农田干缩裂隙对微润灌土壤水氮运移及分布的影响

徐嘉惠，齐 伟，刘 俊，王 策，张展羽

（1.河海大学农业科学与工程学院，南京 211100；2.河海大学水利水电学院，南京 210098；3.南京市水利规划设计院股份有限公司，南京 210000）

0 引 言

近年来，我国水资源匮乏和供需不平衡等问题日益显著，发展节水灌溉技术对于缓解上述问题尤为关键[1]。微润灌溉是近年来兴起的一种精准高效的节水灌溉技术，以管内外水势差作为驱动力[2]，根据作物需水要求，通过半透膜管自动、实时、适量地为作物根部连续供水[3]，其用水量约为滴灌用水量的20%～30%，节水效率达70%以上[4]。致力于高均匀度、小流量的节水灌溉模式，是当前国内外节水灌溉发展的重要方向[5,6]。为优化微润灌溉技术参数从而提高其应用合理性发挥其最大效益，揭示微润灌水分入渗特征和不同因素对其影响规律是目前微润灌溉机理探求的重要内容。近些年，国内外研究学者通过微润灌入渗试验和数值模拟等方式对微润灌的水盐入渗规律进行了较为广泛的研究，目前关于微润灌溉的研究主要集中在压力水头、微润管埋深、土壤质地、矿化度、初始含水率等方面对微润灌入渗的影响[7-12]。

微润灌作为一种依赖土壤基质势驱动入渗的灌水技术，其灌溉水肥在土壤中的运移规律受土壤空间异质性影响较大。自然条件下，农田土壤在空间上普遍表现出异质性，例如动物活动(例如蚯蚓、蚂蚁等)、人类耕作、植物根系延展和腐烂、干湿冻融交替等因素影响着土壤空间结构和团聚体形态，长久以往使得土壤中存在若干不规则的孔隙结构(大孔隙和裂隙等)，直接导致土壤水力特征的空间变异性，造成水分溶质运移预测的不确定性[13]。土壤干燥失水过程中，固-液-气交界面逐渐由土壤表面下降至土体内部，土壤颗粒或团聚体间逐渐形成弯液面，进而引起土壤毛管吸力的增加。在毛管吸力作用下土壤颗粒或团聚体间形成吸力，使颗粒或团聚体互相靠近，土体中逐渐形成拉力场。当颗粒或团聚体间拉力超过其抗拉强度时，颗粒或团聚体薄弱区断开，在宏观上则表现为土壤开裂[14]。裂隙的存在切断了土壤毛管的连续性，对农田水肥入渗产生阻隔效应，Wang 等[15]研究发现裂隙阻隔效应下，水分入渗速率产生波动性，且湿润锋的推进受到明显抑制。Qi 等[16]研究表明滴灌条件下裂隙阻碍了水分的横向运移，从而影响灌水质量。而目前关于土壤裂隙对微润灌水肥运移影响的研究鲜有。

现有的对于裂隙几何特征的定量描述存在多种体系[17-20]，考虑裂隙的入渗模型则大多将裂隙理想化假设为楔状体[21,22]。为了更好地定量化研究微润灌溉下土壤裂隙特征对水分和氮素运移的影响，本文将土壤裂隙理想化假设为楔状体。通过在土柱试样中添加预制土壤裂隙模具，模拟裂隙条件下的微润灌入渗过程，探究不同土壤裂隙深度和面积率对微润灌溉下土壤湿润体内水氮分布的影响，以期为裂隙影响下微润灌水分运移、溶质迁移机理以及微润灌优化设计控制等提供相关的理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试土样

供试土壤取自河海大学节水园区大田（31°86’N，118°60’E）的旱地土壤表层（0～20 cm），以黄棕壤土为主。疏松后，采用2 mm 的筛子去除土壤中残留的石块及植物根系等杂质，置于空旷处自然风干。土壤的机械组成分析采用吸管法，按照国际制土壤质地分类方法进行分类，土壤容重采用环刀法，硝态氮和铵态氮含量利用紫外分光光度计测量。所得的土壤基本属性如表1所示。

表1 供试土壤基本属性Tab.1 Basic properties of the tested soil

1.2 试验装置

试验装置如图1所示。土柱由8 mm 厚的有机玻璃制成，尺寸为40 cm×40 cm×60 cm（长×宽×高），土柱底部设有均匀的排气孔。直径2 cm 的微润管、橡胶软管和提供连续恒压水头的马氏瓶组成微润灌溉系统。土柱后板不同高度处设有直径为1 cm的测量孔用于后期取土，前后板距顶部25 cm深度处设有直径为2 cm的小孔以安装微润管。

图1 试验装置示意图（单位：cm）Fig.1 Schematic diagram of test apparatus

1.3 裂隙参数

（1）裂隙深度：楔状体裂隙模具的高度。

（2）裂隙面积率Rcr，计算公式如下：

式中：Rcr为裂隙面积率，%；Ai为第i条裂隙的面积，cm2；A0为研究区域总面积，cm2。

裂隙面积的提取方法为：土壤表层裂隙模具面积。如图2所示，裂隙面积率为12.5%。

图2 裂隙面积提取示意图（单位：cm）Fig.2 Schematic diagram of crack area extraction

1.4 试验设计

试验旨在研究微润灌溉条件下裂隙特征对土壤水分及氮素运移的影响。灌溉溶液采用浓度为2 000 mg/L 的尿素溶液。在试验处理指标的选择上，土壤表面复杂裂隙形态的定量化研究是裂隙研究的先决条件和关键，裂隙面积率能较好反映土壤表面裂隙分布特征，裂隙深度则能较好反映裂隙纵向发育程度，因此选取裂隙面积率和裂隙深度两指标设置试验不同处理。观察试验园区该土质下的农田发现田间土壤裂隙平均深度在10 cm 左右，同时结合土柱尺寸和前人对农田裂隙特征参数的研究经验[23,24]，将裂隙深度设置3 个梯度，分别为5、10、15 cm；裂隙面积率设置两个梯度，分别为12.5%和7.5%，再设置无裂隙的对照处理组共7个处理。将土壤裂隙理想化假设为楔状体，根据不同的裂隙深度和面积率制造裂隙模具。裂隙模具插入土柱静置一段时间，待裂隙形态稳定后，在微润灌入渗前取出模具。每组处理重复3次，取平均值分析计算结果。试验设计见表2。裂隙具体布置图见图3（以T5、T6处理组为例）。

图3 裂隙布置示意图（单位：cm）Fig.3 Schematic diagram of crack arrangement

表2 试验设计Tab.2 Experimental design

1.5 测定项目与方法

试验开始前，将风干土样过2 mm 筛，按原容重分层填土，每间隔5 cm 振捣、打毛，确保土壤颗粒之间充分接触。有机玻璃土柱内高55 cm，填土高度为50 cm。当填土至25 cm深时埋设微润管，微润管长度为40 cm，微润管严格保持与土壤表面平行。将2 000 mg/L的尿素溶液加入马氏瓶，打开全部阀门，排除管内空气，同时开始记录马氏瓶刻度。整个灌溉过程共持续120 h，按先密后疏原则（0～12 h 每3 h 记录一次，24 h记录一次，24～36 h每6 h记录一次，36～120 h每12 h测定一次）采用数码相机记录相应处理组湿润锋照片并记录相应的马氏瓶刻度，入渗结束后关闭阀门。使用取土器以微润管为中心，横纵向每隔5 cm 取土，以测定土壤的含水率、铵态氮和硝态氮含量。湿润锋照片的处理先采用Photoshop CS 进行裁剪，再结合Matlab 软件对裁剪后的图像进行灰度化、二值化、去除杂点，基于优化后的二值化图像，采用图像识别形态学算法进行Matlab 编程计算，得到湿润锋垂直、水平运移距离及其浸润面积等相关数据[15,25]。土壤含水率采用烘干法计算，铵态氮量、硝态氮量采用1 mol/L 的KCl 浸提，利用紫外分光光度计测定。

1.6 数据处理与分析方法

采用origin 软件绘制湿润锋、累计入渗量与时间的关系图，导入suffer 软件绘制土壤含水率的等值线图。累积入渗量规律拟采用Kostiakov模型进行经验拟合，公式为：

式中：I为累计入渗量，cm3；A为入渗系数；t为入渗时间，h；B为入渗指数。

2 结果与分析

2.1 湿润锋运移特征

2.1.1 湿润锋水平方向运移特征

图4显示了两种裂隙面积率、3 种裂隙深度情况下土壤湿润锋水平运移距离与时间的变化关系曲线。由图4(a)可知，当裂隙面积率为12.5%，入渗末期，湿润锋水平方向运移距离和速率T1 处理最大，T3 处理次之，T5 处理最小。入渗初期0～10 h 内，湿润锋尚未到达裂隙边界，此时T1、T3、T5 三组处理的湿润锋水平运移规律基本相同。入渗12 h 时，T5 处理湿润锋水平运移距离到达6 cm，竖直运移至15 cm 深度裂隙边缘处。受裂隙影响，此时湿润锋水平运移速率有下降趋势，具体表现为t=12 h 时，T5 处理运移速率明显下降。入渗时间29.5 h 时，T3 处理湿润锋水平运移距离到达10.26 cm，竖直运移距离到达10 cm 深度裂隙边缘处。受到裂隙的影响，此时湿润锋水平运移速率随之下降。体现在29.5 h 时，T3 处理运移速率明显下降；从图4(b)可看出T2，T4，T6 处理组有类似现象。通过分析对比入渗末期T1 和T2，T3 和T4，T5 和T6 处理组可知，当裂隙深度相同时，裂隙面积率较小的处理湿润锋水平运移距离略高于裂隙面积率较大的处理。由上可知，裂隙深度和面积率对湿润锋水平运移距离均有影响。

图4 湿润锋水平运移距离随时间变化特征Fig.4 Characteristics of horizontal migration distance of wetting front with time

2.1.2 湿润锋竖直方向运移特征

图5为两种裂隙面积率，3 种裂隙深度情况下土壤湿润锋竖直方向运移距离随时间的变化关系曲线。从图5(a)可以看出，各处理湿润锋竖直向上运移距离大体呈现为T5 ＞T6＞T3＞T4＞T1＞T2＞T0，且T5＞T3＞T1＞T0，T6＞T4＞T2＞T0，该现象说明湿润锋竖直向上运移距离与裂隙深度呈正比，即裂隙深度越深，湿润锋竖直向上运移距离越远。比较T5 和T6，T3 和T4，T1 和T2 处理来看，湿润锋竖直向上运移距离差距不大，表明裂隙面积率对于湿润锋竖直向上运移影响不大。反观图5(b)，各处理呈现出T1＞T2＞T0＞T3＞T4＞T5＞T6，且T1＞T0＞T3＞T5，T2＞T0＞T4＞T6，说明裂隙的存在对于湿润锋竖直向下运移起到一定的抑制作用，但由于湿润锋竖直向下运移主要依靠重力势与基质势，故裂隙的抑制作用并不明显。韩松等人[26]研究发现，无裂隙土壤中，微润灌湿润锋入渗距离情况理应为竖直向上＜水平向右＜竖直向下。但针对本试验来说，比较图4和图5可知，裂隙深度达到15 cm 时，T5、T6 处理湿润锋入渗距离存在水平向右＜竖直向下＜竖直向上的情况，说明裂隙的存在对于湿润锋竖直方向的运移距离和速率影响较大。与无裂隙土壤相比，开裂土壤湿润锋竖直向上运移距离更远，速率更快。且裂隙越深，面积率越大，湿润锋向上运移越快。这一现象易使得浅层土壤含水率较高，造成土壤水分无效蒸发，导致灌溉水利用率降低。

图5 湿润锋竖直运移距离随时间变化特征Fig.5 Variation characteristics of vertical migration distance of wetting front over time

2.2 累积入渗量变化特征

图6显示了两种裂隙面积率，3 种裂隙深度情况下的微润灌溉累积入渗量随时间的动态变化规律。灌水结束时，T1、T2、T3、T4、T5、T6处理对应的累积入渗量分别为11 282.23、11 933.33、11 200.00、13 066.67、12 433.33、14 366.67、13 500.00 mL。入渗结束时，T1、T2、T3、T4、T5、T6 处理累计入渗量比T0 处理增加了5.77%、1.93%、15.81%、10.21%、27.34%、19.66%。分析图6趋势表明，各处理累积入渗量随时间的变化呈良好指数函数关系，本研究采用Kostiakov 经验入渗模型分别对处理进行拟合，得到表3。由表3可知T0、T1、T2、T3、T4、T5、T6 处理对应的R2均大于0.99，拟合水平较高，说明不同裂隙深度和面积率处理下的微润灌累计入渗量均符合Kostiakov入渗模型，各参数见表3。从表3可以看出，裂隙深度增加，面积率增大，入渗系数A增大，入渗指数B减小；裂隙深度降低，面积率减小，入渗系数A减小，入渗指数B增大。

图6 累积入渗量随时间变化特征Fig.6 Variation characteristics of cumulative infiltration over time

表3 Kostiakov入渗模型拟合参数Tab.3 Fitting parameters of Kostiakov infiltration model

裂隙面积率相同，深度不同时，由图6可知，各处理入渗速率、累积入渗量表现为T5＞T3＞T1，T6＞T4＞T2。即当裂隙面积率相同时，随着裂隙深度增大，裂隙对于微润灌入渗影响越显著，裂隙越深，累积入渗量越大。裂隙深度相同，面积率不同时，从图6来看，各处理入渗速率、累计入渗量表现为T5＞T6，T3＞T4，T1＞T2。即当裂隙深度相同时，随着裂隙面积率增大，裂隙对于微润灌入渗影响越显著，裂隙面积率越大，累积入渗量越大。

由上可知裂隙显著影响了微润灌溉入渗机理。随着裂隙变深，面积率变大，微润灌累积入渗量增多。但当裂隙深度较小为5 cm 时，T1、T2处理累计入渗量与T0处理相近，此时裂隙对于微润灌入渗影响较小。

2.3 土壤水氮分布特征

2.3.1 土壤含水率分布特征

入渗结束时刻其截面土壤含水率等值线图如图7所示。从图7可知，土壤裂隙对湿润体内水分分布的影响较大。各处理下等值线图均表明土壤含水率与沿微润管的距离呈负相关关系，即微润管中心位置附近处含水率等值线都较为疏松，含水率值较大，差异较小；距离微润管中心位置较远、靠近土壤裂隙处，含水率等值线较为密集，含水率值相对较小，差值较大。由图7可知，土壤裂隙面积率越小、深度越浅，靠近微润管的土壤含水率等值线相对疏松的现象越明显。在距离微润管垂直方向10～15 cm 处，随着距离微润管中心位置越来越远，等值线越密集，水势变化梯度随着裂隙深度和面积率的增大而增大。总体看来，在湿润体同一位置处的土壤含水率随裂隙面积率、深度的增大而增大，且土壤含水率最高值的位置随着裂隙深度的增大而下移。靠近微润管中心位置附近处土壤与从微润管内渗出的水分充分接触，越靠近微润管的土壤水分入渗均匀性较好，故土壤含水率等值线较疏松，含水率梯度较小。靠近土壤裂隙附近土壤，入渗不连续，土壤水分水平运移受到影响，故土壤含水率等值线较为密集，含水率梯度较大。裂隙越深，越接近于微润管，对于微润灌的入渗影响越大。

图7 土壤含水率等值线图(图中均为质量含水率)Fig.7 Contour map of soil moisture content

2.3.2 土壤硝态氮分布特征

入渗结束时刻不同处理土壤硝态氮分布情况如图8所示。从图8可看出，各处理下均表现为土壤硝态氮含量与距微润管距离成正比，即湿润锋范围内距微润管越远，土壤中硝态氮含量越高。这是由于尿素溶于水进入土壤后，尿素分子在土壤中的运移机制主要是对流作用，由土壤含水率分布特性可知，位于微润管和土壤裂隙周边的土壤含水率较高，硝态氮的对流作用较强，远离微润管，土壤含水率较低，硝态氮的对流作用较弱，即硝态氮的对流作用随与微润管距离的增大而减小，硝态氮在对流作用的影响下是向土壤含水率较低处运移累积的。故硝态氮的分布特征与含水率相似。

图8 土壤硝态氮分布特征Fig.8 Distribution characteristics of soil nitrate nitrogen

与T0 处理相比，各处理铵态氮量均显著增加，T1、T2、T3、T4、T5、T6 处理的硝态氮含量分别是T0 处理的0.97～1.91、1.05～1.25、1.06～2.55、1.12～2.31、1.33～3.86、1.16～3.28 倍，其中T5 处理的增长最为明显。同一深度下，各处理土壤硝态氮含量呈现出T0＜T1＜T3＜T5，T0＜T2＜T4＜T6，即随着裂隙深度增大，同一深度处土壤硝态氮含量也有所增加。观察亦可知，高裂隙面积率处理组的硝态氮含量显著高于低裂隙面积率处理组。T2 处理土壤中硝态氮最高含量较T1 处理高出81.92%，T4 处理土壤硝态氮最高含量较T3 处理高出33.30%，T6 处理土壤硝态氮最高含量比T5 处理高出46.12%。由上可知，裂隙的深度和面积率增大，均会促进微润灌溉下土壤硝态氮的运移。裂隙的存在会使得土壤的水分入渗加快，受其影响，硝态氮的运移表现出加快、增多的特征。

2.3.3 土壤铵态氮分布特征

入渗结束时刻不同处理土壤铵态氮分布情况如如图9所示。从图9可看出，各处理下均表现为土壤铵态氮含量与距微润管距离成反比，即湿润锋范围内距微润管越远，土壤中铵态氮含量越低。铵态氮含量表现出与硝态氮相反的结果，这是由于铵态氮在土壤中的运移主要是由土壤对铵态氮的吸附饱和度决定的[27]。由于本试验微润灌溉灌水结束时各处理的土壤含水率均低于土壤饱和含水率，故铵态氮在运移过程中均随土壤水分在土壤中作不饱和流运动，在运移过程中大部分被土壤所吸附，少部分随着土壤溶液向远处移动[28]。

图9 土壤铵态氮分布特征Fig.9 Distribution characteristics of ammonium nitrogen in soil

与T0 处理相比，各处理铵态氮量均显著增加，T1、T2、T3、T4、T5、T6 处理的硝态氮含量分别是T0 处理的0.93～1.93、0.86～1.19、1.18～3.30、1.12～2.80、1.98～5.69、1.92～3.73 倍，其中T5 处理的增长最为明显。同一深度下，各处理土壤铵态氮含量呈现出T0＜T1＜T3＜T5，T0＜T2＜T4＜T6，即随着裂隙深度增大，距离微润管相同距离处铵态氮含量也有所增加。同样的，裂隙面积率大的处理组铵态氮含量明显高于裂隙面积率小的处理组。T1 处理铵态氮最高含量比T2 处理高出22.54%，T3 处理铵态氮最高含量比T4 处理高出14.40%，T5处理铵态氮最高含量比T6 处理高出10.63%。由上可知，裂隙的深度和面积率增大，均会促进微润灌溉下土壤铵态氮的运移。

3 结 论

本文探究了微润灌溉条件下土壤裂隙几何特征对土壤水分及氮素运移的影响，分析了不同裂隙深度（5、10 和15 cm）、不同裂隙面积率（7.5%和12.5%）情况下土壤水氮的运移规律，结论如下：

（1）裂隙的存在会影响湿润锋推进速率。裂隙深度越深，面积率越大，湿润锋水平方向运移速率越慢，受其影响，湿润锋竖直方向运移速率加快。

（2）裂隙对微润灌入渗速率有明显影响，累积入渗量随时间的变化规律均符合Kostiakov 入渗经验模型，拟合优度较高。随着裂隙深度、面积率增大，微润灌入渗速率和累积入渗量均增大。

（3）湿润体范围内距微润管越远，土壤中含水量、硝态氮含量越高，铵态氮含量越低。受裂隙影响，水分、硝态氮、铵态氮的运移表现出加快、增多的特征。土壤裂隙深度、面积率越大则同一深度土壤含水率、铵态氮和硝态氮含量越高。

本研究中假定在灌溉过程中裂隙形态保持不变，简化了微润灌与裂隙交互影响作用，同时在试验过程中忽略了农田作物根系对于土壤裂隙发育形态的影响，这与实际情况存在一定差异，试验所得结论有一定局限性。后续可全面考虑裂隙动态闭合效应及根系分布对微润灌溉的综合影响，进一步揭示农田复杂情况下的微润灌溉机理，为实际灌溉生产提供理论支撑。