微润灌施下压力水头对湿润锋及土壤水氮运移的影响

李慧敏，申丽霞，王瑞军，孟 涵，李京玲，孙雪岚

（太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024）

0 引 言

微润灌溉是一种利用半透膜性能的高效节水灌溉技术，通过借助一定的压力水头，达到持续微量供水的目的[1-4]。有关微润灌溉室内试验研究，主要包括应用机理和模型与模拟两个方面。应用机理方面主要研究压力水头、微润管埋深、土壤容重、初始含水率、微咸水灌溉、水温等对微润灌土壤水分入渗特性的影响。如毕远杰等[5]、张少文等[6]均对微润管埋深与压力水头下土壤水分入渗进行了研究。邱照宁等[7]研究了水温对低压微润管出流影响，发现微润管在空气中的出流量与水温线性相关，且压力水头越大温度对其出流影响越大。模型与数值模拟方面主要集中在微润灌对入渗模型的拟合上。如冀荣华等[8]利用HYDRUS-3D 有限元模型对微润灌下土壤水分入渗进行了数值模拟。但多数研究都集中在均质土的水分入渗上，对于其他机理研究较少。由此可见，微润灌对于水肥一体化的研究还存在一定空缺，尤其是室内试验对于水肥的应用机理研究还缺少大量的试验研究与证明。

微润灌溉的出流量主要受到压力水头、微润管埋深、土壤质地以及容重的影响[9]。微润灌的沿程水头损失[3]及地表蒸发很小，因此当微润管埋深、土壤质地及容重等参数确定的条件下，压力水头成为影响出流量的主要因素。牛文全等[2,10]发现压力水头在0～2.4 m 范围内，微润带的出流量与压力水头呈线性递增关系，并通过96 组田间试验得出微润管出流量的影响因素所占的比重为压力水头＞土壤容重＞初始含水率。鉴于前人的研究经验，本试验设计压力水头在1～2 m范围内，对微润灌施肥条件下湿润锋及水氮运移规律进行了深入研究，以期为微润灌水肥一体化条件下压力水头对湿润体内水肥运移规律的影响提供理论依据，逐渐丰富微润灌施的相关理论。

氮素是植物生长发育必需元素，对植物体内正常物质循环和能量代谢有着重要意义[11]。硝态氮（NO3-）是植物吸收土壤中无机氮的主要形式，研究硝态氮在土壤中的运移规律，对不同压力水头下微润灌室外种植试验具有指导意义。本次试验使用的硝酸铵钙肥，是一种含氮和速效钙的新型高效复合肥料，为白色圆形颗粒，极易溶于水，含氮量15.5%，其中90%以上为硝态氮，其余为铵态氮。硝酸铵钙具有肥效长，挥发损失小，降低土壤酸碱度，增加土壤团粒结构的特点[12]。

1 材料与方法

1.1 试验概况

试验时间为2021年4-5月，试验地点为山西省太原理工大学水利学院的土壤实验室，试验用土为黏壤土。试验前，将取得的土壤进行风干、碾压，再用孔径为2 mm 的滤筛进行筛分，过筛后即为试验用土。使用MS2000 型激光分析粒度仪测定试验土颗粒粒径，土壤粒径分布为0.02 mm＜d＜2 mm 含量为37.64%，0.002 mm＜d＜0.02 mm 含量为41.62%，d＜0.002 mm含量为20.74%。测定土壤初始含水率为0.94%，初始硝态氮含量为1.26 mg/kg。

1.2 试验装置

试验装置由供水系统与土箱组成，如图1所示。供水系统包括马氏瓶、活动支架、输水管、微润管、进出口阀门等。马氏瓶为有机玻璃材质，内径为10 cm，高度为50 cm，配有细玻璃棒和橡胶塞，并通过细玻璃棒平衡气压提供连续恒压水头，其侧壁标有刻度，便于读取下降高度，计算入渗量。活动支架可通过调节高度实现水头调控。输水管为内径为16 mm 的黑色PE 管，微润管为内径为16 mm 的高分子半透膜，二者通过阀门连接。马氏瓶出水口与微润管的高差为设计的压力水头。土箱为有机玻璃材质，规格为（长×宽×高）70 cm×40 cm×40 cm，厚度为1 cm，左右两侧中心处对称打孔，孔径为18 mm,用来布设微润管，在微润管孔四周，水平和竖直方向，每5 cm 处打有直径为12 mm 的取样孔，如图2所示。以微润管为坐标原点，水平向右为X轴，竖直向上为Y轴正方向，建立二维坐标系。

图1 室内土箱试验装置图Fig.1 Indoor soil chamber test device diagram

图2 取样点示意图（单位：cm）Fig.2 Schematic diagram of sampling points

1.3 试验设计与方法

本试验以压力水头为试验变量，共设5 组处理(T1:1.00 m、T2:1.25 m、T3:1.50 m、T4:1.75 m、T5:2.00 m)，每组处理施600 mg/L 硝酸铵钙、固定微润管埋深15 cm，土壤容重均控制在1.3 g/cm3，所有处理重复3 次。试验前，将试验用土按照原始体积质量分层装入土箱，以5 cm 为一层，逐层填土、夯实，以利于土壤颗粒充分接触。当土层填到20 cm 时，连接微润管，然后将马氏瓶注入清水，排气后开通微润管进口阀门，检测微润管是否正常使用。待微润管润湿后将水排尽，继续填土、夯实，直到微润管上层覆土15 cm 时停止。待所有处理填土完毕，再分别将马氏瓶内注入肥液。先将马氏瓶内加水，注入一半后，将气泡排尽，再重新加水，称取1.178 g 硝酸铵钙溶于水后倒入马氏瓶内，加满水，试验开始计时，设定试验时间为72 h。第一天白天间隔2 h,其余白天隔4 h，夜间隔12 h记录马氏瓶内液面下降高度，同时测量湿润锋在不同方向的运移距离；每隔12 h 在土箱侧面取样点取一次土样，用烘干法测定其含水率，用紫外分光光度计测定硝态氮的含量。3次重复取平均值。

2 结果与分析

2.1 压力水头对湿润锋运移的影响

通过对各处理下湿润锋运移规律的分析，发现试验结束时，湿润体形状近似为一个左右对称的圆柱体。可以使用任意时刻铅直平面内二维湿润锋边界形状的半椭圆形解析式[13]对本试验各处理下的湿润锋进行描述，即：

式中：x、y分别代表湿润锋在水平、铅直方向上的最大运移距离，cm。

将上述等式两边均乘以A2，得到：

令A/B=m，m表示湿润体的宽深比。由方程可知，当m=1时，表示湿润体纵剖面为圆形，本试验结果表明m值大致在0.91左右，为圆形。通过对湿润锋运移距离与灌水时间进行拟合，发现运移距离与灌水时间符合幂函数关系，见式(3)，且拟合程度较高，拟合结果见表1。

表1 各处理湿润锋运移距离与时间的拟合参数Tab.1 Fitting parameters of migration distance and time of wet front in each treatment

式中：R为运移距离，cm；T为灌水时间，h；a、b分别为入渗系数和入渗指数。

由表1可知，各决定系数均大于0.98，说明不同压力水头下，湿润锋在水平、垂直向上、垂直向下3个方向的运移距离与灌水时间具有较好的幂函数关系，且在X、Y+、Y-3 个方向上入渗系数a均与压力水头呈正相关关系，入渗指数b均与压力水头呈负相关关系。通过对湿润锋运移距离曲线的拟合系数分析，得出a和b均与压力水头h具有明显的线性关系：

（1）X方向：

将拟合系数a、b带入公式(3)，得出不同压力水头下水平运移距离与时间的关系模型：

（2）Y+方向：

将拟合系数a、b带入公式(3)，得出不同压力水头下垂直向上运移距离与时间的关系模型：

（3）Y-方向：

将拟合系数a、b带入公式(3)，得出不同压力水头下垂直向下运移距离与时间的关系模型：

2.2 压力水头对土壤水分的影响

压力水头通过影响微润带出流量的大小与速率，进而影响湿润体内土壤含水率的变化，而累积入渗量能直观的反映入渗特征，为对比微润灌施下压力水头对土壤水分的影响，绘制了不同压力水头下累积入渗量的变化曲线及72 h 时土壤含水率变化曲线，进而分析出压力水头对土壤水分的影响规律。

如图3所示，为各处理下累积入渗量随时间的变化关系图。由图3可知，累积入渗量随入渗时间的增加逐渐增长。相同时刻下，压力水头与累积入渗量的关系表现为T5＞T4＞T3＞T2＞T1,即压力水头越大，入渗速率越快，累积入渗量越多。如图4所示，为72 h时各处理在垂直方向上土壤剖面平均含水率分布图。由图4可知，同一时刻相同位置不同压力水头下土壤含水率表现为T5＞T4＞T3＞T2＞T1，即压力水头越大，同一时刻相同土层深度的土壤含水率越大。累积入渗量与土壤含水率表现的规律一致，这是因为压力水头可以影响微润管的出流量及水分入渗速率，压力水头越大，入渗界面的压力势越大，微润管出流量越多，土壤水分入渗速率越快，同一时刻相同土层深度的土壤含水率越大，累积入渗量越多。另一方面，硝酸铵钙完全溶解于水，溶质随水运移，钙离子与土壤胶体发生反应，导致土壤团粒结构增加，土壤孔隙率增大，导水率增加。压力水头越大，土壤团粒结构越多，土壤水分运移速率越快，土壤含水率越大。

图3 各处理下累积入渗量随时间变化关系图Fig.3 Relationship diagram of cumulative infiltration with time under each treatment

图4 各处理下含水率的变化图Fig.4 Variation of water content under each treatment

通过对累积入渗量的动态变化进行拟合，发现累积入渗量符合Kostiakov 经验入渗公式，即符合I=aTb（I为累积入渗量，L；T为入渗时间，h；a为入渗系数，b为入渗指数），且拟合程度较好，均为0.999，如表2所示，为各处理下累积入渗量的拟合参数。由表2可知，当压力水头由1 m 增加到2 m，参数a分别增加了1.02、1.04、1.16 和1.24 倍，参数b分别增加了1.02、1.03、1.04和1.05倍。由此说明参数a、b与压力水头均为正相关关系，压力水头对参数a、b的影响极为显著，且压力水头越大时入渗系数a的变幅越大。分析认为，入渗系数a反映了土壤入渗能力的大小，其值与土壤结构有关；入渗指数b反映了土壤水分入渗能力的衰弱程度，由于水分入渗使土壤孔隙率减小，土壤中原有的空气被排出，土壤水分入渗能力会发生改变。本试验中，压力水头越大，参数a、b均增大，说明随压力水头的增加，土壤的入渗能力增强，且土壤水分入渗能力的衰弱速度减慢。这是因为压力水头越大，入渗界面的压力势越大，土壤含水率越大，土壤入渗能力增强。随着土壤含水率增加，土壤孔隙率减少，而土壤饱和含水率不变，土壤入渗能力会逐渐衰弱。但是本试验使用的硝酸铵钙能够改变土壤结构，压力水头越大，微润管出流量越多，土壤中肥液越多，土壤胶体一般带负电荷，会与肥液中的钙离子发生中和反应，导致土壤团粒结构增多，土壤孔隙率变大，导水率增加，土壤入渗能力增强，这在一定程度上减缓了土壤入渗能力的衰弱速度。

表2 各处理下累积入渗量拟合参数Tab.2 Fitting parameters of cumulative infiltration under each treatment

2.3 压力水头对土壤硝态氮含量的影响

土壤中氮素的迁移一般会随着土壤中水分的运移而发生变化。通过绘制以微润管布设位置为中心，湿润体纵剖面不同深度土层60 h 时平均硝态氮含量等值线分布图，进而分析微润灌施下压力水头对土壤中硝态氮含量的影响规律。

如图5所示，为各处理60 h时土壤硝态氮含量等值线分布图，发现硝态氮含量整体变化与含水率变化相反。由图5可知，硝酸铵钙随水运移，在垂直微润管的平面上距离微润管越远，土壤中硝态氮含量越高，且与微润管相同垂直距离处，下部的硝态氮含量高于上部的含量；在微润管所在的水平面上，土壤中硝态氮含量先变小再增多。这是因为宏观上肥液受重力作用，肥液向下入渗量多于向上运移量，而硝酸铵钙易发生淋溶累积，因此距微润管越远土壤硝酸铵钙含量越多。在微观上，由于土壤胶体带负电荷，硝酸根离子与之发生离子间排斥作用，硝酸根离子会向土壤表面及最底层运移，而硝酸铵钙中的钙离子与土壤胶体发生反应，导致土壤团粒结构增加，孔隙率增大，导水率增加，硝酸根离子运移速率加快，因此距离微润管越远，土壤中硝态氮含量越多。而在微润管附近，由于微润管连续入渗，微润管周围硝酸铵钙不断得到补充，因此在微润管所在的水平面上，硝态氮含量先变小再增加，硝态氮含量最小值出现在微润管附近。

图5 各处理60 h时土壤硝态氮含量等值线分布图Fig.5 contour distribution of soil nitrate nitrogen content at 60 h of each treatment

由图5可以发现相同深度土层硝态氮含量表现为T5＞T4＞T3＞T2＞T1，说明压力水头越大，相同深度土层硝态氮含量越高。如在距微润管水平距离0 cm、垂直距离-10 cm处，T2～T5处理的硝态氮含量分别是T1的1.62、2.05、2.58和3.11倍。这是因为同一时刻相同位置的土层，压力水头越大，入渗界面的压力势越大，水分入渗速率越快，对土壤溶质的携带能力越强，溶质运移速率越快，土壤中硝态氮含量越高[14]。另一方面，压力水头越大，微润管出流量越多，土壤团粒结构越多，孔隙率越大，硝酸根离子运移速率越快，因此压力水头越大，同一时刻相同深度土层硝态氮含量越高。

3 讨 论

本研究发现压力水头对湿润锋运移距离、土壤含水率、累积入渗量及硝态氮含量均有极显著影响（p＜0.01）。压力水头是影响微润灌溉出流量的主要因素，通过影响入渗界面的压力势改变水分运动通量[1],从而使湿润锋运移距离、湿润体的含水率及硝态氮含量、累积入渗量发生变化。本文压力水头对含水率及累积入渗量的影响规律与前人研究类似。本试验发现，在微润灌施硝酸铵钙条件下，湿润体纵剖面为圆形，湿润锋在水平、垂直向上、向下3个方向的运移距离与灌水时间均符合幂函数关系，且入渗系数a与压力水头呈正相关关系，入渗指数b与压力水头呈负相关关系，由此建立不同压力水头下湿润锋在水平、垂直向上、向下3个方向的运移距离与时间的关系模型。通过对累积入渗量进行拟合，发现累积入渗量与灌水时间符合Kostiakov 经验入渗公式，参数a、b与压力水头均为正相关关系，压力水头对参数a、b的影响极为显著，且压力水头越大时入渗系数a的变幅越大。本试验同时发现土壤硝态氮含量的变化与含水率有相反规律，在垂直微润管的平面上距离微润管越远，土壤中硝态氮含量越高，且与微润管相同垂直距离处，下部的硝态氮含量高于上部的含量；在微润管所在的水平面上，土壤中硝态氮含量先变小再增多，硝态氮含量最大值出现在土壤表面或最深处。压力水头对硝态氮运移有促进作用，压力水头越大，氮素运移越快，土壤中硝态氮含量越高。康守旋等[15]对硝酸钙溶液在浑水膜孔灌多点源入渗条件下水氮运移的研究，发现硝酸钙溶液对浑水有增渗作用。本试验所使用的硝酸铵钙也发生了增渗作用。压力水头越大，入渗界面的压力势越大，微润管出流量越多，土壤水分入渗速率越快。土壤胶体一般带负电荷，肥液中硝酸根离子与土壤胶体发生排斥作用，以及硝酸根离子间作用，硝酸根离子向土壤表面和最底层运移，而钙离子与土壤胶体发生中和反应，土壤团粒结构增加，孔隙率增大，水分及硝酸根离子运移速率加快，土壤入渗能力增强，在一定程度上减缓了因含水率增加导致土壤入渗能力衰弱的速度。在宏观上表现为压力水头越大，相同时刻相同深度土层含水率越大，土体表面及最深处硝态氮含量越高。

本试验采用均质土壤进行研究，与大田土壤相比存在一定差距，对微润灌在大田中的应用还需要进一步研究怎样防止硝酸铵钙的淋溶累积对地表及地下水体的危害。由于试验场地的限制，压力水头的设置组较少，还需要设计囊括更大范围的水头进行更深入的研究。目前对于水氮相互作用的研究较少，本研究主要集中硝态氮随水分在土壤中的运移过程，对于氮素各种形态间的转化研究较少，还需要更深入的研究，若要得到田间实际条件下的验证，还有待深入研究和完善。

4 结 论

本试验研究了微润灌施硝酸铵钙条件下压力水头对湿润锋运移距离、土壤水分入渗及硝态氮运移的影响，得出以下结论：

（1）在微润灌施硝酸铵钙条件下，湿润体纵剖面为圆形，且湿润锋在水平、垂直向上、向下3个方向的运移距离与灌水时间均符合幂函数关系，入渗系数a与压力水头呈正相关关系，入渗指数b与压力水头呈负相关关系。

（2）压力水头对土壤水分运移有促进作用。压力水头越大，入渗界面的压力势越大，土壤水分入渗速率越快，同一时刻相同深度土层的含水率越大，累积入渗量越大。累积入渗量与灌水时间符合Kostiakov 经验入渗公式，参数a、b与压力水头均为正相关关系。

（3）在垂直微润管的平面上距离微润管越远，土壤中硝态氮含量越高，且与微润管相同垂直距离处，下部的硝态氮含量高于上部的含量；在微润管所在的水平面上，土壤中硝态氮含量先变小再增多，硝态氮含量最大值出现在土壤表面或最深处。压力水头对硝态氮运移有促进作用，同一时刻相同土层深度，压力水头越大，氮素运移越快，土壤平均硝态氮含量越高。

（4）硝酸铵钙能够改变土壤的孔隙结构。硝酸铵钙中钙离子与土壤胶体发生中和反应，导致土壤团粒结构增加，孔隙率增大，土壤入渗能力增强，因此在大面积施用时，要避免其淋溶累积对水体及环境造成危害。