滴灌施肥条件下土壤湿润锋变化规律研究

赵彦波，尹 娟,2,3，尹 亮

(1.宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021；2.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程中心，银川 750021；3.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，银川 750021)

滴灌施肥技术是一种根据土壤水分、养分平衡原理，计算作物在不同生长阶段的需水、需肥量，通过滴头适时适量地把水分和养分滴施到作物根部的现代高效节水节肥技术[1]。滴头在滴施过程中灌水湿润面积和湿润深度是在根系分布范围之内，作物根区土壤水分、养分分布区状况受滴头流量和施肥浓度的影响，因此，研究滴灌施肥条件下土壤湿润体大小、土壤水分运移分布规律，对制定合理的灌水施肥制度和设计规范的滴灌设备具有重要意义。目前，国内外专家学者在土壤水肥运移方面做了大量研究，并取得了一系列成果。Cote等[2]运用Hydraus 2D土壤物理模拟软件模拟研究了在地下滴灌条件下土壤水分及溶质运移规律；张林等[3]在室内多点源滴灌实验的基础上研究了土壤水分运移过程，得出了多点源滴灌条件下土壤水分运移规律为先点源入渗再交汇入渗最后形成湿润带的结论；郑园萍等[4]采用室内土箱试验研究了多点源滴灌条件下沙壤土中水分迁移分布规律，结果表明综合考虑灌溉时间、灌溉湿润比、灌水结束后土壤水分再分布及湿润锋的交汇等因素，提出了沙壤土滴灌系统设计应该选择流量较大的滴头，且滴头间距要小的结论；岳海英等[5]在室内模拟研究了不同滴头流量对湿润体形状的影响规律，结果表明，不同滴头流量下的湿润体体积与灌水量之间都满足幂函数关系；李久生等[6]通过室内滴灌实验和数值模拟相结合的方法研究了点源滴灌湿润锋和土壤水分运动过程，反演论证了土壤水动力学参数。以上研究成果为合理设计滴灌系统提供了参考依据，而这些成果主要侧重于单一的水分和养分运移，对于滴灌条件下土壤水肥运移研究较少。国内外滴灌施肥技术在马铃薯、果树、辣椒、西瓜、黄瓜、茄子、番茄、西兰花等[7-13]方面的应用研究较多，关于枸杞滴灌施肥技术研究与应用较少。为此，针对以上问题，本试验开展了宁夏中部旱区枸杞滴灌施肥条件下土壤水分、养分运移试验研究。本文主要论述了枸杞根系主要吸水区湿润锋的变化分布规律。

1 材料与方法

1.1 供试土壤与试验设备

试验在宁夏大学土木与水利工程学院实验楼进行。供试土壤取自宁夏中部干旱区吴忠市同心县下马关镇枸杞种植基地，土壤类型为沙壤土。在按实测土壤干容重装土之前，自然风干土样，然后用2 mm的筛进行土样筛分，以达到土壤颗粒分布均匀。土壤容重1.41 g/cm3，向有机玻璃土箱内分层装土，每5 cm一层，各层之间将土壤打毛，每层土接触更加紧密。装完土后土箱内土壤均匀沉降分布24 h，以达到初始条件完全相同的土壤剖面。试验土壤的田间持水率和初始含水率为32%和6%。

本研究是在矩形有机玻璃土箱内进行的滴灌施肥试验，通过透明的土箱外壁观测记录湿润锋的运移分布情况。土箱规格60 cm×50 cm×60 cm，滴灌滴头采用橡胶软管代替，采用马氏瓶为系统供水，滴头流量大小通过调节马氏瓶进气口的开度来控制。出水口位于矩形土箱1/4的棱角处，所以就以湿润体的1/4为研究对象，待出水口滴头流量达到稳定后固定好滴头，开始计时进行滴灌试验。

1.2 试验方法

试验共设3个控制因素，分别为滴头流量、施氮浓度和计划湿润层。其中滴头流量设0.3、0.5、0.7、0.9 L/h 4种不同处理(试验已经将湿润体的1/4作为研究对象，所以4种不同的滴头流量实际上分别相当于1.2、2.0、2.8、3.6 L/h的田间实际滴头流量)。试验以硝酸铵(分析纯)作为氮肥，灌溉水氮素浓度设200、300、400、500 mg/L 4个浓度梯度。研究表明，枸杞根系主要分布层和土壤水分活跃层位于0～40 cm土层[14]，因此以该深度作为试验的计划湿润层。试验采用完全随机试验设计，共16组试验。

开始供水滴灌试验后灌水在入渗过程中，在相同的时间间隔内用记号笔在土箱外侧标记湿润锋，通过黏贴在试验土箱外壁水平和垂直方向的刻度尺观测湿润锋随时间的运移距离。试验开始后每隔10 min记录一次湿润锋，等湿润锋间距变化不明显，再每隔30 min记录一次，湿润锋间距变化不明显，再每隔60 min记录一次，当垂直湿润锋运移深度达到350 mm后停止灌水，待湿润体内土壤水分均匀分布24 h后垂直湿润锋运移深度达到40 cm。为防止土壤水分蒸发，待灌水结束后用塑料薄膜进行覆盖。

2 结果与分析

2.1 同一施氮浓度下湿润锋运移规律

对于不同滴头流量不同施肥浓度条件下的滴灌而言，从灌水开始到灌水结束，入渗湿润锋的形状均近似为半椭圆(图1中只显示了1/4椭圆)。灌水初期，在相同的时间间隔内，湿润锋水平扩散距离明显大于湿润锋垂直运移深度，随着灌水时间的延长和灌水量的增加，湿润锋水平扩散距离与垂直运移深度在数值上趋于相等。随着灌溉的进行，湿润锋垂直运移深度逐渐大于湿润锋水平扩散距离。灌水前期，在相同的时间间隔内，湿润锋运移间隔最大，即水分在土壤中的扩散运移速度较大。随着灌水的延续，在较大时间间隔内湿润锋运移距离不断减小，说明在灌水后期土壤水分运移速度减小。

出现以上现象的原因是入渗初期，土壤含水量很小，土壤基质势最大，土壤水分在基质势的作用下向前迁移扩散。竖直方向相对于水平方向，土壤质地较大，孔隙较小不利用于水分的运移扩散。而水平方向土壤较松散，土壤孔隙较大，有利于土壤水分的迁移扩散，所以在灌水初期水平湿润锋运移距离大于垂直湿润锋运移距离。随着灌水延续，土壤含水率逐渐增大，部分土壤已经达到饱和，土壤基质势为零。湿润锋处在基质势和重力势的双重作用下，水分在竖直方向的运移速度大于水分在水平方向的运移速度，即垂直湿润锋运移距离大于水平湿润锋运移距离。

图1为不同滴头流量同一施氮浓度下湿润锋运移过程，h为入渗深度，L为水平距离。坐标系中的(0,0)点为滴头所在位置。从图1可以看出：在同一施氮浓度下，随着滴头流量的增大，在相同的时间间隔内湿润锋运移距离变大，水平湿润锋运移距离变化更显著，灌溉所形成的湿润面积增大，垂直湿润锋到达计划湿润层的时间越短。以上规律说明增大滴头流量能增大表层土壤湿润面积，减小灌水时间。这种情况更适合于瓜果蔬菜的灌溉。

图1 同一施氮浓度不同滴头流量下湿润锋运移过程

2.2 同一滴头流量下湿润锋运移规律

图2为同一滴头流量不同施氮浓度下土壤湿润锋的运移过程。从图2可以看出：同一滴头流量下随着肥液浓度的增加，在相同的时间间隔内水平湿润锋运移距离逐渐变小，垂直湿润锋运移距离相对变大。湿润锋剖面形状由最初的1/4圆面变成竖直1/4椭圆面，4个湿润锋面随着肥液浓度的增大而减小。以上现象说明，在同一滴头流量下进行滴灌灌溉，随着灌水氮素浓度的增大，水平湿润锋运移速度会逐渐变小，垂直湿润锋运移速度会逐渐增大。灌溉形成的湿润面积较小，能明显促进土壤水分的深层运移。所以在灌溉耐旱作物时，可以适当增加灌溉水肥液浓度，达到缩小土壤表层湿润面积，促进水分养分向根系深层运移的目的。

图2 同一滴头流量不同施氮浓度下湿润锋运移过程

结合图1和图2可知，肥液浓度和滴头流量都能影响土壤水分的分布情况，决定湿润锋运移距离的大小，而滴头流量的影响程度更大。灌水结束后，湿润体水分均匀分布24 h，湿润锋还会向前运移一段距离。滴头流量一定，肥液浓度越大湿润锋向前运移扩散距离越小。肥液浓度一定，滴头流量越大湿润锋向前运移扩散距离越大。通过累积入渗量和水量平衡原理计算可得表1，在同一滴头流量下，湿润锋到达同一计划湿润层时，灌水量随着肥液浓度的增大而减小，灌水历时随着肥液浓度的增大而减小。在同一肥液浓度下，湿润锋到达同一计划湿润层时，灌水量随着滴头流量的增大而增大，灌水历时随着滴头流量的增大而减小。

表1 不同处理下灌水量与灌水历时

出现上述规律的主要原因是：在滴灌施肥条件下土壤水分入渗湿润锋运移规律主要由土壤入渗率和滴头流量大小决定。当滴头流量小于土壤入渗率，即滴头流量为0.3和0.5 L/h时，土壤表面不形成积水。土壤水分在基质势和重力势的作用下，慢慢向四周扩散。水平湿润锋和垂直湿润锋运移速度基本相同，所形成的湿润体体积较小。随着灌水浓度的增大，土壤中溶质逐渐增大，有效促进了土壤水分的深层运移。当滴头流量大于土壤入渗率，即滴头流量为0.7和0.9 L/h时，土壤表面产生积水，形成积水入渗。表层土壤很快达到饱和，水平湿润锋在基质势的作用下迅速向前运移。在持续供水的情况下，水平湿润距离不断增大，所形成的湿润面积不断变大。在灌水后期，湿润体内土壤水分在重力势和压力势的作用下向深层运移。随着灌水浓度的增加土壤溶质势变大，促进了水分在竖直方向的运移扩散。

2.3 水平湿润锋随时间的变化规律

同一滴头流量不同施氮浓度处理下水平湿润锋随时间的变化规律见图3，不同滴头流量和不同施氮浓度下水平湿润距离与时间的拟合关系见表2，均满足幂函数L=atb。

图3 水平湿润锋随时间的变化规律

从表2可以看出幂指数b随滴头流量q和施肥浓度c无明显变化，其平均值约为0.32。而幂函数系数a随滴头流量的增加而增加，随施氮浓度的增大而减小。这表明水平湿润距离受滴头流量大小和施肥浓度高低的影响。从图3中可以看出灌水历时相同时，滴头流量越大，拟合曲线斜率越大，即水分水平扩散速率越大，相同时间间隔内水平湿润距离越大。同一滴头流量下，随着施氮浓度的增大，拟合曲线斜率越小，即水分水平扩散速率越小，相同时间间隔内的水平湿润距离越小。以上现象说明在同一施肥浓度下，增大滴头流量会扩大土壤湿润面积。在同一滴头流量下，增大施肥浓度能减小土壤湿润面积。这是因为随着滴头流量的增大，灌水强度逐渐大于土壤入渗能力，地表逐渐形成积水，从而加快了水分在水平方向的运移。随着施肥浓度的增大，土壤溶质迅速增大，随之土壤土水势也增大，加上土壤重力势的影响水分向竖直方向扩散，抑制了水分在水平方向的运移。

表2 水平湿润锋拟合式及相关系数

2.4 垂直湿润锋随时间的变化规律

垂直湿润锋运移距离与时间之间满足幂函数关系，拟合参数列于表3。图4给出了不同滴头流量和不同施氮浓度下垂直湿润距离随时间的变化规律。从表3中可以看出，幂指数b随滴头流量q和肥液浓度c无明显变化，而幂函数系数a随着滴头流量q的增大而增大，随施氮浓度c的增大而减小。这表明垂直湿润距离既受滴头流量的影响，也受施肥浓度的影响。

表3 垂直湿润锋拟合式及相关系数

图4 垂直湿润锋随时间的变化规律

从图4中可以看出，同一施氮浓度下随着滴头流量的增加曲线斜率增大，土壤水分垂直运移速度增大。说明增大滴头流量有利于土壤水分在竖直方向的运移；同一滴头流量下，随着施氮浓度的增大曲线斜率增大，水分垂向运移速度增大。说明增大施肥浓度有利于土壤水分的竖向运移。出现以上现象的原因是增大滴头流量，土壤很快达到饱和，在基质势和重力势的作用下加速了土壤水分的运移扩散。在同一滴头流量下，随着施肥浓度的增加，土壤溶质势增大及土壤水势增大，土壤水分迁移速度增大，促进了土壤水分的运移。

3 讨 论

在实际作物灌溉过程中，制定合理的灌溉制度十分关键。因此在充分了解作物根系分布的基础上，推算出灌溉定额以及灌水在根区土壤中的运移深度，就能实现精准适时适量灌溉，即能节约水资源又能减少人工投入，实现高效节水，提高作物产量的目的。

该研究表明，滴头流量和施肥浓度都会在一定程度上影响灌溉水在土壤中的运移分布规律。土壤水分的运移深度和扩散半径都会随着滴头流量的增大而增大，大滴头流量灌溉有利于扩大土壤湿润面积，小滴头流量有利于土壤水分向深层运移。当滴头流量一定时，增大施肥浓度可以促进土壤水分的竖向迁移扩散。当施肥浓度一定时，增大滴头流量可以增大土壤湿润体。灌水形成的水平湿润锋与垂直湿润锋都与时间满足幂函数关系，且系数a是随着滴头流量的增大而增大，随施肥浓度的增大而减小。因此可以通过函数关系来预测一定灌水时间内土壤水分运移深度。

本试验假设土壤均质各项同性来研究滴头流量和施肥浓度对灌溉水在土壤中运移过程的影响，没有考虑土壤其他物理性质对灌水在土壤中分布的影响；关于土体中水分运移深度与时间之间是否存在确切的数学关系，该研究还得出的结论还不够充分，滴头流量和施肥浓度对幂函数系数a的影响没有给出确切的影响因子，没有通过数学方法加以求证。所以在接下的研究中会是笔者重点研究说明的问题。

4 结 论

利用室内滴灌施肥试验，对饱和区水平湿润锋和垂直湿润锋进行了观测，分析了肥液浓度和滴头流量对土壤水分分布的影响，得出如下结论。

(1)滴头流量是影响土壤湿润体大小的关键因素。同一施肥浓度下滴头流量越大，灌水到达计划湿润层的时间就越短，形成的湿润体体积会越大，灌水结束后湿润锋继续迁移的距离会越大。

(2)施肥浓度是影响土壤水分分布的主要因素。同一滴头流量下施肥浓度越大，越有利于水分在竖直方向的扩散，形成的湿润体体积越小，灌水结束后土壤水分再分布的距离会越小。

(3)水平与垂直湿润锋运移距离受滴头流量和施肥浓度的影响。水平与垂直湿润锋运移距离与时间满足幂函数关系，幂指数b随流量q和施肥浓度c无明显变化，系数a随滴头流量的增加而增加，随施肥浓度的增大而减小。

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