灌水量对涌泉根灌湿润体水氮运移特性的影响

何 振 嘉

(陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西 西安 710075)

1 研究背景

我国陕北地区干旱少雨，地表水资源匮乏，严重制约当地农业生产活动发展[1]。山地红枣作为当地的特色产业，已成为促进当地经济发展的重要支柱，但水资源严重不足对红枣产业的进一步发展产生了巨大的阻碍，因此合理的水分管理对陕北山地枣树生产管理具有十分重要的作用[2]。因此，快速发展适宜我国陕北黄土高原干旱地区的节水灌溉技术是当前应正视的一个重要方向。针对陕北地区现状条件来看，节水工作的重点和难点主要在于有效地减少输水过程损耗和降低棵间蒸发量，因此，如何将这两个方面的灌水技术要素相结合将是节水灌溉工作的重点。虽然我国已经发展、推广并应用了部分现代化节水灌溉技术，取得了一定成效，但总体来看，我国目前仍处在发展灌溉农业的阶段，节水灌溉因缺乏足够的经济支撑和技术支持而尚未普及。

涌泉根灌是一种通过将灌水器埋设于不同土层深度处进行局部灌溉的地下灌溉技术，能够显著降低水肥浪费率[3-4]。该技术尤其适用于坡地，在陕北矮化密植枣树的灌溉方面，具有广阔的应用前景[5-6]。不同的灌水量对作物生长和产量具有显著的影响[7-9]，大量研究表明，适当的水分亏缺并不会对作物的产量和品质产生负面影响[10-13]。因此，结合当前陕北地区干旱缺水的实际现状，寻求合理的灌水量对枣树发育、增产意义显著。国内外学者对土壤湿润体的研究较多[14-15]，他们从不同初始含水率[16]、肥液浓度[4]、灌水器埋深[17]、土壤容重[18]以及灌水器流量[19]等影响因素方面对湿润体的影响做了大量试验工作，丰富了涌泉根灌灌水技术要素内涵。现有研究表明，土壤含水量随灌溉水量的增加而增加，但当作物根层含水量超过田间持水量时会引发深层渗漏[20]。而由于水分是肥液中铵态氮和硝态氮运移的载体，其淋洗量随灌水量的增大而增大[21]。涌泉根灌技术可根据果树作物对水肥的需求程度，按适宜的配比将水肥通过微管连接的灌水器直接输送于果树根部，既克服了输水过程中水分损耗、降低了地面蒸发量，又由于其灌水流量较小，极大地降低了深层渗漏的风险[22-23]。但是由于水分运动的多维性以及灌溉的高频性，目前对不同灌水量条件下，铵态氮和硝态氮在土壤中的运移的研究尚不够充分[24]。灌水量大小影响入渗深度，灌水量过小，灌水则无法入渗到枣树根区，降低灌水利用效率；灌水量过大则会引起地表渗水以及深层渗漏，适宜的灌水量是研究涌泉根灌条件下灌水技术要素的重要关键[25-26]。但结合目前研究现状来看，基于水肥耦合条件下涌泉根灌肥液入渗对湿润体特征值的影响研究较少，尤其是不同灌水量对涌泉根灌肥液入渗湿润锋运移、含水率分布以及氮素运移特性的研究尚未见到。因此，本文在榆林市米脂县远志山矮化密植山地枣树试验基地田间开展了涌泉根灌水肥一体化土壤入渗试验，通过对不同灌水量条件下湿润体特征值变化规律以及土壤水氮运移特性的研究，以期为丰富和完善涌泉根灌灌水技术要素提供一定理论依据。

2 材料与方法

2.1 试验区概况

试验区位于陕西省西北部，榆林市中部偏东，无定河中游，该区的地理位置为北纬37°39′5″，东经109°49′29″，为典型的黄土丘陵沟壑区，属暖温带半干旱气候，常年干旱少雨，且降雨分布极端不均，降雨主要集中于每年7～9月，多年平均降水量451 mm。试验区土质为黄绵土，土质较为均一，通透性能良好，但营养成分相对匮乏。土壤平均密度为1.31 g/cm3，计划湿润层田间持水量为23.4%，硝态氮含量为12.63 mg/kg，铵态氮含量为0.89 mg/kg，有机质含量为0.21%，pH为8.6，土壤偏碱性。

2.2 试验装置及试验设计

试验系统采用PVC马氏瓶(YT-MS，西安固泰传感器有限公司)进行自动供水并控制灌水器出流量，肥料选用尿素，施肥量均为1 kg。设置30，40，50 L 3个灌水量梯度，灌水器流量为7 L/h，灌水器埋深30 cm，重复3次。涌泉根灌辅助灌水容器(灌水器套管)高40 cm，灌水器套管开孔度20%，如图1所示。

图1 涌泉根灌示意Fig.1 Sketch map of bubbled-root irrigation

2.3 试验方法及观测内容

选择田间原状土壤剖面为试验对象，将灌水器套管埋设于土壤剖面中心，水平剖面和垂直剖面作为观测面，试验系统如图2所示。图中露出地面部分为灌水器套管，为防止土壤堵塞灌水器，将灌水器设置于套管内部，并埋设于地表以下30 cm处，套管底部采用纱布包裹。利用卷尺测量湿润锋运移距离的具体数值，利用土钻在土层深度方向每隔10 cm分层取土测定土壤含水率。土壤样品均匀分成3份，1份利用烘干法测定土壤含水率，1份土样经风干、过1 mm和0.25 mm筛处理测定土壤氮素含量，1份利用全自动间断化学分析仪测定土壤铵态氮及硝态氮含量，试验做3次重复，取均值作为结果(见图3)。

图2 试验系统示意Fig.2 Experimental system

图3 观测坐标系Fig.3 Observation coordinate system

2.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2007分析软件处理试验数据并进行绘图。

3 结果与分析

3.1 涌泉根灌肥液入渗湿润锋运移

图4为流量7 L/h、不同灌水量(30，40 L和50 L)条件下，肥液入渗水平剖面及垂直剖面上湿润锋变化情况。可以看出，水平剖面及垂直剖面上水平方向和竖直方向的湿润锋运移量与入渗时间成正比。土壤重力势和基质势主导地位不同，各剖面上湿润锋变化规律又有所不同。水平剖面上：灌水量与各方向上的湿润锋运移量成反比，灌水量越小，形成的湿润区域体积也越大；同一入渗时间处，水平方向的运移量显著大于竖直方向运移量。垂直剖面上：灌水量越大，土壤重力势起主要作用，水平方向的湿润锋运移距离越大，竖直方向的运移距离越小，但其中差异并不显著；同一入渗时间处竖直方向湿润锋运移距离显著大于水平方向。

图4 水平剖面及垂直剖面湿润锋运移变化Fig.4 Wetting front migration on horizontal profile and vertical profile

对水平剖面和垂直剖面上的湿润锋运移距离R与时间t的关系进行幂函数拟合，结果如表1所列。各参数拟合精度较高，R2值均大于0.97，相关性具有统计学意义。

表1 湿润锋运移距离与时间的拟合结果Tab.1 Fitting result of migration distance of wetting front and time

3.2 涌泉根灌肥液入渗湿润体形状

图5为流量7 L/h、不同灌水量(30，40 L和50 L)条件下，垂直剖面湿润锋变化情况。可以看出，随着灌水时间的延长，湿润锋运移距离的轮廓逐渐变大，且不同灌水量条件形成的轮廓线变化具有相似规律，湿润锋运移程度随灌水量的增大而增大。此外，随着灌水量的增大，湿润体体积发生了显著变化，灌水量越大，湿润体体积也越大。这主要是由于入渗初期，土壤初始含水率较低，而土壤基质势最大，水分受土壤基质势的主导作用运移扩散，土壤入渗能力不足以使此部分水分迅速向竖直方向入渗，导致水平方向入渗速率加快，随着灌水继续进行，竖直方向湿润锋在重力势的作用下运移速率逐渐增大。湿润体的形态趋向于椭球体，灌水量越大，湿润体体积越大，形态越宽越深。

图5 垂直剖面湿润锋运移情况Fig.5 Wetting front migration on vertical profile

3.3 涌泉根灌肥液入渗湿润体含水率

图6为流量7 L/h、不同灌水量(30，40 L和50 L)条件下，涌泉根灌灌水器中心处土壤水分分布状况。可以看出：灌水结束时，相同土壤深度处的含水率与灌水量成正比，不同灌水量(30，40 L及50 L)含水率平均值分别为21.15%，22.73%及24.26%。水分分布区域相对集中，土壤表层含水率较高，这是由于涌泉根灌是地下灌溉，水分补给首先由表层(0～30 cm)开始，导致表层土壤含水率较高，达到29.02%；由于灌水量不足以使湿润锋运移至底层土壤(60～100 cm)，因此土壤含水率较低，为14.63%。在肥液入渗初期，供水强度是影响入渗的主要因素，土壤中压力随灌水量的增大而增大，因此高含水区域的范围也越大，但随着入渗时间的延长，供水强度将逐渐超过渗漏强度，入渗土壤的渗流横截面积均增大，重力势成为肥液入渗的主导作用，促进了竖直方向入渗作用。经过1 d的水分运移，虽然水势梯度作为主导作用影响土壤含水率继续向深层土壤分布，但水分运动速率逐渐降低，不同灌水量条件下湿润体内含水率分布均具有相同规律，趋于相对均匀，不同灌水量(30，40 L及50 L)含水率平均值分别为17.98%，18.47%及19.37%。经过3 d的水分再运移后逐渐稳定，湿润体体积开始减小，且湿润体内含水率较灌水结束时发生明显变化，不同灌水量(30，40 L及50 L)含水率平均值分别为14.53%，15.23%及16.59%。

图6 灌水器处土壤含水率随时间变化Fig.6 Variation of vertical soil moisture content with time at emitter

为了更直观地对比不同灌水量条件下水分分布情况，以灌水量40 L为例，分析距离灌水器中心不同位置处的含水率分布情况，如图7所示。可以看出：土壤含水率与距灌水器出水口距离成反比，灌水结束时，灌水器出水口处以及距离灌水器中心20 cm和40 cm处的含水率平均值分别为22.87%，18.12%及15.09%。涌泉根灌灌水器湿润深度可达到80 cm，更深层土壤含水率接近对照组CK，而随着距灌水器中心距离的增大，湿润体湿润深度也出现了一定程度的递减，距灌水器中心20 cm和40 cm时的湿润深度分别为70 cm和60 cm。经过1 d的水分运移，不同位置处土壤含水率变化不大，灌水器中心处以及距离灌水器中心20 cm和40 cm处的含水率平均值分别为21.35%，18.02%及15.01%。经过3 d的水分再运移，各位置处土壤含水率均有不同程度的降低，灌水器中心处以及距离灌水器中心20 cm及40 cm处的含水率平均值分别为15.94%，16.18%及13.49%。涌泉根灌条件下不同灌水量入渗水分分布规律逐渐向表层低、中间高、底层低的趋势发展，但其变化程度随着距灌水器中心距离的增加而降低。

图7 灌水量40 L时不同位置处土壤含水率随时间变化Fig.7 Variation of soil moisture content with time at different locations under the condition of irrigation volume of 40 L

3.4 涌泉根灌肥液入渗氮素分布

3.4.1涌泉根灌肥液入渗硝态氮分布

图8为流量7 L/h、灌水量分别为30，40 L和50 L时涌泉根灌肥液入渗硝态氮分布情况。可以看出，随灌水量的增大，灌水结束时同土层深度处硝态氮含量也越大，灌水量30，40 L及50 L时硝态氮含量平均值分别为2.93，3.20 mg/kg及3.56 mg/kg，与水分运动规律具有一定的相似性，这是由于灌水量越大，一定时间内灌入的肥液量越大，土壤胶体所携带的负电荷越多，减弱了对硝态氮的吸附作用，因此，提高了肥液入渗条件下硝态氮在土壤中的运动能力，导致向土层深度方向运移的硝态氮含量随入渗时间的延长而增大。由于涌泉根灌是通过灌水器套管保护进行地下灌溉的灌水技术，水分首先于土层深度20～40 cm范围处开始进行入渗，相应此位置处硝态氮含量达到最大值，而表层和底层土壤中硝态氮含量均较低。再分布1 d后，各土层深度处硝态氮的含量均显著降低，且随着土层深度的增大，硝态氮降低程度越大，各处理下土壤中硝态氮平均值分别为1.82，2.41 mg/kg以及2.89 mg/kg，较灌水结束时减幅分别为60.98%，32.78%和23.18%。经过3 d再分布后，各层土壤中硝态氮含量分布呈现出较为均匀的变化，而含量最高区域向下层移动，在含水率达到田间持水量时基本稳定，各处理下土壤中硝态氮平均值分别为1.43，1.98 mg/kg以及2.33 mg/kg。

图8 硝态氮分布状况Fig.8 Nitrate nitrogen distribution

3.4.2涌泉根灌肥液入渗铵态氮分布

图9为流量7 L/h、灌水量分别为30，40 L和50 L时涌泉根灌肥液入渗铵态氮分布情况。灌水结束时，铵态氮含量分布随土层深度变化呈逐渐递减趋势，在100 cm处达到本底值。各处理下土壤中铵态氮平均值分别为99.14，115.58 mg/kg以及129.90 mg/kg，灌水量越大，铵态氮含量越大，这是由于大灌水量需要更长的入渗时间，加剧了土壤颗粒对铵态氮吸附作用，能够为土壤中阳离子的代换提供更充足的时间，导致入渗土壤中铵态氮含量越大。经过1 d分布后，各处理下土壤中铵态氮平均值分别为110.42，133.69 mg/kg以及149.32 mg/kg。经过3 d再分布后，各处理下土壤中铵态氮平均值分别为109.99，114.73 mg/kg以及124.11 mg/kg，基本达到稳定，土壤中铵态氮含量与灌水量成正比，不同土层深度处增加幅度逐渐增大。再分布过程中，由于失去了肥液补充，在肥液入渗条件下铵态氮在重力方向的运动能力减弱，反硝化作用成为主导，故铵态氮含量随土层深度的增大不断降低。再分布时间越长，湿润体内的肥液分布越均匀，但土壤中铵态氮含量总体呈减少趋势。

图9 铵态氮分布状况Fig.9 Ammonium nitrogen distribution

4 结论与讨论

水肥一体化是提高水分、养分利用效率，促进作物增产的重要手段，灌水量大小对作物生长和最优灌溉制度的制定具有十分重要的影响。目前对于不同灌水量对土壤水氮运移特性的研究主要集中于滴灌条件下，由于滴灌系统布置的对称性，灌水可简化成线源沿垂直毛管和深度方向的二维水分运动，而涌泉根灌灌水方式符合土壤中点源入渗过程，但由于涌泉根灌套管与土壤接触面积较大而形成较大的出流界面，水分在土壤中的入渗方程呈典型的三维面源出流入渗，与地下滴灌、渗灌等微灌技术差异较大[25]。郑彩霞等[26]通过不同滴灌量对湿润体特征值的影响进行研究，结果表明，滴灌条件下，地表沿滴头的土壤湿润锋呈圆形分布，且水平湿润锋运移速率与灌水量成正比，符合幂函数关系。本研究表明，涌泉根灌肥液入渗在不同灌水量条件下水平剖面及垂直剖面上各方向湿润锋运移距离均随着时间的延长而增长，但不同位置处受土壤重力势和基质势主导地位不同，水平和竖直剖面上湿润锋运移规律又有所不同。水平剖面上，各方向运移距离均随灌水量减小而增大；垂直剖面上，灌水量越大，水平方向的湿润锋运移距离越大，竖直方向的运移距离越小，且运移规律均可由幂函数模型进行拟合，R2值均大于0.97。费良军等[22]研究了不同流量对涌泉根灌湿润体特征值和水分入渗的影响，研究表明，湿润锋运移变化规律符合时间尺度上的幂函数关系，且随流量的增大而增大。灌水量越大，入渗时间越长，各方向的湿润程度皆越大，湿润体体积也越大，且湿润体形状显得越宽且深。

在肥液入渗初期，供水强度是影响入渗的主要因素，土壤中压力随灌水量的增大而增大，因此高含水区域的范围也越大，相同土壤深度处的含水率与灌水量成正比，水分分布区域相对集中于表层土壤。经过1 d的水分运移，水分运动速率逐渐降低，不同灌水量条件下湿润体内含水率分布均具有相同规律，趋于相对均匀。李耀刚等[25]研究了不同流量条件对涌泉根灌土壤水分入渗的影响，研究发现，流量越大，湿润体内形成的高含水区域越大，但湿润体内水分分布的均匀度却会有一定程度的降低。经过3 d的水分再运移后逐渐稳定，湿润体体积开始减小，但湿润体内含水率较灌水结束时明显降低。灌水结束时，距离灌水器出水口越远，含水率越低，经过再分布，湿润体内含水率较灌水结束时发生明显降低，涌泉根灌条件下不同灌水量入渗水分分布规律逐渐向表层低、中间高、底层低的趋势发展，但其变化程度随着距灌水器中心距离的增加而降低。吴娇等[27]研究了不同滴灌量对马铃薯根区水分和硝态氮的运移规律的影响，研究表明，土壤含水率与灌溉定额成正比，且随土层深度的增加而降低，随着入渗时间的推移，不同深度土壤含水率不断降低，但表现出表层高、中层低以及底层低的变化规律，这主要是由于灌水方式不同所致。