间接地下滴灌下水分及硝态氮的分布运移

周少梁，孙三民

(塔里木大学水利与建筑工程学院，新疆 阿拉尔 843300)

间接地下滴灌是1种新型的高效节水灌溉技术,它由普通地表滴灌与布设在滴头下方土壤中的导水装置构成,导水装置包括了上部不透水边界(PVC管),下部透水边界和透水底部(砂粒层),水由滴灌管经带有调节阀的小管滴入到导水装置,再通过导水装置中的粗砂到达透水边界,最终由透水底部入渗到根区土壤[1].与一般地表滴灌比较，间接地下滴灌可减少地表蒸发；与地下滴灌比较，又避免了滴头易堵塞的问题.

在我国北方灌溉农业体系中，严重存在着农作物收获后土壤中硝态氮残留问题[2]，累积的硝态氮没有及时被作物吸收利用，若此时气候湿润或进行大量灌溉，硝态氮将会发生向下移动甚至淋失，进一步迁移至地下水[3-4].为了合理的设计地下滴灌系统、有效管理灌溉用水，必须根据地下滴灌条件下的土壤水分运动规律和作物的生长特性，选取合理的设计参数，使得地下滴灌能够显著提高作物产量和水分利用效率[5-6].

关于滴灌点源入渗规律的研究有较长的历史[7-8]，滴灌的土壤水分运动机理、集水区的作用以及湿润锋也有许多文献表述,并发现湿润锋水分运动不仅与滴水量有关还与土壤质地、滴头流量有关[9-11].地埋式滴灌土壤含水量随着土壤深度的增加而增大,土壤总盐含量随着土壤深度的增加呈对数递减趋势,土壤盐分与水分的变化相反[12].在地下滴灌条件下土壤湿润体近似于圆柱，周围湿润锋处的盐分较高，与含水率分布相反[13]；此外，毛管埋深的增加会降低表层土壤的水分含量、增加硝态氮含量[14].间接地下滴灌湿润锋与时间有明显的幂函数关系，且大流量会使土壤湿润锋距离减小，增加出水口处的土壤含水率[15-16]，积水深度会促进水分在水平方向的运移[17].

近年来，我国农业生产过量使用氮肥的现象比较普遍，造成了氮肥利用率低，资源浪费和环境污染等问题，特别是硝态氮的淋失造成了地下水的污染[18-19].而目前关于间接地下滴灌下的土壤盐分研究多是通过测定电导率来分析盐分分布，有针对性的关于仅硝态氮1种离子在土壤中的运移研究较少.

本文以室内间接地下滴灌试验为基础，研究了不同肥液浓度下土壤湿润体硝态氮含量变化分布，结合作物根系的发展特征选择合适的化肥施用量，旨在为间接地下滴灌对不同作物的应用提供帮助，降低硝态氮的淋失，提高养分利用率，防止水土污染.

1 材料与方法

1.1 试验材料

室内试验于2017年10～12月在塔里木大学水利与建筑工程学院灌溉试验基地进行，试验系统由有机玻璃试验土箱和供水装置组成.试验土箱用厚度8 mm的有机玻璃做成长×宽×高为500 mm×500 mm×500 mm 的立方体.土槽壁上以5 cm为1个单位标出长宽高的刻度，供水装置为提供恒定水头的马氏瓶.

1.2 试验方法

试验所采用的土壤为灌溉试验基地的土，土质为沙壤土，土壤的初始硝态氮含量为1.7 mg/kg，风干后过1 mm土筛清除杂质再装入有机玻璃土箱，试验土样分层装入土箱，每5 cm为1层，层间打毛，土壤设计容重为1.40 g/cm3，土样装入土箱自然沉降24 h以后再进行试验.

为了便于观测水分运移情况，试验导水装置中将圆柱形PVC管从正中间劈开，用胶布固定在土槽壁的内侧的1/2处，PVC管下端为5 cm砂石，先将砂石导入PVC管中，再将PVC管向上提，形成半圆体的砂体与土壤接触，砂体上层距土层表面的距离固定为20 cm.

灌水时间为2 h，流速为3 L/h.为了研究间接地下滴灌模式下土壤水分硝态氮的运移特征，采用南疆地区果树种植普遍使用的滴灌冲施肥配置肥料溶液，该肥料总养分大于40%、氮元素含量大于14%.根据当地果树施肥量为依据设置肥液的浓度梯度，分别为300、600、1 000、1 300 mg/L.测定其湿润锋运移情况、含水率以及硝态氮含量，各处理组具体情况如表1所示.

表1 试验方案

灌水过程中使用秒表计时，在灌水的前1 h内，每隔10 min用黑色记号笔在土箱上描出湿润锋位置，1 h后每隔15 min画1次湿润锋的位置，直至灌水结束，用钢尺在土箱侧面从出水口初处分别沿水平向左、竖直向下方向测量土壤湿润锋的运移距离，同时记录下对应时间.

灌水结束24 h后，用直径1cm土钻，在PVC管外侧沿横纵方向每隔5 cm设置1个点取样，每个点处垂直向下每隔5 cm取样，共取土样72个，土样采用烘干法测含水率，烘干后称取5 g干土用法国Alliance公司的SmartChem200间断化学分析仪测其土壤中的硝态氮含量.

1.3 数据处理

试验数据采用Microsoft Excel处理.

2 结果与分析

2.1 间接地下滴灌土壤湿润锋的运移

湿润锋随时间的形状变化如图1所示(图中的方框为砂层)，在4个处理中，每次的灌溉水量和灌水时间相同，对湿润锋的影响基本相近，故选择其中T4处理做为代表进行分析.由图1可以看出，在T4处理下湿润锋的形状近似于椭圆的形状，这是因为水平左右方向的入渗条件相同，故呈现出左右基本对称的现象.随着灌水时间的增加，湿润锋向下的运移距离要大于湿润锋向上的运移距离.120 min以后，4个方向上，竖直向上和向下的湿润锋运移距离不同，且和水平方向的湿润锋运移距离不同,以水平方向的距离为最大,垂直向上的为最小,这可能是由于垂直向上方向水自身的重力抵消了部分土壤吸力.

图1 土壤湿润锋的运移Figure 1 Soil moisture front movement

湿润锋运移距离随时间变化而变化的情况如图2所示，滴灌初期,土壤初始含水率较低,土壤入渗能力大,入渗较快.随着水分的不断入渗,土壤含水率增大,其入渗能力减小入渗变慢[20].在入渗初期,滴头周围土壤为干土,土壤吸力为水分运移的主要作用力,各个方向吸力基本一致.前20 min水平和竖直向下方向湿润锋运移速度基本相同，20 min后水平方向的湿润锋运移速度大于竖直向下的湿润锋运移速度.而后，水平方向的湿润锋运移距离要大于竖直向下的湿润锋运移距离，这一现象与土壤容重和流速有关，对于质地较沙的沙壤土,土壤容重越大,水平湿润锋的迁移越快,这是由于容重增加土壤非饱和导水能力增大的缘故[21].本试验中沙壤土容重为1.40 g/cm3，容重较大，所以水平方向的湿润锋运移较快；此外还与水流速有关，当流速过大，土壤入渗速率变慢，滴灌管内出现积水时，也会加大水平方向湿润锋的运移速度.

在T4处理下，灌水2 h后，水平方向上向右的湿润锋最大湿润距离为21.2 cm，大于竖直方向向下的最大湿润距离17.7 cm.土壤湿润锋的水平方向运移距离和垂直方向运移距离与灌水时间的变化符合二次函数关系：

x=At2+Bt+C

(1)

y=At2+Bt+C

(2)

式中，x为湿润锋水平运移距离(cm)；y为湿润锋竖直运移距离(cm)；t为灌水时间(min)；A、B、C为拟合参数；边界条件t>0.

图2 T4处理湿润锋运移距离随时间的变化Figure 2 T4 processing moisture front migrationdistance change with time

以上的拟合曲线的相关系数R2都大于0.99，拟合关系达显著水平，表明两者之间具有良好的二次函数关系，所以当流量固定，土壤条件已知的状况下，可以通过灌水时间来预测湿润锋的运移距离，控制灌水时间，起到精确灌溉的目的.

2.2 土壤含水率的分布规律

水平方向平均土壤质量含水率(将竖直方向上的土壤含水率取平均值)的变化曲线如图3所示.从出水口水平向右至土箱边界处，土壤含水率与其所处的水平位置密切相关，含水率变化的整体趋势是随着入渗距离的增加而逐渐减小,最靠近出水口处的含水率最高为12.03%，距离出水口15 cm处的含水率最低为5.25%.采用二次函数来拟合2者之间的关系：

θm=-0.029x2-0.0307x+12.129R2=0.9929

(3)

式中，θm为土壤质量含水率(%)；x为湿润锋水平运移距离(cm).

以上的拟合曲线的相关系数R2大于0.99，拟合关系达显著水平，表明2者之间具有良好的二次函数关系.

图3 土壤含水率随水平距离的变化Figure 3 Soil moisture content changes with horizontal distance

图4所示为竖直方向平均土壤质量含水率(将水平方向上的土壤含水率取平均值)的变化曲线，以出水口处为横坐标原点，向下为正，向上为负.如图4所示，土壤含水率与竖直位置密切相关，在出水口下方5 cm处的含水率最大，为15.73%，其上下2侧的土壤呈现含水率随着和水源处的距离增加而含水率降低的规律,最上层和最下层的土壤没有被水浸湿，为初始含水率1.20%.整个图像明显可看到水源处下部的含水率基本大于上部含水率，这可能是因为重力作用，使得水分向下的扩散能力更强，致使出水口下部土壤含水率更高.采用二次函数来拟合2者之间的关系：

θm=-0.0279y2+0.1448y+14.925R2=0.9928

(4)

式中，θm为土壤质量含水率(%)；y为湿润锋竖直方向运移距离(cm)；以上的拟合曲线的相关系数R2大于0.99，拟合关系达显著水平，表明2者之间具有良好的二次函数关系.

图4 土壤含水率随竖直距离的变化Figure 4 Soil moisture content changes with vertical distance

间接地下滴灌条件下，土壤含水率的变化与距离出水口的位置呈显著相关关系.随着灌水时间的增加,湿润半径不断增大,而湿润区也随之不断增大.随着距出水口距离增加,土壤含水率降低.这与入渗过程中土壤结构的变化有关，土壤团聚体遇到水湿润时会膨胀崩解,土壤孔隙度降低,形成不透水的结皮,导致土壤入渗率下降[22].

2.3 土壤硝态氮的分布规律

图5所示为不同处理下的土壤硝态氮含量随水平距离变化图.肥液浓度为300 、600、1 000 mg/L时，在水平方向0～10 cm内，硝态氮含量随水平距离x的增加而减少，与水平方向土壤含水率分布相似，呈递减趋势，说明间接地下滴灌施肥水分运动状况显著影响硝态氮在土壤中的运移分布,土壤含水量高处硝态氮含量较高.

当肥液浓度为1 300 mg/L时，硝态氮在湿润体中的分布随水平距离增加呈现出先增加后减少的趋势，在距离水源5 cm处达到最大值.这是因为高浓度的肥液，含有的硝态氮相对饱和，随着水平距离的增加，土壤中含水率降低，硝态氮不断析出，在距水源5 cm处持续聚集，使得硝态氮含量在此处最大，而后递减.

图5 土壤硝态氮含量随水平距离的变化Figure 5 Soil nitrate nitrogen content changes with horizontal distance

图6所示为距出水口不同水平距离竖向硝态氮分布变化图，a、b、c分别为距离出水口0、5、10 cm的竖向硝态氮分布情况.在T4处理下，土壤中硝态氮的含量与含水率分布基本相反，含水率高的地方硝态氮含量低，含水率低的地方硝态氮含量高.在接近出水口处土壤硝态氮含量接近0%，首先是因为肥液的浓度特别低，其次硝态氮主要以溶质的形式存在于溶液中，低浓度的肥液在入渗过程中表现出对硝态氮的淋洗作用，肥液在入渗过程中不断将硝态氮运移至距出水口最远处聚集.

T1、T2处理下，土壤中硝态氮的含量与含水率分布基本相同，含水率高的地方硝态氮含量高，含水率低的地方硝态氮含量低，土壤中硝态氮的含量在接近出水口处达到峰值，随着与出水口距离增加，硝态氮浓度呈降低趋势，在土壤湿润体边缘没有明显的硝态氮积累；在T3处理下，由图6-A可知，在出水口附近硝态氮积累比较明显；由图6-B可知，距离增加，硝态氮含量降低，硝态氮积累比较微弱，且在不同水平距离下都在湿润体边缘出现硝态氮的积累.

3 讨论

硝态氮在土壤中很少被土壤颗粒所吸持,主要以溶质的形式存在于土壤溶液中[23].因此硝态氮的分布与土壤含水率有很大关系.经本试验验证，当肥液浓度较低时，土壤中硝态氮分布与土壤含水率成反比；当肥液浓度较高时土壤中硝态氮的分布与土壤含水率成正比.硝态氮在土壤中属于非反应性离子,土壤吸附力极弱，其运移受对流作用控制,表现为硝态氮随土壤含水量增量的增大而聚集[24].而在10～15 cm阶段硝态氮含量又呈现小幅度上升，说明在湿润体边缘硝态氮出现累积现象[25]，这是因为在这段距离水分运移能力相对较弱，致使硝态氮运移变弱，从而出现硝态氮聚集现象.通过T2、T3、T4

图6 距出水口不同水平距离下的硝态氮含量竖向分布的变化Figure 6 Vertical distribution of nitrate nitrogen at different horizontal distances from the outlet

对比可知土壤硝态氮浓度随肥液增加而增加.

李久生等[26]用HYDRUS-2D模拟地表滴灌土壤水分和硝态氮的运移分布.模拟结果指出,不同滴头流量、灌水量和肥液浓度条件下,硝态氮均在湿润土体边缘累积.在本试验中，T3、T4符合前人的研究结果，而T1、T2中硝态氮的峰值出现在出水口处，且湿润体边缘没有明显积累现象，可能是肥液浓度较高，进入土壤后水分被土壤吸收致使硝态氮析出，故在出水口附近硝态氮含量达到最大值，整个入渗过程就是硝态氮的不断析出过程，而没有出现淋洗现象，所以湿润锋附近没有明显的硝态氮积累.

孙三民等[27]在田间试验证明，盐分积累在湿润锋附近，但上湿润锋的盐分含量远远大于下湿润锋的盐分含量，与本试验现象不同.该试验中上下湿润锋的硝态氮含量基本相近.造成该现象的可能原因是大田环境中的土质不均，土壤容重不均，下层土壤密度过大，而土箱试验全为均质沙壤土，上下层密度相对均匀.另一方面室外试验受天气影响，蒸发加速了上层湿润锋的水分散失，致使盐分在表层积累；但这些因素对土壤湿润锋运移的影响较小.

4 结论

在灌水流速为3 L/h的条件下，用土壤容重为1.40 g/cm3的沙壤土进行间接地下滴灌，灌水2 h.随时间推移，水分在水平方向运动距离比竖直方向的运动距离远，各方向湿润锋运移速度随时间减慢，水平方向运移速度大于竖直方向的运移速度，且湿润锋的运移情况与时间2者之间具有良好的二次函数关系.

在间接滴灌条件下，土壤的平均含水率在水平方向上呈现从水源处向外围依次递减.在竖直方向上的变化情况与水平方向相似，从水源处向上下两边依次递减.随着入渗水量的增加，水分的重力作用增强，土壤毛细管力减弱，使得水分向下入渗速率大于向上入渗速率，故下部的含水率要略高于上部，越靠近水源处的各点含水率越高.

硝态氮的分布情况与土壤含水率和肥液浓度有很大关系.低浓度的肥液对硝态氮淋洗情况严重，故在水源处的硝态氮含量最低，且在湿润峰附近出现硝态氮积累，土壤含水率与硝态氮含量成反比；高浓度的肥液容易析出，故在水源处出现硝态氮的积累，达到峰值，与土壤含水率成正比.