沼液穴灌土壤水分运移的交汇入渗特征

谭艳红，郑健，贾生海*，康燕霞



沼液穴灌土壤水分运移的交汇入渗特征

谭艳红1，郑健2,3，贾生海1*，康燕霞1

(1.甘肃农业大学工学院，甘肃兰州730070；2.兰州理工大学西部能源与环境研究中心，甘肃兰州730050；3.西北低碳城镇支撑技术协同创新中心，甘肃兰州730050)

通过室内试验研究不同沼液浓度(原液与水的体积比为1∶4、1∶6、1∶8、CK)和穴孔直径(3、5、7 cm)对沼液穴灌土壤水分运移交汇入渗特征的影响。结果显示：相同入渗时间内，累积入渗量随沼液浓度的增大而减小；相同沼液浓度条件下，土壤水分累积入渗量随穴孔直径的增大而增大，土壤水分入渗速率随入渗距离的增大而减小；在相同穴孔直径及入渗位置，沼液浓度越大，土壤入渗速率越小；在相同入渗位置，随穴孔直径的增加，土壤入渗速率逐渐增加；Kostiakov入渗模型准确描述了累积入渗量随入渗时间增加而增加的关系，且模型拟合系数2均大于0.99；沼液浓度相同时，土壤含水率为22%等值线以上的面积随着穴孔直径的增加而增大；土壤含水率为22%等值线以上的面积随沼液浓度的减小而增大。综合分析结果表明，沼液穴灌交汇入渗速率、累积入渗量及土壤含水率分布受沼液浓度、穴孔直径的影响。

沼液穴灌；交汇入渗；入渗速率；累积入渗量；土壤水分

沼液是禽畜粪便等有机物经过厌氧发酵后的残留液体，富含营养元素，施用可以显著改善土壤理化性质，提高土壤保水保肥能力，缓解土壤板结酸化，同时还能促进作物生长，提高作物产量[1–2]。沼液灌溉可使小麦植株干物质量增加，光合速率和籽粒产量提高[3–4]；同等施用量沼液处理的干物质量和产量明显高于化肥处理[5]；沼液处理的水稻产量均高于化肥处理[6]；沼液灌溉可增加大白菜可溶性糖和可溶性蛋白含量，降低粗纤维含量，提高大白菜品质[7]。长期施灌沼液能提高有机质含量，对提高土壤总氮、总磷含量有较明显的效果[8–9]。目前关于沼液施用的研究主要集中在作物产量、品质及土壤肥力等方面，而关于沼液灌溉入渗规律和灌溉技术参数方面的研究还鲜见报道。沼液穴灌技术是从设施农业生产中总结出的一种节肥技术，目前该技术的实施主要根据经验，与其相关的试验研究和理论分析尚少。沼液穴灌技术的灌溉方式特殊，在实际操作过程中存在交汇现象。王术礼等[10]对沟灌交汇入渗数学模型进行了研究；魏群等[11]、孙海燕等[12]对滴灌交汇入渗特性进行了研究；董玉云等[13]对膜孔肥液单向交汇入渗进行了试验研究。现有的交汇入渗研究主要是关于传统的水和肥液交汇入渗方面的研究，而针对沼液交汇入渗湿润体特征的研究还鲜见报道。笔者开展不同沼液浓度和穴孔直径沼液穴灌二维交汇入渗试验，探求不同控制因素下沼液穴灌土壤水分运移的交汇入渗特征，旨在研究穴灌条件下沼液入渗的水分运移规律，为沼液穴灌提供理论支撑。

1　材料与方法

1.1材 料

试验用土采自甘肃省兰州市兰州理工大学后山表层0~40 cm的土壤。土壤是粉质砂壤土，为保证供试土壤的初始含水率恒定且密度均匀，对采集的土样经自然风干、碾碎后过筛(筛孔直径2 mm)，并采用土壤颗粒分析仪进行土壤粒径分析。试验沼液于甘肃省皋兰县阳洼窑村正常使用的户用沼气池采取。沼液以牛粪为主要原料。试验前用4层纱布过滤掉沼液中较大悬浮颗粒。

1.2试验装置及试验设计

试验装置由马氏瓶和土箱两部分组成。土箱采用8 mm厚有机玻璃板制作，长、宽、高分别为30、20、30 cm。试验前按预定土壤容重1.35 g/cm3分层填装。用2个穴孔直径相同的1/4扇形水室置于土箱一角，孔深设置5 cm，并用马氏瓶恒压供水(图1)。

1　马氏瓶；2　支架；3　穴孔；4　土体；5　土箱。

依据前期预试验结果，设置3个浓度处理，原液与水的体积比分别为1∶4、1∶6、1∶8，分别记为T1、T2、T3，以纯水为空白对照(CK)。根据田间调查实际，分别将穴孔直径设置为3、5、7 cm。为减小因时空差异造成的试验误差，每组试验设2次重复。

1.3试验方法及观测内容

采用室内土箱试验，将土体分层填装，每层5 cm，以设定土壤容重计算每层装土质量，用精度为0.01 g的电子秤称量。最后5 cm填土时，在土箱同侧的2个箱角处预留深度5 cm、穴孔直径相同的穴孔。将各设置浓度沼液分别装入马氏瓶，用乳胶软管分别将马氏瓶出水孔和排气孔与装完土的试验土箱连接。为保证恒定水头，将排气管固定在入渗孔与土体表面平齐的位置。为方便记录试验数据，根据实际穴灌交汇湿润体的形状，在土箱外壁绘制间距5 cm的网格线，然后同时打开2个马氏瓶的出水孔和排气孔阀门，当沼液进入穴孔时开始计时。随着试验的推进，当湿润锋运移到与外壁水平方向()或者垂直方向()的网格线相切时，记录一次入渗时间和各个马氏瓶的累积入渗量，并用记号笔在土箱外壁绘制湿润锋运移曲线。当湿润锋交汇1 h后且垂直方向入渗距离达到15 cm时，同时关闭2个马氏瓶的进水孔和排气孔阀门，待穴孔内沼液渗完后结束试验。为避免土壤水分二次分布造成土壤含水率的变化，在试验结束后立即用土钻在交汇区和自由入渗区按3 cm水平间距钻孔，于3 cm垂向距离分层取土。取样示意图如图2所示。将土样编号，放入烘箱内108 ℃烘6～8 h，计算土壤含水率。

1　湿润锋；2　取土孔；3　穴孔；4　土体；5　土箱；6　交汇湿润土体。

1.4数据处理

采用Excel 2007、Origin7.5和Surfer8.0进行数据分析。

2　结果与分析

试验用土壤中，粒径小于1 mm的占99.92%，粒径小于0.5 mm的占98.52%，粒径小于0.1 mm的占96.21%。土壤级配分析结果为级配不良。

试验用不同处理的沼液基本物理性质测定结果如表1所示。各处理沼液的密度、黏度、电导率和干物质量都随沼液与水配比的减小而减小。

表1　各处理沼液的物理特性

2.1各处理穴孔交汇入渗的累积入渗量

由图3可以看出：土壤的累积入渗量随入渗时间的增加而增加，各处理的累积入渗量均呈现初期增幅较大，随着入渗时间的增加增幅逐渐减小的趋势。在相同入渗时间内，累积入渗量随沼液浓度的增大而减小，且各沼液处理的累积入渗量明显小于对照；在穴孔直径相同条件下，入渗量随沼液浓度的增大而减小，表明沼液浓度对土壤入渗能力有一定的影响。以穴孔直径5 cm为例，入渗时间30 min时T1、T2、T3和CK的累积入渗量分别为138、193、207、370 mL；不同浓度条件下，相同入渗时间内，累积入渗量随穴孔直径的增大而增大。以沼液浓度T1，入渗时间30 min为例，穴孔直径3、5、7 cm的累积入渗量分别为72、138、252 mL，表明穴孔直径对沼液穴灌累积入渗量有一定的影响。

入渗时间/min 入渗时间/min 入渗时间/min

采用Kostiakov模型=At(为累积入渗量，为入渗时间，为入渗系数，为入渗指数)进行拟合分析，结果(表2)表明：入渗系数和指数在不同处理下均随着穴孔直径的增加逐渐增大；各处理下累积入渗量与时间的拟合系数2均大于0.99，表明Kostiakov入渗模型能较好地描述以沼液浓度和穴孔直径为控制因素的穴孔交汇累积入渗量与入渗时间之间的关系。

表2　累积入渗量与入渗时间关系的拟合结果

代表入渗系数；代表入渗指数；2代表拟合系数。

2.2沼液浓度及穴孔直径对交汇土体土壤含水率分布的影响

由图4可见，土壤含水率等值线上疏下密，表明距离穴孔越远，土壤含水率越小，且土壤含水率减小的幅度逐渐加大。交汇面周围的等值线相对较疏，且土壤含水率等值线有明显向交汇面靠拢的趋势。随着沼液浓度的减小，土壤含水率增加；随着穴孔直径的增大，土壤含水率增加。

a、b、c分别表示穴孔直径3、5、7 cm，其下标1、2、3、4分别表示处理T1、T2、T3、CK。

分析图4中相同穴孔直径不同沼液浓度交汇面含水率等值线垂直方向变化的规律可以看出：各沼液浓度下，土壤含水率22%等值线以上的面积T1、T2、T3、CK依次增大。对比相同沼液浓度不同穴孔直径交汇面的土壤含水率等值线可以看出：在沼液浓度不变的情况下，含水率22%等值线以上的面积各处理随着穴孔直径的增大而增大；T1处理在穴孔直径3、5、7 cm穴孔底部(即垂直方向5 cm深度处)的土壤含水率分别为22%、24%、28%，T2和T3处理穴孔底部的土壤含水率也呈现出随穴孔直径3、5、7 cm递增的规律，表明穴孔直径越大，土壤整体含水率越高。

2.3沼液浓度和穴孔直径对土壤入渗速率的影响

由表3可以看出：在水平方向()和垂直方向()，入渗速率均随着湿润锋运移距离的增大而减小；在相同穴孔直径相同入渗位置条件下，沼液浓度越大，土壤入渗速率越小，表明在相同穴孔直径条件下，沼液浓度对土壤入渗速率有影响。在相同沼液浓度不同穴孔直径条件下，相同入渗位置穴孔直径越大，土壤入渗速率越大，表明在沼液浓度相同条件下，穴孔直径对土壤入渗速率有一定的影响。

表3　各处理在不同湿润锋位置处的入渗速率

5、10分别示湿润锋运移到与水平方向5、10 cm网格线相切的位置；10、15分别示湿润锋运移到与垂直方向10 cm网格线相切的位置。

3　结论与讨论

影响土壤入渗的因素主要有土壤自身特性和溶液特性两方面。在本研究中，入渗溶液(沼液)特性是影响土壤入渗的主要因素。本研究结果表明：沼液浓度对土壤入渗能力有影响，穴孔交汇入渗累积入渗量和入渗速率都随沼液浓度的增大而减小；在沼液浓度增大时，溶液黏度和干物质量增大，土壤入渗能力降低，累积入渗量和入渗速率都减小。这与膜孔肥液入渗中肥液浓度越大，相同时间内土壤入渗量、湿润锋运移距离越大的研究结论[13]相反。导致上述现象出现的主要因素是沼液中的阳离子含量、沼液黏度和沼液干物质含量等。肥液中电离出的阳离子的含量远高于沼液中的含量时，阳离子便成为影响土壤入渗的主要因素，它促使形成团聚体，增大土壤颗粒粒径，使表层土壤的孔隙相应增大，水分入渗的通路增多和入渗量增大[14]。由于沼液中的阳离子含量远小于肥液中的含量，所以沼液中的阳离子在土壤入渗中的影响甚微，几乎得不到体现。沼液中影响土壤入渗的主导因素是沼液的黏度(沼液的黏度大于肥液的黏度。沼液原液在室温下的黏度为1.847×10–3Pa·s，传统肥液在室温下的黏度仅为1.004×10–3Pa·s)。沼液中干物质含量的变化也会影响到土壤的入渗，因为干物质随溶液入渗时会堵塞部分水分通道，导致入渗量减小[15]。

穴孔直径是影响土壤入渗的重要因素之一。本试验中发现，在其他条件相同时，在相同入渗时段内，累积入渗量和入渗速率随穴孔直径的增大而增大；相同湿润深度处土壤含水率也随穴孔直径的增大而增大。这是因为穴孔直径增大时穴孔面积随之增大，入渗面积增大，水分进入土壤的通道增多，基质吸力增大[16]。这与膜孔单向交汇入渗中不同膜孔穴孔直径的变化规律[17]一致，与根灌双点源交汇入渗试验中不同滴头流量的变化规律[16]相似。

以穴孔为起始点向下，土壤含水率逐渐减小，且距离穴孔越远，含水率减小幅度逐渐增大。这与滴灌条件下土壤水分运移特征研究结果[18–19]一致。这主要是由于在入渗初始阶段，沼液在分子力的作用下被土粒吸附成为薄膜水，溶液快速填满表层土壤孔隙，形成一定的水势梯度，致使湿润锋快速向前延伸。随着入渗的推进，水分在毛管力和重力的作用下向下层土壤入渗，逐步填充下层土壤孔隙，直至全部孔隙达到水分饱和，此后水分只在重力作用下向下做入渗运动，入渗速率由快速递减变得趋于稳定。本试验中等值线有明显向交汇面靠拢的趋势。这与沟灌、滴灌、膜孔灌交汇入渗中交汇面水分分布规律[10–13]一致。这主要是由于湿润锋交汇后，两穴孔沼液同时向交汇面入渗，其水势迅速升高，入渗加快，致使交汇部分土壤含水率随之增加。

综上分析，由本试验结果可初步获得以下结论：

1) 土壤累积入渗量随沼液浓度的增大而减小，随穴孔直径的增大而增大，土壤入渗能力受沼液浓度和穴孔直径的共同影响，且Kostiakov入渗模型能较好地描述不同浓度沼液和穴孔直径下穴孔交汇累积入渗量与入渗时间之间的关系。

2) 入渗速率在水平方向和垂直方向均随入渗距离的增大而减小；随沼液浓度的增大，土壤入渗速率逐渐下降；随穴孔直径的增加，土壤入渗速率逐渐增加，沼液穴灌交汇入渗的速率受沼液浓度和穴孔直径的影响。

3) 土壤含水率等值线上疏下密，表明距离穴孔越远，土壤含水量越小，且两穴孔交汇面等值线有明显向交汇面靠拢的趋势；随沼液浓度的增大，相同入渗位置处土壤含水率逐渐减小；随穴孔直径的增加，相同入渗位置处土壤含水率逐渐增大。

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Interference infiltration characteristics of the soil water movement under the hole irrigation with biogas slurry

Tan Yanhong1，Zheng Jian2,3，Jia Shenghai1*，Kang Yanxia1

(1.School of Engineering, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China; 2.China Western Research Center of Energy & Environment, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China; 3.China Northwestern Collaborative Innovation Center of Low-carbon Urbanization Technologies, Lanzhou 730050, China)

Different concentration of biogas slurry (1∶4, 1∶6, 1∶8, and CK) and different diameters of soil hole condition(3, 5, 7 cm) were designed in the laboratory to investigate the characteristics of interference infiltration in soil under hole irrigation with biogas slurry. The results showed that the cumulative infiltration decreased with the concentration of biogas slurry increase during the same infiltration time, while they increased with diameters of soil hole at the same biogas slurry concentration; soil water infiltration rate decreased with the infiltration distance increase at the same biogas slurry level. The higher the concentration of biogas slurry, the lower the infiltration rate at the same diameter and infiltration distance. Infiltration rate increased gradually with the diameter of soil hole at the same infiltration sites. The case that the cumulative infiltration increased with time could be better described by Kostiakov infiltration model. The correlation coefficient (2) from all treatments were larger than 0.99. The areas that soil water content larger than or equal to 22% increased with the diameters of soil hole, and they also increased with the biogas slurry decrease. These results demonstrated that the interference infiltration rate, cumulative infiltration and soil water content were jointly affected by biogas slurry concentration and diameter of soil hole.

hole irrigation with biogas slurry; interference infiltration; infiltration rate; cumulative infiltration; soil water

S141.3

A

1007-1032(2016)05-0573-06

2015–11–20

2016–06–24

国家自然科学基金项目(51369014，51509122)

谭艳红(1990—)，男，湖北恩施人，硕士研究生，主要从事农业生态与水土保持研究，18394171543@163.com；*通信作者，贾生海，教授，主要从事水土保持研究，jiash@gsau.edu.cn

投稿网址：http://xb.ijournal.cn

责任编辑：王赛群

英文编辑：王库