滴灌施肥条件下PAM不同施用方式对土壤水肥分布特性的影响

吕桂军，袁巧丽，刘艳伟，刘小刚

（1.河南省小流域生态水利工程技术研究中心，河南开封475004；2.黄河水利职业技术学院，河南开封475004；3.开封市水生态修复工程技术研究中心，河南开封475004；4.昆明理工大学农业与食品学院，昆明650500）

0 引 言

近年来，随着我国社会经济的快速发展，水资源缺乏的状况日趋严重，供需矛盾越来越突出，尤其农业用水方面，其利用效率较低[1]，浪费严重，节水潜力巨大。与此同时，长期的过量和不均衡施肥导致了土壤板结、盐碱化和环境污染等问题，此类问题的加剧也制约了农业生产的可持续发展。滴灌施肥凭借其根区灌溉的局部灌溉优势，水肥被直接输送至根系周围，极大地减少了灌溉用水量和肥料的投入[1]，是解决水资源紧缺地区水肥资源不足及利用效率低等问题的重要措施之一。

聚丙烯酰胺（Polyacrylamide，简称PAM）是一种水溶性高分子聚合物，可以应用在工业废水处理、饮用水处理、食品行业、农业等多个领域。以往研究表明PAM 可与许多物质产生亲和、吸附，表现出絮凝、团聚、减阻、成膜等作用[2]，目前阴离子型PAM 被广泛用于农业土壤结构改良。国内外学者也对此进行了大量的研究，Kijne[3]研究表明PAM 能增加团聚体水稳定性，提高渗透率。Lentz[4]认为PAM 的降低入渗或提高入渗作用取决于PAM 的类型、使用剂量、土壤类型和操作方法等。韩凤朋[5]等发现在一定用量范围内，土壤体积质量减小而饱和导水率增加。于健[6]等不同PAM 施用方法对PAM的效果试验表明不同形态的PAM 均可增加土壤入渗、减少侵蚀。白岗栓[7]等PAM喷施量与施用方式对风沙土风蚀的影响表明PAM 喷洒在土壤表层能形成结皮，能有效抵御风蚀，但喷施PAM 溶液的结皮状况及抗风蚀能力与PAM 的喷施量及土壤特性等密切相关。张淑芬[8]的结果表明，在土壤水能够充分供应植物生长且有剩余时，PAM 可以有效吸收土壤孔隙中的自由水并保存起来，增加水势梯度，从而可以在灌溉过程中减少水分渗入时间，降低土壤表面蒸发量。

已往研究多集中在对土壤入渗和侵蚀，土壤物理特性，水分及某种作物生长的影响方面，滴灌施肥下水分、硝态氮的迁移等研究也较成熟，但是在滴灌施肥条件下使用土壤改良剂及其最佳施用方式的相关研究还较少。因此，本试验研究在滴灌施肥条件下，PAM 的不同施用方式对土壤水肥分布的影响，以期为滴灌施肥条件下高效施用PAM 提供理论依据和实践参考。

1 材料和方法

1.1 供试材料

试验土壤为昆明理工大学呈贡校区试验林内的红壤土，取土深度为从表层至40 cm，取得的土壤经风干、碾压，过2 mm 筛后除去植物根系等杂物，均匀混合制成室内试验土样。土壤基本理化性质如表1所示。

表1 土壤基本理化性质

供试PAM 采用曲周县国盛生物肥料有限公司生产的阴离子型PAM，外观为白色粉末。参照前人[9]的试验结果，本次试验PAM用量为3 g/m2。试验用的入渗肥液采用史丹利农业集团股份有限公司生产的大量元素水溶肥20-20-20+TE，主要成分为总养分（N-P2O5-K2O）≥60%，硝态氮≥6%，铁0.1%，锌0.05%，锰0.05%，钼0.01%，硼0.05%，TE 0.25%～3.0%。试验前称取6 g 水溶肥，溶解于15 L 清水中，配制成400 mg/L 的肥液。

1.2 试验系统

试验装置由土箱和供水系统两部分组成，如图1所示。试验土箱由厚度10 mm 透明有机玻璃制成，规格大小为40 cm 玻璃制成，规格大小为（长×宽×高）。供水系统利用恒流蠕动泵（BT-200SD 型上海青浦沪西仪器厂）控制滴头流量为2.5 L/h。试验土箱与蠕动泵之间用橡胶软管连接，将橡胶软管一头放置在土箱顶端一角，如图1所示。

图1 试验装置图

1.3 试验方法与测定内容

试验设置2 种处理，为混施和表施PAM，重复2 次，以未施PAM 作为对照。按照PAM 用量3 g/m2施用PAM，表施是在土壤表面均匀撒施0.48 g的PAM，混施是在表层土壤0～25 cm范围内均匀混合0.48 g的PAM。设置蠕动泵的转速为46 r/min，滴头流量为2.5 L/h。按土壤容重1.30 g/cm3，将试验土样分层装入土箱，每5 cm 一层，层间打毛，装土高度35 cm。装土完成后，将滴头固定在土箱一角。试验过程中以先密后疏的时间间隔记录数据，不同时刻下，表层用彩色钉标记出水平运移距离，土箱侧面描绘湿润体运移痕迹。入渗时间2 h 后，试验结束停止供水，随即用小土钻开始取土，水平方向间隔5 cm，垂直方向间隔5 cm，一直取到湿润锋干湿交界处，取土样点分布如图2所示。

图2 取土样点分布图（单位：cm）

取土完毕后，用方格纸描绘湿润锋运移轨迹，记录湿润锋坐标。用烘干法测定土壤含水率；速效钾按照土水质量比1∶5 浸提，采用火焰光度计测定；土壤硝态氮用2 mol/L KCl 浸提，紫外可见分光光度计测定；速效磷用0.5 mol/L NaHCO3浸提，钼锑抗比色法测定。

2 结果与分析

2.1 PAM施用方式对湿润锋推移规律的影响

供水系统是恒流蠕动泵，单位时间内滴出的水量相同。滴出的水量一是入渗进入土壤形成土壤湿润体；二是蒸发进入大气，且随着湿润体与大气接触面的扩大，蒸发作用会越来越强，土表蒸发少则湿润体的含水率大。不同PAM 施用方式下湿润锋的水平运移距离和垂直运移距离随时间的变化曲线如图3所示。图3说明在入渗过程中，水平入渗距离和垂直入渗距离均随入渗时间的增加而逐渐变大，入渗开始阶段湿润锋推进速率较快，但随着入渗时间的延长，湿润体与干土交界面的迅速扩大，湿润锋的推进速率开始减小，运移距离随时间的延长增幅减缓。

在入渗结束120 min 时，表施处理下土壤湿润锋的水平运移距离最大，达到了约34.2 cm，且在相同时刻始终保持运移距离最大。这应是由于表施处理的土壤表层PAM 含量高，遇到水分在土壤表面形成一层薄膜，降低了蒸发面梯度，减少了土壤蒸发；同时PAM 能有效地降低流体的摩擦阻力，增大土壤表层导水能力，因此相较于对照和混施，表施的入渗水分最多，水平方向导水能力最强，水平运移距离最大。且表施由于有效抑制了土壤的水分蒸发，因此都会有更多的水分入渗进入土壤，因此在垂直方向上表施的入渗距离也最远。这与张淑芬[8]，哈丽代姆·居麦[10]等人的研究结果一致。

在入渗结束120 min 时，水平方向上对照的运移距离稍大于混施，分别为29.8 cm、27.8 cm。这是由于混施的土壤表面PAM 的含量少，未能有效抑制土壤蒸发，土壤表面蒸发大，可用于入渗的水量少及土壤中的PAM 吸水性、保水性共同作用，形成了入渗初期湿润锋运移较慢的现象，但是随着土壤中PAM 的吸水饱和土壤导水能力的提高，入渗后期混施的湿润锋运移速度将会超过对照，这一点也可以从图5的分析结果“60 min 左右混施的湿润体体积增长速率超过对照”得到很好的印证。

2.2 PAM 施用方式对土壤湿润体体积增长速率的影响

为了观察湿润体形状并计算湿润体的体积增长速率，并以此判断PAM 不同施用方式对土壤入渗能力和节水效果的影响。在土箱侧面用记号笔描绘出0.5、1、5、10、20、60、120 min 7个不同时刻的湿润锋运移曲线，对照、表施、混施3种情况下的湿润体形状分别如图4所示。可看出，在整个入渗过程中，3 种情况下的垂直运移距离始终小于水平运移距离，湿润体形状近似扁平椭球体。这与卢俊寰[11]等人的研究一致。

图4 PAM不同施用方式下0.5、1、5、10、20、60、120 min时湿润锋对比曲线

根据试验数据，对比图4中对照、表施、混施6 种情况下的曲线，发现相同时刻下湿润体形状都类似椭球体[12,13]，且表施、混施、对照的水平运移距离与垂直运移距离的比值情况为：表施＞混施＞对照。以上现象说明随着PAM 施用浓度的增加，能明显提高土壤的水平入渗能力，降低垂向的入渗能力。

李晓斌[12]等人的研究结果表明，湿润锋水平半径最大位置并非在土壤表面。土壤黏粒含量越大，透水性越差的土壤，其滴灌湿润体最大直径越靠近地表，且湿润体入渗深度越小，最大直径越大。试验用土壤为黏壤土，最大直径靠近土壤表面，此处将土壤表面看作水平湿润半径最大位置。根据前人研究结果[12,13]，拟定本次点源入渗试验中湿润体形状为椭球体，土壤湿润体体积可以使用椭球体体积公式进行计算：

式中：V（t）湿润体体积；X（t）为水平运移距离与入渗时间的拟合幂函数；Z（t）为垂直运移距离与入渗时间的拟合幂函数。

在入渗过程中，PAM 不同施用方式下土壤湿润体的体积如表2所示。

表2 PAM不同施用方式下土壤湿润体体积

由表2可知，土壤湿润体体积与入渗时间呈线性关系，这与张振华[13]等人的结果一致。随着入渗时间的延长而增大，在入渗结束120 min 时，混施的土壤湿润体体积已开始大于对照，而表施条件下土壤湿润体体积最大，约为其他施用方式下的两倍，达到72 755.48 cm3。这说明表施PAM 能有效地抑制土壤蒸发，增大土壤湿润体体积，节水效果明显，这与张淑芬[8]的研究结果一致。

为了进一步了解施用PAM 对湿润体形成扩散速度是否有影响，由已知数据，对湿润体体积增长速率与入渗时间的关系进行分析，结果如图5所示。在本次入渗试验过程中，表施和混施体积增长速率始终保持增大，增幅越来越小，而对照条件下湿润体体积增长速率逐渐减小，最后趋于平稳。在入渗初始阶段，对照的体积增长速率大于表施和混施，在5 min左右表施的增长速率超过对照，60 min左右混施的增长速率超过对照。这是因为PAM 本身具有较好的吸水性[3]，入渗初期由于PAM 的吸水作用而减缓了湿润体的扩散速度，而入渗中后期随着PAM 吸水饱和，增加土壤入渗能力的显现，表施和混施的体积增长速率都超过了对照，这也说明了施用PAM 对增加土壤导水率，加快土壤湿润体扩散有促进作用。

图5 PAM不同施用方式下湿润体体积增长速率

2.3 湿润体的水分空间分布规律

滴灌施肥模式下，土壤湿润体的形状、大小和水分分布状况对灌溉制度的制定有着重要的指导意义[10]。利用Surfer 软件绘制PAM 不同施用方式下的土壤湿润体质量含水率等值线图，如图6所示。

图6 PAM不同施用方式下土壤湿润体含水率分布

根据试验数据并结合图6分析可知，在入渗试验中，PAM不同施用方式下土壤含水率变化规律基本一致，都是在滴头下方处土壤含水率最大，距离滴头越远土壤含水率越小。在水平方向相同位置处湿润体含水率的大小基本符合：表施＞混施＞对照；在垂直方向相同位置处湿润体边界含水率的大小基本符合：表施＞对照＞混施。该土壤水分分布状态说明，表施PAM 遇水后溶解，其分子同土壤颗粒通过絮凝作用和对土壤分散颗粒的团聚作用，使土壤微团聚体组成发生变化，促进了土壤水分入渗，提高了土壤含水率，且灌水后还可在土壤表层形成一层薄膜，降低了蒸发面梯度，阻碍了土壤水分蒸发，因此表施的湿润体体积最大，含水率最高，可见表施PAM的节水效果最好。

混施情况下，土壤表层PAM 含量少，未能有效减少土壤蒸发，导致最终混施和对照土壤湿润体体积相差不大，但根据图5的分析结果“60 min 左右混施的湿润体体积增长速率超过对照”可知随着入渗时间的延长，混施的湿润体体积将会超过对照，这说明混施PAM 可以提高土壤入渗能力。另外，在120 min 混施湿润体体积已开始超过对照，且水平方向相同位置处混施土壤含水率大于对照，垂直方向相同位置处混施小于对照，该现象说明混施PAM 能够有效增加土壤持水能力，减少土壤深层渗漏。

2.4 PAM施用方式对土壤养分分布特征的影响

由试验数据结合图7（a）～图7（c）分析可知，PAM不同施用方式下硝态氮含量总体趋势均随距离的增加，先增大后减小。径向上在5～15 cm 范围内处达到峰值，垂向上在5～10 cm 范围内达到峰值，即在土壤湿润体的中部偏上的位置发生累积，在累积区硝态氮含量的累积情况为：表施＞混施＞对照。这一现象说明施用PAM 对于土壤保持氮肥有较大的促进作用。

硝态氮在湿润锋处并未出现累积现象，这与杨梦娇[14]等人的研究结果有类似的现象，但与李久生[15]等发现的滴灌施肥条件下硝态氮易在湿润锋附近有累积现象的结论有差异。分析可能的原因是室内模拟试验受到土箱大小的限制，硝态氮随水溶解后经水平运移与土箱壁接触产生累积而导致该区域的硝态氮含量浓度升高。另外硝态氮在土壤中的迁移与累积与土壤质地也有密切关系，根据黄耀华[16]等的研究结果，硝态氮在土壤中的迁移能力表现为：砂质壤土>黏壤土>壤质黏土。针对硝态氮易发生下渗损失的现象，对比图7中垂向20 cm 处硝态氮含量，发现表施PAM 的含量最小，而混施和对照的数值接近，分析认为，可能是由于表施PAM 增加了水分水平入渗水量，降低了垂直入渗水量，因而减弱了硝态氮的垂直迁移能力所造成的。

图7 PAM不同施用方式下湿润体氮磷钾含量分布对比（单位：mg/kg）

由试验数据结合图7（d）～图7（i）分析可知，采用滴灌施肥，土壤湿润体的速效钾和速效磷含量的分布规律较为相似，其含量最大值出现在滴头附近，含量达到103～153 mg/kg。速效钾和速效磷在径向0～15 cm、垂向0～5 cm的土壤表层范围内累积，速效钾和速效磷发生了聚表现象，在累积区内速效钾和速效磷的累积情况为：表施＞混施＞对照。这一现象发生的原因可能是由于K+有较好的随水迁移能力，在滴头下方水分迁移速率较大时，速效钾的对流迁移作用大于吸附固定，表现为对流控制下的溶质迁移，在一定水平距离后，水分迁移速率减小，吸附固定作用加强而导致速效钾在某区域累积[17]。以上结果说明相较于对照和混施，表施条件下速效钾和速效磷的累积范围更大，应更有利于作物的吸收[18]。

3 结 论

文章通过室内入渗试验模拟了滴灌施肥条件下，不同PAM 施用方式对土壤湿润锋运移距离、土壤湿润体形状体积、土壤湿润体水分以及养分分布等特性的影响。结果表明：

（1）相较于对照和混施，相同时间内表施的土壤湿润锋推进速率最快，水平运移距离最大。而在垂直方向上3种施用方式的湿润锋的运移距离相差很小。表施PAM 能有效降低土壤表面蒸发，增加水平方向土壤入渗能力。

（2）表施、混施、对照3种情况下的湿润体形状均为扁平椭球状，表施的湿润体更加扁平。120 min 入渗结束时，PAM不同施用方式的湿润体体积大小是：表施>混施>对照，表施的体积约为混施和对照的2 倍，说明表施PAM 对减小地表蒸发具有抑制作用。在入渗初始阶段，对照的速率大于表施和混施，入渗中后期表施和混施的体积增长速率均超过对照，说明施用PAM对增加土壤入渗能力有明显的促进作用。

（3）在水平方向相同位置处湿润体含水率的大小基本符合：表施＞混施＞对照；在垂直方向相同位置处湿润体边界含水率的大小基本符合：表施＞对照＞混施。该土壤水分分布情况说明：表施能有效减少土表蒸发，节水效果最好。相较于对照，混施PAM 能够有效增加土壤持水能力，减少土壤深层渗漏，保水效果好。

（4）土壤湿润体硝态氮含量在5～15 cm 范围内处达到峰值，垂向上在5～10 cm 范围内达到峰值，即在土壤湿润体的中部偏上的位置发生累积，在累积区硝态氮含量的累积情况为：表施＞混施＞对照。速效钾和速效磷在径向0～15 cm、垂向0～5 cm 的土壤表层范围内累积，在累积区内速效钾和速效磷的累积情况为：表施＞混施＞对照。这说明表施条件下速效钾、速效磷的累积范围更大，应更有利于作物的吸收。

综上分析，相较于混施和对照，表施PAM 对防止土壤水分蒸发，增大土壤导水率，增强土壤保水性，提高土壤保肥能力具有明显的优势，且土壤表施PAM 作业条件好，操作方便，更具有现实推广意义。