施氮量對鹽堿土入滲特征參數(shù)影響的試驗研究

秦顯艷，王春霞，何新林

(石河子大學 水利建筑工程學院，新疆 石河子 832000 )

鹽堿地在世界范圍內(nèi)廣泛存在，是一個世界的問題[1]。根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織2000年統(tǒng)計，我國有各類鹽堿土約7 500 萬hm2，占世界的8.96%，排名第2[2]，其中有利用潛力的鹽堿荒地面積近1 300 萬hm2，潛力巨大[3]。新疆是中國最大的土壤鹽堿地區(qū)，鹽堿地面積1 100 萬hm2，約占全國鹽堿土面積的1/3和新疆土地面積的66%[4]。鹽堿地造成大量土地低產(chǎn)甚至無產(chǎn)、農(nóng)民收入降低、可用土地資源減少，更甚還會成為限制新疆農(nóng)業(yè)發(fā)展和土地資源可持續(xù)利用的關鍵。鹽堿地的改良問題由來已久，目前最普遍的方法是以排為主，即結合灌溉沖洗，依靠水分入滲運動移走一部分可溶性鹽[5]，或者種植耐鹽作物[6]。中國鹽堿土地面積大，水資源缺乏，推行此辦法來改良鹽堿地顯然非常不合理。針對干旱和土壤鹽堿狀況，新疆地區(qū)自20世紀80年代起就開展了膜下滴灌技術的研究和推廣[7]，并推廣了膜下滴灌水肥一體化技術，通過精準滴灌施肥將定量的溶解態(tài)肥料直接輸送到作物根部，提高了肥料利用效率，農(nóng)作物產(chǎn)量基本持平甚至略高[8]。但是農(nóng)民為了在有限的土地上創(chuàng)造出更多的經(jīng)濟效益，只能通過加大施肥量來獲得。相關研究表明氮肥施用過量可導致土壤硝態(tài)氮積累[9]，西歐從環(huán)境保護角度提出，保證地下水不受硝酸鹽污染的土壤無機肥最高殘留水平，允許淺根性蔬菜收獲后土壤最低肥不得超過90 kg/hm2[10]，這也表明不合理施肥會使氮肥利用率下降，并有可能增加土壤的污染及鹽漬化的風險[11]。

無論是采用大水壓鹽還是利用膜下滴灌開發(fā)治理新疆鹽堿地，都需要掌握鹽堿地土壤的入滲參數(shù)[5]。王全九等研究了一維土柱在淡水與微咸水連續(xù)入滲條件下的入滲參數(shù)對比實驗，結果表明采用微咸水入滲可以改變土壤的結構參數(shù),從而增大土壤的入滲能力[12]。羅朋等研究了入滲水頭對土壤入滲參數(shù)的影響，結果表明濕潤鋒與入滲歷時擬合良好，累積入滲量與時間符合Kostiakov公式[13]。吳爭光等研究了土質(zhì)對入滲參數(shù)的影響，結果表明隨土樣黏性顆粒含量的增加,入滲率逐漸減小[14]。由以上可見，以往的試驗研究多是針對滴灌水質(zhì)(淡水、微咸水、咸水等)、入滲水頭以及土質(zhì)進行的，研究其入滲參數(shù)，而關于施氮量對鹽堿土入滲特征影響的研究相對較少。為了研究施氮量對鹽堿土入滲特征的影響，本文對施加氮肥條件下的室內(nèi)一維鹽堿土土柱的入滲進行觀測，為鹽堿土上氮肥的科學施用提供參考。

1 試驗設計與方法

1.1 試驗裝置及試驗土樣

試驗裝置如圖1所示，主要包括馬氏瓶供水裝置和試驗土柱，該試驗裝置均為透明的有機玻璃制作而成。采用馬氏瓶定水頭供水，截面面積45 cm2，高度1.2 m，外標刻度用于讀取入滲水量。試驗土柱半徑7.5 cm，兩側(cè)每隔2.5 cm有一小孔，用于取土分析，土柱外標刻度用于記錄濕潤鋒讀數(shù)。土柱上方放有燈泡，用于布置后期研究關照對入滲的試驗。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Sketch map of experiments

本試驗供試土壤經(jīng)測為黏性砂土，土壤容重1.4 g/cm3，土壤質(zhì)量飽和含水量45%，田間持水量32%，土樣風干后經(jīng)2 mm篩備用。本次試驗入滲方式為連續(xù)入滲，按土壤容重1.4 g/cm3，每10 cm分層裝入，并用夯土器夯實，然后進行下一層的裝土，直至裝到試驗設計高度。

1.2 試驗方法

馬氏瓶中裝氮肥溶液，為保證均勻入滲，表層土壤保持積水深度3.5 cm。試驗開始后觀測濕潤鋒及馬氏瓶讀數(shù)并記錄，入滲12 h后停止供水，倒出土柱表面積水并用量筒稱量，吸干表標積水，用土鉆取土進行分析，分別測定了其含水量，含鹽量以及氮素含量。研究因子包括氮肥濃度、鹽堿土鹽分含量。其中鹽堿土鹽分含量根據(jù)鹽堿土分類標準設置為0.3%、0.9%、1.2%三個水平，氮肥濃度根據(jù)新疆棉田施氮量設置為0、300、600、900 mg/L，將其進行正交組合，共計11個不同的試驗組合(由于含鹽量1.2%上施肥300 mg/L和600 mg/L時，效果相差不大，因此無鹽1.2%肥900 mg/L的試驗組合)，每個組合設置2個重復。

2 結果與討論

2.1 施氮量對累積入滲量的影響

圖2分別顯示了不同鹽-氮組合條件下累積入滲量隨時間的變化曲線。由圖2可見，累積入滲量隨時間的延長而增加。各個鹽-氮組合的累積入滲量曲線總體上呈現(xiàn)上升趨勢，前期上升較快，后期上升較慢。這是因為在試驗初期，土柱入滲主要依靠基質(zhì)勢和重力，入滲較快。隨著入滲時間的延長，入滲界面以上的土壤不斷密實，土體結構發(fā)生變化，導致入滲較慢；當土壤鹽分含量≤0.9%時，施氮對含鹽量為0.9%土壤的累積

圖2 累積入滲量曲線Fig.2 Curve of soil cumulative infiltration

入滲量變化影響最大；當土壤鹽分達到1.2%時，增加施氮量對累積入滲量影響很小，這說明施氮量對含鹽量較高鹽堿土的入滲影響較小；當土壤鹽分含量相同時，相同時間內(nèi)累積入滲量大小順序為：0 mg/L>600 mg/L>300 mg/L>900 mg/L。這表明在土壤鹽分含量相同的情況下，施氮量為0 mg/L即不施氮只灌水時，鹽堿土入滲最好，同時也說明了施氮有降低鹽堿土入滲性能的效果，但是在施氮的條件下，施氮量為600 mg/L時鹽堿土入滲最好，施氮量300 mg/L和施氮900 mg/L次之，并且施氮量900 mg/L對鹽堿土入滲性能的降低效果最顯著。這表明施氮量對鹽堿土入滲有影響；當施氮量相同時，相同時間內(nèi)累積入滲量大小順序為：0.3%>0.9%>1.2%。在施氮量為0 mg/L入滲結束時，含鹽量為1.2%的累積入滲量為9.3 cm，含鹽量為0.3%的累積入滲量為20.6 cm，為含鹽量1.2%的2倍多。這表明在施氮量相同的情況下，含鹽量較低的累積入滲量大，土壤入滲性能較好。而含鹽量較高的累積入滲量小，土壤入滲性能較差。這是由于含鹽較高的鹽堿土孔隙度較小，透氣透水性較差，所以累積入滲量較小。

2.2 施氮量對濕潤鋒的影響

圖3分別顯示了不同鹽-氮組合條件下濕潤鋒深度隨時間的變化曲線。由圖可見，濕潤鋒深度同樣隨時間的延長而增加，各個鹽-氮組合的濕潤鋒深度曲線總體上呈現(xiàn)上升趨勢，前期上升較快，后期上升較慢。這與圖2中累積入滲量曲線趨勢產(chǎn)生的原因一致；當土壤鹽分含量≤0.9%時，施氮對含鹽量為0.9%土壤的累積入滲量變化影響最大；當土壤鹽分達到1.2%時，增加施氮量對濕潤鋒影響很小。當土壤鹽分含量相同時，相同時間內(nèi)濕潤鋒深度大小順序為：0 mg/L>600 mg/L>300 mg/L>900 mg/L，同樣地表明了施氮有降低鹽堿土入滲性能的效果，并且在施氮的條件下，施氮量為600 mg/L時鹽堿土入滲最好，施氮量300 mg/L和施氮量900 mg/L次之。當施氮量相同時，相同時間內(nèi)濕潤鋒深度大小順序為：0.3%>0.9%>1.2%。在施氮量為0 mg/L入滲結束時，含鹽量為1.2%的濕潤鋒深度為16.6 cm，含鹽量為0.3%的濕潤鋒深度為32.5 cm，大概為含鹽量1.2%的2倍，這表明在施氮量相同的情況下，土壤鹽分含量高濕潤鋒深度小。這一結果與圖2中累積入滲量的結果一致，其產(chǎn)生的原因也相同。

圖3 濕潤鋒曲線Fig.3 Curve of wetting front distance

2.3 施氮量對入滲率影響

圖4分別顯示了不同鹽-氮組合條件下入滲率隨時間的變化曲線。由圖可見，入滲率在入滲初期出現(xiàn)峰值，入滲時間在100 min以內(nèi)時，各組合的入滲率在這一階段與時間呈現(xiàn)出明顯的負相關關系，該階段的入滲率曲線為斜率很大的非線性曲線。當入滲時間大于100 min時，隨著時間的推移，迅速衰減為斜率較小的曲線，衰減幅度減小并趨于穩(wěn)定；這是由于隨著時間的延長，土柱中土體結構發(fā)生變化，土壤入滲較慢，因此導致土壤入滲率逐漸降低。當土壤鹽分含量相同時，由圖可見，不同施氮量下的入滲率曲線相差較小，并且接近重合，這是由于土壤入滲率較小，故差異不明顯；當施氮量相同時，土壤含鹽量≤0.9%時，入滲率最終穩(wěn)定在0.02 cm/min左右,而土壤含鹽量為1.2%時，入滲率最終穩(wěn)定在0.01 cm/min左右。這也同樣說明了圖2所表明的結果，即含鹽量較高的累積入滲量小，土壤滲水性能較差。

圖4 入滲率曲線Fig.4 Curve of infiltration rate

3 結 論

(1)累積入滲量與濕潤鋒均隨時間的延長而增加，各個鹽-氮組合的累積入滲量與濕潤鋒深度曲線總體升呈現(xiàn)出上升趨勢，并且前期上升較快，后期上升較緩慢。

(2)土壤入滲率與時間呈負相關關系，且在100 min處為分界點，100 min之前，入滲率曲線斜率很大的非線性曲線，100 min之后，入滲率曲線為斜率較小的曲線。

(3)施氮有降低鹽堿土入滲性能的效果。施氮量為600 mg/L時，輕、中度鹽堿土入滲效果最好，過高或過低都會降低鹽堿土的入滲性能，且施氮量為900 mg/L時對鹽堿土入滲性能的降低效果最顯著。施氮量對重鹽堿土入滲影響很小。

(4)在施氮量相同的情況下，含鹽量0.3%的土壤入滲性能最好，含鹽量1.2%的土壤入滲性能最差。