施氮量对盐碱土入渗特征参数影响的试验研究

2018-12-26秦显艳王春霞何新林

节水灌溉 2018年12期

秦显艳，王春霞，何新林

(石河子大学水利建筑工程学院，新疆石河子 832000 )

盐碱地在世界范围内广泛存在，是一个世界的问题[1]。根据联合国粮农组织2000年统计，我国有各类盐碱土约7 500 万hm2，占世界的8.96%，排名第2[2]，其中有利用潜力的盐碱荒地面积近1 300 万hm2，潜力巨大[3]。新疆是中国最大的土壤盐碱地区，盐碱地面积1 100 万hm2，约占全国盐碱土面积的1/3和新疆土地面积的66%[4]。盐碱地造成大量土地低产甚至无产、农民收入降低、可用土地资源减少，更甚还会成为限制新疆农业发展和土地资源可持续利用的关键。盐碱地的改良问题由来已久，目前最普遍的方法是以排为主，即结合灌溉冲洗，依靠水分入渗运动移走一部分可溶性盐[5]，或者种植耐盐作物[6]。中国盐碱土地面积大，水资源缺乏，推行此办法来改良盐碱地显然非常不合理。针对干旱和土壤盐碱状况，新疆地区自20世纪80年代起就开展了膜下滴灌技术的研究和推广[7]，并推广了膜下滴灌水肥一体化技术，通过精准滴灌施肥将定量的溶解态肥料直接输送到作物根部，提高了肥料利用效率，农作物产量基本持平甚至略高[8]。但是农民为了在有限的土地上创造出更多的经济效益，只能通过加大施肥量来获得。相关研究表明氮肥施用过量可导致土壤硝态氮积累[9]，西欧从环境保护角度提出，保证地下水不受硝酸盐污染的土壤无机肥最高残留水平，允许浅根性蔬菜收获后土壤最低肥不得超过90 kg/hm2[10]，这也表明不合理施肥会使氮肥利用率下降，并有可能增加土壤的污染及盐渍化的风险[11]。

无论是采用大水压盐还是利用膜下滴灌开发治理新疆盐碱地，都需要掌握盐碱地土壤的入渗参数[5]。王全九等研究了一维土柱在淡水与微咸水连续入渗条件下的入渗参数对比实验，结果表明采用微咸水入渗可以改变土壤的结构参数,从而增大土壤的入渗能力[12]。罗朋等研究了入渗水头对土壤入渗参数的影响，结果表明湿润锋与入渗历时拟合良好，累积入渗量与时间符合Kostiakov公式[13]。吴争光等研究了土质对入渗参数的影响，结果表明随土样黏性颗粒含量的增加,入渗率逐渐减小[14]。由以上可见，以往的试验研究多是针对滴灌水质(淡水、微咸水、咸水等)、入渗水头以及土质进行的，研究其入渗参数，而关于施氮量对盐碱土入渗特征影响的研究相对较少。为了研究施氮量对盐碱土入渗特征的影响，本文对施加氮肥条件下的室内一维盐碱土土柱的入渗进行观测，为盐碱土上氮肥的科学施用提供参考。

1 试验设计与方法

1.1 试验装置及试验土样

试验装置如图1所示，主要包括马氏瓶供水装置和试验土柱，该试验装置均为透明的有机玻璃制作而成。采用马氏瓶定水头供水，截面面积45 cm2，高度1.2 m，外标刻度用于读取入渗水量。试验土柱半径7.5 cm，两侧每隔2.5 cm有一小孔，用于取土分析，土柱外标刻度用于记录湿润锋读数。土柱上方放有灯泡，用于布置后期研究关照对入渗的试验。

图1 试验装置示意图Fig.1 Sketch map of experiments

本试验供试土壤经测为黏性砂土，土壤容重1.4 g/cm3，土壤质量饱和含水量45%，田间持水量32%，土样风干后经2 mm筛备用。本次试验入渗方式为连续入渗，按土壤容重1.4 g/cm3，每10 cm分层装入，并用夯土器夯实，然后进行下一层的装土，直至装到试验设计高度。

1.2 试验方法

马氏瓶中装氮肥溶液，为保证均匀入渗，表层土壤保持积水深度3.5 cm。试验开始后观测湿润锋及马氏瓶读数并记录，入渗12 h后停止供水，倒出土柱表面积水并用量筒称量，吸干表标积水，用土钻取土进行分析，分别测定了其含水量，含盐量以及氮素含量。研究因子包括氮肥浓度、盐碱土盐分含量。其中盐碱土盐分含量根据盐碱土分类标准设置为0.3%、0.9%、1.2%三个水平，氮肥浓度根据新疆棉田施氮量设置为0、300、600、900 mg/L，将其进行正交组合，共计11个不同的试验组合(由于含盐量1.2%上施肥300 mg/L和600 mg/L时，效果相差不大，因此无盐1.2%肥900 mg/L的试验组合)，每个组合设置2个重复。

2 结果与讨论

2.1 施氮量对累积入渗量的影响

图2分别显示了不同盐-氮组合条件下累积入渗量随时间的变化曲线。由图2可见，累积入渗量随时间的延长而增加。各个盐-氮组合的累积入渗量曲线总体上呈现上升趋势，前期上升较快，后期上升较慢。这是因为在试验初期，土柱入渗主要依靠基质势和重力，入渗较快。随着入渗时间的延长，入渗界面以上的土壤不断密实，土体结构发生变化，导致入渗较慢；当土壤盐分含量≤0.9%时，施氮对含盐量为0.9%土壤的累积

图2 累积入渗量曲线Fig.2 Curve of soil cumulative infiltration

入渗量变化影响最大；当土壤盐分达到1.2%时，增加施氮量对累积入渗量影响很小，这说明施氮量对含盐量较高盐碱土的入渗影响较小；当土壤盐分含量相同时，相同时间内累积入渗量大小顺序为：0 mg/L>600 mg/L>300 mg/L>900 mg/L。这表明在土壤盐分含量相同的情况下，施氮量为0 mg/L即不施氮只灌水时，盐碱土入渗最好，同时也说明了施氮有降低盐碱土入渗性能的效果，但是在施氮的条件下，施氮量为600 mg/L时盐碱土入渗最好，施氮量300 mg/L和施氮900 mg/L次之，并且施氮量900 mg/L对盐碱土入渗性能的降低效果最显著。这表明施氮量对盐碱土入渗有影响；当施氮量相同时，相同时间内累积入渗量大小顺序为：0.3%>0.9%>1.2%。在施氮量为0 mg/L入渗结束时，含盐量为1.2%的累积入渗量为9.3 cm，含盐量为0.3%的累积入渗量为20.6 cm，为含盐量1.2%的2倍多。这表明在施氮量相同的情况下，含盐量较低的累积入渗量大，土壤入渗性能较好。而含盐量较高的累积入渗量小，土壤入渗性能较差。这是由于含盐较高的盐碱土孔隙度较小，透气透水性较差，所以累积入渗量较小。

2.2 施氮量对湿润锋的影响

图3分别显示了不同盐-氮组合条件下湿润锋深度随时间的变化曲线。由图可见，湿润锋深度同样随时间的延长而增加，各个盐-氮组合的湿润锋深度曲线总体上呈现上升趋势，前期上升较快，后期上升较慢。这与图2中累积入渗量曲线趋势产生的原因一致；当土壤盐分含量≤0.9%时，施氮对含盐量为0.9%土壤的累积入渗量变化影响最大；当土壤盐分达到1.2%时，增加施氮量对湿润锋影响很小。当土壤盐分含量相同时，相同时间内湿润锋深度大小顺序为：0 mg/L>600 mg/L>300 mg/L>900 mg/L，同样地表明了施氮有降低盐碱土入渗性能的效果，并且在施氮的条件下，施氮量为600 mg/L时盐碱土入渗最好，施氮量300 mg/L和施氮量900 mg/L次之。当施氮量相同时，相同时间内湿润锋深度大小顺序为：0.3%>0.9%>1.2%。在施氮量为0 mg/L入渗结束时，含盐量为1.2%的湿润锋深度为16.6 cm，含盐量为0.3%的湿润锋深度为32.5 cm，大概为含盐量1.2%的2倍，这表明在施氮量相同的情况下，土壤盐分含量高湿润锋深度小。这一结果与图2中累积入渗量的结果一致，其产生的原因也相同。

图3 湿润锋曲线Fig.3 Curve of wetting front distance

2.3 施氮量对入渗率影响

图4分别显示了不同盐-氮组合条件下入渗率随时间的变化曲线。由图可见，入渗率在入渗初期出现峰值，入渗时间在100 min以内时，各组合的入渗率在这一阶段与时间呈现出明显的负相关关系，该阶段的入渗率曲线为斜率很大的非线性曲线。当入渗时间大于100 min时，随着时间的推移，迅速衰减为斜率较小的曲线，衰减幅度减小并趋于稳定；这是由于随着时间的延长，土柱中土体结构发生变化，土壤入渗较慢，因此导致土壤入渗率逐渐降低。当土壤盐分含量相同时，由图可见，不同施氮量下的入渗率曲线相差较小，并且接近重合，这是由于土壤入渗率较小，故差异不明显；当施氮量相同时，土壤含盐量≤0.9%时，入渗率最终稳定在0.02 cm/min左右,而土壤含盐量为1.2%时，入渗率最终稳定在0.01 cm/min左右。这也同样说明了图2所表明的结果，即含盐量较高的累积入渗量小，土壤渗水性能较差。