不同施N浓度下滴头流量对土壤水分运移的影响研究

苏振娟，尹 娟,2,3，吴军斌，刘宇朝，刘学智

(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)

0 引 言

我国作为一个农业大国，水土资源的不足严重制约着我国的农业发展，尤其是我国西北地区经济作物的发展。因此，大力发展节水灌溉，推广节水农业，对实现水资源可持续利用具有重要意义，也是解决我国缺水危机的根本出路[1,2]。随着节水农业的快速发展，我国在新型节水灌溉方法上做了很多努力，并取得了一定成果。自20世纪90年代以来，节水灌溉得到了快速发展，而在众多的灌溉技术当中，滴灌是效果较为理想的方式之一。滴灌是一种根据作物需水量，通过灌水器将水和液体肥料小流量、长时间、高频率地灌溉到作物根区的一种现代精准节水灌溉技术[3,4]。相比传统灌溉方式，滴灌省水节能、灌水均匀度高，不仅有助于作物根系对水分、养分的吸收，也可防止深层渗漏和肥料流失等损失，对减弱土壤次生盐碱化和实现作物经济效益最大化具有现实意义[5,6]。适宜的水肥组合有利于作物协调生长，达到养分高效利用，实现以肥调水、以水促肥效果[7-9]。大多学者通过实验研究了灌水量和施肥量对水分分布、运移及湿润体特征等的影响，认为灌溉定额和施肥量是影响地下滴灌土壤水分运移和滴灌湿润体的决定性因素[10,11]。因此，对滴灌条件下土壤水分运移、湿润体特征及其影响因素的研究，是完善滴灌系统设计和提高滴灌水利用效率的前提和基础。

宁夏位于黄土高原、蒙古高原和青藏高原交汇处，属干旱半干旱地带，是我国生态安全战略格局的重要组成，也是我国旱区农业的主要发展地区之一。然而，干旱少雨、蒸发强烈、生态环境敏感复杂等问题使得宁夏水资源供需矛盾日益突出。随着我国节水农业布局的进一步完善，宁夏将成为西北地区最主要的旱区高效节水农业发展区之一，截止2017年底宁夏已发展高效节水灌溉面积15.3 万余hm2，其中微灌面积占全区高效节水灌溉面积的70%左右[12]。目前针对滴灌技术的研究主要集中在滴灌制度及滴灌参数设计上，然而关于滴灌对宁夏中部干旱带灰钙土壤水分运移及滴灌湿润体影响的研究较少。为了探明滴灌施肥对土壤水分运移规律的影响，文章开展了宁夏中部干旱带滴灌点源入渗土箱模拟实验，研究同一施肥浓度，不同滴头流量下土壤水分运移规律，为滴灌系统的设计、运行管理和提高作物水分利用效率提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

供试土壤取自宁夏中部干旱带吴忠市同心县下马关镇枸杞种植基地。土壤为灰钙土，基本物理参数如表1所示，土壤基本理化性质如表2所示。

表1 土壤物理参数Tab.1 Soil physical parameters

表2 土壤基本理化性质Tab.2 Basic physical and chemical properties of soil

1.2 试验设计

点源滴灌入渗实验由马氏瓶和矩形有机玻璃土箱组成，土箱长、宽、高为60 cm×50 cm×60 cm，滴头用橡胶软管代替，试验装置示意图如图1所示。根据枸杞生产实际情况，以0～40 cm深度作为试验的计划湿润层[13-15]。土壤自然风干、粉碎、过筛(2 mm)后，按5 cm一层进行分层装土，共8层，40 cm。装土后箱内土壤均匀沉降24 h，使土壤剖面初始条件完全相同。由于滴灌入渗时，水分运动形成的湿润体具有对称性，因此本实验选取滴灌形成湿润体的1/4为研究对象，试验过程中把滴头放在土箱的直角处[14]。待出水口滴头流量达到稳定后固定好滴头，开始试验并计时，待垂直湿润锋运移深度为350 mm处停止灌水。

图1 试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the test device

1.3 试验方法及观测内容

试验共设2个因素，分别为滴头流量和施氮浓度。滴头流量为0.3、0.5、0.7、0.9 L/h(q1、q2、q3、q4)；氮肥(硝酸铵)浓度为200、300、400、500 mg/L(N1、N2、N3、N4)。采用完全随机组合设计，总计16组实验。试验将湿润体的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。

滴水24 h后用直径为2 cm的土钻分层取土，纵向和横向取土间距均为5 cm，直至未湿润土壤停止。土壤含水率用烘干法测定。

2 结果与分析

2.1 水平向土壤含水率变化规律

通过对深度0～40 cm的水平向土壤含水率统计分析(如表3所示)，发现0～20 cm土层含水率的显著性高于20～40 cm。所以本文着重探讨0～20 cm土层水平方向含水率变化规律。

表3 0～40 cm土层深度滴头流量对含水率的影响统计Tab.3 Statistical analysis of the influence of the drip rate at the depth of 0～40 cm on the moisture content

注：P<0.05为显著。

2.1.1 滴头流量对水平向土壤含水率变化的影响

图1为同一施氮浓度，不同滴头流量下0～20 cm耕作层水平向土壤含水率的变化过程。施氮浓度为N1时，滴头流量q1、q2、q3、q4的水平向土壤含水率分布在13.06%～19.26%、14.19%～20.43%、14.72 %～21.19 %和14.93%～21.60%，含水率差随滴头流量的增大而增大；N2水平下，滴头流量q1、q2、q3、q4的水平向含水率在14.21%～20.23%、15.37%～20.60%、15.38%～21.50 %和16.10 %～21.89 %，滴头流量含水率差大小关系为q3>q1>q4>q2；N3水平下，滴头流量q1、q2、q3、q4的水平向含水率在15.68%～20.66%、15.91%～20.81%、16.21%～21.07%和16.42%～21.66%分布，其中q4的含水率差最大(5.24%)，q3最小(4.86%)，而q1和q2的相差不大；N4水平下，q1、q2、q3和q4含水率分布在16.04%～20.26%、16.51%～20.76%、17.06 %～21.31 %和17.33%～21.87%，含水率差分别为3.86%、4.25%、4.25%和4.54%。由此可以得出，当施氮水平一定时，滴头流量越大，滴头距离相同处的水平向含水率越高，且土壤含水率差越大；随着施氮浓度的增大，不同滴头流量对0～20 cm耕作层水平向土壤含水率分布的影响逐渐减弱。

点源滴灌入渗过程中，湿润体含水率经过了24 h的再分布，受水势梯度的影响，水分向四周扩散。并且在湿润范围内每个点处的含水率与周围各点的含水率都不相同。离滴头愈远，基质势和土壤的吸附作用越弱，湿润体含水率愈小；在相同灌水时间内滴头流量越大，总灌水量也就越大，基质势和土壤的吸附作用越强，相应含水率就大。故在0～20 cm土层时，滴头流量对该层土壤水平向含水率影响较大。

图2 0～20 cm土层不同滴头流量对水平向土壤含水率分布的影响Fig.2 Influence of different tip flows in soil layer 0～20 cm on horizontal soil moisture content distribution

2.1.2 滴头距离对水平向含水率的影响

由不同滴头流量水平向土壤含水率分布状况可知，无论施氮水平和滴头流量如何，0～20 cm土层的土壤含水率均随距滴头距离的增大而降低，且在湿润锋附近减幅明显。为了量化土壤含水率与滴头距离之间的关系，对0～20 cm土层土壤含水率与滴头距离进行了非线性拟合，得出含水率与滴头距离满足二次多项式θ=AX2+BX+C(如表4所示)，并且拟合效果较好。从表4可以看出多项式系数A、B随滴头流量和施肥浓度的变化无明显差异，其平均值分别为-0.003 72和0.023 53。而系数C在同一施氮浓度下，随滴头流量的增大而增大，进一步说明水平方向含水率受滴头流量的影响较大。

表4 水平方向含水率拟合关系式及相关系数Tab.4 Horizontal relationship of water content fitting relationship and correlation coefficient

2.2 竖直方向土壤含水率变化规律

2.2.1 滴头流量对竖直方向土壤含水率变化的影响

图3为同一施氮浓度不同滴头流量下，湿润体竖直方向含水率的分布规律，从图3可以看出随着深度的增加，含水率不断减小；靠近湿润锋处，滴头流量越大，减幅越明显。当施氮浓度为N1，滴头流量为q1、q2、q3、q4时湿润体含水率在14.83%～19.27%、15.08%～20.54%、15.44%～21.39%和15.61%～21.71%范围内，且含水率差值随着滴头流量的增大而增大；N2水平下，滴头流量q1、q2、q3、q4的含水率在15.69%～20.16%、15.80%～20.65%、16.80%～21.57%和17.16%～21.96%间分布，且含水率差的大小关系为q2>q4>q3>q1；当为N3时，滴头流量q1、q2、q3、q4对应的含水率分布范围为15.95%～20.69%、16.21%～20.79%、16.50%～21.20%、16.69%～21.45%，其中滴头流量为q4时的含水率差最大，而q2的含水率差最小；N4水平，滴头流量q1、q2、q3、q4对应的含水率分布范围为16.46%～20.80%、16.88%～20.88%、17.18%～21.50%和17.71%～21.99%，滴头流量q1的含水率差最大为4.34%，而q2的最小为4%。

水分在竖向分布过程中，主要受基质势和重力势的共同作用，随着滴头流量的增加，灌水量增大，重力势增加，土壤水分向下运动增强，使得同一施氮水平下，滴头流量越大，湿润体深度越大，含水率范围扩大。

图3 不同滴头流量对竖直方向含水率的影响Fig.3 The influence of different droplet flow rate on vertical moisture content

2.2.2 滴头距离对竖直方向含水率分布的影响

由不同滴头流量对竖直方向土壤含水率分布的影响可知，竖向土壤含水率均随滴头距离的增大而逐渐降低，且在湿润锋附近减幅明显；为了量化竖向土壤含水率与滴头距离之间的关系，对竖向含水率与滴头距离关系拟合，发现含水率与距滴头深度的也满足二次多项式θ=AX2+BX+C，并且拟合效果良好，具体拟合关系见表5。从表5可以看出多项式系数A、B随滴头流量和施肥浓度无明显变化，其平均值分别为-0.001 26和0.030 18。而系数C在同一施氮浓度下，随滴头流量的增大而增大。这也说明了，竖直方向含水率也受滴头流量的影响较大。

表5 竖直方向含水率拟合关系式及相关系数Tab.5 Vertical relationship of water content fitting relationship and correlation coefficient

因为竖向相对水平方向，土壤质地较大，孔隙较小，不利于水分的运移扩散，含水率相对较大。故综合对比水平方向与竖向含水率变化规律及拟合函数关系，可以发现同一施氮浓度和滴头流量条件下竖向含水率大于水平向含水率。同时通过以上分析发现，当施氮浓度为N3(300 mg/L)时，不同滴头流量对土壤水平方向和竖直方向水分分布的影响较其他施氮水平显著。

2.3 水平向和竖直向含水率分布规律

为综合研究4种滴头流量作用下土壤含水率水平方向和竖直方向分布规律，以滴头所在位置为坐标原点(0，0)，规定竖直向下为正，用Surfer软件绘出施氮量在300 mg/L的等值线图，在图中，X与Z的物理意义是表示：到达滴头的水平与竖直距离的远近。

从图5可以看出距原点越近，含水率等值线分布越密，距原点越远，含水率等值线分布越疏。表明在点源滴灌下，距滴头越近，土壤含水率越高，距滴头愈远含水率愈低，且湿润区上部含水率变化率小而下部含水率变化较大。滴头流量为q1时，湿润区上部(0～20 cm)含水率等值线大体呈“U”形分布，湿润区中部(20～30 cm)含水率等值线大体呈“屋脊形”，湿润区下部(30～40 cm)含水率等值线大体呈水平带状分布；滴头流量q2与q1的含水率分布规律一致；滴头流量q3的湿润区上部呈“U”形分布，中下部呈近似水平直线分布，土壤含水率等值线逐渐趋于平缓，等值线较密；滴头流量为q4时，湿润区上部呈“尖U字形”分布，中下部呈“屋脊形”分布。点源滴灌入渗下，土体经过24 h再分布，受水势梯度的作用，水分向四周扩散，从水势高的地方运动到水势低的地方，水分含量不断减小；随着时间推移，水势梯度逐渐减小，水分含量变化逐渐平稳呈现出疏到密的分布规律。

图4 不同滴头流量下湿润体含水率等值线图分布Fig.4 Distribution of contour map of wetted water content under different dripper flow rates

4种流量滴头下方土壤含水率都小于饱和含水率(饱和含水率22%)，但随着滴头流量增加，滴头下方高含水区(土壤含水率≥20.5%)范围在扩大，而且高含水区距地表的范围也在不断增大。由表6可以看出，流量较小时，滴头下方形成的高含水区距地表的距离小。随着滴头流量的增大，相应的最大含水率也在增大。湿润锋附近含水率也随着滴头流量的增大而增大。因此，小流量滴灌可能对抑制地表蒸发具有积极作用。但是大流量会破坏周边土壤结构。所以在选用滴头流量时，要考虑滴头流量是否会破坏滴头附近的土壤。

表6 不同滴头流量下高含水区情况Tab.6 High water-bearing area under different dripper flow rates

3 结 语

通过室内试验点源滴灌条件下土壤水分运移过程分析可以得出以下结论。

滴头流量是影响土壤湿润体含水率的主要因素。同一施肥浓度下滴头流量越大，同一位置处的含水率越大。

竖直方向含水率大于水平向含水率。同一施氮水平下，在竖直方向，随着滴头流量的增加，竖直方向的重力势增加，越有利于水分在竖直方向的扩散，相应湿润体含水率较高。

湿润区上部含水率等值线大体呈“U字形”分布，中部含水率等值线大体呈“屋脊形”，下部含水率等值线大体呈水平带状分布，湿润体水分分布呈上部复杂、下部简单的特征。

滴头下方存在高含水区，且随着滴头流量的增加，高含水区范围不断增大。且湿润锋附近含水率也随着滴头流量的增大而增大。

滴头流量和施氮浓度都会在一定程度上影响灌溉水在土壤中的分布规律。滴头流量是影响水分在土壤中主要因素，这与张亚南[16]研究得出的结论一致。土壤含水率大小随着滴头流量的增大而增大，大流量滴头灌溉有利于扩大土壤湿润面积，小流量滴头有利于抑制土壤蒸发。

本实验假设土壤均质各向同性，没有考虑土壤其他物理性质对灌水在土壤中分布的影响。在接下来的研究中，要考虑不同土壤类型、容重对含水率的影响。