滴灌施肥條件下土壤水分運(yùn)移規(guī)律研究

魏小東，尹 娟,2,3，胡朋成，蘇振娟

(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021；2.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)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(diào)控工程技術(shù)研究中心，銀川 750021)

0 引 言

滴灌作為新型的高效節(jié)水灌溉技術(shù)之一，在我國(guó)大部分地區(qū)已被廣泛地應(yīng)用[1-3]。研究表明，滴灌具有節(jié)水增產(chǎn)效果良好[4]，灌水均勻度高，對(duì)土壤結(jié)構(gòu)損壞性小的特點(diǎn)，可有效防止土壤水產(chǎn)生深層滲漏和養(yǎng)料流失的現(xiàn)象，有效的降低土壤次生鹽堿化的程度，最大化實(shí)現(xiàn)作物的經(jīng)濟(jì)效益[5，6]。

當(dāng)下，我國(guó)在農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉方面的技術(shù)日趨成熟，尤其對(duì)于滴灌技術(shù)的研究成果頗豐，并且做到了因地制宜[7]。寧夏作為我國(guó)旱區(qū)農(nóng)業(yè)的主要發(fā)展地區(qū)之一，干旱缺雨、蒸發(fā)迅速、生態(tài)環(huán)境敏感復(fù)雜等問(wèn)題是寧夏水資源供需過(guò)程的發(fā)展現(xiàn)狀。由于我國(guó)節(jié)水灌溉農(nóng)業(yè)的大力推進(jìn)，根據(jù)自治區(qū)2018年水資源公報(bào)統(tǒng)計(jì)，全區(qū)已有高效節(jié)水灌溉面積23.53 萬(wàn)hm2，其中微灌面積占全區(qū)高效節(jié)水灌溉面積的70%以上，因此滴灌技術(shù)在寧夏地區(qū)也獲得了蓬勃的發(fā)展。而枸杞作為寧夏重要的經(jīng)濟(jì)農(nóng)作物，其滴灌種植技術(shù)的研究就成了許多學(xué)者青睞的課題，其中徐利崗等[8]以寧杞7號(hào)枸杞為研究對(duì)象，做了基于土壤水分下限的寧夏枸杞滴灌灌溉制度大田試驗(yàn)；程良等[9]通過(guò)開展枸杞覆膜與不覆膜滴灌田間試驗(yàn)，得出枸杞膜下滴灌技術(shù)適宜在寧夏中部干旱區(qū)廣泛推廣；趙彥波等[10]做了滴灌施肥條件下土壤濕潤(rùn)鋒變化規(guī)律研究，為大田滴灌施肥系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)；蘇振娟等[11]利用土箱模擬進(jìn)行了不同施N濃度下滴頭流量對(duì)土壤水分運(yùn)移的影響研究；吳軍斌等[12]通過(guò)試驗(yàn)得出縱向土壤含水率的變化受滴頭流量和氮肥濃度的影響，且滴頭流量的影響程度更大，但是對(duì)土壤縱向或徑向在0～30 cm范圍內(nèi)的土壤含水率隨不同氮肥濃度的變化鮮有說(shuō)明。本文針對(duì)滴灌對(duì)寧夏中部干旱帶枸杞種植的影響，研究灰鈣土(沙壤土)土壤含水率隨再分布時(shí)間的變化過(guò)程、以及不同氮肥濃度對(duì)灰鈣土土壤水分運(yùn)移規(guī)律的影響，旨在比較系統(tǒng)的掌握滴灌施肥條件下枸杞田土壤水分的運(yùn)移規(guī)律，為當(dāng)?shù)噩F(xiàn)代農(nóng)業(yè)快速發(fā)展給予可靠的理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

1 材料與設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)設(shè)施主要由點(diǎn)源供水系統(tǒng)和點(diǎn)源入滲單元體(有機(jī)玻璃箱，規(guī)格：長(zhǎng)60 cm、寬50 cm、高60 cm)組成，點(diǎn)源供水系統(tǒng)的工作原理為：馬氏瓶來(lái)供應(yīng)灌水和調(diào)控試驗(yàn)的準(zhǔn)確度，橡膠軟管代替滴頭，具體裝置如圖1所示。由于滴灌入滲所形成的濕潤(rùn)體具有對(duì)稱性，因此本試驗(yàn)選取滴灌形成濕潤(rùn)體的1/4作為試驗(yàn)對(duì)象，在試驗(yàn)時(shí)把滴頭(橡膠軟管)放置在土箱的直角處[13]。待滴頭流量達(dá)到穩(wěn)定后，開始試驗(yàn)并做好計(jì)時(shí)。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the test device

試驗(yàn)土壤取自寧夏中部干旱區(qū)吳忠市同心縣下馬關(guān)鎮(zhèn)枸杞種植基地，土壤為灰鈣土(沙壤土)。根據(jù)枸杞實(shí)際生長(zhǎng)需要，計(jì)劃濕潤(rùn)層深度設(shè)定為45 cm，等垂直濕潤(rùn)鋒運(yùn)移深度為40 cm時(shí)停止灌水。試驗(yàn)前將土壤自然風(fēng)干、粉碎、過(guò)篩(2 mm)，依照設(shè)計(jì)容重分層裝土，每5 cm一層，分9層，共45 cm(預(yù)留5 cm)，裝土結(jié)束后讓其自然沉降24 h以便獲取均勻的初始含水率剖面。試驗(yàn)土壤的物理參數(shù)如表1所示、理化性質(zhì)如表2所示。

表1 試驗(yàn)土壤物理參數(shù)Tab.1 Physical parameters of soil

表2 試驗(yàn)土壤理化性質(zhì) Tab.2 Physical and chemical properties of soil

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用三因素完全隨機(jī)組合設(shè)計(jì)，試驗(yàn)因素為：灌水量、滴頭流量和氮肥濃度。灌水量設(shè)置3、5 L(W1、W2)2個(gè)水平；滴頭流量設(shè)置0.50、0.75、1.00 L/h(q1、q2、q3)3個(gè)水平；氮肥濃度設(shè)置0、200、500 mg/L(F1、F2、F3)3個(gè)水平。共18個(gè)處理(T)，詳見表3所示。

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.3 Test design

滴水24 h后用直徑為2 cm的土鉆分層取土，取土間隔(縱向、徑向)為5 cm，取土至未濕潤(rùn)土壤時(shí)終止。

采用烘干法測(cè)試土壤含水率(θ)。含水率測(cè)定的具體過(guò)程為，擬定在土箱邊緣建立坐標(biāo)，以滴頭位置為原點(diǎn)，選取一定的角度(α)(0°、30°、45°、60°、90°)；水平徑向距離(n，cm)；縱向土層深度(h，cm)；再分布時(shí)間(t，d)，設(shè)定為灌后：0 d(灌后立測(cè))、1、3、5 d 4種；然后依次進(jìn)行土壤含水率測(cè)定。

采用SPSS25軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，Origin 2017和Excel 2010軟件進(jìn)行圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤含水率隨再分布時(shí)間的變化規(guī)律

2.1.1 縱向土壤含水率隨再分布時(shí)間的變化規(guī)律

圖2表示同一滴頭流量不同再分布時(shí)間下縱向土壤含水率變化過(guò)程。當(dāng)?shù)晤^流量為q1(0.5 L/h)時(shí)，再分布時(shí)間0、1、3、5 d時(shí)濕潤(rùn)體含水率分別在28.79%～20.65%、17.99%～16.47%、15.48%～14.95%、14.2%～14.92%范圍內(nèi)，其土壤濕潤(rùn)體含水率差值分別為：8.14%、1.52%、0.53%、-0.72%。當(dāng)?shù)晤^流量為q2(0.75 L/h)時(shí)，再分布時(shí)間0、1、3、5 d的濕潤(rùn)體含水率分別在30.95%～14.57%、19.47%～17.26%、15.9%～14.04%、14.66%～14.85%范圍內(nèi)，其濕潤(rùn)體含水率差值分別為：16.38%、2.21%、1.86%、-0.19%。當(dāng)?shù)晤^流量為q3(1 L/h)時(shí)，再分布時(shí)間0、1、3、5 d濕潤(rùn)體含水率分別在30.77%～15.43%、19.93%～17.29%、15.98%～14.14%、14.61%～13.54%范圍內(nèi)，其濕潤(rùn)體含水率差值分別為：15.34%、2.64%、1.84%、1.07%。均表現(xiàn)為再分布時(shí)間越久濕潤(rùn)體縱向土壤含水率差值越小，當(dāng)縱向土層深度h<25 cm時(shí)，表現(xiàn)為θt0>θt1>θt3>θt5，當(dāng)縱向土層深度h>25 cm時(shí)，θt0的減小幅度最大。分析可得，在同一滴頭流量不同再分布時(shí)間下，當(dāng)再分布時(shí)間較短時(shí)(t<3 d)，土壤含水率隨縱向土層深度的增加呈遞減的趨勢(shì)，且當(dāng)再分布時(shí)間為0 d(灌后立測(cè))時(shí)，土壤含水率減小得最快，其次是1、3、5 d。初步分析形成上述規(guī)律的原因主要為：土壤水分在垂向方向運(yùn)移過(guò)程中，基質(zhì)勢(shì)和重力勢(shì)為主要驅(qū)動(dòng)力，再分布時(shí)間越短，土壤水分運(yùn)移受重力勢(shì)影響越強(qiáng)，土壤水分向下運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)越明顯。這就說(shuō)明同一滴頭流量不同再分布時(shí)間下，土壤含水率隨縱向土層深度的增加呈遞減的趨勢(shì)，但再分布時(shí)間愈久，濕潤(rùn)體表現(xiàn)為增大的趨勢(shì)，相應(yīng)的含水率范圍擴(kuò)大。

圖2 同一滴頭流量不同再分布時(shí)間土壤含水率縱向變化規(guī)律Fig.2 Longitudinal variation of soil moisture content at different redistribution times for the same droplet head discharge

采用SPSS進(jìn)行縱向土層深度、再分布時(shí)間與土壤含水率的線性回歸分析，結(jié)果如表4所示，由表可知再分布時(shí)間、縱向土層深度與土壤含水率之間呈極顯著相關(guān)(p<0.01)，所形成的函數(shù)關(guān)系式為：

θ=25.173-1.908t-0.157h

由圖3直方圖、圖4回歸標(biāo)準(zhǔn)化殘差正態(tài)P-P圖可知，它們之間具有正態(tài)分布趨勢(shì)，且擬合效果良好。

2.1.2 徑向土壤含水率隨再分布時(shí)間的變化規(guī)律

圖5表示同一滴頭流量不同再分布時(shí)間下徑向土壤含水率變化過(guò)程。當(dāng)?shù)晤^流量為q1(0.5 L/h)時(shí)，再分布時(shí)間0、1、3、5 d時(shí)濕潤(rùn)體含水率最大值與最小值的差值分別為：11.17%、4.74%、2.61%、1.43%。當(dāng)?shù)晤^流量為q2(0.75 L/h)時(shí)，再分布時(shí)間0、1、3、5 d時(shí)濕潤(rùn)體含水率最大值與最小值的差值分別為：10.32%、5.45%、3.49%、1.95%。當(dāng)?shù)晤^流量為q3(1 L/h)時(shí)，再分布時(shí)間0、1、3、5 d時(shí)濕潤(rùn)體含水率最大值與最小值的差值分別為：13.15%、6.37%、4.33%、1.94%。均表現(xiàn)為再分布時(shí)間越久徑向土壤濕潤(rùn)體含水率最大值與最小值的差值越小，當(dāng)水平徑向距離n<25 cm時(shí)，表現(xiàn)為θt0>θt1>θt3>θt5，當(dāng)水平徑向距離n>25 cm時(shí)，θti大小順序會(huì)發(fā)生小幅度變化，但總體趨勢(shì)變化不大。這就說(shuō)明，在同一滴頭流量不同再分布時(shí)間下，土壤含水率隨水平徑向距離的增加呈遞減的趨勢(shì)，且當(dāng)再分布時(shí)間為0 d(灌后立測(cè))時(shí)，在水平徑向距離0～30 cm內(nèi)土壤含水率均減小得很快，而當(dāng)再分布時(shí)間為1、3、5 d時(shí)，土壤含水率減小得相對(duì)平緩。初步分析形成上述規(guī)律的原因主要為：滴灌入滲過(guò)程中，水勢(shì)梯度是影響水分向四周運(yùn)移的關(guān)鍵要素，當(dāng)離滴頭越遠(yuǎn)，基質(zhì)勢(shì)和土壤的吸附能力則會(huì)越弱，對(duì)應(yīng)的濕潤(rùn)體含水率就會(huì)越小。說(shuō)明在同一滴頭流量不同再分布時(shí)間下，土壤含水率與水平徑向距離呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，再分布時(shí)間越久土壤含水率減小得越平緩，但是當(dāng)水平徑向距離超過(guò)25 cm時(shí)，θti相較其他水平徑向距離土壤含水率下降得較快。

表4 土層深度(0～30 cm)和再分布時(shí)間對(duì)于含水率總體方差分析Tab.4 Total variance analysis of soil depth (0～30 cm) and redistribution time for water content

圖3 直方圖Fig.3 Histogram

圖4 回歸標(biāo)準(zhǔn)化殘差正態(tài)P-P圖Fig.4 Regression normalized residual normal P-P diagram

圖5 同一滴頭流量不同再分布時(shí)間土壤含水率徑向變化規(guī)律Fig.5 Radial variation law of soil moisture content at different redistribution time of the same droplet head discharge

采用SPSS軟件進(jìn)行水平徑向距離、再分布時(shí)間與土壤含水率的線性回歸分析，結(jié)果如表5所示，由表可知再分布時(shí)間、水平徑向距離與土壤含水率之間呈極顯著相關(guān)(p<0.01)，所形成的函數(shù)關(guān)系式為：

θ=23.884-1.597 t-0.201 n

由圖6直方圖、圖7回歸標(biāo)準(zhǔn)化殘差正態(tài)P-P圖可知，它們之間具有正態(tài)分布趨勢(shì)，且擬合效果良好。

圖6 直方圖Fig.6 Histogram

2.2 土壤含水率隨氮肥濃度的變化規(guī)律

2.2.1 縱向土壤含水率隨氮肥濃度的變化規(guī)律

圖8表示同一滴頭流量不同氮肥濃度下縱向土壤含水率變化過(guò)程。當(dāng)?shù)晤^流量為q1(0.5 L/h)時(shí)，氮肥濃度0、200、500 mg/L時(shí)土壤濕潤(rùn)體含水率分別在21.3%～6.95%、19.41%～7.24%、17.74%～7.12%范圍內(nèi)，其濕潤(rùn)體含水率差值分別為：14.35%、12.17%、10.62%，隨氮肥濃度增大呈遞減趨勢(shì)，縱向土層深度h<25 cm時(shí)，表現(xiàn)為θF2>θF1>θF3，縱向土層深度h>25 cm時(shí)，θF2急劇減小，不再是最大值。當(dāng)?shù)晤^流量為q2(0.75 L/h)時(shí)，氮肥濃度0、200、500 mg/L時(shí)濕潤(rùn)體含水率分別在16.78%～12.6%、18.58%～5.35%、16.85%～8.06%范圍內(nèi)，其濕潤(rùn)體含水率差值分別為：4.18%、13.23%、8.79%，出現(xiàn)較大幅度波動(dòng)，縱向土層深度h<25 cm時(shí)，表現(xiàn)為θF2>θF3>θF1，縱向土層深度h>25 cm時(shí)，θF2急劇減小，表現(xiàn)為θF1>θF3>θF2。當(dāng)?shù)晤^流量為q3(1 L/h)時(shí)，氮肥濃度0、200、500 mg/L時(shí)濕潤(rùn)體含水率分別在17.05%～15.43%、17.9%～14.41%、16.59%～14.22%范圍內(nèi)，其濕潤(rùn)體含水率差值分別為：1.62%、3.49%、2.37%，出現(xiàn)小幅度波動(dòng)，縱向土層深度h<25 cm時(shí)，表現(xiàn)為θF2>θF1>θF3，縱向土層深度h>25 cm時(shí)，θF2同樣迅速減小，但相比滴頭流量為q1、q2時(shí)q3情況下的θFi減小得又相對(duì)平緩。由此可以得出，在同一滴頭流量不同氮肥濃度下，土壤含水率隨縱向土層深度的增加有一定幅度的波動(dòng)，但是總體呈遞減的趨勢(shì)。初步分析形成上述規(guī)律的原因主要為：由土壤水分特征曲線表明，土壤吸力(負(fù)壓)隨土壤水分的增大而減小。隨著氮肥濃度的增大，土壤溶質(zhì)勢(shì)變大，土壤吸力就會(huì)越大，則縱向土壤含水率就會(huì)減小，這就說(shuō)明在同一滴頭流量不同氮肥濃度下，土壤含水率與縱向土層深度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)縱向土層深度小于25 cm時(shí)，θF2均為最大值，而當(dāng)縱向土層深度大于25 cm時(shí)，θF2急劇減小，不再是最大值，且在同一縱向土層深度不同氮肥濃度處理下的土壤含水率最大差值為7.25%(>5%)，說(shuō)明氮肥濃度的變化對(duì)縱向土壤含水率有較大的影響，由表6可知，氮肥濃度、縱向土層深度與土壤含水率之間呈極顯著相關(guān)(p<0.01)，且所形成的函數(shù)關(guān)系式為：

圖8 同一滴頭流量不同氮肥濃度土壤含水率縱向變化規(guī)律Fig.8 Longitudinal change rules of soil water content with different nitrogen fertilizer concentrations in the same droplet discharge

θ=20.688-0.256F-0.002h

2.2.2 徑向土壤含水率隨氮肥濃度的變化規(guī)律

圖9表示同一滴頭流量不同氮肥濃度下徑向土壤含水率變化過(guò)程。當(dāng)?shù)晤^流量為q1(0.5 L/h)時(shí)，氮肥濃度0、200、500

表6 土層深度(0～30 cm)和氮肥濃度對(duì)于含水率總體方差分析Tab.6 Total variance analysis of soil depth (0～30 cm) and nitrogen fertilizer concentration for water content

mg/L時(shí)土壤濕潤(rùn)體含水率最大值與最小值的差值分別為7.16%、6.76%、6.87%，出現(xiàn)小幅度波動(dòng)；當(dāng)?shù)晤^流量為q2(0.75 L/h)時(shí)，氮肥濃度0、200、500 mg/L時(shí)濕潤(rùn)體含水率最大值與最小值的差值分別為7.07%、6.8%、5.31%，呈依次遞減的趨勢(shì)，顯然在滴頭流量為q1、q2時(shí)，水平徑向距離n在0～30 cm范圍內(nèi)均表現(xiàn)為θF1>θF2>θF3，當(dāng)水平徑向距離n<25 cm時(shí)，θ均勻減小，當(dāng)水平徑向距離n>25 cm時(shí)，θ減小得較快。當(dāng)?shù)晤^流量為q3(1 L/h)時(shí)，氮肥濃度0、200、500 mg/L時(shí)濕潤(rùn)體含水率最大值與最小值的差值分別為5.82%、4.21%、3.81%，呈依次遞減的趨勢(shì)，水平徑向距離n<25 cm時(shí)，均表現(xiàn)為θF1>θF2>θF3，水平徑向距離n>25 cm時(shí)，θF1比θF2、θF3都減小得迅速，且大小順序也有小幅度的變化，但不會(huì)形成多大的影響。通過(guò)分析說(shuō)明，在同一滴頭流量不同氮肥濃度下，土壤含水率隨水平徑向距離的增加呈遞減的趨勢(shì)，水平徑向距離為25 cm是土壤含水率減小的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，水平徑向距離大于25 cm時(shí)，θFi減小得更快，但在同一水平徑向距離不同氮肥濃度處理下的土壤含水率最大差值為3.65%(<5%)，說(shuō)明氮肥濃度的變化對(duì)水平徑向土壤含水率的大小沒有顯著影響，通過(guò)線性分析，建立氮肥濃度、水平徑向距離與土壤含水率之間的函數(shù)關(guān)系式為：

θ=20.492-0.205F-0.002n

綜上分析，在研究非飽和土壤水分運(yùn)移過(guò)程中一般不考慮有關(guān)土壤水分的影響,而是把重力勢(shì)和基質(zhì)勢(shì)作為研究重點(diǎn)。

圖9 同一滴頭流量不同氮肥濃度土壤含水率徑向變化規(guī)律Fig.9 Radial variation rule of soil moisture content with different nitrogen fertilizer concentrations in the same droplet discharge

3 討 論

研究得出：再分布時(shí)間與縱向土壤含水率的擬合效果優(yōu)于再分布時(shí)間與徑向土壤含水率的擬合效果，相關(guān)性前者也更好。但是目前在寧夏中部干旱區(qū)枸杞滴灌種植試驗(yàn)中進(jìn)行再分布時(shí)間與土壤含水率的相關(guān)研究較少，是否存在這樣的相關(guān)性還有待驗(yàn)證，在今后的試驗(yàn)中將利用Hydrus并結(jié)合數(shù)學(xué)模型的方式對(duì)該部分內(nèi)容做進(jìn)一步的研究。

此外，試驗(yàn)表明：在同一縱向土層深度或水平徑向距離下，氮肥濃度的變化對(duì)縱向土壤含水率的影響較大，對(duì)徑向土壤含水率的影響較小，這與吳軍斌等[12]在滴灌施肥條件下土壤水分的運(yùn)移規(guī)律的研究和李文[14]有關(guān)變濃度條件下土壤水分含量分布規(guī)律的研究規(guī)律相似，因此施肥濃度對(duì)縱向土壤水分運(yùn)移的影響是不能忽視的。

4 結(jié) 論

通過(guò)室內(nèi)點(diǎn)源滴灌模擬試驗(yàn)，分析土壤水分運(yùn)移過(guò)程的規(guī)律可得出以下結(jié)論。

(1)在同一滴頭流量不同再分布時(shí)間下，當(dāng)再分布時(shí)間較短時(shí)(t<3 d)，土壤含水率隨縱向土層深度的增大呈遞減的趨勢(shì)；同一滴頭流量不同再分布時(shí)間下，土壤含水率隨水平徑向距離的增大呈遞減的趨勢(shì)；且均表現(xiàn)為正態(tài)分布，擬合效果良好。縱向土層深度或水平徑向距離超過(guò)25 cm時(shí)，各再分布時(shí)間下的土壤含水率減小得更快。

(3)在相同滴頭流量不同氮肥濃度下，土壤含水率隨縱向土層深度的增加呈遞減的趨勢(shì)，這與吳軍斌[12]得出結(jié)論一致?？v向土層深度在0～25 cm范圍內(nèi)，θF2均為最大值，當(dāng)縱向土層深度大于25 cm時(shí)，θFi減小得更快。

(4)在相同滴頭流量不同氮肥濃度下，土壤含水率隨水平徑向距離的增加呈遞減的趨勢(shì)。水平徑向距離在0～30 cm范圍內(nèi)，θF1為最大值，均表現(xiàn)為θF1>θF2>θF3，但當(dāng)水平徑向距離大于25 cm時(shí)，θFi減小得更快。