土壤容重对一维垂直浑水肥液入渗水氮运移特性影响

白瑞，费良军，陈琳，刘乐，钟韵，李巧丽

(1. 西安理工大学水利水电学院，陕西 西安 710048; 2. 陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710048)

文中在以上研究基础上结合中国黄河流域特有的浑水灌溉特点，开展不同土壤容重影响下的浑水肥液入渗水氮变化规律定量研究，为有效利用浑水资源、提高灌溉质量和氮素利用率提供理论参考.

1 试验材料与方法

配置浑水所用泥沙取自陕西泾惠渠，风干后过1 mm筛.供试土壤取自西安洪庆镇农田0～30 cm土层，取回后去除杂草后自然风干过2 mm筛.利用Mastersizer 2000激光粒度分析仪测定土壤黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002～0.020 mm)、砂粒(0.020～2.000 mm)含量分别为13.56%,71.55%,14.87%.测得该土壤风干含水率为2.93%，饱和含水率为38.36%，饱和导水率为0.077 cm/min，土壤硝态氮初始含量为5.6 mg/kg，铵态氮初始含量为15.31 mg/kg.

试验采用一维垂直积水入渗方式，水头控制在恒定3 cm.试验设定土壤容重分别为1.30,1.35,1.40,1.45 g/cm3，每个水平设置3次重复.试验按照每层5 cm装土于直径8 cm、高60 cm、厚度为10 mm的有机玻璃土柱中(土柱底下设排气孔消除气相阻力，孔上盖滤纸)，层间刮毛防止出现分层现象，总装土高度为45 cm.试验浑水含沙率定为4.18%(参考泾惠渠黄河泥沙含量4.18%)，采用改进的内径9 cm，高90 cm的电动马氏瓶供水，转动轴上带有叶片(转动轴直径为1.4 cm，误差忽略不计)，可持续搅拌防止浑水中泥沙沉淀.试验所用肥料为山西阳煤丰喜集团生产的农业用硝酸铵钙肥，外观为白色球状，含氮量为15.5%，其中硝态氮占14.4%，铵态氮占1.1%，肥液浓度参考大田施肥量按照600 mg/L配置.

入渗过程中记录每一时刻对应的入渗量与湿润锋，入渗300 min后停止供水，并立即吸出水头积水，分别在入渗结束后、再分布1,2 d后，利用土钻沿垂直深度每隔5 cm进行取土，测定土壤含水率及硝态氮含量，其中土壤含水率采用烘干法测定，土壤硝态氮含量依据GB/T 32737—2016采用DR5000紫外分光光度计测定.

2 结果与分析

2.1 土壤容重对浑水肥液累积入渗量的影响

图1为不同土壤容重单位膜孔面积累积入渗量I随入渗时间t变化曲线.可以看出，随着入渗时间的推移，累积入渗量逐渐增加；同一入渗时间，随着容重的增大，累积入渗量逐渐减小，说明容重对于肥液入渗有减渗效果.相较1.30 g/cm3容重的土壤，容重1.35，1.40，1.45 g/cm3分别减渗19.1%，32.5%和45.5%，这是因为容重较小的土壤孔隙度较大，土体疏松度较好，水分运移通道顺畅，从而运移较快，在同一时间入渗水量较多.

图1 不同土壤容重累积入渗量变化曲线

PHILIP[11]基于通过垂直入渗，通过求解级数解得出著名Philip入渗模型为

(1)

式中：I为累积入渗量，cm；t为入渗时间，min；S为吸渗率，cm/min0.5；A为稳定入渗率，cm/min；S反映土壤前期入渗能力，对土壤入渗初期入渗率的大小起主要作用，A主要衡量土壤的渗透性能.该模型在均质土一维垂直入渗情况下具有明确的物理意义.

利用Philip对累积入渗量和入渗时间进行拟合，结果见表1.

表1 Philip入渗模型拟合参数

随着土壤容重ρ增加，吸渗率S和稳渗率A均逐渐减小，且决定系数均大于0.98.经分析，吸渗率S和稳渗率A与土壤容重之间符合以下关系，即

S=-3.197 6r+5.026 1，R2=0.991 2，

(2)

A=0.051 8r-4.005，R2=0.995 1，

(3)

式中：r为土壤容重，g/cm3.

将式(2)—(3)代入式(1)，得到不同土壤容重肥液入渗下累积入渗量的Philip经验公式为

I(t)=(-3.197 6r+5.026 1)t1/2+(0.051 8r-4.005)t.

(4)

依据达到稳定入渗率的时间，将图1累积入渗量随时间的变化分为2个阶段，第一阶段为入渗初期变化加快的非线性入渗阶段，第二阶段为到达稳定入渗率时逐渐趋于稳定的线性入渗阶段，将2个阶段用一条光滑的曲线表示，当进入线性阶段时，入渗率基本达到稳定，曲线出现转折.由于非线性入渗阶段水分进入土壤阶段可看成孔隙不断充水过程，参考电容充电的规律对其进行表示，对于非线性入渗阶段[12]为

(5)

式中:Iq为非线性阶段的累积入渗量,cm;fb为稳渗部分的截距,cm;τ为转折时间常数,一般取达到稳定入渗时间的1/3.

对于入渗后期的累积入渗量随时间的变化关系为

Ih=fpt,

(6)

式中：Ih为后期的累积入渗量,cm;fp为稳定入渗率，cm/min.

综合式(5)—(6)可得整个入渗过程的累积入渗量与时间的关系表达式为

(7)

基于Matlab利用式(7)对实测数据进行拟合，结果见表2.由拟合结果可以看出，不同土壤容重对应累积入渗量与入渗时间相关度较高，决定系数R2均大于0.99，均方根误差RMSE均小于0.49 cm，说明累积入渗量与时间符合式(7)所建立的关系.

表2 电容充电模型入渗量拟合参数

对拟合结果进行分析，不同土壤容重所对应的拟合参数fb.fp和τ与土壤容重分别呈如下关系：

fb=90.465r-9.855,R2=0.991 2,

(8)

τ=126.05r-5.314,R2=0.937 8,

(9)

fp=-0.118 4r+0.199 8,R2=0.999 8.

(10)

将式(8)—(10)代入式(7)得到土壤容重累积入渗量与入渗时间的函数关系式为

(11)

基于土壤容重为1.38 g/cm3实测数据，利用式(4),(11)对上述2种模型所建立的经验公式进行验证，不同土壤容重实测值与模拟值的拟合结果如表3所示.

表3 不同土壤容重实测值与模拟值对比

根据拟合结果可以看出，根据Philip公式所建立模型模拟值与实测值相对偏差在±7%以内，而电容充电公式模拟值与实测值相对偏差在±9%以内，说明对于不同土壤容重一维垂直肥液入渗，Philip理论入渗模型与电容充电经验模型均具有较高的精度.

2.2 不同土壤容重下湿润锋的运移规律

图2为不同土壤容重湿润锋运移距离曲线，由图可知，随着时间的推移，不同容重对应湿润锋运移距离Z均逐渐增大，并且前期变化较快，后期逐渐减缓.由于随入渗时间的增加，入渗速率逐渐减小至稳定入渗率，因此对应湿润锋的推进能力逐渐减弱直至趋于稳定；同一入渗时间下，土壤容重越大，湿润运移越慢，入渗结束后运移的距离越短，以容重为1.30 g/cm3为基准，容重1.35,1.40,1.45 g/cm3湿润锋减小幅度分别为17%,33%,53%.

图2 不同土壤容重湿润锋运移距离变化曲线

对不同土壤容重浑水肥液入渗下的湿润锋曲线进行分析，结果表明湿润锋运移距离与入渗时间符合幂函数关系，即

Z=AtB,

(12)

式中：Z为浑水一维肥液入渗湿润锋运移距离,cm;A为运移系数；B为运移指数.对浑水一维肥液湿润锋运移距离和入渗时间进行拟合，结果见表4，可以看出，随着容重的增加，运移系数A呈现减小趋势，运移指数B呈现增大趋势，经过拟合分析，系数A与容重之间呈现幂函数负相关关系，指数B与容重之间呈现对数正相关函数关系，且相关系数均达到0.99以上，表达式为

A=41.636r-13.12,R2=0.999 2,

(13)

B=1.206 8lnr+0.191 6,R2=0.996 5.

(14)

表4 湿润锋运移距离与入渗时间拟合结果

根据拟合结果，可以建立不同容重下的浑水肥液湿润锋运移距离与时间的关系式为

Z=41.636r-13.12t(1.206 8ln r+0.191 6)，0≤t≤300 min，1.30≤r≤1.45.

(15)

为验证式(15)的可靠性，对比分析土壤容重为1.30 g/cm3的实测湿润锋数据与模拟湿润锋数据，结果见表5.

表5 湿润锋实测值与模拟值对比结果

从表中可以看出，土壤容重1.30 g/cm3对应湿润锋模拟值与实测值相对误差均在±9%范围内，说明建立的浑水肥液入渗条件下不同容重与时间垂直入渗湿润锋运移公式精度较好.

2.3 不同土壤容重下土壤湿润体内水分分布规律

图3a为供水结束时不同容重土壤含水率θ与入渗深度Z的关系曲线，从图中可以看出，不同容重土壤含水率均随着入渗深度的增加逐渐减小，上层土体含水率差异较小，随着深度的增加，减小幅度增大，并在湿润锋附近时降为初始土壤含水率2.93%.同一位置土壤含水率随容重增大而减小，由于容重较大的土体相对密实，土体内微小孔隙含量较多，当水分进入时土壤颗粒吸水膨胀对孔隙进行填充，同时浑水携带的细小泥沙颗粒对孔隙有堵塞作用，导致土壤导水率降低，水分在土体内入渗速率减小，因此对应土壤含水率降低.

图3 土壤含水率随湿润锋运移距离变化曲线

图3b为容重为1.30 g/cm3的土壤含水率变化曲线.可以看出，再分布过程中土壤含水率有显著变化.表现为土体上层水分不断减小，下层逐渐增大，这是由于上层土壤水势较大，再分布过程中上层水分向下运移对下层土体进行补给，并使湿润锋深度逐渐向下推进.再分布1 ～2 d土壤含水率仅有微弱变化，说明再分布1 d后土体内水分基本达到稳定状态.

2.4 浑水肥液一维入渗下土体内硝态氮运移规律

图4a为供水结束后不同容重土壤硝态氮分布曲线，可以看出，在同一入渗时间下，不同容重的土壤硝态氮含量均随湿润锋运移距离Z的增加逐渐减小，最终趋于土壤硝态氮本底值.硝态氮含量最大值出现在土壤表层，这是因为前300 min土壤处于充分供水阶段，土壤水分入渗过程连续，上层土体含水量始终大于下层土体，当到达湿润锋边缘处，土壤水分含量骤减，硝态氮迅速降为本底值；不同容重对土壤硝态氮含量影响不同，容重越大运移速率越缓慢，同一位置土壤硝态氮含量越小.供水结束时土壤容重为1.30，1.35，1.40和1.45 g/cm3对应硝态氮最大值分别为56.01，53.31，49.42和47.21 mg/kg，这是因为不同容重土壤孔隙大小、含量和分布不同，导致肥液在土体中的运移状态不同，容重越大，水分运移越缓慢，在相同的入渗时间下进入土体携带肥液量越少，因此对应的硝态氮含量越小.

图4 供水结束到再分布2d土壤硝态氮变化曲线

3 结 论

1) 土壤容重对浑水一维垂直肥液入渗能力有较大影响，同一入渗时间下，累积入渗量随土壤容重的增加而减小，两者关系均符合Philip模型和电容充电模型.

2) 湿润锋运移距离随土壤容重的增大而减小；湿润锋运移距离与入渗时间呈幂函数关系，且运移系数A随土壤容重的增加而减小，运移指数B反之.

3) 湿润体内土壤含水率随土壤容重的增加而减小，供水结束后主要集中于上层土壤，再分布过程中水分由上至下运移，水分分布更加均匀.

4) 供水结束时不同容重土壤中硝态氮含量均随入渗深度的增大而较小，同一深度土壤容重越大所对应硝态氮含量越大，硝态氮整体变化趋势与含水率分布趋势相似；再分布2 d后土体上层硝态氮含量逐渐减小，下层含量逐渐增加，硝态氮含量在湿润锋处出现峰值，整个土体硝态氮分布更加均匀.