土壤容重對(duì)一維垂直渾水肥液入滲水氮運(yùn)移特性影響

白瑞，費(fèi)良軍，陳琳，劉樂(lè)，鐘韻，李巧麗

(1. 西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，陜西 西安 710048; 2. 陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710048)

文中在以上研究基礎(chǔ)上結(jié)合中國(guó)黃河流域特有的渾水灌溉特點(diǎn)，開(kāi)展不同土壤容重影響下的渾水肥液入滲水氮變化規(guī)律定量研究，為有效利用渾水資源、提高灌溉質(zhì)量和氮素利用率提供理論參考.

1 試驗(yàn)材料與方法

配置渾水所用泥沙取自陜西涇惠渠，風(fēng)干后過(guò)1 mm篩.供試土壤取自西安洪慶鎮(zhèn)農(nóng)田0～30 cm土層，取回后去除雜草后自然風(fēng)干過(guò)2 mm篩.利用Mastersizer 2000激光粒度分析儀測(cè)定土壤黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002～0.020 mm)、砂粒(0.020～2.000 mm)含量分別為13.56%,71.55%,14.87%.測(cè)得該土壤風(fēng)干含水率為2.93%，飽和含水率為38.36%，飽和導(dǎo)水率為0.077 cm/min，土壤硝態(tài)氮初始含量為5.6 mg/kg，銨態(tài)氮初始含量為15.31 mg/kg.

試驗(yàn)采用一維垂直積水入滲方式，水頭控制在恒定3 cm.試驗(yàn)設(shè)定土壤容重分別為1.30,1.35,1.40,1.45 g/cm3，每個(gè)水平設(shè)置3次重復(fù).試驗(yàn)按照每層5 cm裝土于直徑8 cm、高60 cm、厚度為10 mm的有機(jī)玻璃土柱中(土柱底下設(shè)排氣孔消除氣相阻力，孔上蓋濾紙)，層間刮毛防止出現(xiàn)分層現(xiàn)象，總裝土高度為45 cm.試驗(yàn)渾水含沙率定為4.18%(參考涇惠渠黃河泥沙含量4.18%)，采用改進(jìn)的內(nèi)徑9 cm，高90 cm的電動(dòng)馬氏瓶供水，轉(zhuǎn)動(dòng)軸上帶有葉片(轉(zhuǎn)動(dòng)軸直徑為1.4 cm，誤差忽略不計(jì))，可持續(xù)攪拌防止渾水中泥沙沉淀.試驗(yàn)所用肥料為山西陽(yáng)煤豐喜集團(tuán)生產(chǎn)的農(nóng)業(yè)用硝酸銨鈣肥，外觀為白色球狀，含氮量為15.5%，其中硝態(tài)氮占14.4%，銨態(tài)氮占1.1%，肥液濃度參考大田施肥量按照600 mg/L配置.

入滲過(guò)程中記錄每一時(shí)刻對(duì)應(yīng)的入滲量與濕潤(rùn)鋒，入滲300 min后停止供水，并立即吸出水頭積水，分別在入滲結(jié)束后、再分布1,2 d后，利用土鉆沿垂直深度每隔5 cm進(jìn)行取土，測(cè)定土壤含水率及硝態(tài)氮含量，其中土壤含水率采用烘干法測(cè)定，土壤硝態(tài)氮含量依據(jù)GB/T 32737—2016采用DR5000紫外分光光度計(jì)測(cè)定.

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤容重對(duì)渾水肥液累積入滲量的影響

圖1為不同土壤容重單位膜孔面積累積入滲量I隨入滲時(shí)間t變化曲線.可以看出，隨著入滲時(shí)間的推移，累積入滲量逐漸增加；同一入滲時(shí)間，隨著容重的增大，累積入滲量逐漸減小，說(shuō)明容重對(duì)于肥液入滲有減滲效果.相較1.30 g/cm3容重的土壤，容重1.35，1.40，1.45 g/cm3分別減滲19.1%，32.5%和45.5%，這是因?yàn)槿葜剌^小的土壤孔隙度較大，土體疏松度較好，水分運(yùn)移通道順暢，從而運(yùn)移較快，在同一時(shí)間入滲水量較多.

圖1 不同土壤容重累積入滲量變化曲線

PHILIP[11]基于通過(guò)垂直入滲，通過(guò)求解級(jí)數(shù)解得出著名Philip入滲模型為

(1)

式中：I為累積入滲量，cm；t為入滲時(shí)間，min；S為吸滲率，cm/min0.5；A為穩(wěn)定入滲率，cm/min；S反映土壤前期入滲能力，對(duì)土壤入滲初期入滲率的大小起主要作用，A主要衡量土壤的滲透性能.該模型在均質(zhì)土一維垂直入滲情況下具有明確的物理意義.

利用Philip對(duì)累積入滲量和入滲時(shí)間進(jìn)行擬合，結(jié)果見(jiàn)表1.

表1 Philip入滲模型擬合參數(shù)

隨著土壤容重ρ增加，吸滲率S和穩(wěn)滲率A均逐漸減小，且決定系數(shù)均大于0.98.經(jīng)分析，吸滲率S和穩(wěn)滲率A與土壤容重之間符合以下關(guān)系，即

S=-3.197 6r+5.026 1，R2=0.991 2，

(2)

A=0.051 8r-4.005，R2=0.995 1，

(3)

式中：r為土壤容重，g/cm3.

將式(2)—(3)代入式(1)，得到不同土壤容重肥液入滲下累積入滲量的Philip經(jīng)驗(yàn)公式為

I(t)=(-3.197 6r+5.026 1)t1/2+(0.051 8r-4.005)t.

(4)

依據(jù)達(dá)到穩(wěn)定入滲率的時(shí)間，將圖1累積入滲量隨時(shí)間的變化分為2個(gè)階段，第一階段為入滲初期變化加快的非線性入滲階段，第二階段為到達(dá)穩(wěn)定入滲率時(shí)逐漸趨于穩(wěn)定的線性入滲階段，將2個(gè)階段用一條光滑的曲線表示，當(dāng)進(jìn)入線性階段時(shí)，入滲率基本達(dá)到穩(wěn)定，曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折.由于非線性入滲階段水分進(jìn)入土壤階段可看成孔隙不斷充水過(guò)程，參考電容充電的規(guī)律對(duì)其進(jìn)行表示，對(duì)于非線性入滲階段[12]為

(5)

式中:Iq為非線性階段的累積入滲量,cm;fb為穩(wěn)滲部分的截距,cm;τ為轉(zhuǎn)折時(shí)間常數(shù),一般取達(dá)到穩(wěn)定入滲時(shí)間的1/3.

對(duì)于入滲后期的累積入滲量隨時(shí)間的變化關(guān)系為

Ih=fpt,

(6)

式中：Ih為后期的累積入滲量,cm;fp為穩(wěn)定入滲率，cm/min.

綜合式(5)—(6)可得整個(gè)入滲過(guò)程的累積入滲量與時(shí)間的關(guān)系表達(dá)式為

(7)

基于Matlab利用式(7)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果見(jiàn)表2.由擬合結(jié)果可以看出，不同土壤容重對(duì)應(yīng)累積入滲量與入滲時(shí)間相關(guān)度較高，決定系數(shù)R2均大于0.99，均方根誤差RMSE均小于0.49 cm，說(shuō)明累積入滲量與時(shí)間符合式(7)所建立的關(guān)系.

表2 電容充電模型入滲量擬合參數(shù)

對(duì)擬合結(jié)果進(jìn)行分析，不同土壤容重所對(duì)應(yīng)的擬合參數(shù)fb.fp和τ與土壤容重分別呈如下關(guān)系：

fb=90.465r-9.855,R2=0.991 2,

(8)

τ=126.05r-5.314,R2=0.937 8,

(9)

fp=-0.118 4r+0.199 8,R2=0.999 8.

(10)

將式(8)—(10)代入式(7)得到土壤容重累積入滲量與入滲時(shí)間的函數(shù)關(guān)系式為

(11)

基于土壤容重為1.38 g/cm3實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，利用式(4),(11)對(duì)上述2種模型所建立的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行驗(yàn)證，不同土壤容重實(shí)測(cè)值與模擬值的擬合結(jié)果如表3所示.

表3 不同土壤容重實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比

根據(jù)擬合結(jié)果可以看出，根據(jù)Philip公式所建立模型模擬值與實(shí)測(cè)值相對(duì)偏差在±7%以內(nèi)，而電容充電公式模擬值與實(shí)測(cè)值相對(duì)偏差在±9%以內(nèi)，說(shuō)明對(duì)于不同土壤容重一維垂直肥液入滲，Philip理論入滲模型與電容充電經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ途哂休^高的精度.

2.2 不同土壤容重下濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移規(guī)律

圖2為不同土壤容重濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離曲線，由圖可知，隨著時(shí)間的推移，不同容重對(duì)應(yīng)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離Z均逐漸增大，并且前期變化較快，后期逐漸減緩.由于隨入滲時(shí)間的增加，入滲速率逐漸減小至穩(wěn)定入滲率，因此對(duì)應(yīng)濕潤(rùn)鋒的推進(jìn)能力逐漸減弱直至趨于穩(wěn)定；同一入滲時(shí)間下，土壤容重越大，濕潤(rùn)運(yùn)移越慢，入滲結(jié)束后運(yùn)移的距離越短，以容重為1.30 g/cm3為基準(zhǔn)，容重1.35,1.40,1.45 g/cm3濕潤(rùn)鋒減小幅度分別為17%,33%,53%.

圖2 不同土壤容重濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離變化曲線

對(duì)不同土壤容重渾水肥液入滲下的濕潤(rùn)鋒曲線進(jìn)行分析，結(jié)果表明濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離與入滲時(shí)間符合冪函數(shù)關(guān)系，即

Z=AtB,

(12)

式中：Z為渾水一維肥液入滲濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離,cm;A為運(yùn)移系數(shù)；B為運(yùn)移指數(shù).對(duì)渾水一維肥液濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離和入滲時(shí)間進(jìn)行擬合，結(jié)果見(jiàn)表4，可以看出，隨著容重的增加，運(yùn)移系數(shù)A呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，運(yùn)移指數(shù)B呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，經(jīng)過(guò)擬合分析，系數(shù)A與容重之間呈現(xiàn)冪函數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)系，指數(shù)B與容重之間呈現(xiàn)對(duì)數(shù)正相關(guān)函數(shù)關(guān)系，且相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.99以上，表達(dá)式為

A=41.636r-13.12,R2=0.999 2,

(13)

B=1.206 8lnr+0.191 6,R2=0.996 5.

(14)

表4 濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離與入滲時(shí)間擬合結(jié)果

根據(jù)擬合結(jié)果，可以建立不同容重下的渾水肥液濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離與時(shí)間的關(guān)系式為

Z=41.636r-13.12t(1.206 8ln r+0.191 6)，0≤t≤300 min，1.30≤r≤1.45.

(15)

為驗(yàn)證式(15)的可靠性，對(duì)比分析土壤容重為1.30 g/cm3的實(shí)測(cè)濕潤(rùn)鋒數(shù)據(jù)與模擬濕潤(rùn)鋒數(shù)據(jù)，結(jié)果見(jiàn)表5.

表5 濕潤(rùn)鋒實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比結(jié)果

從表中可以看出，土壤容重1.30 g/cm3對(duì)應(yīng)濕潤(rùn)鋒模擬值與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差均在±9%范圍內(nèi)，說(shuō)明建立的渾水肥液入滲條件下不同容重與時(shí)間垂直入滲濕潤(rùn)鋒運(yùn)移公式精度較好.

2.3 不同土壤容重下土壤濕潤(rùn)體內(nèi)水分分布規(guī)律

圖3a為供水結(jié)束時(shí)不同容重土壤含水率θ與入滲深度Z的關(guān)系曲線，從圖中可以看出，不同容重土壤含水率均隨著入滲深度的增加逐漸減小，上層土體含水率差異較小，隨著深度的增加，減小幅度增大，并在濕潤(rùn)鋒附近時(shí)降為初始土壤含水率2.93%.同一位置土壤含水率隨容重增大而減小，由于容重較大的土體相對(duì)密實(shí)，土體內(nèi)微小孔隙含量較多，當(dāng)水分進(jìn)入時(shí)土壤顆粒吸水膨脹對(duì)孔隙進(jìn)行填充，同時(shí)渾水?dāng)y帶的細(xì)小泥沙顆粒對(duì)孔隙有堵塞作用，導(dǎo)致土壤導(dǎo)水率降低，水分在土體內(nèi)入滲速率減小，因此對(duì)應(yīng)土壤含水率降低.

圖3 土壤含水率隨濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離變化曲線

圖3b為容重為1.30 g/cm3的土壤含水率變化曲線.可以看出，再分布過(guò)程中土壤含水率有顯著變化.表現(xiàn)為土體上層水分不斷減小，下層逐漸增大，這是由于上層土壤水勢(shì)較大，再分布過(guò)程中上層水分向下運(yùn)移對(duì)下層土體進(jìn)行補(bǔ)給，并使?jié)駶?rùn)鋒深度逐漸向下推進(jìn).再分布1 ～2 d土壤含水率僅有微弱變化，說(shuō)明再分布1 d后土體內(nèi)水分基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài).

2.4 渾水肥液一維入滲下土體內(nèi)硝態(tài)氮運(yùn)移規(guī)律

圖4a為供水結(jié)束后不同容重土壤硝態(tài)氮分布曲線，可以看出，在同一入滲時(shí)間下，不同容重的土壤硝態(tài)氮含量均隨濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離Z的增加逐漸減小，最終趨于土壤硝態(tài)氮本底值.硝態(tài)氮含量最大值出現(xiàn)在土壤表層，這是因?yàn)榍?00 min土壤處于充分供水階段，土壤水分入滲過(guò)程連續(xù)，上層土體含水量始終大于下層土體，當(dāng)?shù)竭_(dá)濕潤(rùn)鋒邊緣處，土壤水分含量驟減，硝態(tài)氮迅速降為本底值；不同容重對(duì)土壤硝態(tài)氮含量影響不同，容重越大運(yùn)移速率越緩慢，同一位置土壤硝態(tài)氮含量越小.供水結(jié)束時(shí)土壤容重為1.30，1.35，1.40和1.45 g/cm3對(duì)應(yīng)硝態(tài)氮最大值分別為56.01，53.31，49.42和47.21 mg/kg，這是因?yàn)椴煌葜赝寥揽紫洞笮?、含量和分布不同，?dǎo)致肥液在土體中的運(yùn)移狀態(tài)不同，容重越大，水分運(yùn)移越緩慢，在相同的入滲時(shí)間下進(jìn)入土體攜帶肥液量越少，因此對(duì)應(yīng)的硝態(tài)氮含量越小.

圖4 供水結(jié)束到再分布2d土壤硝態(tài)氮變化曲線

3 結(jié) 論

1) 土壤容重對(duì)渾水一維垂直肥液入滲能力有較大影響，同一入滲時(shí)間下，累積入滲量隨土壤容重的增加而減小，兩者關(guān)系均符合Philip模型和電容充電模型.

2) 濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離隨土壤容重的增大而減??；濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離與入滲時(shí)間呈冪函數(shù)關(guān)系，且運(yùn)移系數(shù)A隨土壤容重的增加而減小，運(yùn)移指數(shù)B反之.

3) 濕潤(rùn)體內(nèi)土壤含水率隨土壤容重的增加而減小，供水結(jié)束后主要集中于上層土壤，再分布過(guò)程中水分由上至下運(yùn)移，水分分布更加均勻.

4) 供水結(jié)束時(shí)不同容重土壤中硝態(tài)氮含量均隨入滲深度的增大而較小，同一深度土壤容重越大所對(duì)應(yīng)硝態(tài)氮含量越大，硝態(tài)氮整體變化趨勢(shì)與含水率分布趨勢(shì)相似；再分布2 d后土體上層硝態(tài)氮含量逐漸減小，下層含量逐漸增加，硝態(tài)氮含量在濕潤(rùn)鋒處出現(xiàn)峰值，整個(gè)土體硝態(tài)氮分布更加均勻.