何 振 嘉

(陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，西安 710075)

涌泉根灌是一種可將水肥直接輸送于果樹根部的微灌技術(shù)，與地面滴灌等技術(shù)相比，具有明顯減少水分蒸發(fā)、滴頭抗堵塞性能強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)[1,2]，適宜旱區(qū)果樹灌溉[3]。涌泉根灌濕潤體的大小與形狀對作物生長起關(guān)鍵性作用[4]。入滲能力、水力參數(shù)以及濕潤體特征值是灌溉條件下土壤水分運(yùn)移特征的重要影響因素，其相關(guān)規(guī)律的研究可為灌溉制度的制定提供技術(shù)支撐[5]。濕潤體特征值受灌水時(shí)水分向土壤中入滲、入滲速度、一定時(shí)段內(nèi)的累積入滲量、入滲后水分在土壤剖面上的分布等狀況的影響，因此，對點(diǎn)源入滲濕潤體特征值的研究為確定灌溉制度的基礎(chǔ)[6]。

國內(nèi)已有研究對涌泉根灌土壤水分運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行了廣泛的研究，其研究重點(diǎn)多從土壤初始含水率、土壤容重、灌水器埋深等方面開展，尤其在清水入滲條件下土壤水分運(yùn)動、濕潤體形態(tài)及濕潤鋒運(yùn)移規(guī)律等方面做了大量工作[7-10]，但在肥液入滲條件下涌泉根灌濕潤體研究極少。本文通過涌泉根灌條件下不同肥液濃度入滲試驗(yàn)，研究肥液入滲對入滲能力、濕潤鋒運(yùn)移規(guī)律以及含水率分布等影響，以期為涌泉根灌水肥耦合以及灌溉制度的制定奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

表1 試驗(yàn)土壤顆粒級配組成Tab.1 Gradation composition of the test soil

1.2 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了探究肥液濃度對涌泉根灌濕潤體入滲特性的影響，試驗(yàn)氮肥選用易溶性的尿素(CO(NH2)2)(氮素含量≥46.4%)作為試供肥料，共設(shè)定了4種不同尿素施用量(0、1、1.25、1.5 kg)，每組試驗(yàn)灌水量均為30 L，肥液濃度分別為33.3、41.7和50.0 g/L，清水為對照(肥液濃度為0 g/L)。根據(jù)設(shè)置的肥液濃度，以及尿素中氮素含量，計(jì)算出相應(yīng)的尿素重量，按設(shè)定的濃度與清水混合配置。涌泉根灌入滲試驗(yàn)由供水系統(tǒng)和涌泉根灌灌水器組成，供水系統(tǒng)采用帶有刻度截面積為70.88 cm2的硬質(zhì)塑料制作的馬氏瓶進(jìn)行自動供水。灌水器模擬滴頭流量均為7 L/h。根灌器上方有連通大氣的氣孔，通過調(diào)節(jié)馬氏瓶底部旋鈕開度控制流量，用秒表和20 mL量筒來濾定滴頭流量，并校驗(yàn)試驗(yàn)過程中部分時(shí)刻的灌水器流量，確保供水穩(wěn)定。

涌泉根灌灌水器高20 cm(垂直埋深15 cm，地表裸露5 cm)，外徑4 cm，灌水器與配套套筒通過螺口直接安裝或拆卸，配套套筒(PVC材料)壁厚2 mm，內(nèi)徑4 cm，外徑4.2 cm；在灌水器配套套管自上往下每隔2 cm打一個(gè)孔洞，孔徑為2 mm，開孔度20%，開孔部分用紗布包裹，防止土壤顆粒進(jìn)入灌水器產(chǎn)生堵塞。試驗(yàn)地塊布置圖如圖1所示。

圖1 涌泉根灌試驗(yàn)地塊布置圖Fig.1 The bubbled-root irrigation test plot layout

1.3 試驗(yàn)方法及觀測內(nèi)容

(1)觀測坐標(biāo)系建立。如圖2所示，水平剖面上以根灌器中心為觀測原點(diǎn)，豎直剖面上以涌泉根灌灌水器出水口(埋深15 cm)為觀測原點(diǎn)，分別觀測水平剖面和豎直剖面上水平方向和豎直方向的濕潤鋒運(yùn)移距離。

圖2觀測坐標(biāo)系Fig.2 Observation coordinate system

(2)馬氏瓶讀數(shù)和濕潤鋒運(yùn)移位置。試驗(yàn)地為原狀土壤坡面，坡面表面平整光滑(高2 m、寬2 m)，將水平剖面和豎直剖面作為觀測面。入滲量通過馬氏瓶的刻度讀取，不同時(shí)刻濕潤鋒運(yùn)移距離使用鋼卷尺直接在試驗(yàn)剖面上量出，為降低降雨和蒸發(fā)影響濕潤體，試驗(yàn)結(jié)束后用塑料布遮蓋濕潤體。每組試驗(yàn)3個(gè)重復(fù)，取其均值作為試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)系統(tǒng)見圖3。

圖3 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.3 Experimental system structure

(3)土壤含水量。在灌水前、灌水結(jié)束時(shí)及灌水后1、3 d時(shí)用土鉆提取土壤樣品，用烘干法測定土壤含水量，取土位置為涌泉根灌灌水器東、南、西、北四個(gè)方向10 cm處，取其均值作為結(jié)果，取其取土深度為100 cm作為計(jì)劃濕潤層，分10層，每層10 cm。烘箱溫度105 ℃，烘干時(shí)間12 h。

(4)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。采用Microsoft Excel 2007分析軟件處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 肥液濃度對涌泉根灌入滲能力的影響

圖4為灌水量均為30 L，滴頭流量為7 L/h條件下，肥液濃度為50 g/L和清水的涌泉根灌累積入滲量曲線和入滲率隨時(shí)間變化曲線。由圖可以看出，相同入滲條件下涌泉根灌肥液入滲和清水入滲的累計(jì)入滲量均隨時(shí)間的延長而增大，且同一時(shí)間時(shí)肥液入滲的累積入滲量大于清水入滲的累積入滲量；在入滲開始1 h以內(nèi)，肥液與清水的累積入滲量和入滲率隨時(shí)間的變化率均很大，這主要是由于，在入滲初期土壤水勢梯度較大，水量入滲速度較快；隨時(shí)間與入滲量的不斷增加，水勢梯度逐漸減小，肥液入滲和清水入滲的入滲率均減小，最終趨于緩和。入滲率隨著時(shí)間的增大而降低，且肥液入滲率大于清水入滲的入滲率，即肥液入滲的入滲速度要快于清水入滲，肥液入滲對涌泉根灌入滲的影響表現(xiàn)得更為顯著。整個(gè)入滲過程中累積入滲量、入滲速率與入滲時(shí)間均呈現(xiàn)較為光滑連續(xù)的曲線。

圖4 涌泉根灌累積入滲量及入滲率示意圖Fig.4 Schematic diagram of cumulative infiltration and infiltration rate of bubbled-root irrigation

涌泉根灌方式下不同肥液濃度土壤在入滲過程中累積入滲量隨肥液濃度增大而增大，表明土壤水分運(yùn)動雖然為溶質(zhì)遷移的載體，但溶質(zhì)的運(yùn)動同時(shí)影響到土壤水分運(yùn)動。水分可以通過土壤表面的通道下滲，且在下滲過程中不斷接觸肥液中的各種分子與離子。土壤膠體具有較大的表面能，能夠吸附其他物質(zhì)分子，因此，涌泉根灌入滲過程中，土壤膠體通過吸附尿素中的肥料分子，將養(yǎng)分保存于土壤中。同時(shí)，土壤膠體自身所攜帶的負(fù)電荷能夠吸附肥液中的許多陽離子，減弱了土體中的排斥作用，使較小的膠體微粒形成較大的土壤團(tuán)聚體。入滲肥液濃度越大，土壤膠體能夠吸附更多的肥料分子，其增強(qiáng)了土壤膠粒的凝聚作用，使其形成更大的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，從而使土壤表面結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，土壤顆粒粒徑以及土壤孔隙相應(yīng)增大，水分入滲的通道也越多，導(dǎo)致入滲量增加[11,12]。

土壤入滲過程主要受土壤入滲能力和供水強(qiáng)度的影響。供水強(qiáng)度與土壤入滲能力的對比關(guān)系決定土壤的入滲特性；供水強(qiáng)度由灌水量決定，土壤入滲能力主要受土壤自身特性的影響；土壤入滲能力一般用累計(jì)入滲量或入滲率來表示；入滲率隨著入滲過程的進(jìn)行逐漸減小，入滲到一定程度時(shí)達(dá)到穩(wěn)定。土壤水分運(yùn)動的白金漢-達(dá)西定律將入滲過程的各種影響因素歸結(jié)于水勢梯度與非飽和導(dǎo)水率的共同作用。對入滲過程的分析主要集中于入滲后土壤剖面中含水量分布隨時(shí)間變化和濕潤鋒運(yùn)移規(guī)律[13,14]。

土壤入滲過程可以用入滲模型進(jìn)行描述。Horton模型認(rèn)為入滲率會隨著入滲時(shí)間的推移而減小，主要是因?yàn)槭艿酵寥辣韺右蜃拥挠绊慬15]，但其模型適用于粗略的估算流域的降雨入滲，難以精確的描述一點(diǎn)入滲；Philip模型和Green-Ampt模型均具有明確的物理意義，有著較為廣泛的應(yīng)運(yùn)，但Philip模型只適應(yīng)于均質(zhì)土壤一維垂直入滲，且入滲時(shí)間較短的情況，Green-Ampt模型主要用于研究初始干燥土壤在薄層積水時(shí)的入滲問題[16]。Kostiakov模型形式較為簡單，且能夠很好的表征本次試驗(yàn)中土壤入滲過程。為探究涌泉根灌點(diǎn)源肥液入滲情況下的入滲特性，對肥液入滲和清水入滲的累積入滲量的實(shí)測數(shù)據(jù)用Kostiakov模型進(jìn)行擬合?？妓辜涌品蚬綖?

it=i1t-a

(1)

式中：it為任意時(shí)間的入滲速度，mm/min；i1為第一單位時(shí)間末的入滲速度，mm/min；t為入滲時(shí)間，min；α為經(jīng)驗(yàn)指數(shù)，α=0.3～0.8，初始含水量越高，α越小。

累計(jì)入滲量與入滲時(shí)間的關(guān)系可用下式進(jìn)行計(jì)算：

(2)

式中：i0為第一個(gè)單位時(shí)間內(nèi)土壤滲吸的平均速度。

將式(2)變形為：

Z=Ktα

(3)

式中：Z為涌泉根灌肥液自由入滲累積入滲量，L；K為入滲系數(shù)，L/min；α為入滲系數(shù)，無因次；t為入滲時(shí)間，min；具體擬合結(jié)果如下：

肥液入滲：Z= 0.093t1.035，R2= 0.998

(4)

清水入滲：Z= 0.024t1.292，R2=0.990

(5)

可看出， Kostiakov模型中肥液入滲的入滲系數(shù)大于清水，但入滲指數(shù)小于清水。取顯著性水平為0.01，分別分析清水和肥液入滲的實(shí)測數(shù)據(jù)，R2均大于臨界相關(guān)系數(shù)rd(0.605 5)，表明Kostiakov能夠很好的描述涌泉根灌肥液累積入滲量隨時(shí)間變化的關(guān)系。此外，入滲率與時(shí)間之間也符合冪函數(shù)關(guān)系，將其進(jìn)行擬合，結(jié)果如下：

清水入滲i= 0.336t-0.22，R2=0.987

(6)

肥液入滲i= 0.334t-0.18，R2=0.995

(7)

可看出，肥液入滲時(shí)入滲率的入滲系數(shù)要低于清水入滲，而入滲指數(shù)要大于清水。取顯著性水平位0.01，分別分析清水和不同肥液濃度的實(shí)測數(shù)據(jù)，R2均大于臨界相關(guān)系數(shù)rd(0.605 5)，表明涌泉根灌的入滲率變化可以較好的用冪函數(shù)表述。

為驗(yàn)證Kostiakov模型對模擬涌泉根灌入滲模擬的精度，將肥液濃度為50 g/L的涌泉根灌累積入滲量的實(shí)測值使用模型擬合，擬合結(jié)果見表2。

表2 實(shí)測值與模型擬合值對比表Tab.2 Comparison of simulated and measured values by the model

可以看出該模型的模擬值與實(shí)測值的相對偏差均在5.18%以內(nèi)，可以利用此模型進(jìn)行涌泉根灌累積入滲量的模擬。

2.2 涌泉根灌肥液入滲土壤濕潤峰運(yùn)移特性

圖5為涌泉根灌點(diǎn)源肥液入滲(肥液濃度50 g/L)與清水入滲豎直剖面濕潤鋒隨時(shí)間的變化過程?？梢钥闯?，涌泉根灌入滲濕潤鋒運(yùn)移形狀近似為橢圓形，清水入滲與肥液入滲的濕潤鋒運(yùn)移具有相似的規(guī)律，濕潤鋒的運(yùn)移速度開始較快，隨著時(shí)間的推移，運(yùn)移速率逐漸減慢；肥液入滲在豎直方向的入滲速率要快于清水入滲，但在水平方向的入滲要慢于清水。在30 min之前，肥液入滲與清水入滲濕潤鋒的運(yùn)移差異并不顯著，入滲30 min時(shí)，肥液入滲的濕潤鋒的豎直運(yùn)移距離為16.2 cm，清水入滲的為15.7 cm；隨著時(shí)間的增加，濕潤鋒間的變化表現(xiàn)得更為顯著。入滲45 min時(shí)，肥液入滲的豎直濕潤鋒運(yùn)移距離為24.6 cm，清水入滲的距離為20.5 cm。

圖5 涌泉根灌點(diǎn)源入滲濕潤鋒運(yùn)移曲線Fig.5 Wetting front transport curve under suger-root irrigation point source infiltration

由數(shù)據(jù)還可以得出，入滲初期，水平濕潤鋒的運(yùn)移速度比豎直方向的運(yùn)移速度快，這是由于入滲開始基質(zhì)勢起主導(dǎo)作用，水平濕潤鋒由0瞬時(shí)增大，大于豎直濕潤鋒的運(yùn)移距離；隨著時(shí)間的推移，肥液入滲濕潤鋒在豎直方向的變化超過水平運(yùn)移的速度，這是由于土壤水分運(yùn)動在豎直方向受到基質(zhì)勢和重力勢的共同作用，土壤水勢梯度減小，導(dǎo)致土壤水向下的運(yùn)動增強(qiáng)，而水平方向只有基質(zhì)勢的影響，這一點(diǎn)說明濕潤體的形狀為橢球體[17,18]。肥液入滲到10 min時(shí)豎直濕潤鋒運(yùn)移距離超過水平濕潤鋒運(yùn)移距離(此時(shí)豎直為9.3 cm，水平位8.3 cm)，清水入滲到25 min時(shí)豎直濕潤鋒超過水平濕潤鋒(此時(shí)豎直為15.7 cm，水平位15.5 cm)。

圖6為灌水量為30 L，滴頭流量為7 L/h時(shí)的清水和肥液濃度分別為33.3、41.7和50 g/L的涌泉根灌點(diǎn)源入滲在水平剖面上濕潤鋒運(yùn)移隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線。可以看出，濕潤鋒的運(yùn)移距離隨時(shí)間的增加而增加，運(yùn)移速率隨著時(shí)間的推移而減弱；濃度越大，濕潤鋒運(yùn)移距離越慢；水平方向的濕潤鋒運(yùn)移速度要快于豎直方向。

圖6 水平剖面濕潤鋒運(yùn)移隨時(shí)間關(guān)系曲線Fig.6 Variation of wetting in horizontal profile

經(jīng)分析，在水平剖面上的水平濕潤鋒和豎直濕潤鋒運(yùn)移曲線符合冪函數(shù)規(guī)律，對其結(jié)果擬合見表3。

圖7為灌水量為30 L，滴頭流量為7 L/h時(shí)的清水和肥液濃度分別為33.3、41.7和50 g/L的涌泉根灌點(diǎn)源入滲在豎直剖面上濕潤鋒運(yùn)移隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線?？梢钥闯觯椒较蚺c豎直方向的濕潤鋒運(yùn)移距離具有不同的變化規(guī)律；在水平方向和豎直方向上的濕潤鋒運(yùn)移距離均隨濃度的增大而增大。

表3 水平剖面濕潤鋒運(yùn)移擬合結(jié)果Tab.3 Fitting result of wetting front transport in horizontal profile

圖7 豎直剖面濕潤鋒運(yùn)移距離Fig.7 Variation of wetting in vertical profile

對豎直剖面上的濕潤鋒運(yùn)移距離與時(shí)間進(jìn)行冪函數(shù)擬合，結(jié)果如表4。

2.3 肥液濃度對涌泉根灌肥液入滲濕潤體含水率動態(tài)分布的影響

圖8為清水和濃度分別為33.3、41.7和50 g/L的肥液入滲灌水結(jié)束時(shí)和分布1 d以及再分布3 d的涌泉根灌灌水器中心

表4 豎直剖面濕潤鋒運(yùn)移擬合結(jié)果Tab.4 Fitting result of Wetting front transport in vertical profile

垂向土壤含水量的分布情況?？梢钥闯觯嗨梢暂^大幅度提高土壤含水量。灌水結(jié)束時(shí)0～100 cm內(nèi)的平均土壤含水量(21.56%)明顯高于CK(5.14%)。其他條件相同時(shí)，不同濃度的涌泉根灌入滲土壤含水量均具有相似的分布規(guī)律； 在灌水結(jié)束時(shí)，表層(27%)和中層(26.23%)土壤含水量明顯高于底層(14.79%)，表層略高于中層；這是由于涌泉根灌灌水器埋設(shè)于距地表15 cm距離處，在灌水過程中，流量超過土壤的入滲能力，在灌水器中會形成一定程度的積水，隨著積水深度的不斷增大，向上運(yùn)移的濕潤鋒與上邊界的水勢梯度變小，在土壤基質(zhì)勢的作用下引起濕潤鋒向上運(yùn)移的速率加快，導(dǎo)致表層土壤的含水量略高于中層土壤；而灌水量不足以下滲到底層土壤，所以底層土壤含水量最低。分布1 d后，土壤含水量的分布由表層開始向下運(yùn)移，表現(xiàn)出表層低(18.1%)、中層高(19.96%)、底層低(14.93%)的變化趨勢。再分布3 d后，0～100 cm內(nèi)土壤平均含水量較灌水結(jié)束時(shí)降低6.34%；清水與不同肥液濃度的涌泉根灌土壤平均含水量大致相等，分別為：14.25%、14.8%、15.58和16.25%。

在一定肥液濃度范圍內(nèi)，不同肥液濃度間土壤含水量的分布表現(xiàn)出一定的差異；高濃度肥液入滲土壤含水量分布曲線位于低濃度之下，說明涌泉根灌入滲在相同深度處的土壤含水量隨著肥液濃度的增大而增大。這是由于水分運(yùn)動為溶質(zhì)運(yùn)移的載體，而溶質(zhì)又能反作用于土壤水分運(yùn)動，肥液濃度越大，土壤中形成的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)也越多，相同時(shí)間內(nèi)濕潤體的濕潤深度越大，使得表層土壤的孔隙率增大，則相同位置處的土壤含水量也越高。

由入滲階段研究結(jié)果可以看出，肥液入滲階段增加了總孔隙和非毛管孔隙，其通氣導(dǎo)水能力增強(qiáng)，水穩(wěn)性團(tuán)聚體數(shù)量顯著增高，因此入滲量隨肥液濃度的增加而增大，但土壤水再分布階段，實(shí)際上是土壤孔隙中水分充滿的狀態(tài)轉(zhuǎn)化為排水變空的動態(tài)過程，即土壤處于脫濕狀態(tài)，根據(jù)土壤特性可知，脫濕狀態(tài)下的土壤孔隙一般來說變空的順序?yàn)閺拇蟮叫?，大孔隙中大部分為非毛管孔隙組成，因此再分布階段土壤的通氣導(dǎo)水能力變?yōu)榕潘芰?，肥液濃度越大，再分布階段非毛管孔隙排水能力越強(qiáng)，排水量越大，而肥液濃度較小，再分布階段非毛管孔隙數(shù)量較低，排水能力較弱，相同再分布時(shí)間土壤排水速度較慢，排水量較少，因此當(dāng)再分布達(dá)到一定時(shí)間時(shí)，肥液濃度下的含水率分布不如入滲階段含水率分布差異性明顯。

圖8 不同肥液濃度對灌水器處濕潤體土壤含水量分布圖Fig.8 Variation of vertical soil water content at emitter in different fertilizer concentration

2.4 肥液濃度對涌泉根灌肥液入滲濕潤體形狀的影響

圖9為灌水量為30 L，滴頭流量為7 L/h時(shí)的清水和肥液濃度分別為33.3、41.7和50 g/L的涌泉根灌點(diǎn)源入滲數(shù)值剖面上濕潤鋒運(yùn)移距離與時(shí)間的關(guān)系曲線?？梢钥闯?，水平擴(kuò)散距離和豎直入滲深度均隨著入滲時(shí)間的增加而增加，但濕潤體運(yùn)移速率逐漸減??；入滲初期，由于供水強(qiáng)度大于土壤入滲能力，水平擴(kuò)散速度略快于豎直入滲速度，隨著灌水時(shí)間的增加，豎直方向重力勢作用增大，導(dǎo)致濕潤鋒豎直比水平運(yùn)移距離大。入滲肥液濃度越大，垂直剖面上水平方向運(yùn)移距離越小，豎直方向運(yùn)移距離就越大，涌泉根灌肥液入滲條件下濕潤體的形狀近似為橢球體，且隨著濃度的增大，灌水結(jié)束時(shí)濕潤體形狀越寬而深。

圖9 豎直剖面濕潤鋒運(yùn)移隨時(shí)間動態(tài)變化曲線Fig.9 Wetting front transport distance of wetting body in vertical profile

3 結(jié) 語

本文對涌泉根灌肥液入滲在不同肥液濃度條件下的濕潤體特性，濕潤體內(nèi)含水量的分布特性進(jìn)行了研究，取得主要成果如下。

(1)涌泉根灌肥液入滲的累積入滲量可由Kostiakov模型進(jìn)行擬合，且模型精度較高。入滲速率與時(shí)間符合冪函數(shù)關(guān)系。肥液入滲形成的濕潤體形狀近似為橢球體，在水平剖面與豎直剖面上的濕潤鋒運(yùn)移距離與時(shí)間的關(guān)系均符合冪函數(shù)關(guān)系，擬合結(jié)果較好。

(2)肥液濃度對涌泉根灌肥液入滲能力有較大的影響，相同流量條件下，肥液濃度越大，入滲能力越強(qiáng)。入滲肥液濃度越大，濕潤體的形狀越寬而深。

(3)涌泉根灌肥液入滲濕潤體含水量的變化受肥液濃度的影響顯著。同一土層深度處，土壤含水量隨肥液濃度的增加而增加，且隨著水分再分布時(shí)間的增長，表現(xiàn)為表層低、中層高、底層低的分布特征。

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