灌水量對涌泉根灌濕潤體水氮運移特性的影響

何 振 嘉

(陜西省土地工程建設集團有限責任公司，陜西 西安 710075)

1 研究背景

我國陜北地區干旱少雨，地表水資源匱乏，嚴重制約當地農業生產活動發展[1]。山地紅棗作為當地的特色產業，已成為促進當地經濟發展的重要支柱，但水資源嚴重不足對紅棗產業的進一步發展產生了巨大的阻礙，因此合理的水分管理對陜北山地棗樹生產管理具有十分重要的作用[2]。因此，快速發展適宜我國陜北黃土高原干旱地區的節水灌溉技術是當前應正視的一個重要方向。針對陜北地區現狀條件來看，節水工作的重點和難點主要在于有效地減少輸水過程損耗和降低棵間蒸發量，因此，如何將這兩個方面的灌水技術要素相結合將是節水灌溉工作的重點。雖然我國已經發展、推廣并應用了部分現代化節水灌溉技術，取得了一定成效，但總體來看，我國目前仍處在發展灌溉農業的階段，節水灌溉因缺乏足夠的經濟支撐和技術支持而尚未普及。

涌泉根灌是一種通過將灌水器埋設于不同土層深度處進行局部灌溉的地下灌溉技術，能夠顯著降低水肥浪費率[3-4]。該技術尤其適用于坡地，在陜北矮化密植棗樹的灌溉方面，具有廣闊的應用前景[5-6]。不同的灌水量對作物生長和產量具有顯著的影響[7-9]，大量研究表明，適當的水分虧缺并不會對作物的產量和品質產生負面影響[10-13]。因此，結合當前陜北地區干旱缺水的實際現狀，尋求合理的灌水量對棗樹發育、增產意義顯著。國內外學者對土壤濕潤體的研究較多[14-15]，他們從不同初始含水率[16]、肥液濃度[4]、灌水器埋深[17]、土壤容重[18]以及灌水器流量[19]等影響因素方面對濕潤體的影響做了大量試驗工作，豐富了涌泉根灌灌水技術要素內涵。現有研究表明，土壤含水量隨灌溉水量的增加而增加，但當作物根層含水量超過田間持水量時會引發深層滲漏[20]。而由于水分是肥液中銨態氮和硝態氮運移的載體，其淋洗量隨灌水量的增大而增大[21]。涌泉根灌技術可根據果樹作物對水肥的需求程度，按適宜的配比將水肥通過微管連接的灌水器直接輸送于果樹根部，既克服了輸水過程中水分損耗、降低了地面蒸發量，又由于其灌水流量較小，極大地降低了深層滲漏的風險[22-23]。但是由于水分運動的多維性以及灌溉的高頻性，目前對不同灌水量條件下，銨態氮和硝態氮在土壤中的運移的研究尚不夠充分[24]。灌水量大小影響入滲深度，灌水量過小，灌水則無法入滲到棗樹根區，降低灌水利用效率；灌水量過大則會引起地表滲水以及深層滲漏，適宜的灌水量是研究涌泉根灌條件下灌水技術要素的重要關鍵[25-26]。但結合目前研究現狀來看，基于水肥耦合條件下涌泉根灌肥液入滲對濕潤體特征值的影響研究較少，尤其是不同灌水量對涌泉根灌肥液入滲濕潤鋒運移、含水率分布以及氮素運移特性的研究尚未見到。因此，本文在榆林市米脂縣遠志山矮化密植山地棗樹試驗基地田間開展了涌泉根灌水肥一體化土壤入滲試驗，通過對不同灌水量條件下濕潤體特征值變化規律以及土壤水氮運移特性的研究，以期為豐富和完善涌泉根灌灌水技術要素提供一定理論依據。

2 材料與方法

2.1 試驗區概況

試驗區位于陜西省西北部，榆林市中部偏東，無定河中游，該區的地理位置為北緯37°39′5″，東經109°49′29″，為典型的黃土丘陵溝壑區，屬暖溫帶半干旱氣候，常年干旱少雨，且降雨分布極端不均，降雨主要集中于每年7～9月，多年平均降水量451 mm。試驗區土質為黃綿土，土質較為均一，通透性能良好，但營養成分相對匱乏。土壤平均密度為1.31 g/cm3，計劃濕潤層田間持水量為23.4%，硝態氮含量為12.63 mg/kg，銨態氮含量為0.89 mg/kg，有機質含量為0.21%，pH為8.6，土壤偏堿性。

2.2 試驗裝置及試驗設計

試驗系統采用PVC馬氏瓶(YT-MS，西安固泰傳感器有限公司)進行自動供水并控制灌水器出流量，肥料選用尿素，施肥量均為1 kg。設置30，40，50 L 3個灌水量梯度，灌水器流量為7 L/h，灌水器埋深30 cm，重復3次。涌泉根灌輔助灌水容器(灌水器套管)高40 cm，灌水器套管開孔度20%，如圖1所示。

圖1 涌泉根灌示意Fig.1 Sketch map of bubbled-root irrigation

2.3 試驗方法及觀測內容

選擇田間原狀土壤剖面為試驗對象，將灌水器套管埋設于土壤剖面中心，水平剖面和垂直剖面作為觀測面，試驗系統如圖2所示。圖中露出地面部分為灌水器套管，為防止土壤堵塞灌水器，將灌水器設置于套管內部，并埋設于地表以下30 cm處，套管底部采用紗布包裹。利用卷尺測量濕潤鋒運移距離的具體數值，利用土鉆在土層深度方向每隔10 cm分層取土測定土壤含水率。土壤樣品均勻分成3份，1份利用烘干法測定土壤含水率，1份土樣經風干、過1 mm和0.25 mm篩處理測定土壤氮素含量，1份利用全自動間斷化學分析儀測定土壤銨態氮及硝態氮含量，試驗做3次重復，取均值作為結果(見圖3)。

圖2 試驗系統示意Fig.2 Experimental system

圖3 觀測坐標系Fig.3 Observation coordinate system

2.4 數據分析

采用Microsoft Excel 2007分析軟件處理試驗數據并進行繪圖。

3 結果與分析

3.1 涌泉根灌肥液入滲濕潤鋒運移

圖4為流量7 L/h、不同灌水量(30，40 L和50 L)條件下，肥液入滲水平剖面及垂直剖面上濕潤鋒變化情況。可以看出，水平剖面及垂直剖面上水平方向和豎直方向的濕潤鋒運移量與入滲時間成正比。土壤重力勢和基質勢主導地位不同，各剖面上濕潤鋒變化規律又有所不同。水平剖面上：灌水量與各方向上的濕潤鋒運移量成反比，灌水量越小，形成的濕潤區域體積也越大；同一入滲時間處，水平方向的運移量顯著大于豎直方向運移量。垂直剖面上：灌水量越大，土壤重力勢起主要作用，水平方向的濕潤鋒運移距離越大，豎直方向的運移距離越小，但其中差異并不顯著；同一入滲時間處豎直方向濕潤鋒運移距離顯著大于水平方向。

圖4 水平剖面及垂直剖面濕潤鋒運移變化Fig.4 Wetting front migration on horizontal profile and vertical profile

對水平剖面和垂直剖面上的濕潤鋒運移距離R與時間t的關系進行冪函數擬合，結果如表1所列。各參數擬合精度較高，R2值均大于0.97，相關性具有統計學意義。

表1 濕潤鋒運移距離與時間的擬合結果Tab.1 Fitting result of migration distance of wetting front and time

3.2 涌泉根灌肥液入滲濕潤體形狀

圖5為流量7 L/h、不同灌水量(30，40 L和50 L)條件下，垂直剖面濕潤鋒變化情況。可以看出，隨著灌水時間的延長，濕潤鋒運移距離的輪廓逐漸變大，且不同灌水量條件形成的輪廓線變化具有相似規律，濕潤鋒運移程度隨灌水量的增大而增大。此外，隨著灌水量的增大，濕潤體體積發生了顯著變化，灌水量越大，濕潤體體積也越大。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，水分受土壤基質勢的主導作用運移擴散，土壤入滲能力不足以使此部分水分迅速向豎直方向入滲，導致水平方向入滲速率加快，隨著灌水繼續進行，豎直方向濕潤鋒在重力勢的作用下運移速率逐漸增大。濕潤體的形態趨向于橢球體，灌水量越大，濕潤體體積越大，形態越寬越深。

圖5 垂直剖面濕潤鋒運移情況Fig.5 Wetting front migration on vertical profile

3.3 涌泉根灌肥液入滲濕潤體含水率

圖6為流量7 L/h、不同灌水量(30，40 L和50 L)條件下，涌泉根灌灌水器中心處土壤水分分布狀況。可以看出：灌水結束時，相同土壤深度處的含水率與灌水量成正比，不同灌水量(30，40 L及50 L)含水率平均值分別為21.15%，22.73%及24.26%。水分分布區域相對集中，土壤表層含水率較高，這是由于涌泉根灌是地下灌溉，水分補給首先由表層(0～30 cm)開始，導致表層土壤含水率較高，達到29.02%；由于灌水量不足以使濕潤鋒運移至底層土壤(60～100 cm)，因此土壤含水率較低，為14.63%。在肥液入滲初期，供水強度是影響入滲的主要因素，土壤中壓力隨灌水量的增大而增大，因此高含水區域的范圍也越大，但隨著入滲時間的延長，供水強度將逐漸超過滲漏強度，入滲土壤的滲流橫截面積均增大，重力勢成為肥液入滲的主導作用，促進了豎直方向入滲作用。經過1 d的水分運移，雖然水勢梯度作為主導作用影響土壤含水率繼續向深層土壤分布，但水分運動速率逐漸降低，不同灌水量條件下濕潤體內含水率分布均具有相同規律，趨于相對均勻，不同灌水量(30，40 L及50 L)含水率平均值分別為17.98%，18.47%及19.37%。經過3 d的水分再運移后逐漸穩定，濕潤體體積開始減小，且濕潤體內含水率較灌水結束時發生明顯變化，不同灌水量(30，40 L及50 L)含水率平均值分別為14.53%，15.23%及16.59%。

圖6 灌水器處土壤含水率隨時間變化Fig.6 Variation of vertical soil moisture content with time at emitter

為了更直觀地對比不同灌水量條件下水分分布情況，以灌水量40 L為例，分析距離灌水器中心不同位置處的含水率分布情況，如圖7所示。可以看出：土壤含水率與距灌水器出水口距離成反比，灌水結束時，灌水器出水口處以及距離灌水器中心20 cm和40 cm處的含水率平均值分別為22.87%，18.12%及15.09%。涌泉根灌灌水器濕潤深度可達到80 cm，更深層土壤含水率接近對照組CK，而隨著距灌水器中心距離的增大，濕潤體濕潤深度也出現了一定程度的遞減，距灌水器中心20 cm和40 cm時的濕潤深度分別為70 cm和60 cm。經過1 d的水分運移，不同位置處土壤含水率變化不大，灌水器中心處以及距離灌水器中心20 cm和40 cm處的含水率平均值分別為21.35%，18.02%及15.01%。經過3 d的水分再運移，各位置處土壤含水率均有不同程度的降低，灌水器中心處以及距離灌水器中心20 cm及40 cm處的含水率平均值分別為15.94%，16.18%及13.49%。涌泉根灌條件下不同灌水量入滲水分分布規律逐漸向表層低、中間高、底層低的趨勢發展，但其變化程度隨著距灌水器中心距離的增加而降低。

圖7 灌水量40 L時不同位置處土壤含水率隨時間變化Fig.7 Variation of soil moisture content with time at different locations under the condition of irrigation volume of 40 L

3.4 涌泉根灌肥液入滲氮素分布

3.4.1涌泉根灌肥液入滲硝態氮分布

圖8為流量7 L/h、灌水量分別為30，40 L和50 L時涌泉根灌肥液入滲硝態氮分布情況。可以看出，隨灌水量的增大，灌水結束時同土層深度處硝態氮含量也越大，灌水量30，40 L及50 L時硝態氮含量平均值分別為2.93，3.20 mg/kg及3.56 mg/kg，與水分運動規律具有一定的相似性，這是由于灌水量越大，一定時間內灌入的肥液量越大，土壤膠體所攜帶的負電荷越多，減弱了對硝態氮的吸附作用，因此，提高了肥液入滲條件下硝態氮在土壤中的運動能力，導致向土層深度方向運移的硝態氮含量隨入滲時間的延長而增大。由于涌泉根灌是通過灌水器套管保護進行地下灌溉的灌水技術，水分首先于土層深度20～40 cm范圍處開始進行入滲，相應此位置處硝態氮含量達到最大值，而表層和底層土壤中硝態氮含量均較低。再分布1 d后，各土層深度處硝態氮的含量均顯著降低，且隨著土層深度的增大，硝態氮降低程度越大，各處理下土壤中硝態氮平均值分別為1.82，2.41 mg/kg以及2.89 mg/kg，較灌水結束時減幅分別為60.98%，32.78%和23.18%。經過3 d再分布后，各層土壤中硝態氮含量分布呈現出較為均勻的變化，而含量最高區域向下層移動，在含水率達到田間持水量時基本穩定，各處理下土壤中硝態氮平均值分別為1.43，1.98 mg/kg以及2.33 mg/kg。

圖8 硝態氮分布狀況Fig.8 Nitrate nitrogen distribution

3.4.2涌泉根灌肥液入滲銨態氮分布

圖9為流量7 L/h、灌水量分別為30，40 L和50 L時涌泉根灌肥液入滲銨態氮分布情況。灌水結束時，銨態氮含量分布隨土層深度變化呈逐漸遞減趨勢，在100 cm處達到本底值。各處理下土壤中銨態氮平均值分別為99.14，115.58 mg/kg以及129.90 mg/kg，灌水量越大，銨態氮含量越大，這是由于大灌水量需要更長的入滲時間，加劇了土壤顆粒對銨態氮吸附作用，能夠為土壤中陽離子的代換提供更充足的時間，導致入滲土壤中銨態氮含量越大。經過1 d分布后，各處理下土壤中銨態氮平均值分別為110.42，133.69 mg/kg以及149.32 mg/kg。經過3 d再分布后，各處理下土壤中銨態氮平均值分別為109.99，114.73 mg/kg以及124.11 mg/kg，基本達到穩定，土壤中銨態氮含量與灌水量成正比，不同土層深度處增加幅度逐漸增大。再分布過程中，由于失去了肥液補充，在肥液入滲條件下銨態氮在重力方向的運動能力減弱，反硝化作用成為主導，故銨態氮含量隨土層深度的增大不斷降低。再分布時間越長，濕潤體內的肥液分布越均勻，但土壤中銨態氮含量總體呈減少趨勢。

圖9 銨態氮分布狀況Fig.9 Ammonium nitrogen distribution

4 結論與討論

水肥一體化是提高水分、養分利用效率，促進作物增產的重要手段，灌水量大小對作物生長和最優灌溉制度的制定具有十分重要的影響。目前對于不同灌水量對土壤水氮運移特性的研究主要集中于滴灌條件下，由于滴灌系統布置的對稱性，灌水可簡化成線源沿垂直毛管和深度方向的二維水分運動，而涌泉根灌灌水方式符合土壤中點源入滲過程，但由于涌泉根灌套管與土壤接觸面積較大而形成較大的出流界面，水分在土壤中的入滲方程呈典型的三維面源出流入滲，與地下滴灌、滲灌等微灌技術差異較大[25]。鄭彩霞等[26]通過不同滴灌量對濕潤體特征值的影響進行研究，結果表明，滴灌條件下，地表沿滴頭的土壤濕潤鋒呈圓形分布，且水平濕潤鋒運移速率與灌水量成正比，符合冪函數關系。本研究表明，涌泉根灌肥液入滲在不同灌水量條件下水平剖面及垂直剖面上各方向濕潤鋒運移距離均隨著時間的延長而增長，但不同位置處受土壤重力勢和基質勢主導地位不同，水平和豎直剖面上濕潤鋒運移規律又有所不同。水平剖面上，各方向運移距離均隨灌水量減小而增大；垂直剖面上，灌水量越大，水平方向的濕潤鋒運移距離越大，豎直方向的運移距離越小，且運移規律均可由冪函數模型進行擬合，R2值均大于0.97。費良軍等[22]研究了不同流量對涌泉根灌濕潤體特征值和水分入滲的影響，研究表明，濕潤鋒運移變化規律符合時間尺度上的冪函數關系，且隨流量的增大而增大。灌水量越大，入滲時間越長，各方向的濕潤程度皆越大，濕潤體體積也越大，且濕潤體形狀顯得越寬且深。

在肥液入滲初期，供水強度是影響入滲的主要因素，土壤中壓力隨灌水量的增大而增大，因此高含水區域的范圍也越大，相同土壤深度處的含水率與灌水量成正比，水分分布區域相對集中于表層土壤。經過1 d的水分運移，水分運動速率逐漸降低，不同灌水量條件下濕潤體內含水率分布均具有相同規律，趨于相對均勻。李耀剛等[25]研究了不同流量條件對涌泉根灌土壤水分入滲的影響，研究發現，流量越大，濕潤體內形成的高含水區域越大，但濕潤體內水分分布的均勻度卻會有一定程度的降低。經過3 d的水分再運移后逐漸穩定，濕潤體體積開始減小，但濕潤體內含水率較灌水結束時明顯降低。灌水結束時，距離灌水器出水口越遠，含水率越低，經過再分布，濕潤體內含水率較灌水結束時發生明顯降低，涌泉根灌條件下不同灌水量入滲水分分布規律逐漸向表層低、中間高、底層低的趨勢發展，但其變化程度隨著距灌水器中心距離的增加而降低。吳嬌等[27]研究了不同滴灌量對馬鈴薯根區水分和硝態氮的運移規律的影響，研究表明，土壤含水率與灌溉定額成正比，且隨土層深度的增加而降低，隨著入滲時間的推移，不同深度土壤含水率不斷降低，但表現出表層高、中層低以及底層低的變化規律，這主要是由于灌水方式不同所致。