低產(chǎn)鹽漬化的土壤已經(jīng)逐漸成為進(jìn)一步提高我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)、合理地利用土壤水資源和保護(hù)土地資源的一個(gè)重要的問題。近年來，不管國(guó)外學(xué)者是在采取節(jié)水灌溉的措施下進(jìn)行研究還是采取漫灌條件下進(jìn)行研究，都非常需要研究人員掌握關(guān)鍵的入滲特性參數(shù)。土壤入滲特性是影響地面灌溉過程的重要因素，是地面灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)[8]。吳軍虎等[9]學(xué)者研究了有機(jī)質(zhì)含量及土壤容重對(duì)西北地區(qū)土壤水分入滲特性影響，結(jié)果表明當(dāng)土壤容重增加時(shí)，土壤的累積入滲量、入滲率、濕潤(rùn)深度會(huì)有不同程度的減小，但其濕潤(rùn)深度減小的幅度較小，穩(wěn)定入滲率呈平緩線性降低。秦顯艷等[10]通過對(duì)鹽堿土施氮量的控制入滲試驗(yàn)，研究了施氮量對(duì)鹽堿土入滲時(shí)序參數(shù)的直接影響，結(jié)果表明鹽堿土施氮量過高會(huì)降低部分鹽堿土的入滲特性。費(fèi)良軍等[11]學(xué)者通過對(duì)滴灌控制入滲水溫試驗(yàn)，研究了滴灌對(duì)土壤水分入滲特性的直接影響，結(jié)果表明相同入滲歷時(shí)，入滲的水溫越高，滴頭的土壤水流量越大，入滲的土壤水量越多。由此可見，近年來的入滲試驗(yàn)主要是針對(duì)于鹽堿土有機(jī)質(zhì)的含量及土壤容重，施氮量，水溫等方面的影響展開了較深入的研究，而關(guān)于鹽堿田上如何高效施氮并滿足自動(dòng)化灌溉需求的問題研究甚少。為此開展鹽堿土施氮時(shí)序?qū)τ谕寥廊霛B參數(shù)的影響試驗(yàn)，為鹽堿土水肥一體化條件下尋求合理的施氮時(shí)序、實(shí)現(xiàn)鹽堿土農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供參考基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)于2018年6?12月在石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院水利與土木工程實(shí)驗(yàn)中心進(jìn)行（44°18'25''N，86°03'27''E，海拔451 m），年平均氣溫6.1℃，年降雨量208 mm，蒸發(fā)量為1 967 mm，無(wú)霜期160 ～170 d，大于10℃積溫3 693℃，年輻射總量5 392 MJ/m2，年日照2 680 h，為典型的半干旱生態(tài)類型。供試土壤于2018年4月取自石河子周邊團(tuán)場(chǎng)農(nóng)田田間表層0～50 cm 熟土，待土壤自然風(fēng)干后，碾碎過2 mm 細(xì)篩備用。供試土壤基本物理性質(zhì)由新疆農(nóng)科院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所測(cè)定，基本物理性質(zhì)見表1。

表1 供試土壤的基本物理性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)裝置主要由馬氏瓶，土槽和輸水管組成。采用馬氏瓶恒定水頭供水，截面面積30 cm2，高度1.2 m，外標(biāo)刻度用于讀取入滲水量；采用尺寸為60 cm×30 cm×50 cm（長(zhǎng)×寬×高）的有機(jī)玻璃土箱；采用醫(yī)用輸液器模擬滴頭，2個(gè)滴頭放在土箱的短邊頂點(diǎn)處設(shè)置滴頭流量為滴頭流量為0.9±0.15 L/h。

將土樣按土壤容重分層（10 cm）裝入土箱，層與層之間刷毛使其連接自然形成一完整連接體，裝土填至高度為50 cm處。試驗(yàn)以0.3%鹽堿土為研究對(duì)象，以600 mg/L 尿素為供試肥源，控制相同的入滲時(shí)間為6 h；設(shè)置以下9種不同的施肥時(shí)序方式，每種情況設(shè)置3個(gè)重復(fù)，設(shè)計(jì)不同施氮時(shí)序見表2。

1.3 測(cè)試的指標(biāo)與方法

時(shí)間：共計(jì)6 h，以min 單位量計(jì)，用秒表計(jì)時(shí)，按時(shí)間先密后疏的原則，依次按0、2、4、6、9、12、15、18、21、24、27、30、35…120、150、180、210、240、300、360 min。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)組合

累積入滲量和累積入滲率：根據(jù)設(shè)定的時(shí)間來讀取并記錄馬氏瓶上的讀數(shù)，計(jì)算出累積入滲量；依據(jù)累積入滲量和入滲時(shí)間計(jì)算出累積入滲率。

濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離：以滴頭為中心，使用鋼卷尺測(cè)量濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離并記錄水平入滲距離和垂直入滲距離。

由于試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間較短，可忽略蒸發(fā)對(duì)土壤入滲過程的影響。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析；使用Origin 2018軟件進(jìn)行繪圖處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 施氮時(shí)序?qū)駶?rùn)鋒的影響

濕潤(rùn)鋒是土壤在水分入滲過程中，濕潤(rùn)區(qū)域前鋒與干燥區(qū)域的分界線。在農(nóng)田灌溉過程中，灌溉水分入滲過深會(huì)導(dǎo)致水分深層滲漏，而水分入滲過淺時(shí)又不能滿足作物根系吸水需求，從而導(dǎo)致作物水分脅迫而減產(chǎn)。因而，研究施氮時(shí)序?qū)駶?rùn)鋒運(yùn)移的影響，對(duì)于農(nóng)業(yè)上合理施肥時(shí)序的確定和合理生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。

2.1.1 施氮時(shí)序?qū)駶?rùn)鋒水平運(yùn)移距離的影響

濕潤(rùn)鋒水平運(yùn)移距離可以反應(yīng)作物種植密度。圖1為單點(diǎn)源入滲條件下施氮時(shí)序?qū)駶?rùn)鋒水平運(yùn)移的影響。施氮時(shí)序的改變，直接影響到了濕潤(rùn)鋒水平運(yùn)移距離的變化?？梢钥闯?，在入滲初期，土壤表面干燥，不同施氮時(shí)序下濕潤(rùn)鋒水平運(yùn)移距離隨著灌水時(shí)間的增加而不斷增加。當(dāng)灌水為10 min時(shí)，各施氮時(shí)序下的水平距離均超過10 cm，此時(shí)各處理下的濕潤(rùn)鋒都經(jīng)過0～10 cm 的土層，N?W，W?W?N 處理下的水平運(yùn)移距離最小，距離都為12 cm，W 處理比N?W，W?W?N 高20.83%。當(dāng)改變肥液的入滲時(shí)序時(shí)，各施氮時(shí)序下的相同時(shí)間內(nèi)水平運(yùn)移距離發(fā)生改變，大體趨勢(shì)為在灌水時(shí)間60 min 后，水平運(yùn)移距離增加緩慢；當(dāng)灌水時(shí)間為120 min時(shí)，各處理水平距離均超過20 cm，經(jīng)過10～20 cm 距離；當(dāng)灌水時(shí)間為240 mim時(shí)，各處理下水平運(yùn)移均超過30 cm，經(jīng)過20～30 cm 距離。整體來看，施氮時(shí)序影響了水平運(yùn)移的距離。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，各處理下（W、W?N、N?W、W?N?W、

W?W?N、N?W?W、N?W?N?W、N?W?W?N、W?N?N?W）濕潤(rùn)鋒水平運(yùn)移距離為37、47、43、47、41、48、45、50、36 cm，分別比W 高21.28 %、13.95 %、21.28 %、9.76 %、22.92%、17.7 8%、26.00%、?2.78%。說明施氮時(shí)序?qū)λ綕駶?rùn)鋒運(yùn)移有著顯著影響，施氮條件下可以提高入滲過程中的水平距離。

圖1 施氮時(shí)序?qū)駶?rùn)鋒水平運(yùn)移距離的影響

2.1.2 施氮時(shí)序?qū)駶?rùn)鋒垂直運(yùn)移距離的影響

濕潤(rùn)鋒垂直運(yùn)移距離可以反映土壤的下滲能力。圖2為點(diǎn)源入滲條件下施氮時(shí)序?qū)駶?rùn)鋒垂直運(yùn)移距離的影響。由圖可知，施氮時(shí)序的改變，影響到了濕潤(rùn)鋒垂直運(yùn)移距離的變化。不同施氮時(shí)序下濕潤(rùn)鋒垂直運(yùn)移距離隨著灌水時(shí)間的增加而先快速增加后增加緩慢。當(dāng)灌水為80 min時(shí)，各施氮時(shí)序下的垂直距離均超過10 cm，此時(shí)各處理下的濕潤(rùn)鋒都經(jīng)過0～10 cm 的土層，N?W 處理下的垂直運(yùn)移距離最低，距離為10 cm，W 處理比N?W 高50%，且經(jīng)過0～10 cm 距離的時(shí)間比水平方向運(yùn)移相同距離延長(zhǎng)了50 min。當(dāng)改變肥液入滲時(shí)序時(shí)，各施氮時(shí)序下的相同時(shí)間內(nèi)垂直運(yùn)移距離會(huì)發(fā)生改變，整體趨勢(shì)為在灌水時(shí)間60 min 后，垂直運(yùn)移距離增加緩慢；當(dāng)灌水時(shí)間為210 min時(shí)，各處理垂直運(yùn)移距離均超過20 cm，經(jīng)過10～20 cm 土層，且經(jīng)過10～20 cm 的歷時(shí)比水平方向運(yùn)移相同距離增加了90 min，即相同入滲歷時(shí)下水平運(yùn)移距離高于垂直入滲距離，這種情況一般在粘性土壤中出現(xiàn)的居多。運(yùn)移相同距離時(shí)間的增大是由于在垂直方向下滲過程中，濕潤(rùn)體逐漸變大，上方濕潤(rùn)體須達(dá)到飽和狀態(tài)才能下滲，也與入滲時(shí)土壤的結(jié)構(gòu)相關(guān)?？傮w來看，施氮時(shí)序影響了垂直水平運(yùn)移的距離。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，上述各處理下（W、W?N、N?W、W?N?W、W?W?N、N?W?W、N?W?N?W、N?W?W?N、W?N?N?W）濕潤(rùn)鋒瞬時(shí)垂直運(yùn)移距的為37.5、32、32、27、24、29、27、29、26 cm，分 別 比W 處 理 下 低14.67 %、14.67 %、28.00 %、36.00 %、22.67 %、28.00 %、22.67 %、30.67%。說明施氮時(shí)序?qū)Υ怪睗駶?rùn)鋒運(yùn)移有著顯著影響。

圖2 施氮時(shí)序?qū)駶?rùn)鋒垂直運(yùn)移距離的影響

2.1.3 施氮時(shí)序?qū)駶?rùn)比的影響

濕潤(rùn)比指濕潤(rùn)鋒水平運(yùn)移距離與垂直運(yùn)移距離的比值。濕潤(rùn)比與滴灌的灌水技術(shù)參數(shù)（滴水流量和灌水時(shí)間）有關(guān)，可以作為一個(gè)確定滴灌灌水參數(shù)的指標(biāo)[12，13]。一般作物株距和作物的根系深度之比都小于1.0，因此，對(duì)于實(shí)際滴灌的適宜濕潤(rùn)比以小于1.0為宜。但濕潤(rùn)情況主要受土壤結(jié)構(gòu)影響，一般粘土的濕潤(rùn)比高于1.0，砂土低于1.0。表3為土壤中不同施氮時(shí)序下的濕潤(rùn)比隨灌水時(shí)間的變化過程。

表3 施氮時(shí)序?qū)駶?rùn)比的影響

如表3所示，濕潤(rùn)比隨著灌水時(shí)間的增加而逐漸減小，因?yàn)闈駶?rùn)體內(nèi)土壤含水率增大，水勢(shì)梯度減小，此時(shí)重力勢(shì)的作用相對(duì)增大，導(dǎo)致垂直入滲率高于水平擴(kuò)散率，因此濕潤(rùn)鋒的濕潤(rùn)比逐漸減小。通過方差分析，N?W?W 和N?W?W?N的方差較小，表明在入滲過程中N?W?W 和N?W?W?N 濕潤(rùn)比相較于其他時(shí)序穩(wěn)定。灌水結(jié)束時(shí)，各施氮處理下的濕潤(rùn)比顯著高于W 處理。若是在農(nóng)田滴灌灌水過程中，改變了施氮時(shí)序，為達(dá)到滴灌灌水均勻，施肥過程需適當(dāng)增加灌水量或減少滴頭之間的距離，以獲得合適的濕潤(rùn)比。

2.2 施氮時(shí)序?qū)鄯e入滲量的影響

累積入滲量是入滲開始后一定時(shí)間內(nèi)，通過地表單位面積入滲到土壤中的總水量[14，15]。針對(duì)的是一維入滲過程中單位面積土壤入滲的水量，而滴灌入滲屬于空間三維點(diǎn)源入滲，在入滲過程中土表面沒有形成積水，僅在入滲后期滴頭附近處由于水滴打擊形成的小坑內(nèi)有少量積水，可忽略不計(jì)[11]，因此認(rèn)為在試驗(yàn)中水分全部滲入土中，用入滲水量的變化代替累積入滲量來反映土壤的入滲能力。由圖3可知，隨著入滲時(shí)間的增加，累積入滲量隨之增加。W時(shí)序的累積入滲量與時(shí)間近似于線性關(guān)系；W?N 和N?W時(shí)序下的累積入滲量均在180 min時(shí)出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折點(diǎn)；W?N?W時(shí)序下的累積入滲量在120 min 和240 min時(shí)發(fā)生變化；W?W?N時(shí)序下的變化發(fā)生在240 min時(shí)刻，前期只是純水入滲未發(fā)生波動(dòng)；N?W?W時(shí)序下在120 min時(shí)刻變化，120 ～240 min時(shí)間范圍內(nèi)累積入滲量增加緩慢，而在240 min 后，累積入滲量增加急劇，是由于水分過多稀釋了氮濃度而造成的；N?W?N?W，N?W?W?N 和W?N?N?W時(shí)序累積入滲量均在90、180 和270 min時(shí)刻發(fā)生變化，即施氮時(shí)序的改變影響著累積入滲量的變化。原因在于：在土箱試驗(yàn)中兩個(gè)單點(diǎn)源在入滲一段時(shí)間后濕潤(rùn)面會(huì)形成交匯，交匯區(qū)不斷擴(kuò)大增加上層土壤的飽和度，在相同入滲時(shí)間內(nèi)改變了入滲速度；施氮時(shí)序則在一定程度上調(diào)控了這個(gè)入滲速度，表現(xiàn)出累積入滲量的差異性。在整個(gè)灌水過程中，N?W?W?N時(shí)序與其他處理相比，各時(shí)刻的累積入滲量都高于其他時(shí)序，說明在N?W?W?N時(shí)序下水分運(yùn)移快。灌水結(jié)束時(shí)，僅有N?W?W?N時(shí)序下的累積入滲量高于W時(shí)序，超出8.77%；上述其余時(shí)序下的累積入滲量分別比W時(shí)序下低出7.31%、9.78%、13.01%、13.06%、19.27%、13.21%、24.1%。

圖3 施氮時(shí)序?qū)鄯e入滲量的影響

2.3 施氮時(shí)序?qū)θ霛B率的影響

入滲率是單位時(shí)間內(nèi)通過地表單位面積滲入到土壤中的水量，以單位時(shí)間入滲的水層厚度計(jì)，反映了土壤的入滲性能，受供水強(qiáng)度、土壤的滲吸能力的影響[14,16]。如圖4所示，在入滲剛開始階段，水分受到土壤吸力和自身重力作用的影響而下滲，滲入土體中的水量大，導(dǎo)致入滲率剛開始隨著時(shí)間的增大而不斷增大，不同時(shí)序在不同時(shí)間下的入滲率不同。W時(shí)序下的入滲率在開始時(shí)增長(zhǎng)，2 min后下降，4 min后入滲率變化幅動(dòng)變小，幅動(dòng)變化近似看成一條直線；而其他時(shí)序下的入滲率隨著入滲時(shí)序的改變而變化，加入氮液的緣故出現(xiàn)較大的波動(dòng)。從圖5得出，上述各時(shí)序下出現(xiàn)最大入滲率，時(shí)間分別為2 min、4 min、4 min、18 min、4 min、70 min、2 min、45 min、2 min，在W、N?W?N?W、 W?N?N?W時(shí)序下出現(xiàn)最早，N?W?W時(shí)序出現(xiàn)最晚，為68 min。在結(jié)束時(shí)，入滲率在N?W?W?N時(shí)序下最大，為17.98 mL/min；W?N?N?W最小，為12.54 mL/min；上述各時(shí)序下入滲率比N?W?W?N時(shí)序低8%、15%、17%、20%、20%、26%、20%、30%。

圖4 施氮時(shí)序?qū)θ霛B率的影響

3 結(jié) 論

（1）當(dāng)施氮時(shí)序發(fā)生改變時(shí)，影響到了濕潤(rùn)鋒水平運(yùn)移距離和垂直運(yùn)移距離。在水平方向上N?W?W?N時(shí)序運(yùn)移距離最遠(yuǎn)，比W時(shí)序多35.14%；垂直方向上W時(shí)序距離最遠(yuǎn)，其他時(shí)序都較小于W時(shí)序，即壤質(zhì)粘土土壤結(jié)構(gòu)下施氮時(shí)序的改變會(huì)促進(jìn)水平方向濕潤(rùn)峰的運(yùn)移，抑制垂直方向濕潤(rùn)峰運(yùn)移。

（2）灌水結(jié)束時(shí)，各施氮處理下的濕潤(rùn)比高于W 條件下的。N?W?W?N 處理的方差較小，比W?N?W 處理小0.06，表明在入滲過程中先施氮的濕潤(rùn)比比大田中應(yīng)用的W?N?W 穩(wěn)定，變異程度小。

（3）隨著灌水時(shí)間的增加，累積入滲量也會(huì)隨之增加。W時(shí)序下累積入滲量近似一條斜線。整個(gè)灌水過程中，N?W?W?N時(shí)序下各時(shí)刻累積入滲量始終高于W時(shí)序，高出8.77%；比W?N?W時(shí)序高20%，表明N?W?W?N 比W?N?W 入滲量大，入滲性能強(qiáng)。

（4）入滲率在入滲過程中先上升后下降，由于施氮時(shí)序不同不斷波動(dòng)。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，N?W?W?N時(shí)序下入滲率最快，比W?N?W時(shí)序高20%，得出N?W?W?N 比W?N?W 入滲性能較好，應(yīng)考慮與大田試驗(yàn)相比較。