孟 涵，申麗霞，王瑞軍，李慧敏，李京玲，孫雪嵐

（太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024）

0 引 言

微潤灌溉是目前國內(nèi)外新型灌溉方式，其原理是通過微潤管的內(nèi)外水勢差，微潤管持續(xù)對植物根系給水。該技術(shù)可以使土壤水分處于水/氣最佳狀態(tài)并且使這一狀態(tài)長時間穩(wěn)定的保持下去，使作物在全生命期內(nèi)處于最佳灌溉條件下生長，微潤灌溉不會破壞土壤團聚體結(jié)構(gòu)，同時還能使得土壤通氣性良好、氧氣充足［1］。此外，微潤灌溉技術(shù)運行的驅(qū)動力是水勢能和土壤勢能，不需要動力設(shè)備，運行成本低［2］，具有灌溉水分均勻，水肥一體化灌溉可操作性高等好處。目前，微潤灌溉技術(shù)主要用于溫室大棚蔬菜、花卉等作物灌溉，同時也應(yīng)用于果樹等作物灌溉[3]。該項技術(shù)廣泛應(yīng)用于新疆、貴州、內(nèi)蒙古等地，在促進蔬菜、果蔬等作物增產(chǎn)方面發(fā)揮了不可替代的作用。

微潤灌溉下水分在土壤中的入滲，受壓力水頭及肥料濃度等諸多因素影響。前人發(fā)現(xiàn)微潤帶的壓力水頭對作物的生長指標和土壤指標有重要影響，如薛萬來等[4]發(fā)現(xiàn)土壤累積入滲量與壓力水頭正相關(guān)，濕潤鋒運移距離隨壓力水頭增大而增加；何玉群等[5]研究發(fā)現(xiàn)微潤管的壓力對玉米的產(chǎn)量和水分利用效率都有顯著的影響。聶坤堃等[6]通過室內(nèi)土箱模擬試驗和數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)KNO3溶液在一定濃度范圍內(nèi)增強了土壤入滲能力。因此進行了室內(nèi)土箱肥液入滲試驗以研究壓力水頭和施肥濃度雙因素對水分在土壤中入滲的影響，肥料選用含氮量較高復(fù)合肥硝酸銨鈣，通過分析土壤的水氮分布、濕潤鋒運移和累計入滲量等指標，為微潤灌溉水肥一體化的農(nóng)業(yè)應(yīng)用提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 試驗土樣

試驗于2021年3-5月在山西省太原市太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院的實驗室內(nèi)進行。試驗土樣取自山西省太原市小店區(qū)種植大棚內(nèi)表層0～30 cm 的熟土，土樣取回后自然風(fēng)干并碾壓后作為試驗土樣。過2.00 mm 孔徑篩分后，再通過MS2000 型激光分析粒度儀測定分析土壤的顆粒和粒徑，其土壤顆粒組成和初始含氮量見表1。

表1 試驗土壤基本理化性質(zhì)Tab.1 Physico-chemical properties of the initial soil

1.2 試驗裝置

裝置由供水部分、輸水部分和滲水部分構(gòu)成。其中供水部分為與大氣連接的恒壓馬氏瓶和可調(diào)節(jié)高度的支架板；輸水部分為內(nèi)徑16 mm 的PE 管和閥門；滲水部分是規(guī)格為70 cm×40 cm×40 cm，有機玻璃板制成試驗土箱和微潤管，每個試驗箱中左右對稱鋪設(shè)兩條微潤管。牛文全等[8]的室內(nèi)土箱模擬試驗研究結(jié)果表明，在0.2～2.0 m 水頭范圍內(nèi), 微潤帶流量與壓力水頭近乎呈線性關(guān)系，適宜的埋深為15～20 cm，所以該試驗微潤管埋深為15 cm，間隔為15 cm，其中微潤管順土箱的長度方向鋪設(shè)。其裝置圖見圖1。

圖1 試驗裝置Fig.1 Experimental device

在試驗箱的40 cm×40 cm面上以微潤管為原點，每5 cm打一個孔便于取土樣進行測量，以微潤管為坐標原點，微潤管上方為Y+，下方為Y-，因微潤管對稱布設(shè)，且微潤管出水均勻，土質(zhì)均勻，所以水平方向只需測量一側(cè)，試驗均取左側(cè)微潤管為繪制管，則微潤管水平方向為X。

1.3 試驗設(shè)計

試驗采用雙因素設(shè)計，以壓力水頭和施肥濃度為變量，設(shè)計2×4 組試驗處理。壓力水頭設(shè)計1.0 m 和1.5 m 兩個水平，記為H1 和H2；施肥濃度設(shè)計0、300、600、900 mg/L，分別記為N0、N3、N6、N9。

該試驗通過控制土壤密度為1.30 g/cm3，每5 cm 填一層土，填土期間要振夯以保證土壤顆粒得到充分接觸。

施加肥料為復(fù)合肥硝酸銨鈣，是一種極易溶于水，含氮和速效鈣的新型高效復(fù)合肥料，其肥效快，可快速補氮；其中增加了鈣，使養(yǎng)分更加全面，并且植物可直接吸收，便于實施水肥一體化。

1.4 試驗方法與測定內(nèi)容

通過控制土壤容重的方法進行填土，填至20 cm 時進行鋪設(shè)微潤管，組裝閥門使其與PE 輸水管相接，并檢驗滲水性以及是否漏水，無漏水狀況以及滲水性良好時繼續(xù)裝填，使其埋深為15 cm。

調(diào)節(jié)支架板的高度和恒壓馬氏瓶高度，使其達到試驗設(shè)計水頭。排盡恒壓馬氏瓶、PE 輸水管和微潤管中空氣，根據(jù)試驗所設(shè)施肥濃度將硝酸銨鈣溶于水中攪拌均勻后倒入恒壓馬氏瓶中，開始記錄濕潤鋒運移情況和恒壓馬氏瓶內(nèi)水面下降高度。

試驗開始于8:00，過程中每隔12 h用取土器取樣，通過烘干法測量其含水率；因硝酸銨鈣中銨態(tài)氮含量較低，所以該試驗中只測量硝態(tài)氮，每隔12 h 取土樣后通過紫外分光光度計法測量硝態(tài)氮含量。

試驗第一天8:00～20:00 每隔2 h 測量恒壓馬氏瓶內(nèi)水面下降的高度和濕潤鋒在Y+、Y-和X方向上的運移情況，第二天后每隔4 h 重復(fù)測量以上步驟，其中每天20:00 至次日8:00 的夜晚時間隔12 h 測一次。結(jié)果分析時均取60 h 為試驗終止時刻。

2 結(jié)果與分析

2.1 壓力水頭和施肥濃度對濕潤鋒的運移影響

試驗數(shù)據(jù)為3次重復(fù)后取的平均值，通過AutoCAD軟件描繪出各處理情況下濕潤鋒的運移曲線圖。

2.1.1 濕潤鋒運移形狀圖

由圖2可以看出線源入滲時，濕潤線大致呈同心圓，隨著入滲的進行，以微潤管為圓心，濕潤半徑逐漸增大。提高壓力水頭和施肥濃度，濕潤體半徑也會顯著增大，且隨著水分在土壤中的不斷入滲，受重力的影響濕潤體逐漸向下偏移。

圖2 濕潤鋒運移圖Fig.2 Migration map of wetting front

2.1.2 濕潤鋒各方向運移距離

Y+、X和Y-比較60 h內(nèi)各方向的運移距離，若到達土壤表面的時間或終止時刻運移距離相同則比較上一時間的運移距離。濕潤鋒運移距離與時間近似符合y=a tb（a為入滲系數(shù)，b為入滲指數(shù)）的冪函數(shù)關(guān)系，通過Origin對其進行擬合，結(jié)果為表2，對其擬合函數(shù)求導(dǎo)為入滲速率公式。將該公式代入時間值與實測值比較得圖3和圖4，后對該入滲速率公式進行擬合得表2中運移速率擬合公式。1.0 m 壓力水頭下，H1N9＞H1N6＞H1N3＞H1N0，即各處理隨著施肥濃度的增高濕潤鋒向Y+運移的速度也相應(yīng)更快；濕潤鋒在X向及Y-向與Y+方向的運移規(guī)律一致，運移速度均與施肥濃度呈正相關(guān)。在1.5 m 的壓力水頭下，各方向上濕潤鋒運移速度與1.0 m 水頭下的變化趨勢相同。單研究施肥濃度對濕潤鋒運移的影響會發(fā)現(xiàn)隨著濃度增高，濕潤鋒在各個方向上運移越來越快。未施加肥料時，濕潤鋒運移距離在各向H2N0＞H1N0，濃度在300、600 和900 mg/L時，濕潤鋒在各方向H2N3＞H1N3，H2N6＞H1N6，H2N9＞H1N9，濕潤鋒1.0 m 水頭下的運移距離都小于1.5 m 水頭下的運移距離。單研究壓力水頭對濕潤鋒運移的影響會發(fā)現(xiàn)壓力水頭越大，濕潤鋒各方向的運移速度越快。

表2 濕潤鋒擬合曲線Tab.2 Wetting front fitting curve

圖3 Y+方向運移距離Fig.3 Migration distance of Y+

圖4 運移速度Fig.4 Migration rate

2.2 壓力水頭和施肥濃度對入滲量的影響

圖5累計入滲量H2N9＞H2N6＞H2N3＞H2N0＞H1N9＞H1N6＞H1N3＞H1N0，擬合直線為一次函數(shù)且斜率大小順序同上。同一水頭下施肥濃度的增加，擬合直線斜率和累計入滲量均增大，且隨著入滲過程的進行，入滲量差異也越來越大；相同施肥濃度下，壓力水頭增加，對應(yīng)的入滲量和擬合直線斜率也增加。但試驗后期入滲量多在擬合直線的下方，入滲量后期變緩，猜測是因為入滲過程中減少了微潤管附近的土壤基質(zhì)勢。壓力水頭作為土壤水分移動主要動力之一，增加水頭會加快濕潤鋒的運移。復(fù)合肥硝酸銨鈣中的鈣離子增加了土壤團粒結(jié)構(gòu)，增大土壤孔隙，使得土壤導(dǎo)水率增強；硝酸銨鈣的濃度增加，溶液的溶質(zhì)勢增加，溶質(zhì)勢和對流作用提高了濕潤鋒的運移能力。

圖5 累計入滲量隨時間變化Fig.5 Cumulative infiltration volume changes with time

2.3 硝態(tài)氮含量

圖6依次為H1N0～H2N9 各處理60h 后的土壤硝態(tài)氮等值線分布圖，硝態(tài)氮含量最大為H2N6 和H1N9 處理，均達到9.20 mg/kg，極小值為H2N0 處理，硝態(tài)氮僅有2.31 mg/kg；硝態(tài)氮平均值最大的是H2N9處理，平均值最小的為H2N0處理。微潤管附近硝態(tài)氮含量較少，遠處硝態(tài)氮含量較高，硝態(tài)氮會在遠處積累，最大值多出現(xiàn)在微潤管右下方深層土壤處。該試驗中除H2N9 處理外，其他處理均隨著肥液濃度的增大，濕潤體內(nèi)相同節(jié)點處硝態(tài)氮量相應(yīng)增高；未施肥和施肥濃度為900 mg/L 時，高水頭的硝態(tài)氮含量小于低水頭，H2N6 和H2N3的硝態(tài)氮含量隨水頭增加而增加。

H2N9 出現(xiàn)施肥濃度增加，硝態(tài)氮含量減少的原因是入滲較快，硝態(tài)氮隨水運移積累在遠處，在該試驗取樣范圍內(nèi)未取到最遠處點，導(dǎo)致H2N9硝態(tài)氮含量最高點未出現(xiàn)在取樣數(shù)據(jù)中，試驗結(jié)束后對底層土壤取樣測量，其硝態(tài)氮為10.70 mg/kg，大于取樣點的極大值。清水入滲時水頭與硝態(tài)氮含量成反比，是因為H2N0 入滲快于H1N0，且沒有氮的補充，H2N0 的硝態(tài)氮隨水遷移至遠處。雖然水分運移會使微潤管近處的硝態(tài)氮含量減少，但恒壓馬氏瓶中的水肥進入土壤，還是會增加微潤管附近的硝態(tài)氮，二者的耦合作用較為復(fù)雜。待肥料在土壤完全溶解后，硝酸銨鈣在土壤中隨水遷移，因為其不會引起土壤板結(jié)，土壤可變得疏松，所以硝酸銨鈣中的離子被土壤吸附較難，硝態(tài)氮隨水遷移后在遠處積累。劉顯等[10]人也證實硝酸根帶有負電，與同樣帶有負電的土壤膠體之間產(chǎn)生排斥作用，不易被土壤膠體所吸附，具有較強的移動性，水分運動時隨著向周圍運移。

2.4 土壤含水率

圖7依次為H1N0～H2N9 各處理60 h 后的土壤含水率等值線分布圖，發(fā)現(xiàn)土壤含水率在微潤管周圍含量最高，遠處逐漸減少，且隨著水頭和施肥濃度的增加，土壤含水率均不斷增加。H2N9為所有處理中含水率極大值，達到20.80%，含水率極小值為H1N0處理，其含水率只有17.00%；平均含水率最高為H2N9，平均含水率最低為H1N0。含水率最高的處理是1.5 m 壓力水頭，900 mg/L的施肥濃度，極值與平均值均最大。線源入滲的含水率分布以微潤管為圓心，近似呈向下移的同心圓，微潤管下方含水率高于同一水平位置的上方含水率。

圖7 土壤含水率等值線Fig.7 Soil moisture content contour

施肥濃度和壓力水頭對含水率成正比是由于水為溶質(zhì)運移的載體，而溶質(zhì)又能反作用于土壤水分運動，肥液濃度越大，土壤中形成的團粒結(jié)構(gòu)也越多，相同時間內(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。這也與何振嘉[11]認為在一定施肥濃度和壓力水頭下，增加水頭或增加肥料濃度，均會增加土壤中的含水率一致。而且肥料硝酸銨鈣中含有的鈣離子對土壤具有一定的保水作用，肥液濃度越大，鈣離子濃度越高，保水效果越顯著[12]。

3 討 論

對微潤灌溉水肥一體化下的線源入滲研究發(fā)現(xiàn)，在1.0 m和1.5 m 的水頭，0～900 mg/L 硝酸銨鈣肥料下，壓力水頭和施肥濃度均對微潤入滲情況影響顯著。濕潤鋒運移距離距離和速度、累計入滲量、含水率和硝態(tài)氮含量均隨著水頭和濃度的增加而提高。

康守旋等[13]研究了不同量的硝酸鈣溶液對渾水膜孔灌多點源入滲水氮運移的影響，發(fā)現(xiàn)肥液對渾水有一定的增滲作用。李義林等[14]使用肥液質(zhì)量濃度為0、0.2、0.4 g/L史丹利大量元素水溶肥作為入滲溶液，施氮量增大，累積入滲量和濕潤體體積均增大，濕潤體內(nèi)水肥量也增多。由于水分運動為溶質(zhì)運移的載體，而溶質(zhì)又能反作用于土壤水分運動，肥液濃度越大，土壤中形成的團粒結(jié)構(gòu)也越多，相同時間內(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[11]。氮肥濃度增大，土壤溶質(zhì)勢變大，土壤吸力就越大[15]。本試驗中通過提高施肥濃度，可以增加水分入滲速度和濕潤體內(nèi)的水氮含量，與其他研究者的結(jié)論一致。因此可以適當(dāng)提高水肥溶液中的肥料濃度加快水分入滲，同時增加土壤中的氮素含量。

畢遠杰等[16]研究壓力水頭對濕潤鋒的影響，發(fā)現(xiàn)壓力水頭增加，能夠加快水分沿各個方向擴散,濕潤體面積也將進一步增加。隨著供水壓力的增加，入滲界面的壓力勢增大，入滲速率隨之增大，進而在相同入滲時間內(nèi)累計入滲量也增大[17,18]。壓力水頭的增大，入滲界面的壓力勢會增大，導(dǎo)致入滲速率增大,濕潤鋒推移速度加快。本試驗與其他學(xué)者的研究相同，壓力水頭作為入滲的主動力之一，提高水頭可以加快水分在土壤中的入滲。

4 結(jié) 論

（1）水分分布近似為以微潤管所鋪設(shè)位置為圓心的同心圓，入滲一段時間后含水率會在微潤管附近出現(xiàn)極大值，多出現(xiàn)在微潤管的下方，遠處含水率最低，且有向下偏移的趨勢，相同節(jié)點土壤含水率隨水頭和肥料增加也相應(yīng)增大。

（2）土壤中的硝態(tài)氮會在遠離微潤管處形成硝態(tài)氮的聚集區(qū)，表明硝態(tài)氮容易隨水流失。1.0 m 壓力水頭下，硝酸銨鈣900 mg/L 肥入滲處理土壤含水量和硝態(tài)氮量最大；1.5 m 壓力水頭下，硝酸銨鈣900 mg/L 入滲處理土壤中含水量和硝態(tài)氮量最大。清水入滲時，取樣范圍內(nèi)硝態(tài)氮表現(xiàn)為隨入滲過程進行含量減小，含水量最大為H2N0處理，硝態(tài)氮量最大為H1N0處理。試驗中壓力水頭1.5 m，硝酸銨鈣濃度為900 mg/L時，濕潤體中含水率和硝態(tài)氮含量最高，為最適宜處理。