農田干縮裂隙對微潤灌土壤水氮運移及分布的影響

徐嘉惠，齊 偉，劉 俊，王 策，張展羽

（1.河海大學農業(yè)科學與工程學院，南京 211100；2.河海大學水利水電學院，南京 210098；3.南京市水利規(guī)劃設計院股份有限公司，南京 210000）

0 引 言

近年來，我國水資源匱乏和供需不平衡等問題日益顯著，發(fā)展節(jié)水灌溉技術對于緩解上述問題尤為關鍵[1]。微潤灌溉是近年來興起的一種精準高效的節(jié)水灌溉技術，以管內外水勢差作為驅動力[2]，根據作物需水要求，通過半透膜管自動、實時、適量地為作物根部連續(xù)供水[3]，其用水量約為滴灌用水量的20%～30%，節(jié)水效率達70%以上[4]。致力于高均勻度、小流量的節(jié)水灌溉模式，是當前國內外節(jié)水灌溉發(fā)展的重要方向[5,6]。為優(yōu)化微潤灌溉技術參數從而提高其應用合理性發(fā)揮其最大效益，揭示微潤灌水分入滲特征和不同因素對其影響規(guī)律是目前微潤灌溉機理探求的重要內容。近些年，國內外研究學者通過微潤灌入滲試驗和數值模擬等方式對微潤灌的水鹽入滲規(guī)律進行了較為廣泛的研究，目前關于微潤灌溉的研究主要集中在壓力水頭、微潤管埋深、土壤質地、礦化度、初始含水率等方面對微潤灌入滲的影響[7-12]。

微潤灌作為一種依賴土壤基質勢驅動入滲的灌水技術，其灌溉水肥在土壤中的運移規(guī)律受土壤空間異質性影響較大。自然條件下，農田土壤在空間上普遍表現出異質性，例如動物活動(例如蚯蚓、螞蟻等)、人類耕作、植物根系延展和腐爛、干濕凍融交替等因素影響著土壤空間結構和團聚體形態(tài)，長久以往使得土壤中存在若干不規(guī)則的孔隙結構(大孔隙和裂隙等)，直接導致土壤水力特征的空間變異性，造成水分溶質運移預測的不確定性[13]。土壤干燥失水過程中，固-液-氣交界面逐漸由土壤表面下降至土體內部，土壤顆?；驁F聚體間逐漸形成彎液面，進而引起土壤毛管吸力的增加。在毛管吸力作用下土壤顆粒或團聚體間形成吸力，使顆粒或團聚體互相靠近，土體中逐漸形成拉力場。當顆?；驁F聚體間拉力超過其抗拉強度時，顆粒或團聚體薄弱區(qū)斷開，在宏觀上則表現為土壤開裂[14]。裂隙的存在切斷了土壤毛管的連續(xù)性，對農田水肥入滲產生阻隔效應，Wang 等[15]研究發(fā)現裂隙阻隔效應下，水分入滲速率產生波動性，且濕潤鋒的推進受到明顯抑制。Qi 等[16]研究表明滴灌條件下裂隙阻礙了水分的橫向運移，從而影響灌水質量。而目前關于土壤裂隙對微潤灌水肥運移影響的研究鮮有。

現有的對于裂隙幾何特征的定量描述存在多種體系[17-20]，考慮裂隙的入滲模型則大多將裂隙理想化假設為楔狀體[21,22]。為了更好地定量化研究微潤灌溉下土壤裂隙特征對水分和氮素運移的影響，本文將土壤裂隙理想化假設為楔狀體。通過在土柱試樣中添加預制土壤裂隙模具，模擬裂隙條件下的微潤灌入滲過程，探究不同土壤裂隙深度和面積率對微潤灌溉下土壤濕潤體內水氮分布的影響，以期為裂隙影響下微潤灌水分運移、溶質遷移機理以及微潤灌優(yōu)化設計控制等提供相關的理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試土樣

供試土壤取自河海大學節(jié)水園區(qū)大田（31°86’N，118°60’E）的旱地土壤表層（0～20 cm），以黃棕壤土為主。疏松后，采用2 mm 的篩子去除土壤中殘留的石塊及植物根系等雜質，置于空曠處自然風干。土壤的機械組成分析采用吸管法，按照國際制土壤質地分類方法進行分類，土壤容重采用環(huán)刀法，硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量利用紫外分光光度計測量。所得的土壤基本屬性如表1所示。

表1 供試土壤基本屬性Tab.1 Basic properties of the tested soil

1.2 試驗裝置

試驗裝置如圖1所示。土柱由8 mm 厚的有機玻璃制成，尺寸為40 cm×40 cm×60 cm（長×寬×高），土柱底部設有均勻的排氣孔。直徑2 cm 的微潤管、橡膠軟管和提供連續(xù)恒壓水頭的馬氏瓶組成微潤灌溉系統(tǒng)。土柱后板不同高度處設有直徑為1 cm的測量孔用于后期取土，前后板距頂部25 cm深度處設有直徑為2 cm的小孔以安裝微潤管。

圖1 試驗裝置示意圖（單位：cm）Fig.1 Schematic diagram of test apparatus

1.3 裂隙參數

（1）裂隙深度：楔狀體裂隙模具的高度。

（2）裂隙面積率Rcr，計算公式如下：

式中：Rcr為裂隙面積率，%；Ai為第i條裂隙的面積，cm2；A0為研究區(qū)域總面積，cm2。

裂隙面積的提取方法為：土壤表層裂隙模具面積。如圖2所示，裂隙面積率為12.5%。

圖2 裂隙面積提取示意圖（單位：cm）Fig.2 Schematic diagram of crack area extraction

1.4 試驗設計

試驗旨在研究微潤灌溉條件下裂隙特征對土壤水分及氮素運移的影響。灌溉溶液采用濃度為2 000 mg/L 的尿素溶液。在試驗處理指標的選擇上，土壤表面復雜裂隙形態(tài)的定量化研究是裂隙研究的先決條件和關鍵，裂隙面積率能較好反映土壤表面裂隙分布特征，裂隙深度則能較好反映裂隙縱向發(fā)育程度，因此選取裂隙面積率和裂隙深度兩指標設置試驗不同處理。觀察試驗園區(qū)該土質下的農田發(fā)現田間土壤裂隙平均深度在10 cm 左右，同時結合土柱尺寸和前人對農田裂隙特征參數的研究經驗[23,24]，將裂隙深度設置3 個梯度，分別為5、10、15 cm；裂隙面積率設置兩個梯度，分別為12.5%和7.5%，再設置無裂隙的對照處理組共7個處理。將土壤裂隙理想化假設為楔狀體，根據不同的裂隙深度和面積率制造裂隙模具。裂隙模具插入土柱靜置一段時間，待裂隙形態(tài)穩(wěn)定后，在微潤灌入滲前取出模具。每組處理重復3次，取平均值分析計算結果。試驗設計見表2。裂隙具體布置圖見圖3（以T5、T6處理組為例）。

圖3 裂隙布置示意圖（單位：cm）Fig.3 Schematic diagram of crack arrangement

表2 試驗設計Tab.2 Experimental design

1.5 測定項目與方法

試驗開始前，將風干土樣過2 mm 篩，按原容重分層填土，每間隔5 cm 振搗、打毛，確保土壤顆粒之間充分接觸。有機玻璃土柱內高55 cm，填土高度為50 cm。當填土至25 cm深時埋設微潤管，微潤管長度為40 cm，微潤管嚴格保持與土壤表面平行。將2 000 mg/L的尿素溶液加入馬氏瓶，打開全部閥門，排除管內空氣，同時開始記錄馬氏瓶刻度。整個灌溉過程共持續(xù)120 h，按先密后疏原則（0～12 h 每3 h 記錄一次，24 h記錄一次，24～36 h每6 h記錄一次，36～120 h每12 h測定一次）采用數碼相機記錄相應處理組濕潤鋒照片并記錄相應的馬氏瓶刻度，入滲結束后關閉閥門。使用取土器以微潤管為中心，橫縱向每隔5 cm 取土，以測定土壤的含水率、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。濕潤鋒照片的處理先采用Photoshop CS 進行裁剪，再結合Matlab 軟件對裁剪后的圖像進行灰度化、二值化、去除雜點，基于優(yōu)化后的二值化圖像，采用圖像識別形態(tài)學算法進行Matlab 編程計算，得到濕潤鋒垂直、水平運移距離及其浸潤面積等相關數據[15,25]。土壤含水率采用烘干法計算，銨態(tài)氮量、硝態(tài)氮量采用1 mol/L 的KCl 浸提，利用紫外分光光度計測定。

1.6 數據處理與分析方法

采用origin 軟件繪制濕潤鋒、累計入滲量與時間的關系圖，導入suffer 軟件繪制土壤含水率的等值線圖。累積入滲量規(guī)律擬采用Kostiakov模型進行經驗擬合，公式為：

式中：I為累計入滲量，cm3；A為入滲系數；t為入滲時間，h；B為入滲指數。

2 結果與分析

2.1 濕潤鋒運移特征

2.1.1 濕潤鋒水平方向運移特征

圖4顯示了兩種裂隙面積率、3 種裂隙深度情況下土壤濕潤鋒水平運移距離與時間的變化關系曲線。由圖4(a)可知，當裂隙面積率為12.5%，入滲末期，濕潤鋒水平方向運移距離和速率T1 處理最大，T3 處理次之，T5 處理最小。入滲初期0～10 h 內，濕潤鋒尚未到達裂隙邊界，此時T1、T3、T5 三組處理的濕潤鋒水平運移規(guī)律基本相同。入滲12 h 時，T5 處理濕潤鋒水平運移距離到達6 cm，豎直運移至15 cm 深度裂隙邊緣處。受裂隙影響，此時濕潤鋒水平運移速率有下降趨勢，具體表現為t=12 h 時，T5 處理運移速率明顯下降。入滲時間29.5 h 時，T3 處理濕潤鋒水平運移距離到達10.26 cm，豎直運移距離到達10 cm 深度裂隙邊緣處。受到裂隙的影響，此時濕潤鋒水平運移速率隨之下降。體現在29.5 h 時，T3 處理運移速率明顯下降；從圖4(b)可看出T2，T4，T6 處理組有類似現象。通過分析對比入滲末期T1 和T2，T3 和T4，T5 和T6 處理組可知，當裂隙深度相同時，裂隙面積率較小的處理濕潤鋒水平運移距離略高于裂隙面積率較大的處理。由上可知，裂隙深度和面積率對濕潤鋒水平運移距離均有影響。

圖4 濕潤鋒水平運移距離隨時間變化特征Fig.4 Characteristics of horizontal migration distance of wetting front with time

2.1.2 濕潤鋒豎直方向運移特征

圖5為兩種裂隙面積率，3 種裂隙深度情況下土壤濕潤鋒豎直方向運移距離隨時間的變化關系曲線。從圖5(a)可以看出，各處理濕潤鋒豎直向上運移距離大體呈現為T5 ＞T6＞T3＞T4＞T1＞T2＞T0，且T5＞T3＞T1＞T0，T6＞T4＞T2＞T0，該現象說明濕潤鋒豎直向上運移距離與裂隙深度呈正比，即裂隙深度越深，濕潤鋒豎直向上運移距離越遠。比較T5 和T6，T3 和T4，T1 和T2 處理來看，濕潤鋒豎直向上運移距離差距不大，表明裂隙面積率對于濕潤鋒豎直向上運移影響不大。反觀圖5(b)，各處理呈現出T1＞T2＞T0＞T3＞T4＞T5＞T6，且T1＞T0＞T3＞T5，T2＞T0＞T4＞T6，說明裂隙的存在對于濕潤鋒豎直向下運移起到一定的抑制作用，但由于濕潤鋒豎直向下運移主要依靠重力勢與基質勢，故裂隙的抑制作用并不明顯。韓松等人[26]研究發(fā)現，無裂隙土壤中，微潤灌濕潤鋒入滲距離情況理應為豎直向上＜水平向右＜豎直向下。但針對本試驗來說，比較圖4和圖5可知，裂隙深度達到15 cm 時，T5、T6 處理濕潤鋒入滲距離存在水平向右＜豎直向下＜豎直向上的情況，說明裂隙的存在對于濕潤鋒豎直方向的運移距離和速率影響較大。與無裂隙土壤相比，開裂土壤濕潤鋒豎直向上運移距離更遠，速率更快。且裂隙越深，面積率越大，濕潤鋒向上運移越快。這一現象易使得淺層土壤含水率較高，造成土壤水分無效蒸發(fā)，導致灌溉水利用率降低。

圖5 濕潤鋒豎直運移距離隨時間變化特征Fig.5 Variation characteristics of vertical migration distance of wetting front over time

2.2 累積入滲量變化特征

圖6顯示了兩種裂隙面積率，3 種裂隙深度情況下的微潤灌溉累積入滲量隨時間的動態(tài)變化規(guī)律。灌水結束時，T1、T2、T3、T4、T5、T6處理對應的累積入滲量分別為11 282.23、11 933.33、11 200.00、13 066.67、12 433.33、14 366.67、13 500.00 mL。入滲結束時，T1、T2、T3、T4、T5、T6 處理累計入滲量比T0 處理增加了5.77%、1.93%、15.81%、10.21%、27.34%、19.66%。分析圖6趨勢表明，各處理累積入滲量隨時間的變化呈良好指數函數關系，本研究采用Kostiakov 經驗入滲模型分別對處理進行擬合，得到表3。由表3可知T0、T1、T2、T3、T4、T5、T6 處理對應的R2均大于0.99，擬合水平較高，說明不同裂隙深度和面積率處理下的微潤灌累計入滲量均符合Kostiakov入滲模型，各參數見表3。從表3可以看出，裂隙深度增加，面積率增大，入滲系數A增大，入滲指數B減?。涣严渡疃冉档?，面積率減小，入滲系數A減小，入滲指數B增大。

圖6 累積入滲量隨時間變化特征Fig.6 Variation characteristics of cumulative infiltration over time

表3 Kostiakov入滲模型擬合參數Tab.3 Fitting parameters of Kostiakov infiltration model

裂隙面積率相同，深度不同時，由圖6可知，各處理入滲速率、累積入滲量表現為T5＞T3＞T1，T6＞T4＞T2。即當裂隙面積率相同時，隨著裂隙深度增大，裂隙對于微潤灌入滲影響越顯著，裂隙越深，累積入滲量越大。裂隙深度相同，面積率不同時，從圖6來看，各處理入滲速率、累計入滲量表現為T5＞T6，T3＞T4，T1＞T2。即當裂隙深度相同時，隨著裂隙面積率增大，裂隙對于微潤灌入滲影響越顯著，裂隙面積率越大，累積入滲量越大。

由上可知裂隙顯著影響了微潤灌溉入滲機理。隨著裂隙變深，面積率變大，微潤灌累積入滲量增多。但當裂隙深度較小為5 cm 時，T1、T2處理累計入滲量與T0處理相近，此時裂隙對于微潤灌入滲影響較小。

2.3 土壤水氮分布特征

2.3.1 土壤含水率分布特征

入滲結束時刻其截面土壤含水率等值線圖如圖7所示。從圖7可知，土壤裂隙對濕潤體內水分分布的影響較大。各處理下等值線圖均表明土壤含水率與沿微潤管的距離呈負相關關系，即微潤管中心位置附近處含水率等值線都較為疏松，含水率值較大，差異較??；距離微潤管中心位置較遠、靠近土壤裂隙處，含水率等值線較為密集，含水率值相對較小，差值較大。由圖7可知，土壤裂隙面積率越小、深度越淺，靠近微潤管的土壤含水率等值線相對疏松的現象越明顯。在距離微潤管垂直方向10～15 cm 處，隨著距離微潤管中心位置越來越遠，等值線越密集，水勢變化梯度隨著裂隙深度和面積率的增大而增大。總體看來，在濕潤體同一位置處的土壤含水率隨裂隙面積率、深度的增大而增大，且土壤含水率最高值的位置隨著裂隙深度的增大而下移。靠近微潤管中心位置附近處土壤與從微潤管內滲出的水分充分接觸，越靠近微潤管的土壤水分入滲均勻性較好，故土壤含水率等值線較疏松，含水率梯度較小?？拷寥懒严陡浇寥溃霛B不連續(xù)，土壤水分水平運移受到影響，故土壤含水率等值線較為密集，含水率梯度較大。裂隙越深，越接近于微潤管，對于微潤灌的入滲影響越大。

圖7 土壤含水率等值線圖(圖中均為質量含水率)Fig.7 Contour map of soil moisture content

2.3.2 土壤硝態(tài)氮分布特征

入滲結束時刻不同處理土壤硝態(tài)氮分布情況如圖8所示。從圖8可看出，各處理下均表現為土壤硝態(tài)氮含量與距微潤管距離成正比，即濕潤鋒范圍內距微潤管越遠，土壤中硝態(tài)氮含量越高。這是由于尿素溶于水進入土壤后，尿素分子在土壤中的運移機制主要是對流作用，由土壤含水率分布特性可知，位于微潤管和土壤裂隙周邊的土壤含水率較高，硝態(tài)氮的對流作用較強，遠離微潤管，土壤含水率較低，硝態(tài)氮的對流作用較弱，即硝態(tài)氮的對流作用隨與微潤管距離的增大而減小，硝態(tài)氮在對流作用的影響下是向土壤含水率較低處運移累積的。故硝態(tài)氮的分布特征與含水率相似。

圖8 土壤硝態(tài)氮分布特征Fig.8 Distribution characteristics of soil nitrate nitrogen

與T0 處理相比，各處理銨態(tài)氮量均顯著增加，T1、T2、T3、T4、T5、T6 處理的硝態(tài)氮含量分別是T0 處理的0.97～1.91、1.05～1.25、1.06～2.55、1.12～2.31、1.33～3.86、1.16～3.28 倍，其中T5 處理的增長最為明顯。同一深度下，各處理土壤硝態(tài)氮含量呈現出T0＜T1＜T3＜T5，T0＜T2＜T4＜T6，即隨著裂隙深度增大，同一深度處土壤硝態(tài)氮含量也有所增加。觀察亦可知，高裂隙面積率處理組的硝態(tài)氮含量顯著高于低裂隙面積率處理組。T2 處理土壤中硝態(tài)氮最高含量較T1 處理高出81.92%，T4 處理土壤硝態(tài)氮最高含量較T3 處理高出33.30%，T6 處理土壤硝態(tài)氮最高含量比T5 處理高出46.12%。由上可知，裂隙的深度和面積率增大，均會促進微潤灌溉下土壤硝態(tài)氮的運移。裂隙的存在會使得土壤的水分入滲加快，受其影響，硝態(tài)氮的運移表現出加快、增多的特征。

2.3.3 土壤銨態(tài)氮分布特征

入滲結束時刻不同處理土壤銨態(tài)氮分布情況如如圖9所示。從圖9可看出，各處理下均表現為土壤銨態(tài)氮含量與距微潤管距離成反比，即濕潤鋒范圍內距微潤管越遠，土壤中銨態(tài)氮含量越低。銨態(tài)氮含量表現出與硝態(tài)氮相反的結果，這是由于銨態(tài)氮在土壤中的運移主要是由土壤對銨態(tài)氮的吸附飽和度決定的[27]。由于本試驗微潤灌溉灌水結束時各處理的土壤含水率均低于土壤飽和含水率，故銨態(tài)氮在運移過程中均隨土壤水分在土壤中作不飽和流運動，在運移過程中大部分被土壤所吸附，少部分隨著土壤溶液向遠處移動[28]。

圖9 土壤銨態(tài)氮分布特征Fig.9 Distribution characteristics of ammonium nitrogen in soil

與T0 處理相比，各處理銨態(tài)氮量均顯著增加，T1、T2、T3、T4、T5、T6 處理的硝態(tài)氮含量分別是T0 處理的0.93～1.93、0.86～1.19、1.18～3.30、1.12～2.80、1.98～5.69、1.92～3.73 倍，其中T5 處理的增長最為明顯。同一深度下，各處理土壤銨態(tài)氮含量呈現出T0＜T1＜T3＜T5，T0＜T2＜T4＜T6，即隨著裂隙深度增大，距離微潤管相同距離處銨態(tài)氮含量也有所增加。同樣的，裂隙面積率大的處理組銨態(tài)氮含量明顯高于裂隙面積率小的處理組。T1 處理銨態(tài)氮最高含量比T2 處理高出22.54%，T3 處理銨態(tài)氮最高含量比T4 處理高出14.40%，T5處理銨態(tài)氮最高含量比T6 處理高出10.63%。由上可知，裂隙的深度和面積率增大，均會促進微潤灌溉下土壤銨態(tài)氮的運移。

3 結 論

本文探究了微潤灌溉條件下土壤裂隙幾何特征對土壤水分及氮素運移的影響，分析了不同裂隙深度（5、10 和15 cm）、不同裂隙面積率（7.5%和12.5%）情況下土壤水氮的運移規(guī)律，結論如下：

（1）裂隙的存在會影響濕潤鋒推進速率。裂隙深度越深，面積率越大，濕潤鋒水平方向運移速率越慢，受其影響，濕潤鋒豎直方向運移速率加快。

（2）裂隙對微潤灌入滲速率有明顯影響，累積入滲量隨時間的變化規(guī)律均符合Kostiakov 入滲經驗模型，擬合優(yōu)度較高。隨著裂隙深度、面積率增大，微潤灌入滲速率和累積入滲量均增大。

（3）濕潤體范圍內距微潤管越遠，土壤中含水量、硝態(tài)氮含量越高，銨態(tài)氮含量越低。受裂隙影響，水分、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮的運移表現出加快、增多的特征。土壤裂隙深度、面積率越大則同一深度土壤含水率、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量越高。

本研究中假定在灌溉過程中裂隙形態(tài)保持不變，簡化了微潤灌與裂隙交互影響作用，同時在試驗過程中忽略了農田作物根系對于土壤裂隙發(fā)育形態(tài)的影響，這與實際情況存在一定差異，試驗所得結論有一定局限性。后續(xù)可全面考慮裂隙動態(tài)閉合效應及根系分布對微潤灌溉的綜合影響，進一步揭示農田復雜情況下的微潤灌溉機理，為實際灌溉生產提供理論支撐。