吳晨濤，王春霞，周 亮，胡松可，付 博

（石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆石河子832003）

我國是一個(gè)干旱缺水的發(fā)展中國家，人均可利用的水資源量僅為目前世界平均水平的1/4，是目前全球人均水資源最貧乏的發(fā)展中國家之一[1]。然而，中國由于人口基數(shù)龐大，又是目前世界上用水量最多的發(fā)展中國家，淡水資源的大量匱乏問題使得合理地開發(fā)利用我國的水資源成為一個(gè)重要的熱點(diǎn)問題。同時(shí)我國也是一個(gè)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，一方面，由于不利的自然條件等因素，導(dǎo)致了我國西北干旱地區(qū)次生鹽堿土大面積分布；另一方面，在我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)中，由于農(nóng)業(yè)灌區(qū)缺乏科學(xué)的灌溉管理與技術(shù)的指導(dǎo)，因此灌溉不當(dāng)，導(dǎo)致許多農(nóng)業(yè)灌區(qū)的土壤嚴(yán)重地發(fā)生次生鹽堿化[2]。我國農(nóng)業(yè)上化肥使用量也是全球化肥使用量最多的國家之一。農(nóng)田中過多使用化肥，會(huì)造成氮肥的利用效率不高以及過量施肥問題，導(dǎo)致土壤性狀惡化、產(chǎn)品質(zhì)量下降、環(huán)境污染、成本增加等一系列問題。因此，土壤次生鹽堿化的災(zāi)害防治和氮肥量降低及效率提高問題已成為了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展的重要技術(shù)命題。西北地區(qū)更是資源性土壤缺水的現(xiàn)象嚴(yán)重，國內(nèi)外的學(xué)者針對(duì)不同條件下土壤的類型、滴頭流量、滴頭間距、間歇性供水等對(duì)土壤點(diǎn)源入滲的規(guī)律、土壤濕潤體變化規(guī)律的影響等做了大量的研究，并且研究取得了國際性的豐碩成果[3?7]。

低產(chǎn)鹽漬土是一種具有世界性的低產(chǎn)鹽漬化土壤，由于近年來我國土壤水資源的短缺和土地資源的日益減少和氣候的變化，實(shí)行了節(jié)水灌溉，提高了土壤生產(chǎn)能力，改良和合理利用低產(chǎn)鹽漬化的土壤已經(jīng)逐漸成為進(jìn)一步提高我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)、合理地利用土壤水資源和保護(hù)土地資源的一個(gè)重要的問題。近年來，不管國外學(xué)者是在采取節(jié)水灌溉的措施下進(jìn)行研究還是采取漫灌條件下進(jìn)行研究，都非常需要研究人員掌握關(guān)鍵的入滲特性參數(shù)。土壤入滲特性是影響地面灌溉過程的重要因素，是地面灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)[8]。吳軍虎等[9]學(xué)者研究了有機(jī)質(zhì)含量及土壤容重對(duì)西北地區(qū)土壤水分入滲特性影響，結(jié)果表明當(dāng)土壤容重增加時(shí)，土壤的累積入滲量、入滲率、濕潤深度會(huì)有不同程度的減小，但其濕潤深度減小的幅度較小，穩(wěn)定入滲率呈平緩線性降低。秦顯艷等[10]通過對(duì)鹽堿土施氮量的控制入滲試驗(yàn)，研究了施氮量對(duì)鹽堿土入滲時(shí)序參數(shù)的直接影響，結(jié)果表明鹽堿土施氮量過高會(huì)降低部分鹽堿土的入滲特性。費(fèi)良軍等[11]學(xué)者通過對(duì)滴灌控制入滲水溫試驗(yàn)，研究了滴灌對(duì)土壤水分入滲特性的直接影響，結(jié)果表明相同入滲歷時(shí)，入滲的水溫越高，滴頭的土壤水流量越大，入滲的土壤水量越多。由此可見，近年來的入滲試驗(yàn)主要是針對(duì)于鹽堿土有機(jī)質(zhì)的含量及土壤容重，施氮量，水溫等方面的影響展開了較深入的研究，而關(guān)于鹽堿田上如何高效施氮并滿足自動(dòng)化灌溉需求的問題研究甚少。為此開展鹽堿土施氮時(shí)序?qū)τ谕寥廊霛B參數(shù)的影響試驗(yàn)，為鹽堿土水肥一體化條件下尋求合理的施氮時(shí)序、實(shí)現(xiàn)鹽堿土農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供參考基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)于2018年6?12月在石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院水利與土木工程實(shí)驗(yàn)中心進(jìn)行（44°18'25''N，86°03'27''E，海拔451 m），年平均氣溫6.1℃，年降雨量208 mm，蒸發(fā)量為1 967 mm，無霜期160 ～170 d，大于10℃積溫3 693℃，年輻射總量5 392 MJ/m2，年日照2 680 h，為典型的半干旱生態(tài)類型。供試土壤于2018年4月取自石河子周邊團(tuán)場農(nóng)田田間表層0～50 cm 熟土，待土壤自然風(fēng)干后，碾碎過2 mm 細(xì)篩備用。供試土壤基本物理性質(zhì)由新疆農(nóng)科院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所測定，基本物理性質(zhì)見表1。

表1 供試土壤的基本物理性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)裝置主要由馬氏瓶，土槽和輸水管組成。采用馬氏瓶恒定水頭供水，截面面積30 cm2，高度1.2 m，外標(biāo)刻度用于讀取入滲水量；采用尺寸為60 cm×30 cm×50 cm（長×寬×高）的有機(jī)玻璃土箱；采用醫(yī)用輸液器模擬滴頭，2個(gè)滴頭放在土箱的短邊頂點(diǎn)處設(shè)置滴頭流量為滴頭流量為0.9±0.15 L/h。

將土樣按土壤容重分層（10 cm）裝入土箱，層與層之間刷毛使其連接自然形成一完整連接體，裝土填至高度為50 cm處。試驗(yàn)以0.3%鹽堿土為研究對(duì)象，以600 mg/L 尿素為供試肥源，控制相同的入滲時(shí)間為6 h；設(shè)置以下9種不同的施肥時(shí)序方式，每種情況設(shè)置3個(gè)重復(fù)，設(shè)計(jì)不同施氮時(shí)序見表2。

1.3 測試的指標(biāo)與方法

時(shí)間：共計(jì)6 h，以min 單位量計(jì)，用秒表計(jì)時(shí)，按時(shí)間先密后疏的原則，依次按0、2、4、6、9、12、15、18、21、24、27、30、35…120、150、180、210、240、300、360 min。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)組合

累積入滲量和累積入滲率：根據(jù)設(shè)定的時(shí)間來讀取并記錄馬氏瓶上的讀數(shù)，計(jì)算出累積入滲量；依據(jù)累積入滲量和入滲時(shí)間計(jì)算出累積入滲率。

濕潤鋒運(yùn)移距離：以滴頭為中心，使用鋼卷尺測量濕潤鋒運(yùn)移距離并記錄水平入滲距離和垂直入滲距離。

由于試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間較短，可忽略蒸發(fā)對(duì)土壤入滲過程的影響。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析；使用Origin 2018軟件進(jìn)行繪圖處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 施氮時(shí)序?qū)駶欎h的影響

濕潤鋒是土壤在水分入滲過程中，濕潤區(qū)域前鋒與干燥區(qū)域的分界線。在農(nóng)田灌溉過程中，灌溉水分入滲過深會(huì)導(dǎo)致水分深層滲漏，而水分入滲過淺時(shí)又不能滿足作物根系吸水需求，從而導(dǎo)致作物水分脅迫而減產(chǎn)。因而，研究施氮時(shí)序?qū)駶欎h運(yùn)移的影響，對(duì)于農(nóng)業(yè)上合理施肥時(shí)序的確定和合理生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。

2.1.1 施氮時(shí)序?qū)駶欎h水平運(yùn)移距離的影響

濕潤鋒水平運(yùn)移距離可以反應(yīng)作物種植密度。圖1為單點(diǎn)源入滲條件下施氮時(shí)序?qū)駶欎h水平運(yùn)移的影響。施氮時(shí)序的改變，直接影響到了濕潤鋒水平運(yùn)移距離的變化?？梢钥闯?，在入滲初期，土壤表面干燥，不同施氮時(shí)序下濕潤鋒水平運(yùn)移距離隨著灌水時(shí)間的增加而不斷增加。當(dāng)灌水為10 min時(shí)，各施氮時(shí)序下的水平距離均超過10 cm，此時(shí)各處理下的濕潤鋒都經(jīng)過0～10 cm 的土層，N?W，W?W?N 處理下的水平運(yùn)移距離最小，距離都為12 cm，W 處理比N?W，W?W?N 高20.83%。當(dāng)改變肥液的入滲時(shí)序時(shí)，各施氮時(shí)序下的相同時(shí)間內(nèi)水平運(yùn)移距離發(fā)生改變，大體趨勢為在灌水時(shí)間60 min 后，水平運(yùn)移距離增加緩慢；當(dāng)灌水時(shí)間為120 min時(shí)，各處理水平距離均超過20 cm，經(jīng)過10～20 cm 距離；當(dāng)灌水時(shí)間為240 mim時(shí)，各處理下水平運(yùn)移均超過30 cm，經(jīng)過20～30 cm 距離。整體來看，施氮時(shí)序影響了水平運(yùn)移的距離。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，各處理下（W、W?N、N?W、W?N?W、

W?W?N、N?W?W、N?W?N?W、N?W?W?N、W?N?N?W）濕潤鋒水平運(yùn)移距離為37、47、43、47、41、48、45、50、36 cm，分別比W 高21.28 %、13.95 %、21.28 %、9.76 %、22.92%、17.7 8%、26.00%、?2.78%。說明施氮時(shí)序?qū)λ綕駶欎h運(yùn)移有著顯著影響，施氮條件下可以提高入滲過程中的水平距離。

圖1 施氮時(shí)序?qū)駶欎h水平運(yùn)移距離的影響

2.1.2 施氮時(shí)序?qū)駶欎h垂直運(yùn)移距離的影響

濕潤鋒垂直運(yùn)移距離可以反映土壤的下滲能力。圖2為點(diǎn)源入滲條件下施氮時(shí)序?qū)駶欎h垂直運(yùn)移距離的影響。由圖可知，施氮時(shí)序的改變，影響到了濕潤鋒垂直運(yùn)移距離的變化。不同施氮時(shí)序下濕潤鋒垂直運(yùn)移距離隨著灌水時(shí)間的增加而先快速增加后增加緩慢。當(dāng)灌水為80 min時(shí)，各施氮時(shí)序下的垂直距離均超過10 cm，此時(shí)各處理下的濕潤鋒都經(jīng)過0～10 cm 的土層，N?W 處理下的垂直運(yùn)移距離最低，距離為10 cm，W 處理比N?W 高50%，且經(jīng)過0～10 cm 距離的時(shí)間比水平方向運(yùn)移相同距離延長了50 min。當(dāng)改變肥液入滲時(shí)序時(shí)，各施氮時(shí)序下的相同時(shí)間內(nèi)垂直運(yùn)移距離會(huì)發(fā)生改變，整體趨勢為在灌水時(shí)間60 min 后，垂直運(yùn)移距離增加緩慢；當(dāng)灌水時(shí)間為210 min時(shí)，各處理垂直運(yùn)移距離均超過20 cm，經(jīng)過10～20 cm 土層，且經(jīng)過10～20 cm 的歷時(shí)比水平方向運(yùn)移相同距離增加了90 min，即相同入滲歷時(shí)下水平運(yùn)移距離高于垂直入滲距離，這種情況一般在粘性土壤中出現(xiàn)的居多。運(yùn)移相同距離時(shí)間的增大是由于在垂直方向下滲過程中，濕潤體逐漸變大，上方濕潤體須達(dá)到飽和狀態(tài)才能下滲，也與入滲時(shí)土壤的結(jié)構(gòu)相關(guān)?？傮w來看，施氮時(shí)序影響了垂直水平運(yùn)移的距離。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，上述各處理下（W、W?N、N?W、W?N?W、W?W?N、N?W?W、N?W?N?W、N?W?W?N、W?N?N?W）濕潤鋒瞬時(shí)垂直運(yùn)移距的為37.5、32、32、27、24、29、27、29、26 cm，分 別 比W 處 理 下 低14.67 %、14.67 %、28.00 %、36.00 %、22.67 %、28.00 %、22.67 %、30.67%。說明施氮時(shí)序?qū)Υ怪睗駶欎h運(yùn)移有著顯著影響。

圖2 施氮時(shí)序?qū)駶欎h垂直運(yùn)移距離的影響

2.1.3 施氮時(shí)序?qū)駶櫛鹊挠绊?/p>

濕潤比指濕潤鋒水平運(yùn)移距離與垂直運(yùn)移距離的比值。濕潤比與滴灌的灌水技術(shù)參數(shù)（滴水流量和灌水時(shí)間）有關(guān)，可以作為一個(gè)確定滴灌灌水參數(shù)的指標(biāo)[12，13]。一般作物株距和作物的根系深度之比都小于1.0，因此，對(duì)于實(shí)際滴灌的適宜濕潤比以小于1.0為宜。但濕潤情況主要受土壤結(jié)構(gòu)影響，一般粘土的濕潤比高于1.0，砂土低于1.0。表3為土壤中不同施氮時(shí)序下的濕潤比隨灌水時(shí)間的變化過程。

表3 施氮時(shí)序?qū)駶櫛鹊挠绊?/p>

如表3所示，濕潤比隨著灌水時(shí)間的增加而逐漸減小，因?yàn)闈駶欝w內(nèi)土壤含水率增大，水勢梯度減小，此時(shí)重力勢的作用相對(duì)增大，導(dǎo)致垂直入滲率高于水平擴(kuò)散率，因此濕潤鋒的濕潤比逐漸減小。通過方差分析，N?W?W 和N?W?W?N的方差較小，表明在入滲過程中N?W?W 和N?W?W?N 濕潤比相較于其他時(shí)序穩(wěn)定。灌水結(jié)束時(shí)，各施氮處理下的濕潤比顯著高于W 處理。若是在農(nóng)田滴灌灌水過程中，改變了施氮時(shí)序，為達(dá)到滴灌灌水均勻，施肥過程需適當(dāng)增加灌水量或減少滴頭之間的距離，以獲得合適的濕潤比。

2.2 施氮時(shí)序?qū)鄯e入滲量的影響

累積入滲量是入滲開始后一定時(shí)間內(nèi)，通過地表單位面積入滲到土壤中的總水量[14，15]。針對(duì)的是一維入滲過程中單位面積土壤入滲的水量，而滴灌入滲屬于空間三維點(diǎn)源入滲，在入滲過程中土表面沒有形成積水，僅在入滲后期滴頭附近處由于水滴打擊形成的小坑內(nèi)有少量積水，可忽略不計(jì)[11]，因此認(rèn)為在試驗(yàn)中水分全部滲入土中，用入滲水量的變化代替累積入滲量來反映土壤的入滲能力。由圖3可知，隨著入滲時(shí)間的增加，累積入滲量隨之增加。W時(shí)序的累積入滲量與時(shí)間近似于線性關(guān)系；W?N 和N?W時(shí)序下的累積入滲量均在180 min時(shí)出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折點(diǎn)；W?N?W時(shí)序下的累積入滲量在120 min 和240 min時(shí)發(fā)生變化；W?W?N時(shí)序下的變化發(fā)生在240 min時(shí)刻，前期只是純水入滲未發(fā)生波動(dòng)；N?W?W時(shí)序下在120 min時(shí)刻變化，120 ～240 min時(shí)間范圍內(nèi)累積入滲量增加緩慢，而在240 min 后，累積入滲量增加急劇，是由于水分過多稀釋了氮濃度而造成的；N?W?N?W，N?W?W?N 和W?N?N?W時(shí)序累積入滲量均在90、180 和270 min時(shí)刻發(fā)生變化，即施氮時(shí)序的改變影響著累積入滲量的變化。原因在于：在土箱試驗(yàn)中兩個(gè)單點(diǎn)源在入滲一段時(shí)間后濕潤面會(huì)形成交匯，交匯區(qū)不斷擴(kuò)大增加上層土壤的飽和度，在相同入滲時(shí)間內(nèi)改變了入滲速度；施氮時(shí)序則在一定程度上調(diào)控了這個(gè)入滲速度，表現(xiàn)出累積入滲量的差異性。在整個(gè)灌水過程中，N?W?W?N時(shí)序與其他處理相比，各時(shí)刻的累積入滲量都高于其他時(shí)序，說明在N?W?W?N時(shí)序下水分運(yùn)移快。灌水結(jié)束時(shí)，僅有N?W?W?N時(shí)序下的累積入滲量高于W時(shí)序，超出8.77%；上述其余時(shí)序下的累積入滲量分別比W時(shí)序下低出7.31%、9.78%、13.01%、13.06%、19.27%、13.21%、24.1%。

圖3 施氮時(shí)序?qū)鄯e入滲量的影響

2.3 施氮時(shí)序?qū)θ霛B率的影響

入滲率是單位時(shí)間內(nèi)通過地表單位面積滲入到土壤中的水量，以單位時(shí)間入滲的水層厚度計(jì)，反映了土壤的入滲性能，受供水強(qiáng)度、土壤的滲吸能力的影響[14,16]。如圖4所示，在入滲剛開始階段，水分受到土壤吸力和自身重力作用的影響而下滲，滲入土體中的水量大，導(dǎo)致入滲率剛開始隨著時(shí)間的增大而不斷增大，不同時(shí)序在不同時(shí)間下的入滲率不同。W時(shí)序下的入滲率在開始時(shí)增長，2 min后下降，4 min后入滲率變化幅動(dòng)變小，幅動(dòng)變化近似看成一條直線；而其他時(shí)序下的入滲率隨著入滲時(shí)序的改變而變化，加入氮液的緣故出現(xiàn)較大的波動(dòng)。從圖5得出，上述各時(shí)序下出現(xiàn)最大入滲率，時(shí)間分別為2 min、4 min、4 min、18 min、4 min、70 min、2 min、45 min、2 min，在W、N?W?N?W、 W?N?N?W時(shí)序下出現(xiàn)最早，N?W?W時(shí)序出現(xiàn)最晚，為68 min。在結(jié)束時(shí)，入滲率在N?W?W?N時(shí)序下最大，為17.98 mL/min；W?N?N?W最小，為12.54 mL/min；上述各時(shí)序下入滲率比N?W?W?N時(shí)序低8%、15%、17%、20%、20%、26%、20%、30%。

圖4 施氮時(shí)序?qū)θ霛B率的影響

3 結(jié) 論

（1）當(dāng)施氮時(shí)序發(fā)生改變時(shí)，影響到了濕潤鋒水平運(yùn)移距離和垂直運(yùn)移距離。在水平方向上N?W?W?N時(shí)序運(yùn)移距離最遠(yuǎn)，比W時(shí)序多35.14%；垂直方向上W時(shí)序距離最遠(yuǎn)，其他時(shí)序都較小于W時(shí)序，即壤質(zhì)粘土土壤結(jié)構(gòu)下施氮時(shí)序的改變會(huì)促進(jìn)水平方向濕潤峰的運(yùn)移，抑制垂直方向濕潤峰運(yùn)移。

（2）灌水結(jié)束時(shí)，各施氮處理下的濕潤比高于W 條件下的。N?W?W?N 處理的方差較小，比W?N?W 處理小0.06，表明在入滲過程中先施氮的濕潤比比大田中應(yīng)用的W?N?W 穩(wěn)定，變異程度小。

（3）隨著灌水時(shí)間的增加，累積入滲量也會(huì)隨之增加。W時(shí)序下累積入滲量近似一條斜線。整個(gè)灌水過程中，N?W?W?N時(shí)序下各時(shí)刻累積入滲量始終高于W時(shí)序，高出8.77%；比W?N?W時(shí)序高20%，表明N?W?W?N 比W?N?W 入滲量大，入滲性能強(qiáng)。

（4）入滲率在入滲過程中先上升后下降，由于施氮時(shí)序不同不斷波動(dòng)。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，N?W?W?N時(shí)序下入滲率最快，比W?N?W時(shí)序高20%，得出N?W?W?N 比W?N?W 入滲性能較好，應(yīng)考慮與大田試驗(yàn)相比較。