滴灌施肥条件下土壤水分运移规律的研究

2018-11-28吴军斌苏振娟赵彦波

节水灌溉 2018年11期

吴军斌，尹娟,2,3，苏振娟，赵彦波，尹亮

(1.宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021；2.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程中心，银川 750021；3.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，银川 750021)

滴灌是微灌的一种，即滴水灌溉，是利用专门的灌水器(滴头、滴灌带)，把末级管道中的有压水流输送到作物根区土壤，来满足作物对土壤水分的需求[1,2]。滴灌技术的主要特点是，水流以点源入渗的形式进入土壤，并向不同方向分散，与传统的地面灌溉方式比较：节能省水，灌水均匀，对土壤结构破坏性小，可防止土壤水产生深层渗漏和肥料浪费的现象，减弱土壤次生盐碱化的程度，能够实现作物经济效益最大化[3-5]。农业是西北地区的支柱产业，土壤水分的多少是限制西北地区农业经济快速良好发展的关键因素。目前，我国在节水灌溉农业方面取得了好多进展，其中关于滴灌技术的研究也取得了较多的成果，并且找到了一些符合当地实际情况的节水灌溉技术[6]。国内外研究者关于滴灌技术的相关研究已经开展了大量的研究工作[7-14]。

宁夏地处西北内陆干旱地区，近年来，随着宁夏工业、农业以及生态等需水要求的增大，水资源供需矛盾日益突出[15,16]。根据2016年自治区水利统计公报，全区现状灌溉面积 60.44 万hm2，有效灌溉面积占全区现状灌溉面积的86.46%。全区现有高效节水灌溉面积17.66 万hm2,其中微灌面积占全区高效节水灌溉面积的71.32%，占全区有效灌溉面积的24.1%。滴灌技术在宁夏地区产生了长足的进展，但关于枸杞滴灌技术的研究主要集中在灌溉制度方面，而有关滴灌条件下土壤水分运移及分布规律的研究较少。旨在分析滴灌施肥条件下，枸杞田土壤水分运移及分布规律。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验设施主要由点源供水系统和点源入渗单元体(有机玻璃箱)组成，点源供水设备主要通过马氏瓶提供灌水，橡胶软管代替滴头，其中马氏瓶可以控制试验准确度和供水量；土箱的规格是根据枸杞根系的分布深度、分布广度和大田滴头间距进行确定，长、宽、高分别为60、50、60 cm；滴头放置于土箱一角。

试验土壤取自宁夏中部干旱区吴忠市同心县下马关镇枸杞种植基地，土壤类型为沙壤土。试验土壤的物理参数如表1所示，试验土壤的理化性质如表2所示。

表1 试验土壤的物理参数

1.2 试验设计与方法

试验采用单点源入渗，共设2个因素，分别是滴头流量和肥液浓度。滴头流量设置4个水平，分别为0.3、0.5、0.7、0.9 L/h(W1、W2、W3、W4)(因为将湿润体的1/4作为研究对象，所以4种不同的滴头流量实际上分别相当于1.2、2.0、2.8、3.6 L/h的田间实际滴灌流量)；硝酸铵(分析纯氮)作为氮肥，氮素浓度设置4个水平，分别为200、300、400、500 mg/L(F1、F2、F3、F4)，具体如表3所示。试验采用完全随机试验设计，计划湿润层深度设置为40 cm。

表2 试验土壤的理化性质

表3 因素水平表(下同)

试验开始后，在水分入渗过程中，通过贴在试验土箱外壁的刻度尺，采用先密后疏的原则，观测水平和垂直方向湿润锋随时间变化的过程。灌水开始后先每10 min记录一次湿润锋，等湿润锋间距变为大约1 cm时，再每30 min记录一次，当湿润锋间距再次变小后，每60 min记录一次，等垂直湿润锋运移深度达到35 cm后停止灌水(大田枸杞根系主要分布在地表下20～40 cm范围内)。等灌水结束后用塑料薄膜覆盖，当湿润锋湿润位置到达40 cm后，等再分布24 h后，用直径为2 cm的土钻分层取土，纵向和横向取土间距均为5 cm，以滴头位置为原点分别在0°、30°、60°、90°方向取土，采用烘箱根据烘干法的要求测定土壤含水率。

采用Excel 2010、SPSS、Origin 2017软件处理图表和分析数据。

2 结果与分析

2.1 不同氮肥浓度对纵向土壤含水率变化的影响

图1表示同一滴头流量下，不同氮肥浓度土壤含水率的变化过程。含水率用θ表示，如下文中的θF1表示：氮肥浓度为200 mg/L时的含水率(下同)。从图1可以看出，在W1水平下，当土层深度为0～20 cm时，含水率最大值为20.34%,最小值为18.39%，含水率相差1.95%，小于2%；当土层深度为20～40 cm时，含水率最大值为19.59%，最小值为11.91%，含水率相差7.68%，并且在4种氮肥浓度处理下，土壤平均含水率分别为16.81%、16.15%、15.31%、17.85%，说明θF4>θF1>θF2>θF3。在W3水平下，当土层深度为0～20 cm时，含水率最大值为20.74%,最小值为19.95%，含水率相差0.79%，小于1%；当土层深度为20～40 cm时，含水率最大值为20.61%，最小值为15.25%，含水率相差5.36%，并且4种氮肥浓度处理下的土壤平均含水率分别为18.31%、18.29%、17.74%、18.50 %，表现为θF4>θF1>θF2>θF3。首先，可以看出同一滴头流量下，随着垂直深度的增大，含水率均呈现出整体逐渐下降的趋势。其次，由于0～20 cm土层范围内含水率相差小于2%，说明氮肥浓度对0～20 cm土层土壤平均含水率的影响变化不大；所以，0～20 cm土层土壤平均含水率基本不受氮肥浓度的影响。其次，由于20～40 cm土层范围内含水率相差大于5%，说明氮肥浓度对土壤纵向含水率的变化存在影响，如表4所示取土深度(20～40 cm)和氮肥浓度对于含水率总体方差分析结果所示，随着垂直深度的增加，氮肥浓度对于含水率存在影响；并且4种氮肥浓度处理对于20～40 cm土层土壤平均含水率的影响规律为θF4>θF1>θF2>θF3。但随着灌水量的增大，F4与其余3种氮肥浓度下的含水率差值逐渐减小。因此，在20～40 cm土层土壤平均含水率与氮肥浓度呈负相关。

在灌水初期，浅层土壤含水率很快达到土壤饱和含水率，此时的土壤属于饱和区，对于饱和区土壤土水势主要考虑压力势和重力施，而且0～20 cm土层范围内的土壤含水率相差小于2%。故而在0～20 cm土层时，氮肥浓度对于含水率的变化并无明显影响。对于非饱和土壤，若灌水是纯水，则重点考虑基质势和重力势对于土壤含水率的影响。但本文主要在研究氮肥浓度大小对于土壤含水率变化的影响，因此在考虑土壤水吸力对于土壤含水率的影响时，要考虑溶质势对于土壤含水率的影响，因为溶质势是因土壤中的溶质分子而存在，是外部环境给予土壤的一种作用力，与基质势有区别的是，基质势是由土壤结构本身特有的性质所决定。当土壤水分在土壤中运移时，由于土壤水溶液中的溶质分子对水分子具有吸引力，所以土壤必须克服这种吸持作用，然后再作用于土壤水分，所以溶质势一般都是负值。而溶质势的大小与溶质浓度大小相关，当溶质浓度较大时，土壤溶质势较大，对于相同土壤水分条件下，则所需总的水吸力较大；当溶质浓度较小时，土壤溶质势较小，相同土壤水分条件下，则所需总的水吸力较小。根据土壤水分特征曲线，土壤水吸力越大，则土壤含水率越小。所以，随着氮肥浓度的增大，土壤溶质势增大，纵向土壤含水率逐渐减小。因此，在20～40 cm土层土壤平均含水率与施氮浓度呈负相关。

图1 同一滴头流量不同氮肥浓度含水率变化图

表4 取土深度(20～40 cm)和氮肥浓度对于含水率总体方差分析

注：显著性水平(0.05)。

2.2 不同氮肥浓度对径向土壤含水率变化的影响

图2～图4分别为同一滴头流量、不同氮肥浓度下含水率径向变化过程，颜色深浅表示含水率的相对大小。由于各处理径向土壤含水率变化规律相似，因此只对处理W3(F1、F2、F3、F4)不同取土深度径向土壤含水率变化进行了分析。由图2～图4可知，同一土层深度处，随着土壤径向半径的增大，土壤含水率逐渐减小。当垂直深度为5 cm时，在F1、F2、F3、F4水平下，径向半径在0～30 cm范围，土壤平均含水率分别为21.38%、20.64%、20.97%、20.68%，平均含水率差值变化范围0%～0.74%，小于1%。当垂直深度为15 cm时，在F1、F2、F3、F4水平下，径向半径在0～30 cm范围土壤平均含水率为20.08%、20.03%、19.83%、19.64%，含水率最大值与最小值之间相差0.44%，小于1%；当垂直深度为25 cm时，在F1、F2、F3、F4水平下，径向半径在0～30 cm范围土壤平均含水率分别为19.34%、18.89%、18.80%、18.05%，含水率值相差1.29%。这就说明，同一土层深度处不同氮肥浓度处理下含水率值相差1%左右，因此，同一土层深度处随着氮肥浓度的变化，对于径向土壤含水率大小无显著影响。

同一土层深度条件下，利用SPSS软件对氮肥浓度和含水率进行相关性分析。结果如表5所示，相关系数r的绝对值小于0.16。整体来看，氮肥浓度大小对于土壤径向含水率的变化没有显著影响，这一研究结果对不同施肥浓度条件下土壤氮素运移及分布规律的研究有着非常重要的意义，即在研究有关滴灌施肥条件下土壤硝态氮含量分布的变化规律时就可以不计有关土壤水分的影响作用。这也正是在研究非饱和土壤水分运移过程中一般只考虑重力势和基质势对于含水率大小影响的原因。

图2 滴头流量Q=0.7 L/h,垂直深度h=5 cm时不同氮肥浓度下含水率径向变化图

图3 滴头流量Q=0.7 L/h,取土深度h=15 cm时不同氮肥浓度下含水率径向变化图

图4 滴头流量Q=0.7 L/h,取土深度h=25 cm时不同氮肥浓度下含水率径向变化图

表5 土层深度为5、15、25 cm时氮肥浓度和含水率相关性分析表

2.3 不同灌水量对于含水率分布的影响

图5为相同滴头流量不同氮肥浓度条件下土壤湿润锋的运移过程。从图5看出，完成整个灌水历时，湿润锋的形状大概为半椭圆状。在灌水初期，水分以点源入渗的方式进入土壤，水分沿着径向运移的距离明显大于纵向运移的距离，随着灌水历时的增加，水分径向运移距离与纵向运移距离接近相等，即灌水历时满足230 min后，径向水分运移距离等于纵向水分运移距离。随后，水分纵向运移距离大于径向运移距离。随着灌水历时和氮肥浓度的增大，径向水分的运移速度开始慢慢减小，纵向水分的运移速度相对增大。与之对应的湿润锋的形状发生了明显的变化，随着氮肥浓度的增大湿润体的体积逐渐减小。通过表6可知，在同一滴头流量下，水分入渗到相同计划湿润层深度时，灌水量随着氮肥浓度的增大而减小。这就说明增大施氮浓度可以加强水分在竖直方向的运移。

图5 同一滴头流量不同施肥浓度下湿润锋变化过程

表6 不同处理下灌水量与灌水历时

灌水初期，土壤水分在土水势的作用下向各个方向运移。土壤重力势的作用小于土壤基质势作用，水分运移主要以水平方向运移为主。随着土壤水分的持续入渗，湿润体的体积不断扩大，相对应其含水率也逐渐变大。在竖直方向上，重力作用开始相对较大，即在灌水历时达到一段时间后土壤重力势大于土壤基质势，湿润锋在纵向运移的距离开始逐渐大于径向运移的距离。相应地随着氮肥浓度的增大，土壤溶质势也开始发挥作用，加强了土壤湿润体中水分的扩散。所以，在同一滴头流量下，增大施氮浓度，有利于土壤水分在垂直方向的运移。

从图1和图5可知，氮肥浓度和滴头流量对土壤水分的运移都会产生影响，但滴头流量的影响程度大于氮肥浓度对于水分运移的影响程度。灌水完成后，土壤湿润体再分布24 h以后，湿润锋还会继续向前运移一小段距离。相同滴头流量条件下，随着施氮浓度越大土壤水分向前运移的距离就会减小。主要是由于氮肥浓度越大，增加了水分垂直方向的运移速度，减小了灌水历时，灌水量对应的变小，湿润体的含水量相应减小，湿润体的水分分布范围就会明显减小。

3 讨论

研究得出：0～20 cm土层土壤平均含水率基本不受施氮浓度的影响，在20～40 cm土层土壤平均含水率与氮肥浓度呈负相关的结果，与马少帅[17]对不同水肥处理对土壤水盐分布的影响中的呈现规律相似。因此施肥浓度对纵向土壤水分运移是存在影响的。

另一方面，探讨了关于相同滴头流量不同氮肥浓度条件下同一土层深度处含水率径向变化规律，试验表明：氮肥浓度的变化对于径向土壤水分运移没有显著的影响，与李文[18]有关变浓度条件下土壤水分含量分布规律的研究相似。本文研究所用的土壤为均质土壤(土壤中没有种植作物)，在研究施肥浓度变化对土壤水分运移的规律时，没有考虑土壤其他物理性质对土壤水分运移的影响，之后的研究会从Hydrus软件出发，结合数学方法对土壤水分运移进行模拟研究。