紅壤蓄水滲灌水氮入滲特征研究

裴青寶，廖振棋，余 雷，董文彪，陳鵬帆

（1.江西省水利科學研究院，南昌330099；2.南昌工程學院，南昌330099；3.西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西楊凌712100）

0 前 言

紅壤在我國南方丘陵區有較廣的分布[1]，是臍橙、柑橘等經濟作物生長的重要載體[2,3]。臍橙、柑橘是需水量較高的水果品種，大部分種植地區雖然雨量充沛，但存在年際波動、季節性分布不均勻等問題（1961-2016年江西省氣候時空變化特征）[4]，容易造成季節性的干旱，同時還存在土壤結構性差、種植地區夏季蒸發量大等因素對實現臍橙、柑橘的穩產、高產帶來一定的困難。隨著臍橙、柑橘產業的快速可持續發展，以節水、高產和高品質為目標的生產模式成為必然選擇[5]。臍橙、柑橘等作物采用不同類型節水灌溉技術時，受土壤自身特性等的影響，土壤水分濕潤鋒的運移及交匯規律具有較大差異，灌溉后其濕潤體的形狀和范圍不盡相同[6-8]。針對紅壤黏粒含量較高，水分養分不易滲入到深層土壤中的特點[9]，擬將蓄水坑灌應用到臍橙、柑橘灌溉中。研究表明該種灌溉技術灌溉后濕潤體的形狀濕潤鋒的推進等均影響到了作物對水分、養分的吸收利用[10]。灌溉濕潤面積和濕潤深度應盡量與根系分布范圍具有一致性，可以通過濕潤鋒的分布來判斷灌溉水量的多少和灌水質量，但土壤質地、容重、含水量、灌溉水水質等均對濕潤體特性有影響[11-13]，各節水灌溉技術相對應的灌水器埋深、壓力變化、開孔率等直接影響到作物對水分、養分的吸收利用[14-17]。蓄水坑灌、深層坑灌等作為坑灌的一種形式可將水分直接輸送到作物根系附近，可有效地減少地表蒸發徑流損失，提高水肥利用效率[18-20]。有研究發現土壤含水量與土層深度乘積與土壤硝態氮含量之間存在著極顯著相關關系[21]。但目前在紅壤區域針對蓄水坑灌技術的應用研究較少，紅壤區水氮入滲影響因素尚不明晰。因此，本研究通過室內土箱試驗，灌水量及埋深對單個蓄水坑灌紅壤水氮分布的影響，以期為紅壤丘陵區臍橙、柑橘蓄水坑灌技術應用推廣提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試紅壤取自江西省贛南丘陵地區尋烏縣澄江鎮，于2019年4月在南昌工程學院江西省水工程安全與資源高效利用工程研究中心灌溉排水實驗室進行試驗，室內溫度25～28 ℃，將土自然風干、碾壓后，采用MS2000 型激光粒度分析儀測定，土壤自然堆積狀態下粒徑級0.02 mm＜d≤2 mm、0.002 mm＜d≤0.02 mm、d＜0.002 mm 顆粒分別占28.52%、41.13%、30.35%，根據國際制土壤劃分標準，屬于黏壤土。試驗土壤容重為1.39 g/cm3，初始土壤含水率5.6%、硝態氮量為18.68 mg/kg，銨態氮量為1.94 mg/kg。

1.2 試驗裝置與試驗設計

試驗裝置如圖1和圖2所示，由馬氏瓶，土箱、輸水管、鐵支架、水室、閥門等組成。土箱由有機玻璃板制成，尺寸為80 cm×50 cm×50 cm。灌水器采用內徑為5 cm，高為20 cm，底部開孔率為40%，底部起曲面5 cm 高，開孔率為40%，上部曲面15 cm 不開孔。馬氏瓶內裝入配制好的KNO3溶液(814.5 mg/L)，試驗設定3 個不同灌水量分別為1、2、3 L，設定3 個不同灌水器埋深分別為10、15、20 cm設計方案見表1。

圖1 試驗土箱示意圖Fig.1 Schematic diagram of test device

圖2 單坑試驗裝置圖Fig.2 Chart of single pit test device

表1 試驗處理Tab.1 Test treatment

按土樣采集區平均干容重每層5 cm 分層裝填土箱，每層用夯土器夯勻，層與層之間采用毛刷刷毛，填至灌水器埋設深度時，先將灌水器安裝在土箱相應位置處，通過固體膠水將灌水器與土箱接觸的縫隙閉合，并繼續填土至設定位置。設定馬氏瓶初始水頭高于灌水器曲面開孔上端2 cm，試驗在室內進行，無其他自然環境因素的干擾。待土箱填土自然沉降24 h 后開始試驗；試驗開始后，打開馬氏瓶供水，入滲過程中記錄馬氏瓶讀數，并間隔一段時間用記號筆在土箱側面記錄濕潤鋒的變化。9 個處理均設置3 次重復試驗，數據取平均值，采用Microsoft Office Excel 2010 與Surfer 8.0 對數據進行處理。

2 結果與分析

2.1 不同灌水量與埋深條件下的入滲特性

如圖3所示，紅壤地蓄水滲灌0～10 min內平均入滲率為初滲率，10～200 min 之間入滲率逐漸降低，200～540 min 內平均入滲率為穩滲率。有研究表明[22]，對初滲率的影響程度為土壤容重>土壤含沙量>土壤初始含水率>入滲肥液濃度；對穩滲率的影響程度為土壤含沙量＞土壤容重＞入滲肥液濃度＞土壤初始含水率。而在不同入滲階段對入滲率影響程度不同，入滲初期土壤沉降引起土壤孔隙度減少，對水土界面結構和水流入滲通道有一定影響；此時，滲入土體的肥液離子較少，離子置換作用小，對土壤顆粒吸附較弱入滲肥液對入滲率的影響較小。隨著入滲時間延續，土壤濕潤區不斷向下擴展，濕潤區內水勢梯度差別減小，故不同灌水量下入滲初期初滲率相差較大，隨著入滲時間的增加入滲率在短時間內快速減小，隨之逐漸趨于一個穩定值，最后入滲率變化值逐漸趨于穩定，且接近于0值。

圖3 入滲率變化曲線Fig.3 Variation curve of infiltration rate

由圖3可知，各處理初始入滲率為：T7>T8>T4>T1>T9>T5>T2>T6>T3，各處理10～210 min 之間的入滲率大小為T7>T4>T1> T8>T5>T2>T9>T6>T3，這兩個階段灌水量對入滲率的影響均大于灌水器埋深的影響，同一埋深下，灌水量越大，入滲的影響越大；各處理間的穩滲率相差不大，其主要和土壤的自身入滲特性有關。

2.2 不同灌水量與埋深條件下濕潤鋒變化

由圖4可見，垂向濕潤鋒運移距離隨著灌水器埋深增加而減小，隨著灌水量的增加而增加；在入滲160 min 內，垂向濕潤鋒的推進速度較快，隨著入滲時間增加，濕潤鋒運移速率逐漸趨于平緩。在主要是因為在入滲前期，土壤水勢梯度大，入滲較快；入滲后期土壤基質勢的作用下，土壤入滲能力下降，這種差異逐漸弱化，濕潤鋒運移速率趨于一致。對不同灌水量和灌水器埋深下對單坑蓄水滲灌的垂向濕潤鋒運移距離與入滲時間進行冪函數擬合，即：

圖4 垂向濕潤鋒隨時間變化圖Fig.4 Variation of vertical wetting front with time

式中：y為垂向濕潤鋒運移距離，cm；A、B為擬合參數；C為灌水器埋深，為10、15、20 cm。

由表2的擬合結果可知：各擬合函數相關系數均大于0.96，各參數擬合結果也較好，擬合參數A隨著灌水量的增大和灌水器埋深的增加而增大。

表2 垂向濕潤鋒運移距離擬合結果Tab.2 Fitting results of vertical wetting front migration distance

2.3 不同灌水量與埋深條件下濕潤體內含水率分布

如圖5所示，濕潤體內含水率曲線都是以蓄水坑中心軸為中心的不規則1/4 橢圓形，表層含水率小，隨著深度的增加含水率逐漸變大，在一區域達到峰值，然后又逐漸變小。不同處理下蓄水滲灌入滲后濕潤體內含水率的分布表現為距離灌水器位置越遠，含水率越小，等值線分布越密集，水勢梯度也越小。灌水量越大，濕潤體內高含水率區域越大，同一節點處的含水率也越大；隨著灌水器埋深加大，濕潤體范圍向右下方移動。入滲結束后灌水器下方的土壤含水率隨土壤深度增大逐漸變小，土壤含水率徑向變化量為隨著徑向距離增加而減小，土壤含水率垂向分布與徑向變化趨勢相同。本試驗設計的滲灌方式灌溉過程中水分不需要流經地表而直接通過坑滲裝置側壁流入中深層土壤減小了表層土壤的濕潤范圍，坑底的不透水性阻礙了水分的垂向直接入滲，迫使水分向蓄水坑周圍運動。

由圖5可見，隨著灌水量的增加，土壤濕潤范圍增加，灌水器右下方濕潤體內高含水率分布區域變大，土壤含水率為32%以上的分布面積越廣。灌水量為1 L 時，土壤含水率為32%以上區域主要分布在灌水器下方0～25 cm、徑向距離0～20 cm 范圍內，含水率峰值為34%。灌水量為2 L 時，含水率為32%以上區域進一步擴大，主要分布在灌水器下方0～30 cm、徑向距離0～25 cm范圍內，含水率峰值為35%。灌水量為3 L 時，含水率為32%以上區域最大，主要分布在灌水器下方0～35 cm、徑向距離0～30 cm范圍內，含水率峰值為38%。

圖5 土壤含水率分布圖Fig.5 Distribution of soil moisture content

不同灌水器埋深的情況下，隨著灌水器埋深的增加，含水率分布區域下移，高含水率區域主要分布在灌水器下方0～20 cm。且同一灌水量下，土壤最高含水率隨灌水器埋深的增加有減小的趨勢。處理T7、T4、T1 在各相同灌水量條件下呈現出具有較高含水率范圍的狀態，其中一處理T7最大。

2.4 不同灌水量與埋深條件下濕潤體內硝態氮分布

從圖6可見，濕潤體內硝態氮垂向分布范圍基本相同，土壤硝態氮含量等值線均以蓄水坑為中心軸的不規則橢圓。同一灌水量時，灌水器周邊硝態氮含量變化梯度相對均勻，縱向分布規律與徑向分布規律近似一致。不同坑深時，硝態氮等值線的垂向分布均隨土壤深度的加深先增大后減小，距離灌水器徑向距離較遠處斷面的土壤硝態氮存在較大的波動。各處理濕潤體內硝態氮峰值均隨灌水量的增大而增大，且出現硝態氮含量峰值隨灌水量的增大在土體內下移的現象。

圖6 土壤硝態氮分布圖Fig.6 Distribution of nitrate nitrogen in soil

在不同處理下對濕潤體內層厚為5 cm 土層硝態氮濃度分布狀況進行方差分析和回歸分析。由表3的多因素方差分析表明，土層深度變化對土壤硝態氮濃度變化規律影響較為顯著（P<0.05），灌水量變化對土壤硝態氮濃度變化規律影響較為顯著（P<0.05），徑向距離變化對土壤硝態氮濃度變化規律影響較為顯著（P<0.05）。峰值處溶質主要受溶質勢和重力勢作用向土壤深層運移，峰值位置也由右下方運移，使得該兩層土壤硝態氮濃度受灌水量影響顯著。硝態氮峰值受灌水器影響較為顯著（P<0.05），不同灌水量之間的硝態氮峰值含量濃度差異顯著（P<0.05）。隨著入滲時間的增加，土壤中對流作用減弱，在分子擴散作用與機械彌散作用下，溶質隨水分向土壤中深層運移。故土壤深度、徑向距離、灌水量的變化對土壤硝態氮的分布均有顯著影響，影響程度為：灌水量>土層深度>灌水器埋深>灌水量×灌水器埋深>土層深度×灌水器埋深>土層深度×灌水量>土層深度×灌水量×灌水器埋深。

表3 方差分析Tab.3 Analysis of variance

3 討 論

3.1 灌水量與埋深對入滲特性的影響

研究表明土壤入滲過程入滲率均隨入滲時間推移經歷快速減小、逐漸減小和趨于穩定的3 個階段[23]。風干后的土壤的初滲率在入滲初期很大，隨之在較短的時間快速降低，最后趨于穩定[24]，本次實驗紅壤地區蓄水滲灌入滲率也呈現相同變化過程。

同一灌水量下，硝酸鉀溶液入滲率隨著灌水器埋深而減少；在同一灌水器埋深情況下，硝酸鉀溶液入滲率隨著灌水量的增加而增加；具體體現在硝酸鉀溶液的硝酸根離子的作用，由于各個膠體之間相互吸引從而凝聚成較大的粒子，從而形成團聚體，增大了土壤顆粒的粒徑，使得土壤結構變松散，土壤孔隙變大，土壤曲折系數減小，土壤水分運移時所遇到的阻力變小，使其入滲率變大，從而促進硝酸鉀溶液入滲，而灌水量增加，越促進硝酸鉀溶液的入滲，入滲率差異性越明顯。

3.2 灌水量與埋深對含水率分布的影響

土壤吸力和重力是土壤水分運動的兩種驅動力[25]，即土壤的基質勢和重力勢作用。在開始入滲時，土壤的基質勢作用占主導作用，重力勢作用相對較小；由于在均質土壤中入滲，因此在徑向和垂向上的土壤基質勢作用相同。但由于側面開孔率略高于底部開孔率，因此在入滲初期，土壤水分徑向運移速度比縱向運移速度略快。隨著灌水歷時推移，土壤含水量逐漸增大，土壤的基質勢作用減弱，重力勢在驅動土壤水分運移中逐漸起主要作用，土壤水分在垂向的入滲的速度開始明顯大于徑向。當馬氏筒瓶內的水量入滲完后，即進入土壤水分非恒定入滲階段，此時土壤的入滲率趨于穩定，灌水器的水量也逐漸減小，直至灌水器的水分全部入滲完畢。當灌水器內的水分全部入滲后，就進入再分布階段。由于灌水器周邊的含水量比濕潤鋒處的含水量高，即灌水器附近的勢能比濕潤鋒附近的高，高含水量的處水分在勢梯度的作用下擴散至低含水量處。在濕潤體徑向和垂向的同一位置處，土壤含水率隨灌水歷時的增大而增大。入滲開始后，灌水器周圍的土壤含水率在較短的時間內達到或接近飽和，所以在同一時刻，隨著徑向距離、垂向距離的增加土壤含水率由飽和含水率逐漸減小至初始值。

3.3 灌水量與埋深對灌硝態氮分布的影響

由圖6可見，不同灌水量時，濕潤體內硝態氮濃度隨入滲時間的增加而逐漸累積增加，且灌水量不同硝態氮的累積量不同，灌水量越多時，硝態氮含量越大。土壤硝態氮的再分布規律為由灌水器周邊至濕潤體邊緣呈現“低-高-低”的分布態勢。這與張微笑等人的研究結果相似[26-28]。

硝態氮的主要運移方式是對流，使得在濕潤體邊緣有大量累積。坑壁附近范圍由入滲剛開始時，土壤為初始含水率，坑壁附近的水勢梯度大，水流的流速比較大而易于隨水分運移從而造成了這個區域的淋溶損失，入滲中期該區域土壤的含水率高，較高的濕度致使土壤的通透性差，土壤處于還原條件使得反硝化作用加強，在反硝化細菌作用下產生亞硝酸和游離態氮，造成一定硝態氮的損失，此外還有很多因素會影響硝態氮的分布，在有氧條件下，在硝化細菌的作用下發生硝化作用，而影響硝化細菌活性的因素包括土壤有機質含量、土壤水分、含氧量、pH 等，這些因素的變化都會影響到硝化過程進而影響硝態氮的含量、分布。而在無氧的條件下還會發生反硝化作用，從而影響硝態氮的濃度的分布。硝酸根離子由于帶負電荷，與土壤膠體所帶電荷相同，故不易被帶負電荷土壤膠體吸附，具有較強的移動性。

4 結 論

（1）灌水量與灌水器埋深均對紅壤蓄水坑灌入滲率有影響。在達到穩定入滲階段之前，灌水量對入滲率的影響大于灌水器埋深的影響；垂向濕潤鋒運移距離隨著灌水器埋深增加而減小，隨著灌水量的增加而增加；垂向濕潤鋒運移距離與入滲時間之間有較好的冪函數關系，系數A隨灌水量與埋深的增加而增加。

（2）灌水量越大，土壤濕潤范圍增加，高含水率區域越大，濕潤體內同一節點處的含水率也越大；隨著灌水器埋深加大，濕潤體范圍向右下方移動；入滲后灌水器下方的土壤含水率隨土壤深度增大再逐漸變小，土壤含水率徑向變化量為隨著徑向距離增加而減小，距離灌水器位置越遠，含水率越小，其等值線分布越密集，水勢梯度也越小。

（3）相同灌水量下，硝酸鉀溶液入滲率隨著灌水器埋深而減少；在相同灌水器埋深情況下，硝酸鉀溶液入滲率隨著灌水量的增加而增加。灌水量不同硝態氮的累積量不同，灌水量越大時，硝態氮含量越大。土壤硝態氮的分布規律為由灌水器周邊至濕潤體邊緣呈現“低-高-低”的分布態勢。各處理土壤硝態氮含量峰值均隨著灌水器埋深的增加而逐漸下移；隨著灌水量增加，土壤硝態氮含量峰值范圍也擴大。對土壤硝態氮的分布顯著影響為：灌水量>土層深度>徑向距離>灌水量×徑向距離>土層深度×徑向距離>土層深度×灌水量>土層深度×灌水量×徑向距離。