压力水头和施氮量对微润灌土壤水氮运移的影响

郭晗笑，申丽霞，樊 耀，牛 爽，杨 玫，孙雪岚，刘荣豪

（太原理工大学 水利科学与工程学院，太原 030024）

0 引 言

【研究意义】微润灌溉水肥一体化是将肥料充分溶解到水中，通过半透膜管以线源连续出流的方式输送至作物根区，微润灌条件下水肥一体化的水氮运移和分布是微润灌系统设计和管理的重要依据。【研究进展】目前关于微润灌溉土壤水分运动规律的研究大多集中于初始土壤含水率[1]、压力水头、微润管埋深、土壤体积质量、质地[2-6]等，以及微润灌溉条件下土壤水分运动数值与模拟研究[7-8]。前人关于水肥运移规律的研究大多集中在喷灌、滴灌、沟灌、畦灌等灌溉方式上[9-12]，贾腾月[13]通过室外种植试验研究了微润灌溉模式下水氮盐运移规律，但关于微润灌水肥一体化模式下水氮运移的研究还较少。

【切入点】土壤中的氮素形态分为有机氮和无机氮二大类，以有机氮为主；无机氮主要是硝态氮和铵态氮，都能直接被植物吸收利用。尿素是目前使用较普遍的一种有机氮肥，进入土壤后以分子状态存在，部分可以以分子状态被作物吸收，也可在土壤中经过各种矿化过程产生铵态氮、硝态氮供作物吸收利用。鉴于尿素适宜采用深施方法，可减少氮肥损失量[14]，因此本试验将分析纯尿素溶于水作为肥液入渗，以微润灌溉这种新型的地下灌溉节水技术为依托，进行了室内土箱模拟试验。【拟解决的关键问题】探究不同压力水头和施氮量对湿润体内水氮分布的影响，以期为微润灌水肥一体化的广泛推广提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验概况

试供土壤取自山西省太原市尖草坪区芮城村，在太原理工大学校内水利实验室进行，室内温度26～29 ℃。将土自然风干、碾压后，采用MS2000 型激光粒度分析仪测定，土壤自然堆积状态下粒径级0.02 mm＜d≤2 mm、0.002 mm＜d≤0.02 mm、d＜0.002 mm 颗粒分别占36.63%、43.00%、20.36%，根据国际制土壤划分标准，属于黏壤土。试验土壤体积质量为1.35 g/cm3，初始土壤含水率8%、硝态氮量为21.68 mg/kg，铵态氮量为2.24 mg/kg，pH 值为7.2。

1.2 试验装置

试验装置如图1 所示。由土箱、微润管（内径16 mm）、输水管（Φ16PE 管）、马氏瓶、水室、阀门、活动支架等组成。土箱由有机玻璃板制成，尺寸为100 cm×40 cm×40 cm（长×宽×高），其二侧面中心位置各开一个18 mm 的圆孔以布置微润管，在远离活动支架一侧的有机玻璃板上按照取土位置开孔径20 mm 的圆孔，装土时用木塞封闭圆孔。各断面微润管埋设位置为参考原点，沿与微润管带垂直方向（H）和水平方向（R）5、10、15 cm 处为取土位置。活动支架水平放置，可通过调节支架高度以控制压力水头。马氏瓶和水室内径为100 mm，由带有刻度的有机玻璃管制成，二者通过带有阀门的输水管连接，水室液面与微润管的高差即为压力水头。

图1 试验装置 Fig.1 The figures of experiment installing

1.3 试验方法及测定内容

试验在室内进行，无其他自然环境因素的干扰。试验前根据土壤体积质量1.35 g/cm3分层填土，每间隔5 cm 振捣、打毛，确保土壤颗粒充分接触，填土至20 cm 深时埋置微润管。试验设置6 个处理（见表1），每个处理重复3 次。根据施氮量称取相应质量的分析纯尿素溶于水中为入渗溶液，加入马氏瓶。打开全部阀门，排除管内的空气，通过调节水室水面高度设定所需压力水头，同时开始记录马氏瓶刻度，计算累积入渗量。入渗的前12 h 每隔2 h 记录1 次马氏瓶刻度，之后每隔4 h 或12 h 记录1 次，并在土箱一侧描绘湿润锋运移位置，入渗132 h 后关闭阀门。使用外径为20 mm 的取土器取土样，采用烘干法计算土壤含水率，铵态氮量、硝态氮量采用2 mol/L 的KCl 浸提，紫外分光光度计测定。

表1 试验处理 Table1 Experimental treatments

2 结果与分析

2.1 累积入渗量

图2（图中**代表相关极显著）为压力水头为1、1.5 m 下3 个施氮量处理的水分累积入渗量随时间的动态变化。由图2 可知，累积入渗量均随时间呈线性增加，线性拟合发现，T1、T2、T3、T4、T5、T6 处理的趋势线斜率分别为0.072 1、0.054 2、0.043 0、0.081 3、0.065 3、0.057 3，对应的分别为0.995 8、0.997 0、0.996 4、0.996 8、0.995 5、0.996 4，为线性增函数，各处理微润管均为均匀出流。经过132 h 的入渗后，各处理的累积入渗量分别为9.12、6.68、5.59、10.55、8.34、7.24 L。

图2 1、1.5 m 压力水头各处理累积入渗量 Fig.2 Cumulative infiltration under 1、1.5 m pressure head

入渗溶液氮素量相同时，线性回归趋势线的斜率、累积入渗量均为压力水头1.5 m＞压力水头1 m，表明在微润灌溉下，压力水头提供的压力势为入渗的主要驱动力，压力水头增大，入渗界面压力势随之增加，导致入渗速率与入渗量增大，这与前人的研究成果一致[2]。压力水头相同时，趋势线斜率、累积入渗量均表现为T1 处理＞T2 处理＞T3 处理、T4 处理＞T5 处理＞T6 处理，即微润管内氮素量对出流速率有影响，且随着入渗时间的延长，不同施氮量下的累积入渗量差异也越来越大。微润管内液体浓度增大导致膜内外水势差减小，入渗液氮素量越大，入渗速率越慢，入渗量越小。入渗后期，实测的累积灌水量逐渐趋于拟合的趋势线以下，这是由于微润管附近土壤含水率增加，出流受基质势影响减小。

2.2 湿润体及土壤含水率

T1、T2 处理土壤湿润体的大小随时间的变化过程如图3 所示。为了观测氮肥入渗液对湿润体大小和形状的影响，分别选取2 个处理的左、右1/2 湿润体为研究对象。从图3 可以看出，湿润体横剖面形状为以微润管为中心近似呈圆形，且随着入渗时间的加长，湿润体横剖面面积逐渐增大。

图3 T1、T2 处理不同时刻湿润锋 Fig.3 Wetting front of different time under T1 and T2 treatments

湿润锋运移随时间的变化可拟合为幂函数关系，表2 反映了湿润锋垂直向上运移距离Y 与时间t 的拟合函数关系：Y=atb（a 为入渗系数，b 为入渗指数）。压力水头相同时，随着入渗肥液氮素量增加，入渗系数和运移速率减小。入渗肥液氮素量相同时，压力水头增大，入渗系数和运移速率增大。湿润锋推进速率随时间加长逐渐减缓。入渗初期，各方向运移距离几乎相等。24 h 后明显表现为垂直向下方向的运移距离最大，垂直向上方向与水平方向运移距离相近的规律，主要原因是在入渗初期，土壤含水率较小，土壤水分运动受基质势的影响较大，重力对水分运动的影响较小。随着微润管带附近土壤含水率增大，基质势的作用逐渐减小，土壤水分运动受重力势的作用越来越大。入渗结束时，T1、T2、T3、T4、T5、T6 处理湿润锋垂直向上运移距离分别是18.4、16.8、16、20、18.6、18.3 cm，且T1 处理＞T2 处理＞T3 处理，T4 处理＞T5 处理＞T6 处理，表明肥液的湿润锋运移距离均小于清水入渗，肥液质量浓度越大，湿润锋运移距离减小，且随着入渗时间延长，肥液质量浓度对湿润锋运移距离的影响更为明显。

表2 湿润锋垂直向上运移距离随时间的拟合结果 Table 2 Fitting result of wetting front migration distance with time in vertical up direction

根据入渗132 h 后实测的湿润体内不同位点土壤含水率数据，利用surfer 11 软件绘制不同处理的湿润体剖面水分等值线图，如图4 所示（H、R 表示垂直和水平坐标）。由图4 可知，T1、T2、T3、T4、T5、T6 处理距微润管中心5 cm 附近土壤水分等值线含水率分别为19.5%、18%、17%、21%、20%、19.5%，随入渗距离的增大逐渐减小。微润管埋深20 cm 时，对微润管垂直方向-20～15 cm 的土层水分影响显著，入渗液含氮量对湿润体内土壤水分分布也产生一定影响。T1、T2、T4 处理较T3、T5、T6 处理水分受重力势的作用更为明显，湿润体中心处于微润管带中心位置偏下，说明施肥促进了土壤的保水能力。湿润体在相同位置相同时刻，压力水头增大，土壤含水率增大，入渗液含氮量增大，土壤含水率减小。

2.3 铵态氮量

图5 为1、1.5 m 压力水头下不同处理微润管带垂直方向（R=0 cm）铵态氮量分布图。由图5 可知，试验结束时，相同位置铵态氮量T4 处理＞T1 处理，压力水头增大，铵态氮量增多。清水入渗时，垂直方向上铵态氮量无显著差异。压力水头相同时，T2 处理＞T3处理＞T1处理，T6处理＞T5处理＞T4处理，且肥液入渗时，土壤中铵态氮量随着与微润管带的距离增加而减小。主要原因是：尿素分子在土壤中运移的主要机制是溶质运移的对流机理。土壤对尿素分子有吸持作用，尿素分子在脲酶的作用下经氨化过程生成铵态氮。入渗肥液氮素量相同时，压力水头增大，湿润锋运移距离增大，尿素分布范围增大，使得尿素分子与土壤中脲酶的接触机会增多，促进尿素的分解转化。压力水头相同时，与清水入渗相比，肥液入渗使得微润管附近氮素量增大，土壤铵态氮量增多。但尿素在土壤中分布过于集中，会限制尿素的分解转化作用，试验发现，T1、T2、T3、T4、T5、T6 处理土壤中铵态氮量分别在第3、5、6、3、3、4 天达到峰值，之后随着硝化反应的进行有减小趋势，而硝态氮量逐渐增加。因此1 m 压力水头处理中，铵态氮量T2 处理＞T3 处理，主要原因是因为T3 处理尿素还没有完全水解。

图4 不同处理土壤水分分布 Fig.4 Distribution of the soil water under different treatments

图5 铵态氮量分布 Fig. 5 Distribution of the ammonium nitrogen

2.4 硝态氮量

图6 为1、1.5 m 压力水头下不同处理微润管带垂直方向（R=0 cm）硝态氮量分布情况。从图6 可以看出，随着压力水头增大，硝态氮量增大，说明微润管附近土壤含水率较高，有利于土壤中硝态氮释放。土壤深度不变的情况下，压力水头增加，入渗界面的压力势也随之增加，水分入渗速率增大，对土壤溶质的携带能力增强。压力水头相同时，T2 处理＞T3 处理＞T1 处理，T5 处理＞T6 处理＞T4 处理，氮素肥液入渗土壤硝态氮量大于清水入渗，土壤中硝态氮主要来源于NH4+的硝化作用，由于不同处理尿素水解铵态氮达到峰值所需时间不同，硝化作用进程不同会对土壤中硝态氮量产生影响。

肥液入渗时，硝态氮量最大值出现在微润管周围，随运移距离增大而减小。清水入渗硝态氮量的分布特征表现为随距离增大而增大的趋势，在距微润管带10～15 cm 土层硝态氮量较大，而微润管带附近硝态氮量较少，这是由于硝态氮在土壤中作为溶质随土壤水迁移，不能被土壤颗粒吸附，随着运移距离增大，土壤含水率减小，对流作用减小，硝态氮累积量增多。微润管带垂直向上0～15 cm 土层和垂直向下0～-15 cm 土层硝态氮量相差不大，各处理均无明显的淋溶累积现象。

图6 硝态氮量分布 Fig.6 Distribution of the nitrate nitrogen

3 讨 论

本研究发现，压力水头和施氮量对累积入渗量、湿润锋运移距离、土壤含水率、硝态氮累积量、铵态氮累积量均影响显著（p＜0.05）。不同压力水头下，微润管附近土壤含水率最大，距离微润管距离越远，土壤含水率越小。同一施氮量下，压力水头增大，微润灌溉累积入渗量增大，促使水肥分布范围增大，氮素量增多，这与刘小刚等[3]研究不同压力水头和土壤体积质量湿润体内的水盐分布特征结论一致。同时本试验结果表明，相同位置肥液入渗无机氮量大于清水入渗。

同一压力水头下，施氮量增大，微润灌溉累积入渗量减小，湿润锋运移距离减小，与武海霞等[15]研究尿素对一维垂直入渗特性的影响结果相似。李义林等[16-17]使用史丹利大量元素水溶肥，肥液质量浓度为0、0.2、0.4 g/L 的入渗溶液，研究发现施氮量增大，累积入渗量随而增大，湿润体体积增大，湿润体内水肥量增多。康守旋等[18]研究了不同量的硝酸钙溶液对浑水膜孔灌多点源入渗水氮运移的影响，发现肥液对浑水有一定的增渗作用。马雪姣等[19]研究发现累积入渗量、湿润锋运移距离、土壤含水率、硝态氮量均随硝酸钾溶液量增大而增大。与本研究结论相反原因可能是由于入渗肥液种类不同，肥液中的养分与土壤颗粒发生化学反应，通过影响土壤结构进而影响入渗特性。肥液增渗机理的原因是由于大部分土壤胶体颗粒带有负电荷，可与土壤中带相反电荷的离子发生离子交换，吸收交换土壤中带大量相反电荷的阳离子，使其电性中和，土壤颗粒间的排斥作用减小甚至消失，微小的土壤胶体颗粒逐渐凝聚形成较大的土壤团聚体，从而改善土壤结构，增大土壤空隙，促使土壤导水能力发生变化，水分入渗通道增多，入渗量增大。微润灌尿素肥液入渗对累积入渗量和湿润锋运移的抑制作用可能是因为尿素肥液在土壤中运动的黏滞力大于改善土壤孔隙状况的作用，导致湿润锋运移速度减缓，而且溶液施氮量越大，湿润锋处的黏滞力作用表现越强。肥液入渗时，土壤中铵态氮量、硝态氮量主要与尿素水解和硝化作用进程有关。

微润灌溉水氮分布特征受多种因素（压力水头、微润管埋深、间距、土壤特性、灌溉方式等）的影响，根据不同作物、不同生长期的需求，通过微润灌溉水肥一体化系统有效控制水肥用量，以期均匀施肥、精准施肥，达到节水节肥的目的。关于微润灌溉水肥一体化土壤水氮运移特征研究还需学者通过试验和数学模拟的方法进一步验证与完善。

4 结 论

1）减小压力水头或增加入渗液氮素量，微润灌溉累积入渗量、入渗速率、湿润体剖面面积、微润管附近土壤含水率均减小。湿润锋推进速率随时间延长而减缓，湿润体内土壤含水率随距微润管带距离增大而减小。

2）相同位置，微润灌溉铵态氮量、硝态氮量随压力水头增大而增多。与500 mg/L 氮肥入渗处理相比，1 m 压力水头下，1 000 mg/L 氮肥入渗处理土壤中铵态氮量、硝态氮量较小，1.5 m 压力水头下，1 000 mg/L 氮肥入渗土壤中铵态氮量、硝态氮量较多。

3）清水入渗时，在垂直方向铵态氮量分布无明显差异，硝态氮量的分布特征表现为随距离增大而增多。氮肥入渗时铵态氮、硝态氮量均随湿润锋运移距离增大而减少。