何 振 嘉

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

1 研究背景

我國(guó)陜北地區(qū)干旱少雨，地表水資源匱乏，嚴(yán)重制約當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)發(fā)展[1]。山地紅棗作為當(dāng)?shù)氐奶厣a(chǎn)業(yè)，已成為促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱，但水資源嚴(yán)重不足對(duì)紅棗產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展產(chǎn)生了巨大的阻礙，因此合理的水分管理對(duì)陜北山地棗樹生產(chǎn)管理具有十分重要的作用[2]。因此，快速發(fā)展適宜我國(guó)陜北黃土高原干旱地區(qū)的節(jié)水灌溉技術(shù)是當(dāng)前應(yīng)正視的一個(gè)重要方向。針對(duì)陜北地區(qū)現(xiàn)狀條件來看，節(jié)水工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)主要在于有效地減少輸水過程損耗和降低棵間蒸發(fā)量，因此，如何將這兩個(gè)方面的灌水技術(shù)要素相結(jié)合將是節(jié)水灌溉工作的重點(diǎn)。雖然我國(guó)已經(jīng)發(fā)展、推廣并應(yīng)用了部分現(xiàn)代化節(jié)水灌溉技術(shù)，取得了一定成效，但總體來看，我國(guó)目前仍處在發(fā)展灌溉農(nóng)業(yè)的階段，節(jié)水灌溉因缺乏足夠的經(jīng)濟(jì)支撐和技術(shù)支持而尚未普及。

涌泉根灌是一種通過將灌水器埋設(shè)于不同土層深度處進(jìn)行局部灌溉的地下灌溉技術(shù)，能夠顯著降低水肥浪費(fèi)率[3-4]。該技術(shù)尤其適用于坡地，在陜北矮化密植棗樹的灌溉方面，具有廣闊的應(yīng)用前景[5-6]。不同的灌水量對(duì)作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量具有顯著的影響[7-9]，大量研究表明，適當(dāng)?shù)乃痔澣辈⒉粫?huì)對(duì)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)產(chǎn)生負(fù)面影響[10-13]。因此，結(jié)合當(dāng)前陜北地區(qū)干旱缺水的實(shí)際現(xiàn)狀，尋求合理的灌水量對(duì)棗樹發(fā)育、增產(chǎn)意義顯著。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土壤濕潤(rùn)體的研究較多[14-15]，他們從不同初始含水率[16]、肥液濃度[4]、灌水器埋深[17]、土壤容重[18]以及灌水器流量[19]等影響因素方面對(duì)濕潤(rùn)體的影響做了大量試驗(yàn)工作，豐富了涌泉根灌灌水技術(shù)要素內(nèi)涵?，F(xiàn)有研究表明，土壤含水量隨灌溉水量的增加而增加，但當(dāng)作物根層含水量超過田間持水量時(shí)會(huì)引發(fā)深層滲漏[20]。而由于水分是肥液中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮運(yùn)移的載體，其淋洗量隨灌水量的增大而增大[21]。涌泉根灌技術(shù)可根據(jù)果樹作物對(duì)水肥的需求程度，按適宜的配比將水肥通過微管連接的灌水器直接輸送于果樹根部，既克服了輸水過程中水分損耗、降低了地面蒸發(fā)量，又由于其灌水流量較小，極大地降低了深層滲漏的風(fēng)險(xiǎn)[22-23]。但是由于水分運(yùn)動(dòng)的多維性以及灌溉的高頻性，目前對(duì)不同灌水量條件下，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮在土壤中的運(yùn)移的研究尚不夠充分[24]。灌水量大小影響入滲深度，灌水量過小，灌水則無法入滲到棗樹根區(qū)，降低灌水利用效率；灌水量過大則會(huì)引起地表滲水以及深層滲漏，適宜的灌水量是研究涌泉根灌條件下灌水技術(shù)要素的重要關(guān)鍵[25-26]。但結(jié)合目前研究現(xiàn)狀來看，基于水肥耦合條件下涌泉根灌肥液入滲對(duì)濕潤(rùn)體特征值的影響研究較少，尤其是不同灌水量對(duì)涌泉根灌肥液入滲濕潤(rùn)鋒運(yùn)移、含水率分布以及氮素運(yùn)移特性的研究尚未見到。因此，本文在榆林市米脂縣遠(yuǎn)志山矮化密植山地棗樹試驗(yàn)基地田間開展了涌泉根灌水肥一體化土壤入滲試驗(yàn)，通過對(duì)不同灌水量條件下濕潤(rùn)體特征值變化規(guī)律以及土壤水氮運(yùn)移特性的研究，以期為豐富和完善涌泉根灌灌水技術(shù)要素提供一定理論依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于陜西省西北部，榆林市中部偏東，無定河中游，該區(qū)的地理位置為北緯37°39′5″，東經(jīng)109°49′29″，為典型的黃土丘陵溝壑區(qū)，屬暖溫帶半干旱氣候，常年干旱少雨，且降雨分布極端不均，降雨主要集中于每年7～9月，多年平均降水量451 mm。試驗(yàn)區(qū)土質(zhì)為黃綿土，土質(zhì)較為均一，通透性能良好，但營(yíng)養(yǎng)成分相對(duì)匱乏。土壤平均密度為1.31 g/cm3，計(jì)劃濕潤(rùn)層田間持水量為23.4%，硝態(tài)氮含量為12.63 mg/kg，銨態(tài)氮含量為0.89 mg/kg，有機(jī)質(zhì)含量為0.21%，pH為8.6，土壤偏堿性。

2.2 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)系統(tǒng)采用PVC馬氏瓶(YT-MS，西安固泰傳感器有限公司)進(jìn)行自動(dòng)供水并控制灌水器出流量，肥料選用尿素，施肥量均為1 kg。設(shè)置30，40，50 L 3個(gè)灌水量梯度，灌水器流量為7 L/h，灌水器埋深30 cm，重復(fù)3次。涌泉根灌輔助灌水容器(灌水器套管)高40 cm，灌水器套管開孔度20%，如圖1所示。

圖1 涌泉根灌示意Fig.1 Sketch map of bubbled-root irrigation

2.3 試驗(yàn)方法及觀測(cè)內(nèi)容

選擇田間原狀土壤剖面為試驗(yàn)對(duì)象，將灌水器套管埋設(shè)于土壤剖面中心，水平剖面和垂直剖面作為觀測(cè)面，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。圖中露出地面部分為灌水器套管，為防止土壤堵塞灌水器，將灌水器設(shè)置于套管內(nèi)部，并埋設(shè)于地表以下30 cm處，套管底部采用紗布包裹。利用卷尺測(cè)量濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離的具體數(shù)值，利用土鉆在土層深度方向每隔10 cm分層取土測(cè)定土壤含水率。土壤樣品均勻分成3份，1份利用烘干法測(cè)定土壤含水率，1份土樣經(jīng)風(fēng)干、過1 mm和0.25 mm篩處理測(cè)定土壤氮素含量，1份利用全自動(dòng)間斷化學(xué)分析儀測(cè)定土壤銨態(tài)氮及硝態(tài)氮含量，試驗(yàn)做3次重復(fù)，取均值作為結(jié)果(見圖3)。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig.2 Experimental system

圖3 觀測(cè)坐標(biāo)系Fig.3 Observation coordinate system

2.4 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。

3 結(jié)果與分析

3.1 涌泉根灌肥液入滲濕潤(rùn)鋒運(yùn)移

圖4為流量7 L/h、不同灌水量(30，40 L和50 L)條件下，肥液入滲水平剖面及垂直剖面上濕潤(rùn)鋒變化情況?？梢钥闯?，水平剖面及垂直剖面上水平方向和豎直方向的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移量與入滲時(shí)間成正比。土壤重力勢(shì)和基質(zhì)勢(shì)主導(dǎo)地位不同，各剖面上濕潤(rùn)鋒變化規(guī)律又有所不同。水平剖面上：灌水量與各方向上的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移量成反比，灌水量越小，形成的濕潤(rùn)區(qū)域體積也越大；同一入滲時(shí)間處，水平方向的運(yùn)移量顯著大于豎直方向運(yùn)移量。垂直剖面上：灌水量越大，土壤重力勢(shì)起主要作用，水平方向的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離越大，豎直方向的運(yùn)移距離越小，但其中差異并不顯著；同一入滲時(shí)間處豎直方向濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離顯著大于水平方向。

圖4 水平剖面及垂直剖面濕潤(rùn)鋒運(yùn)移變化Fig.4 Wetting front migration on horizontal profile and vertical profile

對(duì)水平剖面和垂直剖面上的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離R與時(shí)間t的關(guān)系進(jìn)行冪函數(shù)擬合，結(jié)果如表1所列。各參數(shù)擬合精度較高，R2值均大于0.97，相關(guān)性具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

表1 濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離與時(shí)間的擬合結(jié)果Tab.1 Fitting result of migration distance of wetting front and time

3.2 涌泉根灌肥液入滲濕潤(rùn)體形狀

圖5為流量7 L/h、不同灌水量(30，40 L和50 L)條件下，垂直剖面濕潤(rùn)鋒變化情況?？梢钥闯觯S著灌水時(shí)間的延長(zhǎng)，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離的輪廓逐漸變大，且不同灌水量條件形成的輪廓線變化具有相似規(guī)律，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移程度隨灌水量的增大而增大。此外，隨著灌水量的增大，濕潤(rùn)體體積發(fā)生了顯著變化，灌水量越大，濕潤(rùn)體體積也越大。這主要是由于入滲初期，土壤初始含水率較低，而土壤基質(zhì)勢(shì)最大，水分受土壤基質(zhì)勢(shì)的主導(dǎo)作用運(yùn)移擴(kuò)散，土壤入滲能力不足以使此部分水分迅速向豎直方向入滲，導(dǎo)致水平方向入滲速率加快，隨著灌水繼續(xù)進(jìn)行，豎直方向濕潤(rùn)鋒在重力勢(shì)的作用下運(yùn)移速率逐漸增大。濕潤(rùn)體的形態(tài)趨向于橢球體，灌水量越大，濕潤(rùn)體體積越大，形態(tài)越寬越深。

圖5 垂直剖面濕潤(rùn)鋒運(yùn)移情況Fig.5 Wetting front migration on vertical profile

3.3 涌泉根灌肥液入滲濕潤(rùn)體含水率

圖6為流量7 L/h、不同灌水量(30，40 L和50 L)條件下，涌泉根灌灌水器中心處土壤水分分布狀況?？梢钥闯觯汗嗨Y(jié)束時(shí)，相同土壤深度處的含水率與灌水量成正比，不同灌水量(30，40 L及50 L)含水率平均值分別為21.15%，22.73%及24.26%。水分分布區(qū)域相對(duì)集中，土壤表層含水率較高，這是由于涌泉根灌是地下灌溉，水分補(bǔ)給首先由表層(0～30 cm)開始，導(dǎo)致表層土壤含水率較高，達(dá)到29.02%；由于灌水量不足以使?jié)駶?rùn)鋒運(yùn)移至底層土壤(60～100 cm)，因此土壤含水率較低，為14.63%。在肥液入滲初期，供水強(qiáng)度是影響入滲的主要因素，土壤中壓力隨灌水量的增大而增大，因此高含水區(qū)域的范圍也越大，但隨著入滲時(shí)間的延長(zhǎng)，供水強(qiáng)度將逐漸超過滲漏強(qiáng)度，入滲土壤的滲流橫截面積均增大，重力勢(shì)成為肥液入滲的主導(dǎo)作用，促進(jìn)了豎直方向入滲作用。經(jīng)過1 d的水分運(yùn)移，雖然水勢(shì)梯度作為主導(dǎo)作用影響土壤含水率繼續(xù)向深層土壤分布，但水分運(yùn)動(dòng)速率逐漸降低，不同灌水量條件下濕潤(rùn)體內(nèi)含水率分布均具有相同規(guī)律，趨于相對(duì)均勻，不同灌水量(30，40 L及50 L)含水率平均值分別為17.98%，18.47%及19.37%。經(jīng)過3 d的水分再運(yùn)移后逐漸穩(wěn)定，濕潤(rùn)體體積開始減小，且濕潤(rùn)體內(nèi)含水率較灌水結(jié)束時(shí)發(fā)生明顯變化，不同灌水量(30，40 L及50 L)含水率平均值分別為14.53%，15.23%及16.59%。

圖6 灌水器處土壤含水率隨時(shí)間變化Fig.6 Variation of vertical soil moisture content with time at emitter

為了更直觀地對(duì)比不同灌水量條件下水分分布情況，以灌水量40 L為例，分析距離灌水器中心不同位置處的含水率分布情況，如圖7所示?？梢钥闯觯和寥篮逝c距灌水器出水口距離成反比，灌水結(jié)束時(shí)，灌水器出水口處以及距離灌水器中心20 cm和40 cm處的含水率平均值分別為22.87%，18.12%及15.09%。涌泉根灌灌水器濕潤(rùn)深度可達(dá)到80 cm，更深層土壤含水率接近對(duì)照組CK，而隨著距灌水器中心距離的增大，濕潤(rùn)體濕潤(rùn)深度也出現(xiàn)了一定程度的遞減，距灌水器中心20 cm和40 cm時(shí)的濕潤(rùn)深度分別為70 cm和60 cm。經(jīng)過1 d的水分運(yùn)移，不同位置處土壤含水率變化不大，灌水器中心處以及距離灌水器中心20 cm和40 cm處的含水率平均值分別為21.35%，18.02%及15.01%。經(jīng)過3 d的水分再運(yùn)移，各位置處土壤含水率均有不同程度的降低，灌水器中心處以及距離灌水器中心20 cm及40 cm處的含水率平均值分別為15.94%，16.18%及13.49%。涌泉根灌條件下不同灌水量入滲水分分布規(guī)律逐漸向表層低、中間高、底層低的趨勢(shì)發(fā)展，但其變化程度隨著距灌水器中心距離的增加而降低。

圖7 灌水量40 L時(shí)不同位置處土壤含水率隨時(shí)間變化Fig.7 Variation of soil moisture content with time at different locations under the condition of irrigation volume of 40 L

3.4 涌泉根灌肥液入滲氮素分布

3.4.1涌泉根灌肥液入滲硝態(tài)氮分布

圖8為流量7 L/h、灌水量分別為30，40 L和50 L時(shí)涌泉根灌肥液入滲硝態(tài)氮分布情況?？梢钥闯觯S灌水量的增大，灌水結(jié)束時(shí)同土層深度處硝態(tài)氮含量也越大，灌水量30，40 L及50 L時(shí)硝態(tài)氮含量平均值分別為2.93，3.20 mg/kg及3.56 mg/kg，與水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律具有一定的相似性，這是由于灌水量越大，一定時(shí)間內(nèi)灌入的肥液量越大，土壤膠體所攜帶的負(fù)電荷越多，減弱了對(duì)硝態(tài)氮的吸附作用，因此，提高了肥液入滲條件下硝態(tài)氮在土壤中的運(yùn)動(dòng)能力，導(dǎo)致向土層深度方向運(yùn)移的硝態(tài)氮含量隨入滲時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。由于涌泉根灌是通過灌水器套管保護(hù)進(jìn)行地下灌溉的灌水技術(shù)，水分首先于土層深度20～40 cm范圍處開始進(jìn)行入滲，相應(yīng)此位置處硝態(tài)氮含量達(dá)到最大值，而表層和底層土壤中硝態(tài)氮含量均較低。再分布1 d后，各土層深度處硝態(tài)氮的含量均顯著降低，且隨著土層深度的增大，硝態(tài)氮降低程度越大，各處理下土壤中硝態(tài)氮平均值分別為1.82，2.41 mg/kg以及2.89 mg/kg，較灌水結(jié)束時(shí)減幅分別為60.98%，32.78%和23.18%。經(jīng)過3 d再分布后，各層土壤中硝態(tài)氮含量分布呈現(xiàn)出較為均勻的變化，而含量最高區(qū)域向下層移動(dòng)，在含水率達(dá)到田間持水量時(shí)基本穩(wěn)定，各處理下土壤中硝態(tài)氮平均值分別為1.43，1.98 mg/kg以及2.33 mg/kg。

圖8 硝態(tài)氮分布狀況Fig.8 Nitrate nitrogen distribution

3.4.2涌泉根灌肥液入滲銨態(tài)氮分布

圖9為流量7 L/h、灌水量分別為30，40 L和50 L時(shí)涌泉根灌肥液入滲銨態(tài)氮分布情況。灌水結(jié)束時(shí)，銨態(tài)氮含量分布隨土層深度變化呈逐漸遞減趨勢(shì)，在100 cm處達(dá)到本底值。各處理下土壤中銨態(tài)氮平均值分別為99.14，115.58 mg/kg以及129.90 mg/kg，灌水量越大，銨態(tài)氮含量越大，這是由于大灌水量需要更長(zhǎng)的入滲時(shí)間，加劇了土壤顆粒對(duì)銨態(tài)氮吸附作用，能夠?yàn)橥寥乐嘘?yáng)離子的代換提供更充足的時(shí)間，導(dǎo)致入滲土壤中銨態(tài)氮含量越大。經(jīng)過1 d分布后，各處理下土壤中銨態(tài)氮平均值分別為110.42，133.69 mg/kg以及149.32 mg/kg。經(jīng)過3 d再分布后，各處理下土壤中銨態(tài)氮平均值分別為109.99，114.73 mg/kg以及124.11 mg/kg，基本達(dá)到穩(wěn)定，土壤中銨態(tài)氮含量與灌水量成正比，不同土層深度處增加幅度逐漸增大。再分布過程中，由于失去了肥液補(bǔ)充，在肥液入滲條件下銨態(tài)氮在重力方向的運(yùn)動(dòng)能力減弱，反硝化作用成為主導(dǎo)，故銨態(tài)氮含量隨土層深度的增大不斷降低。再分布時(shí)間越長(zhǎng)，濕潤(rùn)體內(nèi)的肥液分布越均勻，但土壤中銨態(tài)氮含量總體呈減少趨勢(shì)。

圖9 銨態(tài)氮分布狀況Fig.9 Ammonium nitrogen distribution

4 結(jié)論與討論

水肥一體化是提高水分、養(yǎng)分利用效率，促進(jìn)作物增產(chǎn)的重要手段，灌水量大小對(duì)作物生長(zhǎng)和最優(yōu)灌溉制度的制定具有十分重要的影響。目前對(duì)于不同灌水量對(duì)土壤水氮運(yùn)移特性的研究主要集中于滴灌條件下，由于滴灌系統(tǒng)布置的對(duì)稱性，灌水可簡(jiǎn)化成線源沿垂直毛管和深度方向的二維水分運(yùn)動(dòng)，而涌泉根灌灌水方式符合土壤中點(diǎn)源入滲過程，但由于涌泉根灌套管與土壤接觸面積較大而形成較大的出流界面，水分在土壤中的入滲方程呈典型的三維面源出流入滲，與地下滴灌、滲灌等微灌技術(shù)差異較大[25]。鄭彩霞等[26]通過不同滴灌量對(duì)濕潤(rùn)體特征值的影響進(jìn)行研究，結(jié)果表明，滴灌條件下，地表沿滴頭的土壤濕潤(rùn)鋒呈圓形分布，且水平濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率與灌水量成正比，符合冪函數(shù)關(guān)系。本研究表明，涌泉根灌肥液入滲在不同灌水量條件下水平剖面及垂直剖面上各方向濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離均隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而增長(zhǎng)，但不同位置處受土壤重力勢(shì)和基質(zhì)勢(shì)主導(dǎo)地位不同，水平和豎直剖面上濕潤(rùn)鋒運(yùn)移規(guī)律又有所不同。水平剖面上，各方向運(yùn)移距離均隨灌水量減小而增大；垂直剖面上，灌水量越大，水平方向的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離越大，豎直方向的運(yùn)移距離越小，且運(yùn)移規(guī)律均可由冪函數(shù)模型進(jìn)行擬合，R2值均大于0.97。費(fèi)良軍等[22]研究了不同流量對(duì)涌泉根灌濕潤(rùn)體特征值和水分入滲的影響，研究表明，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移變化規(guī)律符合時(shí)間尺度上的冪函數(shù)關(guān)系，且隨流量的增大而增大。灌水量越大，入滲時(shí)間越長(zhǎng)，各方向的濕潤(rùn)程度皆越大，濕潤(rùn)體體積也越大，且濕潤(rùn)體形狀顯得越寬且深。

在肥液入滲初期，供水強(qiáng)度是影響入滲的主要因素，土壤中壓力隨灌水量的增大而增大，因此高含水區(qū)域的范圍也越大，相同土壤深度處的含水率與灌水量成正比，水分分布區(qū)域相對(duì)集中于表層土壤。經(jīng)過1 d的水分運(yùn)移，水分運(yùn)動(dòng)速率逐漸降低，不同灌水量條件下濕潤(rùn)體內(nèi)含水率分布均具有相同規(guī)律，趨于相對(duì)均勻。李耀剛等[25]研究了不同流量條件對(duì)涌泉根灌土壤水分入滲的影響，研究發(fā)現(xiàn)，流量越大，濕潤(rùn)體內(nèi)形成的高含水區(qū)域越大，但濕潤(rùn)體內(nèi)水分分布的均勻度卻會(huì)有一定程度的降低。經(jīng)過3 d的水分再運(yùn)移后逐漸穩(wěn)定，濕潤(rùn)體體積開始減小，但濕潤(rùn)體內(nèi)含水率較灌水結(jié)束時(shí)明顯降低。灌水結(jié)束時(shí)，距離灌水器出水口越遠(yuǎn)，含水率越低，經(jīng)過再分布，濕潤(rùn)體內(nèi)含水率較灌水結(jié)束時(shí)發(fā)生明顯降低，涌泉根灌條件下不同灌水量入滲水分分布規(guī)律逐漸向表層低、中間高、底層低的趨勢(shì)發(fā)展，但其變化程度隨著距灌水器中心距離的增加而降低。吳嬌等[27]研究了不同滴灌量對(duì)馬鈴薯根區(qū)水分和硝態(tài)氮的運(yùn)移規(guī)律的影響，研究表明，土壤含水率與灌溉定額成正比，且隨土層深度的增加而降低，隨著入滲時(shí)間的推移，不同深度土壤含水率不斷降低，但表現(xiàn)出表層高、中層低以及底層低的變化規(guī)律，這主要是由于灌水方式不同所致。