灌水器流量对涌泉根灌湿润体肥液入渗影响研究

2020-03-15李晓何振嘉

中国农业科技导报 2020年1期

李晓, 何振嘉

(1.西安市西北郊城市排洪渠道管理中心, 西安 710016; 2.陕西省土地工程建设集团有限责任公司,自然资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室, 西安 710075)

枣树是陕北黄土高原区的传统经济树种，近年来已成为米脂、清涧等地经济产业的重要支柱[1]，但是，枣区春季干旱少雨的气候特点极大地阻碍了红枣产业的发展，尤其是在水资源供需矛盾日益严峻的背景下，研究适用于陕北山地枣树根系埋深较深特点的节水灌溉技术是目前亟待解决的问题[2]。涌泉根灌是一种可直接将水肥输送到果树根部进行灌溉的微灌技术，减少蒸发损失、抑制杂草生长并避免水肥在地表的积聚，提高了水肥利用效率[3]。由于灌水器套管的保护，避免了灌水器堵塞，维护费用较低，较滴灌和管灌优势明显[4]。众多学者对湿润体土壤点源入渗研究取得了大量成果。刘显等[5]对不同初始含水率情况下涌泉根灌水肥耦合入渗进行了研究，提出了该条件下湿润锋运移距离的数学模型。费良军等[6]对不同肥液浓度涌泉根灌入渗湿润体及水氮运移特性进行了研究，并建立了肥液浓度与湿润锋运移相关模型，分析了不同灌水器埋深条件下涌泉根灌土壤水分、湿润锋运移情况，结果表明，灌水器埋深对湿润锋运移距离有较大的影响[7-10]。李耀刚等[11-12]对涌泉根灌条件下土壤水分运动的研究表明，湿润体特征值随着流量与开孔度的变化而变动。黎朋红等[13]和费良军等[10,14]通过大田试验证明了湿润锋运移距离与灌水器流量呈正相关关系，湿润锋运移距离及湿润体内水分含量与土壤容重呈负相关关系。

综上所述，国内学者对涌泉根灌土壤水分运移特性已进行了大量研究，但大多集中于土壤初始含水率、土壤容重、灌水器埋深等方面，关于涌泉根灌对农田养分的研究主要集中在滴灌等微灌条件下土壤水氮运移方面[15-16]，对不同流量条件下涌泉根灌肥液入渗技术要素的研究还较少。流量大小影响入渗深度，滴头流量过小，灌水则无法入渗到枣树根区，降低灌水利用效率；滴头流量过大，则会引起地表渗水以及深层渗漏，因此，适宜的滴头流量是研究涌泉根灌条件下灌水技术要素的重要关键。为了能够推广涌泉根灌节水保肥型微灌技术，并适宜山地果树的水肥耦合模式，提高水肥利用率，本文通过涌泉根灌湿润体入渗试验，研究不同灌水器流量条件对肥液入渗湿润体特征值、土壤水分及氮素运移的影响，以期为涌泉根灌水肥高效利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

1.2 试验装置及试验设计

涌泉根灌入渗试验由供水系统和涌泉根灌灌水器组成，供水系统采用马氏瓶(YT-MS，西安固泰传感器有限公司)进行自动供水。试验氮肥选用易溶性的尿素[CO(NH2)2]，购自陕西奥维乾元化工有限公司，氮素质量分数≥46.4%，设定肥液浓度为33.3 g·L-1。灌水器流量分别为4、7、10 L·h-1，灌水量40 L，灌水器上方有连通大气的气孔，通过调节马氏瓶底部旋钮开度控制流量，用秒表和20 mL量筒来滤定灌水器流量，并校验试验过程中部分时刻的灌水器流量，确保供水稳定。

涌泉根灌灌水器高20 cm(垂直埋深15 cm，地表裸露5 cm)，外径4 cm，配套套筒(PVC材料)内径4 cm，外径4.2 cm；在灌水器配套套管自上往下每隔2 cm打1个孔洞，孔径为2 mm，开孔度20%，开孔部分用纱布包裹，防止土壤颗粒进入灌水器产生堵塞。灌水器安装方式如图1所示。

图1 灌水器安装方式Fig.1 Installation mode of the emitter

1.3 试验方法及观测内容

1.3.1观测坐标系水平剖面上以根灌器中心为观测原点，垂直剖面上以涌泉根灌灌水器出水口(埋深15 cm)为观测原点，分别观测水平剖面和垂直剖面上的湿润锋运移距离。

1.3.2马氏瓶读数和湿润锋运移位置在试验区原状土壤坡面，将水平剖面和垂直剖面作为观测面。入渗量通过马氏瓶的刻度读取，不同时刻湿润锋运移距离使用钢卷尺直接在试验剖面上量出。

1.3.3土壤含水率及氮素测定土壤含水率采用烘干法测定，土壤氮素含量采用CleverChem200全自动间断化学分析仪(德国DeChem-Tech. GmbH)测定。具体方法：先用电子秤称取5.0 g土样放入100 mL塑料瓶中，然后加入50 mL浓度为1 mol·L-1的氯化钾溶液，置于振荡器上以250 r·min-1振荡30 min，振荡完后用滤纸过滤，滤液收集于5 mL比色管中；最后将比色管中的滤液置于CleverChem200型全自动间断分析仪内测定，得到土壤中硝态氮及铵态氮含量。每组试验3个重复，取均值。

1.3.4指标计算不同流量条件下累积入渗量与时间的关系用Kostiakov模型进行拟合，如式(1)所示。

Z=Ktα

(1)

式中，Z为涌泉根灌肥液自由入渗累积入渗量，mm；K为入渗系数，mm·min-1；α为入渗系数；t为入渗时间，min。

入渗系数K、入渗指数α与灌水器流量q呈线性关系。

Kq=μq+k0

(2)

αq=vq+α0

(3)

式中，Kq、αq为肥液入渗系数、入渗指数；μ、v为拟合系数；k0、α0为清水入渗系数、入渗指数。

2 结果与分析

2.1 灌水器流量对涌泉根灌肥液入渗能力的影响

图2 流量对涌泉根灌累积入渗量(A)和入渗率(B)的影响Fig.2 Influence of flow rate on cumulative infiltration (A) and infiltration rate (B) of bubbled-root irrigation

利用式(1)对不同流量条件下累积入渗量与时间的关系进行拟合,结果如表1所示。

表1 累积入渗量拟合参数表Table 1 Cumulative infiltration amount fitting parameter table

由表1可以看出，采用Kostiakov入渗模型，各参数拟合结果较好，相关系数均大于0.98，不同灌水器流量模拟出来的相关系数均大于显著性水平rα=0.01时的临界值。随着流量的增大，模拟方程的系数越来越大，指数越来越小。利用式(2)、式(3)得到入渗系数K、入渗指数α与灌水器流量q的关系:

Kc=-0.034q+0.007，R2=0.998

(4)

αc=-0.019q+0.981，R2=0.991

(5)

将式(4)、(5)入渗参数Kq、αq回归方程式代入式(1)，得到涌泉根灌不同肥液浓度条件下随灌水时间变化的单位面积上累积入渗量的模型为：

Z=(0.034q-0.007)t(-0.019q+0.981)

(6)

为验证式(6)的可靠性，采用该模型计算灌水器流量q为7 L·h-1的涌泉根灌肥液入渗单位面积上累积入渗量，拟合结果见表2。

表2 累计入渗量实测值与模型拟合值对比Table 2 Comparison of the measured values of cumulative infiltration and the fitted values of the model

由表2可知，模型的拟合值与实测值的相对偏差在-3.22%～7.08%以内，相对偏差均低于±10%，说明采用式(6)计算不同流量条件下涌泉根灌单位面积上累积入渗量是可靠的。

2.2 灌水器流量对涌泉根灌肥液入渗湿润体特性的影响

2.2.1灌水器流量对涌泉根灌肥液入渗湿润锋运移的影响探究灌水器流量对湿润体特征值与入渗时间的变化规律对涌泉根灌田间实际应用具有重要指导意义。由图3A可以看出，水平剖面的湿润锋运移距离均随着入渗时间的增长而增长；且流量越大，同一入渗时间湿润锋与时间关系曲线斜率越大，湿润锋运移距离越大。水平方向的湿润锋运移距离要快于垂直方向，且随着流量的增大这一特征更加明显。由图3B和C可以看出，垂直剖面上的湿润锋运移距离均随着入渗时间的增长而增长;且流量越大，拟合曲线的斜率越大，运移速率越快，同一入渗时间处的湿润锋运移距离越大。垂直方向的湿润锋运移距离要快于水平方向，且随着流量的增大这一特征更加明显，这是由于垂直剖面在入渗过程受到重力势作用逐渐变大，使得垂直方向运移距离快于水平距离。

注：A:水平剖面水平方向；B:垂直剖面水平方向；C:垂直剖面垂直方向。Note: A: Horizontal direction at horizontal profile; B: Horizontal direction at vertical profile vertical; C: Vertical direction at vertical profile vertical.图3 不同流量条件下各方向湿润锋运移距离变化Fig.3 Variation of wetting front migration distance in all directions under different flow conditions

灌水结束时，各流量条件下(4、7和10 L·h-1)水平剖面上的湿润锋运移距离分别为35.3、38.8和41.6 cm，增幅依次为9.91%和7.22%。垂直剖面上水平方向的湿润锋运移距离分别为37.7、42.2和48.2 cm，增幅依次为11.93%和14.22%;垂直方向的湿润锋运移距离分别为50.1、53.4和57.3 cm，增幅依次为6.58%和7.30%。通过对比各流量条件下湿润锋运移距离与流量的关系可以看出，流量对涌泉根灌垂直剖面上水平方向运移距离的影响最为明显，对垂直剖面向下湿润锋运移影响最小。土壤入渗能力和供水强度是影响涌泉根灌肥液入渗的主要因素，当供水强度小于土壤入渗能力时，供水强度的大小对涌泉根灌肥液入渗及湿润锋运移距离起决定性因素，供水流量越大，一定时间内的供水量越大，则表现为湿润锋运移距离也越大。而当供水强度大于土壤入渗能力时，涌泉根灌灌水器中将产生一定的积水，且积水量随着流量的增大而增大，积水部位周围土壤含水率迅速饱和，不同流量状况下形成的压力不同，流量越大，灌水器内产生的压力也越大，同时，加大了重力势及灌水器管壁与土壤接触面积，从而导致大流量情况下水平扩散距离越大。

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经分析，不同流量条件下各方向上的湿润锋运移距离与入渗时间呈显著的幂函数关系，即：

(7)

式中,Rx(t)、Hx(t)和Hz(t)分别为水平剖上水平方向以及垂直剖面上水平方向和垂直方向湿润锋运移距离，cm；a、b、c、d、e、f为对应的拟合参数。

用式(7)分别对各流量条件下不同方向湿润锋运移距离的实测数据进行拟合，结果如表3所示。

表3 各方向湿润锋运移距离与入渗时间的拟合结果Table 3 Fitting results of wetting front migration distance and infiltration time in all directions

可见，用幂函数对各方向湿润锋与时间的拟合结果决定系数R2值均大于0.97，其相关关系显著。对表3中拟合参数a、b、c、d、e、f与流量进行分析，得到各拟合参数与流量的相关关系，其拟合结果如下。

①水平剖面水平湿润锋：

(8)

②垂直剖面水平湿润锋：

(9)

③垂直剖面垂直湿润锋：

(10)

将式(8)(9)(10)分别带入式(7)，可得各方向湿润锋运移距离与灌水器流量的数学模型。

(11)

为验证模型(11)的可靠性，在相同试验条件下对涌泉根灌灌水器流量为7 L·h-1的湿润锋运移距离进行拟合，拟合结果见表4。

表4 湿润锋运移距离实测值与模型拟合值对比Table 4 Comparison of measured values of wet front transfer distance and model fitting values

由表4中各方向湿润锋运移距离的实测值和模型拟合值对比可知，其相对误差在±8.26%以内，说明利用模型(11)对涌泉根灌肥液入渗不同灌水器流量及入渗时间下各方向的湿润锋运移距离的预测是较为可靠的。

2.2.2灌水器流量对涌泉根灌肥液入渗湿润体含水率动态分布的影响灌水结束时湿润体内部的水分状况，以及经过时间再分布之后的水分状况对灌溉制度的制定具有很大的参考价值。从图4可以看出，涌泉根灌灌水方式下，流量越大，同一位置处的含水率越高。灌水结束时，水分分布区域相对集中，含水率较高的区域在土壤表层，这是由于涌泉根灌是将灌水器埋设于距表层土壤15 cm处，表层土壤首先受到水分补给，导致表层土(0～30 cm)壤含水率较高，达到28.45%；底层土壤(60～100 cm)由于灌水量不足，湿润锋并未运移至该土层，因此土壤含水率较低，接近CK(11.78%)。在肥液入渗初期，影响入渗的主要因素为供水强度，灌水器流量越大，一定时间内的供水量也越多，土壤中压力不断加大，因此增大了高含水区域范围;随着入渗时间的增加，供水强度逐渐超过入渗强度，灌水器内的积水随灌水器流量的增加而增大，因此，加大了肥液入渗的重力势以及与土壤的接触面积，对肥液向下入渗起到了显著的促进作用。灌水结束1 d后，水分会发生再分布，1 d后由于水分的滞后性，湿润锋继续向下运移，上层土壤含水率明显减小，下层土壤受到上层水分向下运移的补给，形成表层低(18.55%)、中间高(20.39%)、底层低(14.46%)的趋势；此外，在水势梯度作用下土壤水分继续向下运移，但运移速率较为缓慢，整个湿润体内土壤含水率分布变的较为稳定，趋于相对均匀；3 d后，湿润体继续扩大，但湿润体内含水率明显降低，0～100 cm范围内土层平均含水率仅为15.10%，略高于CK。在实际生产过程中，水分再分布1 d后，湿润体基本达到稳定状态，可将分布1 d时湿润体特征值作为灌水技术指导依据。

2.2.3灌水器流量对涌泉根灌肥液入渗湿润体形状的影响从图5可以看出，湿润锋运移曲线均随着时间的增长而变化。在灌水结束时，4、7和10 L·h-1灌水器流量湿润体的水平和垂直向运移距离分别为：36、41.7、46.2和46.9、54.9、65.6 cm。流量越大，湿润锋在水平方向与垂直方向的运移距离均越大，且随着流量的增大，趋势更加明显。这主要是由于入渗初期，土壤初始含水率较低，而土壤基质势最大，水份在土壤基质势的作用下运移扩散，供水强度大于土壤入渗能力，水平扩散速度略快于垂直入渗速度;随着灌水时间的增加，垂直方向重力势作用增大，导致垂直湿润锋比水平运移距离大，湿润体的形状近似为椭球体，灌水器流量越大，表层土壤湿润面积增大的速度就越快，湿润体越宽且深。

A：灌水结束时；B:结束1 d后；C:结束3 d后A：At the end of irrigation；B: 1 d after the end of irrigation ; C: 3 d after the end of irrigation图4 不同流量在灌水器处土壤含水率随时间变化Fig.4 Soil water content at different emitters at the emitter varies with time

A：4 L·h-1；B:7 L·h-1；C:10 L·h-1图5 灌水结束后垂直剖面湿润锋运移随时间动态变化曲线Fig.5 Dynamic curve of wet frontal movement with time in vertical section at the end of irrigation

2.3 灌水器流量对涌泉根灌肥液入渗氮素运移的影响

A：灌水结束时；B:结束1 d后A：At the end of irrigation；B: 1 d after the end of irrigation图分布情况

3 讨论

本文通过不同流量涌泉根灌肥液入渗试验，对涌泉根灌肥液入渗特性及湿润体水氮运移的变化规律进行了研究，发现流量对涌泉根灌肥液入渗能力有较大的影响，相同肥液浓度条件下，流量越大，入渗能力越强，这与刘显和费良军[17]研究结果一致。本文分别建立了灌水器流量与涌泉根灌累积入渗量以及湿润锋运移距离的数学模型，且模型精度较高。研究表明，涌泉根灌清水入渗条件下，湿润体形状为椭球体。肥液入渗条件下同样得到相同结论，且随灌水器流量的增大湿润体的形状越宽且深。涌泉根灌肥液入渗条件下，流量越大，同一位置处的含水率越高[18-19]。灌水结束1 d后，土壤含水率表现为表层低(18.55%)、中间高(20.39%)、底层低(14.46%)的趋势，在实际生产过程中，水分再分布1 d后，湿润体基本达到稳定状态[20]，可将分布1 d时湿润体特征值作为灌水技术指导依据。