李慧敏，申麗霞，王瑞軍，孟 涵，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

微潤灌溉是一種利用半透膜性能的高效節(jié)水灌溉技術(shù)，通過借助一定的壓力水頭，達(dá)到持續(xù)微量供水的目的[1-4]。有關(guān)微潤灌溉室內(nèi)試驗(yàn)研究，主要包括應(yīng)用機(jī)理和模型與模擬兩個方面。應(yīng)用機(jī)理方面主要研究壓力水頭、微潤管埋深、土壤容重、初始含水率、微咸水灌溉、水溫等對微潤灌土壤水分入滲特性的影響。如畢遠(yuǎn)杰等[5]、張少文等[6]均對微潤管埋深與壓力水頭下土壤水分入滲進(jìn)行了研究。邱照寧等[7]研究了水溫對低壓微潤管出流影響，發(fā)現(xiàn)微潤管在空氣中的出流量與水溫線性相關(guān)，且壓力水頭越大溫度對其出流影響越大。模型與數(shù)值模擬方面主要集中在微潤灌對入滲模型的擬合上。如冀榮華等[8]利用HYDRUS-3D 有限元模型對微潤灌下土壤水分入滲進(jìn)行了數(shù)值模擬。但多數(shù)研究都集中在均質(zhì)土的水分入滲上，對于其他機(jī)理研究較少。由此可見，微潤灌對于水肥一體化的研究還存在一定空缺，尤其是室內(nèi)試驗(yàn)對于水肥的應(yīng)用機(jī)理研究還缺少大量的試驗(yàn)研究與證明。

微潤灌溉的出流量主要受到壓力水頭、微潤管埋深、土壤質(zhì)地以及容重的影響[9]。微潤灌的沿程水頭損失[3]及地表蒸發(fā)很小，因此當(dāng)微潤管埋深、土壤質(zhì)地及容重等參數(shù)確定的條件下，壓力水頭成為影響出流量的主要因素。牛文全等[2,10]發(fā)現(xiàn)壓力水頭在0～2.4 m 范圍內(nèi)，微潤帶的出流量與壓力水頭呈線性遞增關(guān)系，并通過96 組田間試驗(yàn)得出微潤管出流量的影響因素所占的比重為壓力水頭＞土壤容重＞初始含水率。鑒于前人的研究經(jīng)驗(yàn)，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)壓力水頭在1～2 m范圍內(nèi)，對微潤灌施肥條件下濕潤鋒及水氮運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了深入研究，以期為微潤灌水肥一體化條件下壓力水頭對濕潤體內(nèi)水肥運(yùn)移規(guī)律的影響提供理論依據(jù)，逐漸豐富微潤灌施的相關(guān)理論。

氮素是植物生長發(fā)育必需元素，對植物體內(nèi)正常物質(zhì)循環(huán)和能量代謝有著重要意義[11]。硝態(tài)氮（NO3-）是植物吸收土壤中無機(jī)氮的主要形式，研究硝態(tài)氮在土壤中的運(yùn)移規(guī)律，對不同壓力水頭下微潤灌室外種植試驗(yàn)具有指導(dǎo)意義。本次試驗(yàn)使用的硝酸銨鈣肥，是一種含氮和速效鈣的新型高效復(fù)合肥料，為白色圓形顆粒，極易溶于水，含氮量15.5%，其中90%以上為硝態(tài)氮，其余為銨態(tài)氮。硝酸銨鈣具有肥效長，揮發(fā)損失小，降低土壤酸堿度，增加土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)[12]。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)時間為2021年4-5月，試驗(yàn)地點(diǎn)為山西省太原理工大學(xué)水利學(xué)院的土壤實(shí)驗(yàn)室，試驗(yàn)用土為黏壤土。試驗(yàn)前，將取得的土壤進(jìn)行風(fēng)干、碾壓，再用孔徑為2 mm 的濾篩進(jìn)行篩分，過篩后即為試驗(yàn)用土。使用MS2000 型激光分析粒度儀測定試驗(yàn)土顆粒粒徑，土壤粒徑分布為0.02 mm＜d＜2 mm 含量為37.64%，0.002 mm＜d＜0.02 mm 含量為41.62%，d＜0.002 mm含量為20.74%。測定土壤初始含水率為0.94%，初始硝態(tài)氮含量為1.26 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置由供水系統(tǒng)與土箱組成，如圖1所示。供水系統(tǒng)包括馬氏瓶、活動支架、輸水管、微潤管、進(jìn)出口閥門等。馬氏瓶為有機(jī)玻璃材質(zhì)，內(nèi)徑為10 cm，高度為50 cm，配有細(xì)玻璃棒和橡膠塞，并通過細(xì)玻璃棒平衡氣壓提供連續(xù)恒壓水頭，其側(cè)壁標(biāo)有刻度，便于讀取下降高度，計(jì)算入滲量?；顒又Ъ芸赏ㄟ^調(diào)節(jié)高度實(shí)現(xiàn)水頭調(diào)控。輸水管為內(nèi)徑為16 mm 的黑色PE 管，微潤管為內(nèi)徑為16 mm 的高分子半透膜，二者通過閥門連接。馬氏瓶出水口與微潤管的高差為設(shè)計(jì)的壓力水頭。土箱為有機(jī)玻璃材質(zhì)，規(guī)格為（長×寬×高）70 cm×40 cm×40 cm，厚度為1 cm，左右兩側(cè)中心處對稱打孔，孔徑為18 mm,用來布設(shè)微潤管，在微潤管孔四周，水平和豎直方向，每5 cm 處打有直徑為12 mm 的取樣孔，如圖2所示。以微潤管為坐標(biāo)原點(diǎn)，水平向右為X軸，豎直向上為Y軸正方向，建立二維坐標(biāo)系。

圖1 室內(nèi)土箱試驗(yàn)裝置圖Fig.1 Indoor soil chamber test device diagram

圖2 取樣點(diǎn)示意圖（單位：cm）Fig.2 Schematic diagram of sampling points

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

本試驗(yàn)以壓力水頭為試驗(yàn)變量，共設(shè)5 組處理(T1:1.00 m、T2:1.25 m、T3:1.50 m、T4:1.75 m、T5:2.00 m)，每組處理施600 mg/L 硝酸銨鈣、固定微潤管埋深15 cm，土壤容重均控制在1.3 g/cm3，所有處理重復(fù)3 次。試驗(yàn)前，將試驗(yàn)用土按照原始體積質(zhì)量分層裝入土箱，以5 cm 為一層，逐層填土、夯實(shí)，以利于土壤顆粒充分接觸。當(dāng)土層填到20 cm 時，連接微潤管，然后將馬氏瓶注入清水，排氣后開通微潤管進(jìn)口閥門，檢測微潤管是否正常使用。待微潤管潤濕后將水排盡，繼續(xù)填土、夯實(shí)，直到微潤管上層覆土15 cm 時停止。待所有處理填土完畢，再分別將馬氏瓶內(nèi)注入肥液。先將馬氏瓶內(nèi)加水，注入一半后，將氣泡排盡，再重新加水，稱取1.178 g 硝酸銨鈣溶于水后倒入馬氏瓶內(nèi)，加滿水，試驗(yàn)開始計(jì)時，設(shè)定試驗(yàn)時間為72 h。第一天白天間隔2 h,其余白天隔4 h，夜間隔12 h記錄馬氏瓶內(nèi)液面下降高度，同時測量濕潤鋒在不同方向的運(yùn)移距離；每隔12 h 在土箱側(cè)面取樣點(diǎn)取一次土樣，用烘干法測定其含水率，用紫外分光光度計(jì)測定硝態(tài)氮的含量。3次重復(fù)取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 壓力水頭對濕潤鋒運(yùn)移的影響

通過對各處理下濕潤鋒運(yùn)移規(guī)律的分析，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)束時，濕潤體形狀近似為一個左右對稱的圓柱體?？梢允褂萌我鈺r刻鉛直平面內(nèi)二維濕潤鋒邊界形狀的半橢圓形解析式[13]對本試驗(yàn)各處理下的濕潤鋒進(jìn)行描述，即：

式中：x、y分別代表濕潤鋒在水平、鉛直方向上的最大運(yùn)移距離，cm。

將上述等式兩邊均乘以A2，得到：

令A(yù)/B=m，m表示濕潤體的寬深比。由方程可知，當(dāng)m=1時，表示濕潤體縱剖面為圓形，本試驗(yàn)結(jié)果表明m值大致在0.91左右，為圓形。通過對濕潤鋒運(yùn)移距離與灌水時間進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)運(yùn)移距離與灌水時間符合冪函數(shù)關(guān)系，見式(3)，且擬合程度較高，擬合結(jié)果見表1。

表1 各處理濕潤鋒運(yùn)移距離與時間的擬合參數(shù)Tab.1 Fitting parameters of migration distance and time of wet front in each treatment

式中：R為運(yùn)移距離，cm；T為灌水時間，h；a、b分別為入滲系數(shù)和入滲指數(shù)。

由表1可知，各決定系數(shù)均大于0.98，說明不同壓力水頭下，濕潤鋒在水平、垂直向上、垂直向下3個方向的運(yùn)移距離與灌水時間具有較好的冪函數(shù)關(guān)系，且在X、Y+、Y-3 個方向上入滲系數(shù)a均與壓力水頭呈正相關(guān)關(guān)系，入滲指數(shù)b均與壓力水頭呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。通過對濕潤鋒運(yùn)移距離曲線的擬合系數(shù)分析，得出a和b均與壓力水頭h具有明顯的線性關(guān)系：

（1）X方向：

將擬合系數(shù)a、b帶入公式(3)，得出不同壓力水頭下水平運(yùn)移距離與時間的關(guān)系模型：

（2）Y+方向：

將擬合系數(shù)a、b帶入公式(3)，得出不同壓力水頭下垂直向上運(yùn)移距離與時間的關(guān)系模型：

（3）Y-方向：

將擬合系數(shù)a、b帶入公式(3)，得出不同壓力水頭下垂直向下運(yùn)移距離與時間的關(guān)系模型：

2.2 壓力水頭對土壤水分的影響

壓力水頭通過影響微潤帶出流量的大小與速率，進(jìn)而影響濕潤體內(nèi)土壤含水率的變化，而累積入滲量能直觀的反映入滲特征，為對比微潤灌施下壓力水頭對土壤水分的影響，繪制了不同壓力水頭下累積入滲量的變化曲線及72 h 時土壤含水率變化曲線，進(jìn)而分析出壓力水頭對土壤水分的影響規(guī)律。

如圖3所示，為各處理下累積入滲量隨時間的變化關(guān)系圖。由圖3可知，累積入滲量隨入滲時間的增加逐漸增長。相同時刻下，壓力水頭與累積入滲量的關(guān)系表現(xiàn)為T5＞T4＞T3＞T2＞T1,即壓力水頭越大，入滲速率越快，累積入滲量越多。如圖4所示，為72 h時各處理在垂直方向上土壤剖面平均含水率分布圖。由圖4可知，同一時刻相同位置不同壓力水頭下土壤含水率表現(xiàn)為T5＞T4＞T3＞T2＞T1，即壓力水頭越大，同一時刻相同土層深度的土壤含水率越大。累積入滲量與土壤含水率表現(xiàn)的規(guī)律一致，這是因?yàn)閴毫λ^可以影響微潤管的出流量及水分入滲速率，壓力水頭越大，入滲界面的壓力勢越大，微潤管出流量越多，土壤水分入滲速率越快，同一時刻相同土層深度的土壤含水率越大，累積入滲量越多。另一方面，硝酸銨鈣完全溶解于水，溶質(zhì)隨水運(yùn)移，鈣離子與土壤膠體發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)增加，土壤孔隙率增大，導(dǎo)水率增加。壓力水頭越大，土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)越多，土壤水分運(yùn)移速率越快，土壤含水率越大。

圖3 各處理下累積入滲量隨時間變化關(guān)系圖Fig.3 Relationship diagram of cumulative infiltration with time under each treatment

圖4 各處理下含水率的變化圖Fig.4 Variation of water content under each treatment

通過對累積入滲量的動態(tài)變化進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)累積入滲量符合Kostiakov 經(jīng)驗(yàn)入滲公式，即符合I=aTb（I為累積入滲量，L；T為入滲時間，h；a為入滲系數(shù)，b為入滲指數(shù)），且擬合程度較好，均為0.999，如表2所示，為各處理下累積入滲量的擬合參數(shù)。由表2可知，當(dāng)壓力水頭由1 m 增加到2 m，參數(shù)a分別增加了1.02、1.04、1.16 和1.24 倍，參數(shù)b分別增加了1.02、1.03、1.04和1.05倍。由此說明參數(shù)a、b與壓力水頭均為正相關(guān)關(guān)系，壓力水頭對參數(shù)a、b的影響極為顯著，且壓力水頭越大時入滲系數(shù)a的變幅越大。分析認(rèn)為，入滲系數(shù)a反映了土壤入滲能力的大小，其值與土壤結(jié)構(gòu)有關(guān)；入滲指數(shù)b反映了土壤水分入滲能力的衰弱程度，由于水分入滲使土壤孔隙率減小，土壤中原有的空氣被排出，土壤水分入滲能力會發(fā)生改變。本試驗(yàn)中，壓力水頭越大，參數(shù)a、b均增大，說明隨壓力水頭的增加，土壤的入滲能力增強(qiáng)，且土壤水分入滲能力的衰弱速度減慢。這是因?yàn)閴毫λ^越大，入滲界面的壓力勢越大，土壤含水率越大，土壤入滲能力增強(qiáng)。隨著土壤含水率增加，土壤孔隙率減少，而土壤飽和含水率不變，土壤入滲能力會逐漸衰弱。但是本試驗(yàn)使用的硝酸銨鈣能夠改變土壤結(jié)構(gòu)，壓力水頭越大，微潤管出流量越多，土壤中肥液越多，土壤膠體一般帶負(fù)電荷，會與肥液中的鈣離子發(fā)生中和反應(yīng)，導(dǎo)致土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)增多，土壤孔隙率變大，導(dǎo)水率增加，土壤入滲能力增強(qiáng)，這在一定程度上減緩了土壤入滲能力的衰弱速度。

表2 各處理下累積入滲量擬合參數(shù)Tab.2 Fitting parameters of cumulative infiltration under each treatment

2.3 壓力水頭對土壤硝態(tài)氮含量的影響

土壤中氮素的遷移一般會隨著土壤中水分的運(yùn)移而發(fā)生變化。通過繪制以微潤管布設(shè)位置為中心，濕潤體縱剖面不同深度土層60 h 時平均硝態(tài)氮含量等值線分布圖，進(jìn)而分析微潤灌施下壓力水頭對土壤中硝態(tài)氮含量的影響規(guī)律。

如圖5所示，為各處理60 h時土壤硝態(tài)氮含量等值線分布圖，發(fā)現(xiàn)硝態(tài)氮含量整體變化與含水率變化相反。由圖5可知，硝酸銨鈣隨水運(yùn)移，在垂直微潤管的平面上距離微潤管越遠(yuǎn)，土壤中硝態(tài)氮含量越高，且與微潤管相同垂直距離處，下部的硝態(tài)氮含量高于上部的含量；在微潤管所在的水平面上，土壤中硝態(tài)氮含量先變小再增多。這是因?yàn)楹暧^上肥液受重力作用，肥液向下入滲量多于向上運(yùn)移量，而硝酸銨鈣易發(fā)生淋溶累積，因此距微潤管越遠(yuǎn)土壤硝酸銨鈣含量越多。在微觀上，由于土壤膠體帶負(fù)電荷，硝酸根離子與之發(fā)生離子間排斥作用，硝酸根離子會向土壤表面及最底層運(yùn)移，而硝酸銨鈣中的鈣離子與土壤膠體發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)增加，孔隙率增大，導(dǎo)水率增加，硝酸根離子運(yùn)移速率加快，因此距離微潤管越遠(yuǎn)，土壤中硝態(tài)氮含量越多。而在微潤管附近，由于微潤管連續(xù)入滲，微潤管周圍硝酸銨鈣不斷得到補(bǔ)充，因此在微潤管所在的水平面上，硝態(tài)氮含量先變小再增加，硝態(tài)氮含量最小值出現(xiàn)在微潤管附近。

圖5 各處理60 h時土壤硝態(tài)氮含量等值線分布圖Fig.5 contour distribution of soil nitrate nitrogen content at 60 h of each treatment

由圖5可以發(fā)現(xiàn)相同深度土層硝態(tài)氮含量表現(xiàn)為T5＞T4＞T3＞T2＞T1，說明壓力水頭越大，相同深度土層硝態(tài)氮含量越高。如在距微潤管水平距離0 cm、垂直距離-10 cm處，T2～T5處理的硝態(tài)氮含量分別是T1的1.62、2.05、2.58和3.11倍。這是因?yàn)橥粫r刻相同位置的土層，壓力水頭越大，入滲界面的壓力勢越大，水分入滲速率越快，對土壤溶質(zhì)的攜帶能力越強(qiáng)，溶質(zhì)運(yùn)移速率越快，土壤中硝態(tài)氮含量越高[14]。另一方面，壓力水頭越大，微潤管出流量越多，土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)越多，孔隙率越大，硝酸根離子運(yùn)移速率越快，因此壓力水頭越大，同一時刻相同深度土層硝態(tài)氮含量越高。

3 討 論

本研究發(fā)現(xiàn)壓力水頭對濕潤鋒運(yùn)移距離、土壤含水率、累積入滲量及硝態(tài)氮含量均有極顯著影響（p＜0.01）。壓力水頭是影響微潤灌溉出流量的主要因素，通過影響入滲界面的壓力勢改變水分運(yùn)動通量[1],從而使?jié)駶欎h運(yùn)移距離、濕潤體的含水率及硝態(tài)氮含量、累積入滲量發(fā)生變化。本文壓力水頭對含水率及累積入滲量的影響規(guī)律與前人研究類似。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在微潤灌施硝酸銨鈣條件下，濕潤體縱剖面為圓形，濕潤鋒在水平、垂直向上、向下3個方向的運(yùn)移距離與灌水時間均符合冪函數(shù)關(guān)系，且入滲系數(shù)a與壓力水頭呈正相關(guān)關(guān)系，入滲指數(shù)b與壓力水頭呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，由此建立不同壓力水頭下濕潤鋒在水平、垂直向上、向下3個方向的運(yùn)移距離與時間的關(guān)系模型。通過對累積入滲量進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)累積入滲量與灌水時間符合Kostiakov 經(jīng)驗(yàn)入滲公式，參數(shù)a、b與壓力水頭均為正相關(guān)關(guān)系，壓力水頭對參數(shù)a、b的影響極為顯著，且壓力水頭越大時入滲系數(shù)a的變幅越大。本試驗(yàn)同時發(fā)現(xiàn)土壤硝態(tài)氮含量的變化與含水率有相反規(guī)律，在垂直微潤管的平面上距離微潤管越遠(yuǎn)，土壤中硝態(tài)氮含量越高，且與微潤管相同垂直距離處，下部的硝態(tài)氮含量高于上部的含量；在微潤管所在的水平面上，土壤中硝態(tài)氮含量先變小再增多，硝態(tài)氮含量最大值出現(xiàn)在土壤表面或最深處。壓力水頭對硝態(tài)氮運(yùn)移有促進(jìn)作用，壓力水頭越大，氮素運(yùn)移越快，土壤中硝態(tài)氮含量越高?？凳匦萚15]對硝酸鈣溶液在渾水膜孔灌多點(diǎn)源入滲條件下水氮運(yùn)移的研究，發(fā)現(xiàn)硝酸鈣溶液對渾水有增滲作用。本試驗(yàn)所使用的硝酸銨鈣也發(fā)生了增滲作用。壓力水頭越大，入滲界面的壓力勢越大，微潤管出流量越多，土壤水分入滲速率越快。土壤膠體一般帶負(fù)電荷，肥液中硝酸根離子與土壤膠體發(fā)生排斥作用，以及硝酸根離子間作用，硝酸根離子向土壤表面和最底層運(yùn)移，而鈣離子與土壤膠體發(fā)生中和反應(yīng)，土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)增加，孔隙率增大，水分及硝酸根離子運(yùn)移速率加快，土壤入滲能力增強(qiáng)，在一定程度上減緩了因含水率增加導(dǎo)致土壤入滲能力衰弱的速度。在宏觀上表現(xiàn)為壓力水頭越大，相同時刻相同深度土層含水率越大，土體表面及最深處硝態(tài)氮含量越高。

本試驗(yàn)采用均質(zhì)土壤進(jìn)行研究，與大田土壤相比存在一定差距，對微潤灌在大田中的應(yīng)用還需要進(jìn)一步研究怎樣防止硝酸銨鈣的淋溶累積對地表及地下水體的危害。由于試驗(yàn)場地的限制，壓力水頭的設(shè)置組較少，還需要設(shè)計(jì)囊括更大范圍的水頭進(jìn)行更深入的研究。目前對于水氮相互作用的研究較少，本研究主要集中硝態(tài)氮隨水分在土壤中的運(yùn)移過程，對于氮素各種形態(tài)間的轉(zhuǎn)化研究較少，還需要更深入的研究，若要得到田間實(shí)際條件下的驗(yàn)證，還有待深入研究和完善。

4 結(jié) 論

本試驗(yàn)研究了微潤灌施硝酸銨鈣條件下壓力水頭對濕潤鋒運(yùn)移距離、土壤水分入滲及硝態(tài)氮運(yùn)移的影響，得出以下結(jié)論：

（1）在微潤灌施硝酸銨鈣條件下，濕潤體縱剖面為圓形，且濕潤鋒在水平、垂直向上、向下3個方向的運(yùn)移距離與灌水時間均符合冪函數(shù)關(guān)系，入滲系數(shù)a與壓力水頭呈正相關(guān)關(guān)系，入滲指數(shù)b與壓力水頭呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

（2）壓力水頭對土壤水分運(yùn)移有促進(jìn)作用。壓力水頭越大，入滲界面的壓力勢越大，土壤水分入滲速率越快，同一時刻相同深度土層的含水率越大，累積入滲量越大。累積入滲量與灌水時間符合Kostiakov 經(jīng)驗(yàn)入滲公式，參數(shù)a、b與壓力水頭均為正相關(guān)關(guān)系。

（3）在垂直微潤管的平面上距離微潤管越遠(yuǎn)，土壤中硝態(tài)氮含量越高，且與微潤管相同垂直距離處，下部的硝態(tài)氮含量高于上部的含量；在微潤管所在的水平面上，土壤中硝態(tài)氮含量先變小再增多，硝態(tài)氮含量最大值出現(xiàn)在土壤表面或最深處。壓力水頭對硝態(tài)氮運(yùn)移有促進(jìn)作用，同一時刻相同土層深度，壓力水頭越大，氮素運(yùn)移越快，土壤平均硝態(tài)氮含量越高。

（4）硝酸銨鈣能夠改變土壤的孔隙結(jié)構(gòu)。硝酸銨鈣中鈣離子與土壤膠體發(fā)生中和反應(yīng)，導(dǎo)致土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)增加，孔隙率增大，土壤入滲能力增強(qiáng)，因此在大面積施用時，要避免其淋溶累積對水體及環(huán)境造成危害。