費良軍 劉 顯 王 佳 曾 健 楊 揚

(西安理工大學水利水電學院， 西安 710048)

土壤容重對涌泉根灌土壤水氮運移特性的影響

費良軍 劉 顯 王 佳 曾 健 楊 揚

(西安理工大學水利水電學院， 西安 710048)

在室內(nèi)通過人工配置不同水平土壤容重(1.35、1.40、1.45、1.50 g/cm3)，用土箱進行水肥入滲模擬試驗，研究土壤容重對累積入滲量、濕潤鋒運移、土壤水分以及銨態(tài)氮和硝態(tài)氮運移的影響，建立以土壤容重和入滲時間為自變量，累積入滲量和各向濕潤鋒運移距離為因變量的經(jīng)驗模型。結果表明：土壤容重對累積入滲量、各向濕潤鋒運移距離及濕潤體內(nèi)水分和氮素的分布、轉化均具有較為顯著的影響。隨著土壤容重的減小，累積入滲量、濕潤鋒運移距離、濕潤體內(nèi)水分、銨態(tài)氮及硝態(tài)氮含量均呈增大趨勢。入滲系數(shù)K隨著土壤容重的增大而減小，入滲指數(shù)α隨著土壤容重的增大而增大；在同一時刻，濕潤體內(nèi)銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量的平均值、變化量及轉化率均隨著土壤容重的增大而增大。距離灌水器越近，銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量越高；濕潤體內(nèi)銨態(tài)氮分布主要集中在灌水器附近，隨著再分布進行，濕潤體內(nèi)銨態(tài)氮含量、轉化率逐漸減小，轉化量逐漸增加。灌水結束、再分布3、5、10、15、20 d條件下，以灌水結束時刻為基準，銨態(tài)氮含量降幅依次為2.34%、11.41%、34.22%、59.06%和73.75%。濕潤體內(nèi)硝態(tài)氮分布區(qū)域與水分分布相似，隨著再分布進行，濕潤體內(nèi)硝態(tài)氮含量、轉化量逐漸增大，再分布15 d達到最大值；而轉化率呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，再分布10 d轉化率達到最大值。灌水結束、再分布3、5、10、15、20 d條件下，以灌水結束時刻為基準，濕潤體內(nèi)硝態(tài)氮含量依次增加0.76%、60.12%、156.95%、204.68%和180.51%。土壤容重對涌泉根灌土壤水分和氮素運移、分布及其轉化的影響均較為顯著。

涌泉根灌； 土壤容重； 再分布； 模型； 氮素運移

引言

涌泉根灌作為一種新型地下滲灌技術，其原理是通過微管把水肥溶液直接運送到果樹根區(qū)，進行地下局部灌溉，減小蒸發(fā)損失、雜草生長及水肥在地表的積聚，又由于有水流過渡保護器的保護，灌水器不易堵塞，應用前景廣闊[1]。對涌泉根灌水肥一體化灌溉條件下水分及氮素運移、分布特性進行研究，可為合理確定山地果樹灌溉技術參數(shù)提供科學依據(jù)。

關于涌泉根灌土壤水分方面的研究，國內(nèi)諸多學者[2-6]通過開展室內(nèi)外試驗，探究了涌泉根灌水分入滲特性、灌溉技術要素及影響因素等，并取得了重要的研究成果；水肥耦合不僅可以提高水氮的利用效率，同時提高作物產(chǎn)量、品質(zhì)[7-12]。而對于涌泉根灌氮素分布特性方面，僅見到肥液濃度及灌水器埋深對涌泉根灌水分及氮素運移特性的報道[13-15]。迄今為止，在涌泉根灌條件下關于土壤容重對土壤氮素的運移分布特性的研究尚未見相關報道。水肥溶液的入滲主要受土壤容重、土壤機械組成、初始含水率及有機物質(zhì)等影響[16-17]，而各影響因素主要通過改變土壤大孔隙率來影響入滲速率，其中土壤容重的變化直接影響土壤大孔隙率的改變。所以土壤容重對涌泉根灌水肥一體化灌溉溶液入滲勢必會有較為顯著的影響[18]。

本文在室內(nèi)通過涌泉根灌水肥一體化入滲試驗，研究土壤容重對涌泉根灌土壤水分及氮素分布的影響，以期為陜北山地涌泉根灌水肥高效利用技術提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗土壤制備

試驗于2016年5月在陜西省米脂縣西北農(nóng)林科技大學米脂試驗站進行，供試土壤取自陜西省米脂縣遠志山棗樹微灌示范基地田間表層0～50 cm熟土，土樣經(jīng)自然風干后，進行研磨，過2 mm細篩，用Mastersizer-2000型激光粒度分析儀對土壤進行粒徑分析，粒徑為0 mm

1.2 試驗裝置與試驗設計

試驗裝置主要由馬氏瓶和有機玻璃制成尺寸為50 cm×50 cm×100 cm(長×寬×高)的試驗土箱組成。馬氏瓶提供恒定水頭，通過調(diào)節(jié)旋鈕開度控制灌水器流量；取灌水器套筒1/4用玻璃膠粘貼于土箱一角，開孔率為20%；試驗全程采用秒表計時，單位以分鐘計算；使用鋼卷尺測量濕潤鋒運移距離；氮肥采用硝酸銨鈣，以一定比例溶入水中，氮素的測定使用全自動間斷化學分析儀，分析儀型號：CleverChem2000。試驗示意圖見圖1。

圖1 試驗示意圖Fig.1 Schematic diagram of experiment1.馬氏瓶 2.輸水管 3.模擬灌水器 4.土箱 5.濕潤體

1.3 試驗方法與觀測內(nèi)容

試驗設定初始流量為1.2 L/h，為了更好地模擬涌泉根灌灌水器，在試驗過程中，使套筒內(nèi)的積水深度最大維持在20 cm(涌泉根灌灌水器高度)。灌水時間420 min，肥液質(zhì)量濃度為60 g/L,設定4種土壤容重梯度，分別為1.35、1.40、1.45、1.50 g/cm3，每組試驗重復進行3次，取其平均值進行分析。

模擬灌水器出水孔外側包裹兩層紗布以避免裝填土箱過程中土壤通過灌水器孔洞進入套筒。灌水器埋深設置為35 cm。試驗開始后，按照先密后疏的原則對試驗數(shù)據(jù)進行讀取。入滲結束后，分別在距離灌水器水平0、10、20、30 cm，垂直深度0～100 cm范圍內(nèi)每隔10 cm用土鉆取土。

2 結果與分析

2.1 土壤容重對涌泉根灌肥液入滲能力的影響

通過涌泉根灌4種土壤容重(γ)條件下水肥入滲試驗數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，土壤容重對累積入滲量具有較為顯著的影響。圖2為不同土壤容重條件下，累積入滲量隨入滲時間的變化曲線。可以看出，隨著入滲時間的持續(xù)增大，累積入滲量逐漸增大；同一入滲時刻，土壤容重越小，累積入滲量越大。分析其原因，主要是隨著土壤容重的增加，土壤大孔隙變少，土壤團粒結構被破壞，土壤結構變得更加密實，影響了土壤間氣相比例，從而造成累積入滲量隨著土壤容重增大而減小的現(xiàn)象。

圖2 累積入滲量曲線Fig.2 Cumulative infiltration curves

經(jīng)分析，涌泉根灌水肥一體化條件下累積入滲量與入滲時間之間符合Kostiakov模型，即

I(t)=Ktα

(1)

式中I(t)——隨時間變化的累積入滲量，cmK——入滲系數(shù)，cm/min

α——入滲指數(shù)t——入滲時間，min

對圖2中的實測數(shù)據(jù)用Kostiakov模型進行擬合，得到：

γ=1.35 g/cm3時

I(t)=12.669 4t0.684 8(R2=0.992 6)

(2)

γ=1.40 g/cm3時

I(t)=11.276 6t0.693 1(R2=0.987 6)

(3)

γ=1.45 g/cm3時

I(t)=9.752 9t0.703 8(R2=0.977 4)

(4)

γ=1.50 g/cm3時

I(t)=7.473 3t0.727 3(R2=0.963 9)

(5)

各土壤容重條件下，涌泉根灌自由入滲累積入滲量與入滲時間擬合結果中，決定系數(shù)R2均大于0.96，大于臨界相關系數(shù)ra(0.641),表明按照Kostiakov建立的入滲模型可以很好地描述涌泉根灌自由入滲累積入滲量與入滲時間的關系。通過進一步分析入滲系數(shù)K、入滲指數(shù)α與土壤容重的關系，得到

K=-34.158 0γ+58.963 9 (R2=0.985 3)

(6)

α=0.278 0γ+0.305 6 (R2=0.937 2)

(7)

將式(6)、(7)代入式(1)得到涌泉根灌水肥一體化灌溉條件下，累積入滲量與土壤容重和入滲時間的關系模型

I(t,γ)=(-34.158 0γ+58.963 9)t0.278 0γ+0.305 6

(8)

為檢驗模型(8)的可靠性，配置土壤容重為1.37 g/cm3的土樣,按照同樣的標準進行試驗，選取9個時間點進行分析，將其實測值和模型擬合值進行對比分析，結果見表1。

表1 累積入滲量實測值與模型擬合值Tab.1 Measured and model fitted values of cumulative infiltration

由表1可知，累積入滲量實測值和模型擬合值相對誤差均在±9%范圍以內(nèi)，說明式(8)對涌泉根灌水肥一體化條件下累積入滲量的預測精度符合要求。

2.2 土壤容重對各向濕潤鋒運移特性的影響

圖3為在不同土壤容重條件下，水平濕潤鋒、豎直向下濕潤鋒和豎直向上濕潤鋒運移距離隨入滲時間的變化曲線。由圖3中可以看出，各向濕潤鋒均隨著入滲時間的增加而增大，且同一時刻，容重越小，濕潤鋒運移距離越大。在入滲前60 min內(nèi)，各容重條件下濕潤鋒運移距離差異不顯著，隨著入滲繼續(xù)進行，各容重條件下的濕潤鋒運移距離差異逐漸顯著，濕潤鋒運移曲線最后趨于平緩。這主要是因為隨著土壤容重的增大，土壤越密實，孔隙度減小，水分入滲通道受到阻塞增大所致。

圖3 不同土壤容重條件下各向濕潤鋒運移特性曲線Fig.3 Characteristic curves of anisotropic wetting front migration under different soil bulk densities

對不同容重條件下各向濕潤鋒運移距離隨入滲時間的變化曲線進行分析，發(fā)現(xiàn)各向濕潤鋒運移距離與入滲時間具有較好的冪函數(shù)關系，設

R(t)=atb

(9)

H(t)=ctd

(10)

L(t)=etf

(11)

式中R(t)——水平濕潤鋒運移距離，cmH(t)——豎直向下濕潤鋒運移距離，cmL(t)——豎直向上濕潤鋒運移距離，cma、b、c、d、e、f——擬合參數(shù)

通過式(5)對圖3中各向濕潤鋒運移距離的實測值進行擬合，結果如表2所示。

表2 不同土壤容重條件下各向濕潤鋒運移距離 與入滲時間關系擬合結果Tab.2 Fitting results of wetting front migration distance and infiltration time under different soil bulk densities

取顯著性水平0.01，通過表2可以看出決定系數(shù)R2均遠大于臨界相關系數(shù)ra(0.623)，說明不同土壤容重條件下各向濕潤鋒運移距離與入滲時間之間具有很好的冪函數(shù)關系。參數(shù)a、b、c、d、e、f隨著土壤容重變化呈單一的變化趨勢，經(jīng)分析其與土壤容重具有較好的線性關系，擬合結果為：

(1)水平濕潤鋒

a=3.623 0-0.786 4γ(R2=0.928 3)

(12)

b=0.653 1-0.179 0γ(R2=0.933 5)

(13)

將相關系數(shù)擬合結果代入式(9)，得到以入滲時間和土壤容重為自變量，水平濕潤鋒運移距離為因變量的數(shù)學模型，即

R(t,γ)=(3.623 0-0.786 4γ)t0.653 1-0.179 0γ

(0 min

(14)

(2)豎直向下濕潤鋒

c=17.146 0-10.007 0γ(R2=0.994 4)

(15)

d=-0.104 5+0.343 2γ(R2=0.938 0)

(16)

將相關系數(shù)擬合結果代入式(10)，得到以入滲時間和土壤容重為自變量，豎直向下濕潤鋒運移距離為因變量的數(shù)學模型，即

H(t,γ)=(17.146 0-10.007 0γ)t-0.104 5+0.343 2γ

(0 min

(17)

(3)豎直向上濕潤鋒

e=14.186-7.627γ(R2=0.995 5)

(18)

f=0.058 5+0.2γ(R2=0.952 7)

(19)

將相關系數(shù)擬合結果代入式(11)，得到以入滲時間和土壤容重為自變量，豎直向上濕潤鋒運移距離為因變量的數(shù)學模型，即

L(t,γ)=(14.186-7.627γ)t0.058 5+0.2γ

(0 min

(20)

為檢驗模型(14)、(17)、(20)的可靠性，在土壤容重為1.37 g/cm3條件下，選取9個時間點進行分析，將其實測值和模型擬合值進行對比分析，結果見表3。

由表3可知，水平濕潤鋒、豎直向下濕潤鋒和豎直向上濕潤鋒運移距離的實測值和模型擬合值相對偏差均在±6%范圍以內(nèi)，說明用模型(14)、(17)、(20)對涌泉根灌各向濕潤鋒運移距離進行預測滿足精度要求。

2.3 土壤容重對濕潤體內(nèi)含水率分布的影響

圖4為灌溉施肥結束時刻，不同土壤容重條件下濕潤體內(nèi)垂直剖面含水率等值線分布圖。可以看出，不同容重條件下的濕潤體等值線均呈半橢球形，距離灌水器位置越遠，含水率越小，等值線分布越密集，水勢梯度也越大；容重越小，高含水率區(qū)域越大，濕潤體內(nèi)同一節(jié)點處的含水率也越大。

圖4 不同土壤容重條件下濕潤體內(nèi)垂直剖面含水率等值線分布圖Fig. 4 Contour maps of soil water content distribution in vertical profile under different soil bulk densities

為更加具體地分析土壤容重對濕潤體內(nèi)土壤含水率分布的影響，取距灌水器水平10 cm處垂向土壤含水率分布情況進行分析，如圖5a所示?？梢钥闯觯煌葜貤l件下土壤含水率分布差異較大，垂向土壤含水率的變化均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，容重1.35、1.40、1.45 g/cm3條件下土壤水分主要集中在土壤深度20～60 cm范圍內(nèi)，而1.50 g/cm3條件下土壤水分主要集中在20～50 cm范圍內(nèi)。隨著土壤容重的減小，同一深度處土壤含水率增大，以土壤深度30 cm為例，容重1.35、1.40、1.45、1.50 g/cm3的含水率依次為0.26、0.23、0.21、0.18 g/g，以容重1.35 g/cm3為基準，減幅依次為11.54%、19.23%、30.77%。這主要是因為隨著土壤容重的增大，土壤密實度增大，土壤孔隙度變小，同一時間入滲到土壤中的水分就越少。該結果也體現(xiàn)出土壤容重對涌泉根灌水肥入滲濕潤體內(nèi)水分分布影響的顯著性，因此在對作物進行灌溉時，對容重較大的土壤進行適時疏松有助于土壤水分的入滲并提高土壤中的含水率。

圖5 不同土壤容重和再分布時間對濕潤體內(nèi)水分分布的影響Fig.5 Effects of different soil bulk densities and redistribution times on distribution of moisture in wet body

圖5b為土壤容重1.35 g/cm3，不同時間條件下，距灌水器水平20 cm處土壤含水率變化曲線。從圖中可以看到，隨著再分布的進行，土壤含水率分布發(fā)生變化，濕潤體內(nèi)最大含水率位置有下移趨勢。灌溉施肥結束、再分布1 d和3 d，最大含水率位置依次為40、50、60 cm；土壤深度10、60、70 cm處土壤含水率隨著再分布的進行，逐漸增大；而20～50 cm土壤深度范圍內(nèi)，隨著再分布進行，濕潤體內(nèi)含水率呈減小趨勢。土壤深度10 cm處，隨著再分布進行，其含水率依次為0.06、0.10、0.13 g/g，以灌水結束時刻為基準，再分布1 d和3 d含水率增幅分別為66.66%和116.67%；土壤深度70 cm處，隨著再分布進行，土壤中含水率依次為0.02、0.08、0.15 g/g，同樣以灌水結束時刻土壤含水率為基準，再分布階段土壤含水率增幅分別為300%和650%。造成上述現(xiàn)象的原因主要是：灌水結束后，濕潤體內(nèi)水分在重力勢、基質(zhì)勢和溶質(zhì)勢等作用下繼續(xù)向四周運移；高含水率區(qū)域經(jīng)歷著脫水過程，而土壤深度10～20 cm及60～80 cm范圍進行著吸水過程。

2.4 土壤容重對濕潤體內(nèi)銨態(tài)氮分布的影響

圖6 不同土壤容重及再分布時間條件下銨態(tài)氮含量變化曲線Fig.6 Variation curves of ammonium nitrogen content under different soil bulk densities and redistribution times

不同土壤容重條件下，灌水器出水孔附近土壤中銨態(tài)氮含量最高，主要集中在30～40 cm范圍內(nèi)，如圖6a所示。同一深度處，隨著土壤容重的增大，銨態(tài)氮含量變小。容重1.35、1.40、1.45、1.50 g/cm3條件下，銨態(tài)氮量峰值依次為359.47、301.56、239.16、210.89 mg/kg，以容重1.35 g/cm3為基準，降幅依次為16.11%、33.47%、41.33%。水肥一體化條件下，銨態(tài)氮在土壤中運移較為復雜，土壤膠體對其具有吸附、離子交換及解析等作用[19]。帶負電荷的土壤膠體將帶正電荷的銨根離子吸附，致使入滲到土壤中的水肥溶液中的銨態(tài)氮含量快速減少，即以擴散機理為主要遷移途徑的銨態(tài)氮減少[19]，銨態(tài)氮在土壤中的運移受到阻礙。只有當土壤膠體對帶正電荷的銨根離子吸附量足夠大時(即飽和狀態(tài))，銨根離子才會依附于水流進行運移，所以形成濕潤體內(nèi)銨態(tài)氮分布集中的現(xiàn)象。土壤容重越大，土壤相對越密實，大孔隙越少，導致相同時間條件下入滲到土壤中肥液量減小，進而使在同一節(jié)點處，出現(xiàn)銨態(tài)氮含量隨著土壤容重增大而減小的現(xiàn)象。

圖6b為土壤容重1.40 g/cm3條件下，灌水器垂向深度土壤中銨態(tài)氮含量隨再分布時間的變化曲線。由圖6b可以看出，隨著再分布的進行，土壤中銨態(tài)氮含量呈逐漸減小趨勢，灌水結束到再分布3 d期間，土壤中銨態(tài)氮分布基本無變化；再分布5 d開始，土壤中銨態(tài)氮質(zhì)量分數(shù)下降趨勢較為顯著；再分布20 d，濕潤體內(nèi)銨態(tài)氮含量接近土壤本底值。水肥溶液入滲結束時刻，銨態(tài)氮運移到的土壤范圍內(nèi)，其值隨著再分布進行，變化差異較為明顯。不同分布時間條件下，土壤中較高銨態(tài)氮含量的分布范圍基本無變化，都維持在土壤深度30～40 cm范圍內(nèi)；而土壤中銨態(tài)氮含量隨著再分布時間的變化基本都在土壤深度20～50 cm范圍內(nèi)進行。灌水結束和再分布3、5、10、15、20 d條件下，灌水器位置垂向深度20～60 cm范圍內(nèi)土壤銨態(tài)氮平均含量依次為176.22、172.09、156.11、115.91、72.15、46.26 mg/kg，以灌施水肥溶液結束為基準，降幅依次為2.34%、11.41%、34.22%、59.06%和73.75%。這主要是因為再分布階段，土壤中銨態(tài)氮遷移緩慢，尤其是在灌水器出水孔附近的土壤中，此區(qū)域內(nèi)銨態(tài)氮濃度梯度極小，基本不產(chǎn)生運移；初步估計濕潤體內(nèi)銨態(tài)氮質(zhì)量分數(shù)的變化主要是硝化作用造成的。隨著再分布的繼續(xù)，濕潤體內(nèi)水分分布更加均勻，氧氣量增多，促進了銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉化。

圖7為濕潤體內(nèi)銨態(tài)氮平均含量隨再分布時間的變化曲線。從圖中可以看出，同一時刻條件下，濕潤體內(nèi)銨態(tài)氮平均含量隨著土壤容重的減小而增大，這主要是因為土壤容重越小，入滲到土壤中的肥液越多的緣故。不同土壤容重條件下濕潤體內(nèi)銨態(tài)氮含量均隨著再分布的進行而逐漸減小。這主要是由于試驗采用的肥料是硝酸銨鈣，肥液入滲到土壤中銨態(tài)氮即接近最大值，入滲結束并伴隨著再分布持續(xù)進行，濕潤體內(nèi)水分分布更加均勻，濕潤體內(nèi)氧氣含量增加，促進了硝化作用的進行，促使銨態(tài)氮含量減小，加之濕潤體內(nèi)銨態(tài)氮的揮發(fā)損失等共同作用，造成濕潤體內(nèi)銨態(tài)氮含量隨著再分布進行而逐漸減小。圖8為濕潤體內(nèi)銨態(tài)氮轉化量與再分布時間的曲線。從圖中可以看出，隨著再分布的進行，濕潤體內(nèi)各土壤容重條件下銨態(tài)氮的轉化量均呈增加趨勢，且同一時刻下，土壤容重越小，濕潤體內(nèi)銨態(tài)氮的轉化量越大。在再分布10 d，土壤容重1.35、1.40、1.45、1.50 g/cm3條件下，銨態(tài)氮平均轉化量為119.58、109.40、93.67、79.77 mg/kg，減幅依次為8.51%、14.38%和14.84%。圖9為濕潤體內(nèi)銨態(tài)氮變化率與再分布時間的關系曲線。從圖中可以看出，在同一時刻條件下，銨態(tài)氮的轉化率隨著土壤容重的增大而減小。各土壤容重條件下，銨態(tài)氮的轉化率均隨著再分布時間的延長而逐漸減小，其中前10 d濕潤體內(nèi)銨態(tài)氮的轉化率相對較大。在再分布5 d，土壤容重1.35、1.40、1.45、1.50 g/cm3條件下，銨態(tài)氮轉化率分別為12.94、12.23、9.79、8.56 mg/(kg·d)，減幅依次為5.49%、19.95%和12.56%。

圖7 濕潤體內(nèi)銨態(tài)氮含量平均值與再分布時間的關系Fig.7 Relationship curves between mean value of -N content in wetted body and redistribution time

圖8 濕潤體內(nèi)銨態(tài)氮轉化量與再分布時間的關系Fig.8 Relationship curves between conversion quantity of -N and redistribution time

圖9 濕潤體內(nèi)銨態(tài)氮轉化率與再分布時間的關系Fig.9 Relationship between conversion rate of-N and redistribution time

圖10 不同土壤容重及再分布時間條件下硝態(tài)氮含量變化曲線Fig.10 Variation curves of nitrate nitrogen content under different soil bulk densities and redistribution times

2.5 土壤容重對濕潤體內(nèi)硝態(tài)氮分布的影響

圖10a為不同土壤容重條件下，距灌水器水平10 cm處垂向硝態(tài)氮含量隨土壤深度變化曲線。從圖中可以看出，濕潤體內(nèi)同一位置處，硝態(tài)氮含量隨著土壤容重的增大而變??；以土壤深度20～60 cm范圍內(nèi)硝態(tài)氮平均含量為例，容重1.35、1.40、1.45、1.50 g/cm3硝態(tài)氮含量依次為5.06、4.49、4.13、3.68 mg/kg，以容重1.35 g/cm3為基準，減幅依次為11.26%、18.38%和27.27%。結合圖5濕潤體內(nèi)含水率分布規(guī)律，可以看出硝態(tài)氮在濕潤體內(nèi)分布規(guī)律與水分相似，體現(xiàn)了硝態(tài)氮易隨水分運移的特性。主要是因為土壤膠體表面帶有大量的負電荷，對同樣帶負電荷的硝酸根離子形成排斥，硝酸根離子不易被土壤膠體吸附，易隨水分移動；而土壤容重越小，土壤越疏松，孔隙度越大，相同時間內(nèi)入滲到土壤中的肥液越多，硝態(tài)氮含量越大，進而造成濕潤體內(nèi)同一節(jié)點處，硝態(tài)氮含量隨著土壤容重的減小而增大。在各土壤容重條件下，濕潤體內(nèi)硝態(tài)氮在距離灌水器附近保持較高含量，距離灌水器越遠，含量越小，此特點與濕潤體內(nèi)銨態(tài)氮含量分布相似。涌泉根灌水肥溶液自由入滲，濕潤體內(nèi)含水率沿著遠離灌水器的方向呈減小趨勢，而在濕潤鋒處含水率驟減，基于硝態(tài)氮易被淋洗特性，使其在濕潤體內(nèi)濃度隨著遠離灌水器而遞增，在濕潤體邊緣處達到最值。但硝態(tài)氮含量是以濃度乘以含水率得到，在灌水器附近，雖然硝態(tài)氮濃度較小，但是含水率較大，遠大于濕潤鋒邊緣處硝態(tài)氮濃度。故而形成灌水器附近硝態(tài)氮含量最大，距離灌水器越遠含量越小。

圖10b為土壤容重為1.35 g/cm3條件下，灌水器位置處垂直方向上土壤硝態(tài)氮含量隨再分布時間的變化曲線。由圖10可以看出，隨著再分布進行，濕潤體內(nèi)硝態(tài)氮分布范圍越來越大，且土壤最大硝態(tài)氮含量位置有下移趨勢；灌溉施肥結束至再分布3 d內(nèi)，土壤深度30～50 cm范圍內(nèi)土壤硝態(tài)氮含量均有不同程度的減少，而土壤深度10 cm和60～70 cm范圍內(nèi)土壤中硝態(tài)氮含量均有不同程度的增加?；谙鯌B(tài)氮易隨水分運移的特性，再分布期間，硝態(tài)氮在水勢梯度及重力勢的作用下隨水分進行重新分配，加之濃度鋒處的硝態(tài)氮濃度梯度較大，形成的分子擴散對硝態(tài)氮共同作用下的結果。再分布5～15 d期間，濕潤體內(nèi)硝態(tài)氮含量呈現(xiàn)出不同程度的增加，再分布20 d，土壤中硝態(tài)氮含量表現(xiàn)出小于再分布15 d的現(xiàn)象。灌水結束、再分布3、5、10、15、20 d條件下，土壤中硝態(tài)氮平均含量為6.62、6.67、10.60、17.01、20.17、18.57 mg/kg，以灌水結束時刻土壤中硝態(tài)氮平均含量作為基準，增幅依次為0.76%、60.12%、156.95%、204.68%和180.51%；由土壤中硝態(tài)氮含量的平均值可以看出，在再分布3 d內(nèi)，硝態(tài)氮含量基本相等，而再分布5 d開始，硝態(tài)氮含量增加速率變快。在非飽和土壤條件下，銨態(tài)氮的硝化作用要大于硝態(tài)氮的反硝化作用[20]，隨著濕潤體再分布的進行，濕潤體內(nèi)水分分布更加均勻，通氣狀況變好，氧氣量增加，促進了硝化作用的進行。銨態(tài)氮經(jīng)過硝化作用生成的硝態(tài)氮在濃度梯度、重力勢等的共同作用下進行再分配。再分布20 d相對于再分布15 d，濕潤體內(nèi)土壤平均硝態(tài)氮含量降幅為7.93%。土壤深度70 cm左右硝態(tài)氮峰值區(qū)域減小速率遠大于土壤深度10 cm區(qū)域，表明深度10 cm區(qū)域土壤硝態(tài)氮的反硝化作用要小于深度70 cm區(qū)域，主要是土壤深度越大通氣狀況越差，為反硝化微生物創(chuàng)造了嫌氣條件，增強了反硝化作用，將硝態(tài)氮部分還原成了氣態(tài)性質(zhì)的氮，產(chǎn)生揮發(fā)損失，使土壤深處硝態(tài)氮峰值區(qū)域硝態(tài)氮含量減小量大于表層。

圖11 濕潤體內(nèi)硝態(tài)氮含量平均值與再分布時間的關系Fig.11 Relationship between mean value of -N content in wetted body and redistribution time

圖12 濕潤體內(nèi)硝態(tài)氮轉化量與再分布時間的關系Fig.12 Relationship between conversion quantity of-N and redistribution time

圖11為濕潤體內(nèi)硝態(tài)氮平均含量與再分布時間的關系曲線。由圖11可以看出，同一時刻條件下，濕潤體內(nèi)硝態(tài)氮的平均含量隨著土壤容重的增大而減小，主要是因為土壤容重越大，累積入滲量越小。再分布15 d期間，隨著再分布進行，濕潤體內(nèi)硝態(tài)氮平均含量逐漸增大，而再分布3 d期間，濕潤體內(nèi)硝態(tài)氮平均含量變化較??；再分布20 d，濕潤體內(nèi)硝態(tài)氮平均含量呈現(xiàn)不同程度的減小。這主要是因為再分布3 d期間，濕潤體內(nèi)水分相對充足，創(chuàng)造了嫌氣條件，促進了反硝化作用的進行，使硝態(tài)氮含量減少，而期間又有銨態(tài)氮進行硝化作用，轉化形成的硝態(tài)氮在非飽和土壤條件下，銨態(tài)氮的硝化作用要強于硝態(tài)氮的反硝化作用[19]；隨著再分布進行，濕潤體內(nèi)水分分布更加均勻，通氣性變好，嫌氣微生物受到抑制，反硝化作用減弱，硝化作用加強，促進了濕潤體內(nèi)銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉化，故而造成隨著再分布時間的進行，濕潤體內(nèi)硝態(tài)氮含量逐漸增加的現(xiàn)象。圖12為濕潤體內(nèi)硝態(tài)氮轉化量與再分布時間的關系曲線。從圖中可以看出，在同一時間條件下，土壤中硝態(tài)氮含量的增加量隨著土壤容重的增大而減小。在再分布15 d，土壤容重1.35、1.40、1.45、1.50 g/cm3條件下，銨態(tài)氮平均轉化量為13.02、12.00、11.21、10.47 mg/kg，減幅依次為7.83%、6.58%和6.60%。不同土壤容重條件下，濕潤體內(nèi)硝態(tài)氮轉化量均隨著再分布時間的延長而增大。圖13為濕潤體內(nèi)硝態(tài)氮變化率與再分布時間的關系曲線。由圖13可以看出，在同一時刻條件下，硝態(tài)氮的轉化率隨著土壤容重的增大而減小。在再分布10 d，土壤容重1.35、1.40、1.45、1.50 g/cm3條件下，銨態(tài)氮轉化率為1.02、0.93、0.75、0.69 mg/(kg·d)，減幅依次為8.82%、19.35%和21.33%。再分布10 d內(nèi)硝態(tài)氮轉化率伴隨著再分布時間的持續(xù)而增加，再分布10 d硝態(tài)氮轉化率達到最大；再分布10～20 d期間，土壤硝態(tài)氮轉化率隨著再分布的繼續(xù)而降低。

圖13 濕潤體內(nèi)硝態(tài)氮轉化率與再分布時間的關系Fig.13 Relationship between conversion rate of-N and redistribution time

3 結論

(1) 累積入滲量與入滲時間符合Kostiakov入滲模型；同一入滲時刻條件下，土壤容重越小，累積入滲量越大。隨著土壤容重的增大，入滲系數(shù)K越小，入滲指數(shù)α越大；建立了以入滲時間和土壤容重為自變量，累積入滲量為因變量的經(jīng)驗模型，經(jīng)驗證該模型可靠性較高。

(2)隨著入滲時間的增加，濕潤鋒運移距離逐漸增大；土壤容重越小，各向濕潤鋒運移距離越大，濕潤鋒運移距離與入滲時間具有較為顯著的冪函數(shù)關系。建立了以入滲時間和土壤容重為自變量，各向濕潤鋒運移距離為因變量的濕潤鋒運移模型。經(jīng)過驗證，該模型可靠性較高。土壤容重越大，濕潤體范圍越小，濕潤體內(nèi)同一節(jié)點處含水率越小。隨著再分布進行，濕潤體范圍變大，水分分布更加均勻。

(3)基于銨態(tài)氮特性，灌水結束及再分布階段，銨態(tài)氮分布范圍主要集中在灌水器附近土壤區(qū)域；對于硝態(tài)氮而言，基于其不易被土壤吸附易隨水分運移的特性，其在濕潤體內(nèi)分布特性與水分相似。土壤容重越大，濕潤體內(nèi)同一節(jié)點處銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量越??；同一再分布時刻，濕潤體內(nèi)銨態(tài)氮和硝態(tài)氮平均值、變化量及變化率均隨著土壤容重的減小而增大。再分布5 d直至再分布20 d，濕潤體內(nèi)銨態(tài)氮含量減小幅度較大，再分布20 d，濕潤體內(nèi)銨態(tài)氮含量接近土壤本底值；濕潤體內(nèi)硝態(tài)氮含量在再分布3 d之內(nèi)，平均值基本無變化，分布范圍變大，變得較為均勻；再分布5 d開始，硝態(tài)氮含量增幅較為顯著，直至再分布15 d，濕潤體內(nèi)硝態(tài)氮含量基本達到最大值；再分布20 d開始，硝態(tài)氮含量低于再分布15 d，越接近土壤表層，硝態(tài)氮含量減少越緩慢。

1 吳普特,朱德蘭,汪有科. 涌泉根灌技術研究與應用[J]. 排灌機械工程學報,2010,28(4):354-357. WU Pute, ZHU Delan, WANG Youke. Research and application of bubbled-root irrigation [J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering,2010,28(4):354-357. (in Chinese)

2 汪有科,黎朋紅,馬理輝,等. 涌泉根灌在黃土坡地的水分運移規(guī)律試驗[J]. 排灌機械工程學報,2010,28(5):449-454. WANG Youke, LI Penghong, MA Lihui, et al. Experiment on water migration of surger root irrigation in loess sloping fields[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering,2010,28(5):449-454. (in Chinese)

3 費良軍,曹俊,聶衛(wèi)波. 涌泉根灌土壤濕潤體特性試驗[J]. 排灌機械工程學報,2011,29(3):260-265． FEI Liangjun, CAO Jun, NIE Weibo. Characteristics test of wetting body of surge and spring root irrigation [J]. Journal of Drainageand Irrigation Machinery Engineering, 2011,29(3):260-265. (in Chinese)

4 牛文全,樊曉康,陳俊英. 初始含水率對涌泉根灌土壤滲透特征的影響[J]. 排灌機械工程學報,2012,30(4):491-496． NIU Wenquan, FAN Xiaokang, CHEN Junying. Effect of initial water content on soil infiltration characteristics during bubble irrigation[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2012,30(4):491-496. (in Chinese)

5 黎朋紅,汪有科,馬理輝,等. 涌泉根灌濕潤體特征值變化規(guī)律研究[J]. 水土保持學報,2009,23(6):190-194． LI Penghong, WANG Youke, MA Lihui, et al. Study on eigenvalues of wetted soil under surge root irrigation [J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2009,23(6):190-194. (in Chinese)

6 吳恒卿,黃強,魏群. 涌泉根灌雙點源交匯入滲濕潤體試驗研究[J]. 西北農(nóng)林科技大學學報:自然科學版,2015,43(5):201-207． WU Hengqing, HUANG Qiang, WEI Qun. Moist body of two-point source interference infiltration of surge root irrigation[J]. Journal of Northwest A&F University: Natural Science Edition, 2015,43(5):201-207. (in Chinese)

7 王秀康,刑英英,張富倉．膜下滴灌施肥番茄水肥供應量的優(yōu)化研究[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機械學報,2016,47(1):142-150．http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20160119&flag=1．DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2016.01.019. WANG Xiukang, XING Yingying, ZHANG Fucang. Optimal amount of irrigation and fertilization under drip fertigation for tomato[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2016,47(1):142-150. (in Chinese)

8 吳立峰,張富倉,周罕覓,等. 不同滴灌施肥水平對北疆棉花水分利用率和產(chǎn)量的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報,2014,30(20):137-146． WU Lifeng, ZHANG Fucang, ZHOU Hanmi, et al. Effect of drip irrigation and fertilizer application on water use efficiency and cotton yield in North of Xinjiang[J]. Transactions of the CSAE,2014,30(20):137-146. (in Chinese)

9 楊小振,張顯,馬建祥,等. 滴灌施肥對大棚西瓜生長、產(chǎn)量及品質(zhì)的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報,2014,30(7):109-118． YANG Xiaozhen, ZHANG Xian, MA Jianxiang, et al. Effects of drip fertigation on growth, yield and quality of watermelon in plastic greenhouse[J]. Transactions of the CSAE,2014,30(7): 109-118. (in Chinese)

10 谷曉博,李援農(nóng),杜婭丹,等. 水氮耦合對冬油菜氮營養(yǎng)指數(shù)和光能利用效率的影響[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機械學報,2016,47(2):123-132．http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20160217&flag=1．DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2016.02.017. GU Xiaobo, LI Yuannong, DU Yadan, et al. Effects of water and nitrogen coupling on nitrogen nutrition index and radiation use efficiency of winter oilseed rape (BrassicanapusL.)[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2016,47(2):123-132. (in Chinese)

11 邢英英, 張富倉, 張燕, 等. 膜下滴灌水肥耦合促進番茄養(yǎng)分吸收及生長[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報,2014,30(21):70-80． XING Yingying, ZHANG Fucang, ZHANG Yan, et al. Irrigation and fertilization coupling of drip irrigation under plastic film promotes tomato’s nutrient uptake and growth[J]. Transactions of the CSAE，2014，30(21):70-80. (in Chinese)

12 王連君, 王程翰, 喬建磊, 等. 膜下滴灌水肥耦合對葡萄生長發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機械學報,2016,47(6):113-119. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20160615&flag=1．DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2016.06.015. WANG Lianjun, WANG Chenghan, QIAO Jianlei, et al.Effects of water and fertilizer coupling on growth，yield and quality of grape under drip irrigation with film mulching[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2016,47(6):113-119. (in Chinese)

13 費良軍,傅渝亮,何振嘉,等. 涌泉根灌肥液入滲水氮運移特性研究[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機械學報,2015,46(6):121-129．http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20150618&flag=1．DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2015.06.018. FEI Liangjun, FU Yuliang, HE Zhenjia, et al. Transport characteristics of water and nitrogen under bubbled-root irrigation with fertilizer solution[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(6):121-129. (in Chinese)

14 劉顯,費良軍,劉揚,等. 肥液濃度對涌泉根灌土壤水氮運移特性的影響[J]. 水土保持學報,2016,30(5):166-170． LIU Xian, FEI Liangjun, LIU Yang, et al. Transport characteristics of water and nitrogen under bubbled-root irrigation with fertilizer solution[J]. Journal of Soil and Water Conservation,2016,30(5):166-170. (in Chinese)

15 劉顯,費良軍,王博,等. 灌水器埋深對涌泉根灌土壤水氮運移特性的影響[J]. 灌溉排水學報,2016,35(9):20-25． LIU Xian,FEI Liangjun,WANG Bo,et al. Transport characteristics of water and nitrogen under bubbled-root irrigation with buried depth of emitter[J]. Journal of Irrigation and Drainage,2016,35(9):20-25. (in Chinese)

16 ZHANG G S, CHAN K Y, OATES A, et al. Relationship between soil structure and runoff/soil loss after 24 years of conservation tillage[J]. Soil & Tillage Research, 2007, 92(1):122-128.

17 FRANZLUEBBERS A J. Water infiltration and soil structure related to organic matter and its stratification with depth[J]. Soil & Tillage Research, 2002, 66(2):197-205.

18 李偉. 鄂托克旗土地規(guī)模化經(jīng)營下的農(nóng)田生態(tài)保護措施研究[D]. 呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學,2011． LI Wei. The study on farmland ecological protection measures under land formalization management in Etuoke[D]. Huhhot: Inner Mongolia Agricultural University,2011. (in Chinese)

19 侯紅雨. 溫室滴灌條件下氮素轉化運移規(guī)律研究[D]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)科學院,2002. HOU Hongyu. Study on the rules of nitrogen translation and movement under drip-irrigation in the greehnouse[D]. Beijing: Chinese Academy of Agricultural Sciences,2002. (in Chinese)

20 穆紅文. 膜孔灌自由入滲氮素運移轉化特性試驗及數(shù)值模擬研究[D]. 西安: 西安理工大學,2007. MU Hongwen. Water and nitrogen transport and translation characteristics research and numweical simul ation under film hole free infiltration[D]. Xi’an: Xi’an University of Technology,2007. (in Chinese)

Effects of Soil Bulk Density on Transport Characteristics of Water and Nitrogen under Bubbled-root Irrigation

FEI Liangjun LIU Xian WANG Jia ZENG Jian YANG Yang

(InstituteofWaterResourcesandHydro-electricEngineering，Xi’anUniversityofTechnology，Xi’an710048，China)

bubbled-root irrigation; soil bulk density; redistribution; models; nitrogen migration

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.08.025

2016-12-10

2017-01-06

國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFC0400204)、國家自然科學基金項目(51279157、51479161)和公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201203003)

費良軍(1963—)，男，教授，博士生導師，主要從事節(jié)水灌溉理論和農(nóng)業(yè)水資源利用研究，E-mail: feiliangjun2008@163.com

S274.3

A

1000-1298(2017)08-0219-10