灌水器埋深對紅壤區涌泉根灌雙點源入滲水氮運移的影響

代智光，蔡耀輝

灌水器埋深對紅壤區涌泉根灌雙點源入滲水氮運移的影響

代智光1，蔡耀輝2, 3*

（1.南昌工程學院 水利與生態工程學院，南昌 330099；2.西北農林科技大學 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；3.中國科學院水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100）

【】研究紅壤區涌泉根灌雙點源入滲土壤水氮運移分布規律，為提高涌泉根灌水氮利用效率和灌水器合理埋深提供理論依據。在大田通過灌水器埋深分別為30、45、60 cm的硝酸銨鈣溶液入滲試驗，研究了灌水器埋深對涌泉根灌雙點源交匯入滲土壤的入滲能力、濕潤鋒運移距離、土壤水分以及銨態氮和硝態氮運移特性的影響，并建立了紅壤涌泉根灌土壤累計入滲量及濕潤鋒運移距離與入滲歷時的關系模型。灌水器埋深分別為30、45和60 cm時，紅壤累計入滲量和穩定入滲率分別為18.84 L和0.035 cm/min、17.09 L和0.031 cm/min以及14.37 L和0.024 cm/min，即灌水器埋深越大，土壤的累計入滲量和穩滲率就越小，且累計入滲量與入滲歷時之間均符合冪函數關系；灌水器埋深分別為30、45和60 cm時，交匯入滲發生的時間分別為168、187和197 min，交匯發生時間增幅依次為10.16%和5.56%，濕潤鋒運移距離隨埋深的增大而減小，運移距離與入滲歷時之間均符合對數函數關系，且豎直向下的運移距離均大于豎直向上；土壤含水率均隨著土層深度的增加而先增加后減小，對于同一土層，灌水器處土壤含水率最大，其次為交匯面處，而距離灌水器12.5 cm處土壤含水率最小；土壤銨態氮和硝態氮均隨土層深度的增加而先增加后減小，在水平方向，距離灌水器越近，銨態氮的質量濃度越大，對于硝態氮而言，灌水器埋深不同，硝態氮的分布存在明顯差異。灌水器埋深對涌泉根灌雙點源交匯入滲紅壤的水氮運移分布均有顯著影響，且埋深超過60 cm時，氮肥淋失風險較大，且對作物吸收不利。

紅壤；涌泉根灌；灌水器埋深；水氮運移

0 引言

【研究意義】紅壤主要分布在我國南方丘陵區，是我國重要的土壤資源之一。長期以來，紅壤區季節性干旱以及紅壤酸、黏、瘦等問題嚴重制約著當地農業的發展；涌泉根灌作為一種微灌新技術，類似于地下滴灌，其出流方式為三維柱狀出流，出流面積大，抗堵塞能力強，特別適宜于紅壤和根系分布相對較深的果林樹灌溉[1-2]，因此，結合紅壤特性，研究涌泉根灌水氮運移及分布對涌泉根灌技術在紅壤區的推廣應用具有重要意義。【研究進展】近年來，國內外相關學者關于涌泉根灌技術進行了大量研究，并取得了一系列成果。如劉風華等[3]研究表明，土壤體積質量越大，紅壤的水分入滲能力就越弱；代智光等[4]研究了肥液質量濃度對紅壤區涌泉根灌自由入滲水氮運移的影響，并建立了土壤累計入滲量及濕潤鋒運移距離與肥液濃度的關系模型；樊曉康等[5]研究了滴頭流量、灌水量及灌水器埋深對土壤濕潤體的影響，結果表明，相比灌水量，灌水器埋深對土壤入滲濕潤體影響更大；張陸軍等[6]研究表明，每株棗樹安裝2個灌水器是棗樹最適宜的布置方式；劉顯等[7-8]研究了肥液質量濃度和灌水器埋深對涌泉根灌自由入滲土壤水氮運移特性的影響，并建立了土壤濕潤鋒的運移模型。【切入點】相比單點源自由入滲，涌泉根灌雙點源布置條件下作物的水肥利用效率更高，因此在生產實踐中，雙點源入滲的應用也最為普遍。由于雙點源入滲土壤水氮分布與自由入滲存在顯著差異[9-12]，而目前有關雙點源入滲土壤水氮分布的研究還很少見，且灌水器埋深是影響涌泉根灌水氮運移的關鍵技術參數之一，對土壤的水氮分布影響明顯。【擬解決的關鍵問題】基于此，本研究在紅壤區開展涌泉根灌雙點源肥液入滲試驗，研究不同灌水器埋深下紅壤的水氮運移特征，以期為涌泉根灌技術在紅壤地區的推廣應用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗在南昌工程學院校內進行（28°42′N，115°59′E）。本區域屬于北半球亞熱帶濕潤氣候，年降雨量1 600～1 700 mm，主要分布在7—9月，年平均氣溫17.7 ℃，高溫干旱，年內變化較大。試驗前期在試驗區隨機選取3個點，采用環刀法在探坑4個側面每隔20 cm取1次土樣，測定各土層土壤顆粒級配及理化指標，其中顆粒級配采用激光粒度分析儀（MS2000型，馬爾文，英國）測定，體積質量采用環刀法測定，銨態氮及硝態氮的質量濃度采用紫外/可見光光度計法（PerkinElmer，LAMBDA265）測定，土壤pH值采用PHS-3C型pH計測定，具體結果如表1所示，根據國際制標準判定各層土壤質地均為壤土。土壤粒級比例為體積分數。

表1 土壤顆粒級配及理化指標

1.2 試驗設計

試驗裝置主要由土壤剖面、馬氏瓶和灌水器組成。馬氏瓶用于提供恒定水頭，其內徑為14 cm，高為100 cm，通過調整出口開關來控制出流流量；灌水器通過橡膠管與馬氏瓶連接，其內徑為4 cm，長度為20 cm，由迷宮流道段和出水段組成，均為10 cm長，其中出水段開孔率為20%，并用紗布包裹以避免土壤顆粒堵塞灌水器，具體見圖1。

試驗采用剖面法。在試驗區選擇未經擾動的天然坡面，清除表層覆土及雜草后，將剖面修整為光滑整齊的階地，其高和寬度均為1.5 m，灌水器的孔洞布置在距臺階邊緣3 cm處。結合試驗區土壤導水特性，設定灌水器初始流量為2.5 L/h；肥液質量濃度為15 g/L，肥料采用硝酸銨鈣（5Ca(NO3)2·NH4NO3·10H2O），對應銨態氮和硝態氮質量濃度分別為0.25、9.45 g/L。灌水器間距為50 cm，供水總時長為300 min。灌水器埋深共設置3個梯度：30、45、60 cm。按照先密后疏的原則設置時間間隔，記錄馬氏瓶讀數；交匯入滲發生后，以灌水器底部為起點，用直尺測量交匯面處濕潤鋒在豎直向上和豎直向下的運移距離，供水停止后，在距離灌水器0（灌水器）、12.5 cm和25 cm（交匯面）處采用土鉆法取土，帶回實驗室測定土壤含水率、銨態氮以及硝態氮的質量濃度。

土壤含水率采用烘干法測定，土壤銨態氮和硝態氮的質量濃度采用紫外/可見光光度計法（PerkinElmer，LAMBDA265）進行測定[13-14]。每組試驗重復3次，取其平均值進行分析。

圖1 試驗布置及灌水器細部結構

2 結果與分析

2.1 灌水器埋深對土壤入滲能力的影響

不同灌水器埋深條件下土壤累計入滲量和入滲率見圖2。由圖2可知，灌水器埋深不同，土壤累計入滲量和入滲率存在較大差別，灌水結束時，灌水器埋深30、45、60 cm對應的累計入滲量分別為18.84、17.09、14.37 L，相比30 cm處理，減幅依次為9.30%和23.73%；穩滲率分別為0.035、0.031、0.024 cm/min，相比30 cm處理，減幅依次為11.43%和31.43%。可以看出，灌水器埋深越大，土壤的累計入滲量和穩滲率越小，且減幅逐漸增大。

不同灌水器埋深條件下土壤入滲能力、濕潤鋒運移距離及銨態氮和硝態氮質量濃度的方差分析如表1所示。由表1可知，埋深為30 cm和45 cm對應的累計入滲量和穩滲率均顯著大于60 cm埋深處理，而30 cm和45 cm埋深處理之間差異不顯著。

圖2 不同灌水器埋深土壤累計入滲量和入滲率

表1 不同灌水器埋深條件下土壤入滲能力、濕潤鋒運移距離及土壤氮素質量濃度

注 不同處理間不同字母表示在＜0.05水平差異顯著。

表2 不同灌水器埋深下累計入滲量與入滲歷時擬合關系

注為入滲歷時（min）；()為累計入滲量（L）。

為進一步研究灌水器埋深對土壤累計入滲量的影響，對土壤累計入滲量與入滲歷時的關系進行了擬合，結果如表2所示。由表2可知，灌水器埋深分別為30、45、60 cm時，土壤累計入滲量與入滲歷時關系擬合公式的相關系數2均大于0.05顯著性水平對應的臨界相關系數（0.05=0.514），這說明用表2的公式來擬合不同灌水器埋深條件下累計入滲量與入滲歷時的關系是合理的，即灌水器埋深不同時，土壤累計入滲量與入滲歷時之間均符合冪函數關系。

2.2 灌水器埋深對交匯面處土壤濕潤鋒運移的影響

交匯面處土壤濕潤鋒的運移距離隨入滲歷時的變化見圖3。由圖3可知，灌水器埋深分別為30、45、60 cm時，交匯入滲發生的時間分別為168、187、197 min，增幅依次為10.16%和5.56%，即灌水器埋深越大，交匯入滲發生的時間就越晚。交匯入滲發生后，交匯面處土壤肥液運動由三維變為二維，土壤濕潤鋒開始沿著交匯面向上和向下運移。入滲歷時相同時，交匯面處濕潤鋒的運移距離隨埋深的增大而減小，且豎直向下的運移距離均大于豎直向上方向，在灌水結束時，各處理在豎直向上濕潤鋒的運移距離分別為13.7、12.4、10.3 cm，而豎直向下的運移距離分別為15.8、14.4、12.1 cm。可以看出，隨著灌水器埋深的增大，土壤濕潤鋒的運移距離就越小，且各處理在豎直向下的運移距離大于豎直向上方向。

在灌水結束時，各處理土壤濕潤鋒在豎直向上和豎直向下的運移距離之間存在顯著差異，且30 cm埋深處理顯著大于60 cm埋深，而30 cm埋深和45 cm埋深之間差異不顯著（表1）。交匯面處土壤濕潤鋒的運移距離與入滲歷時的關系擬合結果如表3所示。由表3可知，擬合公式的相關系數均在0.820以上，均大于0.05顯著性水平對應的臨界相關系數（0.05=0.514），這說明灌水器埋深不同時，交匯面處土壤濕潤鋒的運移距離與入滲歷時之間均符合對數函數的變化關系。

圖3 交匯面處土壤濕潤鋒運移距離隨入滲歷時變化

表3 不同灌水器埋深下濕潤鋒運移距離與入滲歷時關系擬合

注為入滲歷時（min）；()和()分別為濕潤鋒豎直向上和豎直向下的運移距離（cm）。

2.3 灌水器埋深對土壤水分運移特性的影響

在灌水結束時，不同灌水器埋深條件下涌泉根灌雙點源入滲土壤水分的分布見圖4。由圖4可知，灌水結束時，在距灌水器不同位置處，土壤含水率的分布基本相同，均隨著土層深度的增加呈先增加后減小的變化趨勢，以灌水器處為例（0 cm），灌水器埋深分別為30、45、60 cm時，其土層最大含水率分別為32.33%、31.31%和27.82%，對應的土層分別為20～40、40～60 cm和40～60 cm。

土壤含水率在灌水器處（0 cm）最大，其次為交匯面處（25 cm），而距離灌水器12.5 cm處土壤含水率最小，這是因為在0 cm處，距離灌水器最近，因此土壤含水率也就越高，而在交匯面處（25 cm），由于土壤肥液交匯作用的影響，土壤含水率相比12.5 cm處，反而有不同程度的上升，且對淺層土壤的影響要大于深層。在生產實踐中，交匯面處作物根系分布也較為集中，因此交匯入滲對作物有效利用水分較為有利。

圖4 不同灌水器埋深土壤水分分布

2.4 灌水器埋深對土壤銨態氮運移的影響

灌水器埋深分別為30、45、60 cm時，距灌水器不同位置處土壤中銨態氮的分布見圖5。由圖5可以看出，灌水器埋深相同時，土壤中銨態氮的質量濃度均隨土層深度的增加而先增加后減小。以灌水器處（0 cm）為例，灌水器埋深為30 cm時，在0～20、20～40、40～60、60～80 cm和80～100 cm內土壤銨態氮的質量濃度分別為121.11、247.74、94.36、28.12 mg/kg和21.57 mg/kg，增幅依次為104.56%、-61.91%、-70.20%和-23.29%，即距灌水器越近，銨態氮的質量濃度就越高，而在60～100 cm內，銨態氮的質量濃度急劇減小。

此外，灌水器埋深對土壤中銨態氮的水平分布影響明顯。對于同一土層而言，土壤中銨態氮的質量濃度關系為：0 cm>12.5 cm>25 cm，即距離灌水器越遠，銨態氮的質量濃度就越低，與自由入滲類似，說明交匯作用對銨態氮的質量濃度影響不大。

圖5 不同灌水器埋深土壤銨態氮分布

2.5 灌水器埋深對土壤硝態氮運移的影響

灌水器埋深分別為30、45 cm和60 cm時，距離灌水器不同距離處土壤中硝態氮的分布見圖6。由圖6可知，在灌水結束時，土壤中硝態氮的分布與土壤含水率類似，灌水器埋深越小，土壤中硝態氮的平均質量濃度就越高，但土層內硝態氮分布的均勻性也越低，以灌水器處（0 cm）為例，灌水器埋深分別為30、45、60 cm，在0～40 cm內土壤中硝態氮的平均質量濃度分別為3.49、2.21和1.45 mg/kg，而在40～100 cm內土壤中硝態氮平均質量濃度分別為1.69、1.97和1.74 mg/kg，相比0～40 cm，分別下降51.58%、10.86%和-20.00%，即灌水器埋深越淺，土壤中硝態氮就越容易在淺層土壤中聚集，因此其分布也越不均勻。

灌水器埋深不同，土壤中硝態氮的水平分布也存在較大差異。當灌水器埋深為30 cm時，在20～60 cm土層內，硝態氮的質量濃度在灌水器處（0 cm）最大，交匯面處（25 cm）次之，而距灌水器12.5 cm位置處最小，灌水器埋深為45 cm時，在0～40 cm土層內，距灌水器越遠，硝態氮的質量濃度就越小，而在40～80 cm土層范圍內，由于濕潤鋒的交匯作用，相比距灌水器12.5 cm位置處，交匯面處硝態氮的質量濃度更大；當灌水器埋深為60 cm時，除了80～100 cm外，各土層硝態氮的質量濃度均表現為隨距灌水器距離的增大而逐漸減小的變化趨勢。

圖6 不同灌水器埋深土壤硝態氮分布

3 討論

累計入滲量和穩滲率越大，土壤的入滲能力就越強。本研究中，灌水器埋深越大，土壤的累計入滲量和穩滲率就越小，且減幅逐漸增大，與劉顯等[7]在涌泉根灌單點源自由入滲的研究結果一致，這是因為隨著灌水器埋深的增大，其所在土層的土壤體積質量也逐漸加大，而體積質量越大，土壤的孔隙量就越小，土壤肥液運動所受到的阻力就越大[15-17]，因此土壤累計入滲量就越小，且土壤入滲速度衰減較快，達到穩滲率歷時就較短。因此，在對作物進行灌溉，當灌水器埋深較大時，應適當增加灌水時間，或者對土壤進行適當翻耕，降低土層體積質量，以保證作物的需水量。

灌水器埋深越大，土壤濕潤鋒的運移距離就越小，這是因為灌水器埋深較淺時，濕潤鋒交匯入滲就越早發生，且灌水器所在土層土壤體積質量也較小，因此土壤濕潤鋒的運移距離就較大[3]。此外，濕潤鋒運移主要是在重力勢和基質勢的共同作用造成的，而重力勢對肥液運移的影響主要與肥液的運動方向有關，當肥液向下運動時，重力勢促進了肥液的運動，而當肥液向上運移時，重力勢對土壤肥液的運移起阻礙作用，因此土壤肥液在豎直向下的運移距離大于豎直向上方向。

土壤的水氮分布對作物的有效利用有直接影響，水氮分布與作物主要吸水根系分布越接近，作物對水氮的吸收利用就越容易[6]。土壤中含水率和硝態氮的分布基本一致，土壤含水率高的地方，硝態氮的質量分數就越大，而銨態氮則主要分布在灌水器附近，且相比銨態氮，交匯作用對硝態氮分布的影響更大，這是由于土壤顆粒以帶負電荷為主，對帶正電荷的銨態氮有較強的吸附作用，因此大量的銨根離子分布在灌水器附近，只有當灌水器附近土壤顆粒達到飽和吸附后，銨態氮才開始隨土壤水分大幅遷移，因此在交匯面處，銨態氮的質量濃度最低，而硝態氮帶負電荷，不易被土壤所吸附，易隨土壤水分運動，因此土壤含水率高的區域硝態氮的質量濃度就較高[18-19]。此外，隨著灌水器埋深的增大，80～100 cm內硝態氮的質量濃度逐漸提高，加劇了硝態氮隨灌溉淋失的風險，降低了作物對氮肥的利用效率。

4 結論

1）灌水器埋深越大，土壤的累計入滲量和穩滲率越小，土壤累計入滲量與入滲歷時之間符合冪函數關系。

2）灌水器埋深越大，土壤濕潤鋒交匯時間就越晚。入滲歷時相同時，交匯面處濕潤鋒的運移距離隨灌水器埋深的增大而減小，豎直向下的運移距離均大于豎直向上方向，且土壤濕潤鋒的運移距離與入滲歷時之間符合對數函數關系。

3）距灌水器不同位置處，土壤含水率均隨著土層深度的增加呈先增加后減小的趨勢，對于相同土層而言，土壤含水率在灌水器處最大，其次為交匯面處，而距離灌水器12.5 cm處土壤含水率最小。

4）在豎直方向，土壤銨態氮和硝態氮均隨土層深度的增加而先增加后減小，而在水平方向，銨態氮和硝態氮的分布存在差異，距離灌水器越近，土壤中銨態氮的質量濃度就高，而對于硝態氮而言，灌水器埋深不同，硝態氮的分布存在明顯差異。

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The Effects of Depth of Subsurface Dual Emitters in Surge-root Irrigation on Water and Nitrogen Movement in Red Soil

DAI Zhiguang1, CAI Yaohui2,3*

(1. School of Hydraulic and Ecological Engineering, Nanchang Institute of Technology, Nanchang 330099, China; 2. Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A&F University, Yangling 712100, China; 3. Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, Yangling 712100, China)

【】The red soil widely distributed in hilly regions in southern China is an important soil resource, but the seasonal drought in these regions and the inherent acidity, stickiness and leanness of the red soil could impede crop growth. Surge-root irrigation (SRI) is a technology capable of ameliorating these problems and improving agricultural production in these regions. Understanding the movement of water and nitrogen in the soil under SRI is essential to improving its efficacy.【】The purpose of this paper is to experimentally study the impact of burying depth of the dual-emitters in SRI on water and nitrogen movement in the red soil in attempts to provide a guidance for improving nitrogen utilization efficiency in these regions.【】The experiment was conducted in field with calcium ammonium nitrate as the nitrogen fertilizer; the emitters were buried at depth of 30, 45, or 60 cm, respectively. For each treatment, we measured water infiltration from the emitters, movement of the wetting fronts, spatiotemporal changes in soil moisture, ammonium and nitrate, from which we derived formulae to calculate the changes in cumulative infiltration and location of the wetting front with time.【】When the emitter depth was 30, 45 and 60 cm, the cumulative infiltration and the stable infiltration rate were 18.84 L and 0.035 cm/min, 17.09 L and 0.031 cm/min, and 14.37 L and 0.024 cm/min, respectively, indicating that the deeper the emitters were, the less the cumulative infiltration and stable infiltration rate were. The cumulative infiltration increased with time in a power-law, and when the emitters depth was 30, 45 and 60 cm, the time it took the wetting fronts emanating from the two emitters to cross was 168, 187 and 197 min, respectively. The migrating distance of the wetting front increased with the buried depth of the emitters, and it was related to irrigation time logarithmically. Vertically, soil moisture content (SWC), ammonium and nitrate all increased first and then decreased. Horizontally, both SWC and ammonium were the highest in the proximity of the emitters and the lowest at a location 12.5 cm from the emitters. In contrast, the nitrate distribution varied significantly with the burying depths of the emitters.【】The burying depth of the emitters in the SRI had significant effects on water and nitrogen transport in red soils. Burying the emitters deeper than 60 cm could risk nitrogen leaching to groundwater and should be avoided.

red soil; surge-root irrigation; emitter depths; water and nitrogen transport

S275

A

10.13522/j.cnki.ggps.2020146

1672 - 3317（2021）07 - 0009 - 07

代智光, 蔡耀輝. 灌水器埋深對紅壤區涌泉根灌雙點源入滲水氮運移的影響[J]. 灌溉排水學報, 2021, 40(7): 9-15.

DAI Zhiguang, CAI Yaohui. The Effects of Depth of Subsurface Dual Emitters in Surge-root Irrigation on Water and Nitrogen Movement in Red Soil[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(7): 9-15.

2020-03-12

江西省教育廳研究項目（GJJ180952）；中國農科院水資源安全高效利用重點開發實驗室開放基金項目（2019BB02）；江西省科技廳研究項目（20192BAB216037）

代智光（1984-），男。講師，主要從事節水灌溉理論與新技術研究。E-mail: daizhiguang100@163.com

蔡耀輝（1991-），男。助理研究員，主要從事節水灌溉理論與新技術研究。E-mail: caiyh@nwafu.edu.cn

責任編輯：陸紅飛