滴灌施肥條件下土壤水分運移規(guī)律的研究

吳軍斌，尹 娟,2,3，蘇振娟，趙彥波，尹 亮

(1.寧夏大學土木與水利工程學院，銀川 750021；2.旱區(qū)現(xiàn)代農業(yè)水資源高效利用教育部工程中心，銀川 750021；3.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調控工程技術研究中心，銀川 750021)

滴灌是微灌的一種，即滴水灌溉，是利用專門的灌水器(滴頭、滴灌帶)，把末級管道中的有壓水流輸送到作物根區(qū)土壤，來滿足作物對土壤水分的需求[1,2]。滴灌技術的主要特點是，水流以點源入滲的形式進入土壤，并向不同方向分散，與傳統(tǒng)的地面灌溉方式比較：節(jié)能省水，灌水均勻，對土壤結構破壞性小，可防止土壤水產生深層滲漏和肥料浪費的現(xiàn)象，減弱土壤次生鹽堿化的程度，能夠實現(xiàn)作物經濟效益最大化[3-5]。農業(yè)是西北地區(qū)的支柱產業(yè)，土壤水分的多少是限制西北地區(qū)農業(yè)經濟快速良好發(fā)展的關鍵因素。目前，我國在節(jié)水灌溉農業(yè)方面取得了好多進展，其中關于滴灌技術的研究也取得了較多的成果，并且找到了一些符合當?shù)貙嶋H情況的節(jié)水灌溉技術[6]。國內外研究者關于滴灌技術的相關研究已經開展了大量的研究工作[7-14]。

寧夏地處西北內陸干旱地區(qū)，近年來，隨著寧夏工業(yè)、農業(yè)以及生態(tài)等需水要求的增大，水資源供需矛盾日益突出[15,16]。根據(jù)2016年自治區(qū)水利統(tǒng)計公報，全區(qū)現(xiàn)狀灌溉面積 60.44 萬hm2，有效灌溉面積占全區(qū)現(xiàn)狀灌溉面積的86.46%。全區(qū)現(xiàn)有高效節(jié)水灌溉面積17.66 萬hm2,其中微灌面積占全區(qū)高效節(jié)水灌溉面積的71.32%，占全區(qū)有效灌溉面積的24.1%。滴灌技術在寧夏地區(qū)產生了長足的進展，但關于枸杞滴灌技術的研究主要集中在灌溉制度方面，而有關滴灌條件下土壤水分運移及分布規(guī)律的研究較少。旨在分析滴灌施肥條件下，枸杞田土壤水分運移及分布規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗設施主要由點源供水系統(tǒng)和點源入滲單元體(有機玻璃箱)組成，點源供水設備主要通過馬氏瓶提供灌水，橡膠軟管代替滴頭，其中馬氏瓶可以控制試驗準確度和供水量；土箱的規(guī)格是根據(jù)枸杞根系的分布深度、分布廣度和大田滴頭間距進行確定，長、寬、高分別為60、50、60 cm；滴頭放置于土箱一角。

試驗土壤取自寧夏中部干旱區(qū)吳忠市同心縣下馬關鎮(zhèn)枸杞種植基地，土壤類型為沙壤土。試驗土壤的物理參數(shù)如表1所示，試驗土壤的理化性質如表2所示。

表1 試驗土壤的物理參數(shù)

1.2 試驗設計與方法

試驗采用單點源入滲，共設2個因素，分別是滴頭流量和肥液濃度。滴頭流量設置4個水平，分別為0.3、0.5、0.7、0.9 L/h(W1、W2、W3、W4)(因為將濕潤體的1/4作為研究對象，所以4種不同的滴頭流量實際上分別相當于1.2、2.0、2.8、3.6 L/h的田間實際滴灌流量)；硝酸銨(分析純氮)作為氮肥，氮素濃度設置4個水平，分別為200、300、400、500 mg/L(F1、F2、F3、F4)，具體如表3所示。試驗采用完全隨機試驗設計，計劃濕潤層深度設置為40 cm。

表2 試驗土壤的理化性質

表3 因素水平表(下同)

試驗開始后，在水分入滲過程中，通過貼在試驗土箱外壁的刻度尺，采用先密后疏的原則，觀測水平和垂直方向濕潤鋒隨時間變化的過程。灌水開始后先每10 min記錄一次濕潤鋒，等濕潤鋒間距變?yōu)榇蠹s1 cm時，再每30 min記錄一次，當濕潤鋒間距再次變小后，每60 min記錄一次，等垂直濕潤鋒運移深度達到35 cm后停止灌水(大田枸杞根系主要分布在地表下20～40 cm范圍內)。等灌水結束后用塑料薄膜覆蓋，當濕潤鋒濕潤位置到達40 cm后，等再分布24 h后，用直徑為2 cm的土鉆分層取土，縱向和橫向取土間距均為5 cm，以滴頭位置為原點分別在0°、30°、60°、90°方向取土，采用烘箱根據(jù)烘干法的要求測定土壤含水率。

采用Excel 2010、SPSS、Origin 2017軟件處理圖表和分析數(shù)據(jù)。

2 結果與分析

2.1 不同氮肥濃度對縱向土壤含水率變化的影響

圖1表示同一滴頭流量下，不同氮肥濃度土壤含水率的變化過程。含水率用θ表示，如下文中的θF1表示：氮肥濃度為200 mg/L時的含水率(下同)。從圖1可以看出，在W1水平下，當土層深度為0～20 cm時，含水率最大值為20.34%,最小值為18.39%，含水率相差1.95%，小于2%；當土層深度為20～40 cm時，含水率最大值為19.59%，最小值為11.91%，含水率相差7.68%，并且在4種氮肥濃度處理下，土壤平均含水率分別為16.81%、16.15%、15.31%、17.85%，說明θF4>θF1>θF2>θF3。在W3水平下，當土層深度為0～20 cm時，含水率最大值為20.74%,最小值為19.95%，含水率相差0.79%，小于1%；當土層深度為20～40 cm時，含水率最大值為20.61%，最小值為15.25%，含水率相差5.36%，并且4種氮肥濃度處理下的土壤平均含水率分別為18.31%、18.29%、17.74%、18.50 %，表現(xiàn)為θF4>θF1>θF2>θF3。首先，可以看出同一滴頭流量下，隨著垂直深度的增大，含水率均呈現(xiàn)出整體逐漸下降的趨勢。其次，由于0～20 cm土層范圍內含水率相差小于2%，說明氮肥濃度對0～20 cm土層土壤平均含水率的影響變化不大；所以，0～20 cm土層土壤平均含水率基本不受氮肥濃度的影響。其次，由于20～40 cm土層范圍內含水率相差大于5%，說明氮肥濃度對土壤縱向含水率的變化存在影響，如表4所示取土深度(20～40 cm)和氮肥濃度對于含水率總體方差分析結果所示，隨著垂直深度的增加，氮肥濃度對于含水率存在影響；并且4種氮肥濃度處理對于20～40 cm土層土壤平均含水率的影響規(guī)律為θF4>θF1>θF2>θF3。但隨著灌水量的增大，F(xiàn)4與其余3種氮肥濃度下的含水率差值逐漸減小。因此，在20～40 cm土層土壤平均含水率與氮肥濃度呈負相關。

在灌水初期，淺層土壤含水率很快達到土壤飽和含水率，此時的土壤屬于飽和區(qū)，對于飽和區(qū)土壤土水勢主要考慮壓力勢和重力施，而且0～20 cm土層范圍內的土壤含水率相差小于2%。故而在0～20 cm土層時，氮肥濃度對于含水率的變化并無明顯影響。對于非飽和土壤，若灌水是純水，則重點考慮基質勢和重力勢對于土壤含水率的影響。但本文主要在研究氮肥濃度大小對于土壤含水率變化的影響，因此在考慮土壤水吸力對于土壤含水率的影響時，要考慮溶質勢對于土壤含水率的影響，因為溶質勢是因土壤中的溶質分子而存在，是外部環(huán)境給予土壤的一種作用力，與基質勢有區(qū)別的是，基質勢是由土壤結構本身特有的性質所決定。當土壤水分在土壤中運移時，由于土壤水溶液中的溶質分子對水分子具有吸引力，所以土壤必須克服這種吸持作用，然后再作用于土壤水分，所以溶質勢一般都是負值。而溶質勢的大小與溶質濃度大小相關，當溶質濃度較大時，土壤溶質勢較大，對于相同土壤水分條件下，則所需總的水吸力較大；當溶質濃度較小時，土壤溶質勢較小，相同土壤水分條件下，則所需總的水吸力較小。根據(jù)土壤水分特征曲線，土壤水吸力越大，則土壤含水率越小。所以，隨著氮肥濃度的增大，土壤溶質勢增大，縱向土壤含水率逐漸減小。因此，在20～40 cm土層土壤平均含水率與施氮濃度呈負相關。

圖1 同一滴頭流量不同氮肥濃度含水率變化圖

表4 取土深度(20～40 cm)和氮肥濃度對于含水率總體方差分析

注：顯著性水平(0.05)。

2.2 不同氮肥濃度對徑向土壤含水率變化的影響

圖2～圖4分別為同一滴頭流量、不同氮肥濃度下含水率徑向變化過程，顏色深淺表示含水率的相對大小。由于各處理徑向土壤含水率變化規(guī)律相似，因此只對處理W3(F1、F2、F3、F4)不同取土深度徑向土壤含水率變化進行了分析。由圖2～圖4可知，同一土層深度處，隨著土壤徑向半徑的增大，土壤含水率逐漸減小。當垂直深度為5 cm時，在F1、F2、F3、F4水平下，徑向半徑在0～30 cm范圍，土壤平均含水率分別為21.38%、20.64%、20.97%、20.68%，平均含水率差值變化范圍0%～0.74%，小于1%。當垂直深度為15 cm時，在F1、F2、F3、F4水平下，徑向半徑在0～30 cm范圍土壤平均含水率為20.08%、20.03%、19.83%、19.64%，含水率最大值與最小值之間相差0.44%，小于1%；當垂直深度為25 cm時，在F1、F2、F3、F4水平下，徑向半徑在0～30 cm范圍土壤平均含水率分別為19.34%、18.89%、18.80%、18.05%，含水率值相差1.29%。這就說明，同一土層深度處不同氮肥濃度處理下含水率值相差1%左右，因此，同一土層深度處隨著氮肥濃度的變化，對于徑向土壤含水率大小無顯著影響。

同一土層深度條件下，利用SPSS軟件對氮肥濃度和含水率進行相關性分析。結果如表5所示，相關系數(shù)r的絕對值小于0.16。整體來看，氮肥濃度大小對于土壤徑向含水率的變化沒有顯著影響，這一研究結果對不同施肥濃度條件下土壤氮素運移及分布規(guī)律的研究有著非常重要的意義，即在研究有關滴灌施肥條件下土壤硝態(tài)氮含量分布的變化規(guī)律時就可以不計有關土壤水分的影響作用。這也正是在研究非飽和土壤水分運移過程中一般只考慮重力勢和基質勢對于含水率大小影響的原因。

圖2 滴頭流量Q=0.7 L/h,垂直深度h=5 cm時不同氮肥濃度下含水率徑向變化圖

圖3 滴頭流量Q=0.7 L/h,取土深度h=15 cm時不同氮肥濃度下含水率徑向變化圖

圖4 滴頭流量Q=0.7 L/h,取土深度h=25 cm時不同氮肥濃度下含水率徑向變化圖

表5 土層深度為5、15、25 cm時氮肥濃度和含水率相關性分析表

2.3 不同灌水量對于含水率分布的影響

圖5為相同滴頭流量不同氮肥濃度條件下土壤濕潤鋒的運移過程。從圖5看出，完成整個灌水歷時，濕潤鋒的形狀大概為半橢圓狀。在灌水初期，水分以點源入滲的方式進入土壤，水分沿著徑向運移的距離明顯大于縱向運移的距離，隨著灌水歷時的增加，水分徑向運移距離與縱向運移距離接近相等，即灌水歷時滿足230 min后，徑向水分運移距離等于縱向水分運移距離。隨后，水分縱向運移距離大于徑向運移距離。隨著灌水歷時和氮肥濃度的增大，徑向水分的運移速度開始慢慢減小，縱向水分的運移速度相對增大。與之對應的濕潤鋒的形狀發(fā)生了明顯的變化，隨著氮肥濃度的增大濕潤體的體積逐漸減小。通過表6可知，在同一滴頭流量下，水分入滲到相同計劃濕潤層深度時，灌水量隨著氮肥濃度的增大而減小。這就說明增大施氮濃度可以加強水分在豎直方向的運移。

圖5 同一滴頭流量不同施肥濃度下濕潤鋒變化過程

表6 不同處理下灌水量與灌水歷時

灌水初期，土壤水分在土水勢的作用下向各個方向運移。土壤重力勢的作用小于土壤基質勢作用，水分運移主要以水平方向運移為主。隨著土壤水分的持續(xù)入滲，濕潤體的體積不斷擴大，相對應其含水率也逐漸變大。在豎直方向上，重力作用開始相對較大，即在灌水歷時達到一段時間后土壤重力勢大于土壤基質勢，濕潤鋒在縱向運移的距離開始逐漸大于徑向運移的距離。相應地隨著氮肥濃度的增大，土壤溶質勢也開始發(fā)揮作用，加強了土壤濕潤體中水分的擴散。所以，在同一滴頭流量下，增大施氮濃度，有利于土壤水分在垂直方向的運移。

從圖1和圖5可知，氮肥濃度和滴頭流量對土壤水分的運移都會產生影響，但滴頭流量的影響程度大于氮肥濃度對于水分運移的影響程度。灌水完成后，土壤濕潤體再分布24 h以后，濕潤鋒還會繼續(xù)向前運移一小段距離。相同滴頭流量條件下，隨著施氮濃度越大土壤水分向前運移的距離就會減小。主要是由于氮肥濃度越大，增加了水分垂直方向的運移速度，減小了灌水歷時，灌水量對應的變小，濕潤體的含水量相應減小，濕潤體的水分分布范圍就會明顯減小。

3 討 論

研究得出：0～20 cm土層土壤平均含水率基本不受施氮濃度的影響，在20～40 cm土層土壤平均含水率與氮肥濃度呈負相關的結果，與馬少帥[17]對不同水肥處理對土壤水鹽分布的影響中的呈現(xiàn)規(guī)律相似。因此施肥濃度對縱向土壤水分運移是存在影響的。

另一方面，探討了關于相同滴頭流量不同氮肥濃度條件下同一土層深度處含水率徑向變化規(guī)律，試驗表明：氮肥濃度的變化對于徑向土壤水分運移沒有顯著的影響，與李文[18]有關變濃度條件下土壤水分含量分布規(guī)律的研究相似。本文研究所用的土壤為均質土壤(土壤中沒有種植作物)，在研究施肥濃度變化對土壤水分運移的規(guī)律時，沒有考慮土壤其他物理性質對土壤水分運移的影響，之后的研究會從Hydrus軟件出發(fā)，結合數(shù)學方法對土壤水分運移進行模擬研究。

4 結 語

利用室內滴灌施肥模擬試驗，對不同施肥濃度條件下縱向和徑向土壤含水率的分布變化進行分析研究，可以得出：

(1)施氮濃度是影響縱向土壤水分運移的重要因素，當土壤深度在0～20 cm，相同滴頭流量下土壤含水率的波動幅度隨施氮濃度變化的幅度并不明顯；當土壤深度在20～40 cm，土壤含水率的變化與氮肥濃度的大小呈負相關。

(2)同一土層深度處不同氮肥濃度處理下土壤徑向含水率值相差1 %左右，因此，氮肥濃度的變化對于徑向土壤水分運移的影響并不顯著。

(3)縱向土壤含水率的變化受滴頭流量、氮肥濃度的影響，且施氮濃度對于含水率大小的影響小于滴頭流量對于含水率變化的影響。