施氮时序对盐碱土入渗特征参数影响的试验研究

2021-02-25吴晨涛王春霞胡松可

节水灌溉 2021年2期

吴晨涛，王春霞，周亮，胡松可，付博

（石河子大学水利建筑工程学院现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆石河子832003）

我国是一个干旱缺水的发展中国家，人均可利用的水资源量仅为目前世界平均水平的1/4，是目前全球人均水资源最贫乏的发展中国家之一[1]。然而，中国由于人口基数庞大，又是目前世界上用水量最多的发展中国家，淡水资源的大量匮乏问题使得合理地开发利用我国的水资源成为一个重要的热点问题。同时我国也是一个现代农业生产大国，一方面，由于不利的自然条件等因素，导致了我国西北干旱地区次生盐碱土大面积分布；另一方面，在我国现代农业的生产中，由于农业灌区缺乏科学的灌溉管理与技术的指导，因此灌溉不当，导致许多农业灌区的土壤严重地发生次生盐碱化[2]。我国农业上化肥使用量也是全球化肥使用量最多的国家之一。农田中过多使用化肥，会造成氮肥的利用效率不高以及过量施肥问题，导致土壤性状恶化、产品质量下降、环境污染、成本增加等一系列问题。因此，土壤次生盐碱化的灾害防治和氮肥量降低及效率提高问题已成为了农业生产和可持续发展的重要技术命题。西北地区更是资源性土壤缺水的现象严重，国内外的学者针对不同条件下土壤的类型、滴头流量、滴头间距、间歇性供水等对土壤点源入渗的规律、土壤湿润体变化规律的影响等做了大量的研究，并且研究取得了国际性的丰硕成果[3−7]。

低产盐渍土是一种具有世界性的低产盐渍化土壤，由于近年来我国土壤水资源的短缺和土地资源的日益减少和气候的变化，实行了节水灌溉，提高了土壤生产能力，改良和合理利用低产盐渍化的土壤已经逐渐成为进一步提高我国农业机械化生产、合理地利用土壤水资源和保护土地资源的一个重要的问题。近年来，不管国外学者是在采取节水灌溉的措施下进行研究还是采取漫灌条件下进行研究，都非常需要研究人员掌握关键的入渗特性参数。土壤入渗特性是影响地面灌溉过程的重要因素，是地面灌溉系统设计的重要依据[8]。吴军虎等[9]学者研究了有机质含量及土壤容重对西北地区土壤水分入渗特性影响，结果表明当土壤容重增加时，土壤的累积入渗量、入渗率、湿润深度会有不同程度的减小，但其湿润深度减小的幅度较小，稳定入渗率呈平缓线性降低。秦显艳等[10]通过对盐碱土施氮量的控制入渗试验，研究了施氮量对盐碱土入渗时序参数的直接影响，结果表明盐碱土施氮量过高会降低部分盐碱土的入渗特性。费良军等[11]学者通过对滴灌控制入渗水温试验，研究了滴灌对土壤水分入渗特性的直接影响，结果表明相同入渗历时，入渗的水温越高，滴头的土壤水流量越大，入渗的土壤水量越多。由此可见，近年来的入渗试验主要是针对于盐碱土有机质的含量及土壤容重，施氮量，水温等方面的影响展开了较深入的研究，而关于盐碱田上如何高效施氮并满足自动化灌溉需求的问题研究甚少。为此开展盐碱土施氮时序对于土壤入渗参数的影响试验，为盐碱土水肥一体化条件下寻求合理的施氮时序、实现盐碱土农业的可持续发展提供参考基础。

1 试验材料与设计

1.1 试验概况

试验于2018年6−12月在石河子大学水利建筑工程学院水利与土木工程实验中心进行（44°18'25''N，86°03'27''E，海拔451 m），年平均气温6.1℃，年降雨量208 mm，蒸发量为1 967 mm，无霜期160 ～170 d，大于10℃积温3 693℃，年辐射总量5 392 MJ/m2，年日照2 680 h，为典型的半干旱生态类型。供试土壤于2018年4月取自石河子周边团场农田田间表层0～50 cm 熟土，待土壤自然风干后，碾碎过2 mm 细筛备用。供试土壤基本物理性质由新疆农科院土壤肥料与农业节水研究所测定，基本物理性质见表1。

表1 供试土壤的基本物理性质

1.2 试验设计

试验装置主要由马氏瓶，土槽和输水管组成。采用马氏瓶恒定水头供水，截面面积30 cm2，高度1.2 m，外标刻度用于读取入渗水量；采用尺寸为60 cm×30 cm×50 cm（长×宽×高）的有机玻璃土箱；采用医用输液器模拟滴头，2个滴头放在土箱的短边顶点处设置滴头流量为滴头流量为0.9±0.15 L/h。

将土样按土壤容重分层（10 cm）装入土箱，层与层之间刷毛使其连接自然形成一完整连接体，装土填至高度为50 cm处。试验以0.3%盐碱土为研究对象，以600 mg/L 尿素为供试肥源，控制相同的入渗时间为6 h；设置以下9种不同的施肥时序方式，每种情况设置3个重复，设计不同施氮时序见表2。

1.3 测试的指标与方法

时间：共计6 h，以min 单位量计，用秒表计时，按时间先密后疏的原则，依次按0、2、4、6、9、12、15、18、21、24、27、30、35…120、150、180、210、240、300、360 min。

表2 试验设计组合

累积入渗量和累积入渗率：根据设定的时间来读取并记录马氏瓶上的读数，计算出累积入渗量；依据累积入渗量和入渗时间计算出累积入渗率。

湿润锋运移距离：以滴头为中心，使用钢卷尺测量湿润锋运移距离并记录水平入渗距离和垂直入渗距离。

由于试验持续时间较短，可忽略蒸发对土壤入渗过程的影响。

1.4 数据处理

采用Excel 2007 软件进行数据处理和统计分析；使用Origin 2018软件进行绘图处理。

2 结果与讨论

2.1 施氮时序对湿润锋的影响

湿润锋是土壤在水分入渗过程中，湿润区域前锋与干燥区域的分界线。在农田灌溉过程中，灌溉水分入渗过深会导致水分深层渗漏，而水分入渗过浅时又不能满足作物根系吸水需求，从而导致作物水分胁迫而减产。因而，研究施氮时序对湿润锋运移的影响，对于农业上合理施肥时序的确定和合理生产具有重要的指导意义。

2.1.1 施氮时序对湿润锋水平运移距离的影响

湿润锋水平运移距离可以反应作物种植密度。图1为单点源入渗条件下施氮时序对湿润锋水平运移的影响。施氮时序的改变，直接影响到了湿润锋水平运移距离的变化。可以看出，在入渗初期，土壤表面干燥，不同施氮时序下湿润锋水平运移距离随着灌水时间的增加而不断增加。当灌水为10 min时，各施氮时序下的水平距离均超过10 cm，此时各处理下的湿润锋都经过0～10 cm 的土层，N−W，W−W−N 处理下的水平运移距离最小，距离都为12 cm，W 处理比N−W，W−W−N 高20.83%。当改变肥液的入渗时序时，各施氮时序下的相同时间内水平运移距离发生改变，大体趋势为在灌水时间60 min 后，水平运移距离增加缓慢；当灌水时间为120 min时，各处理水平距离均超过20 cm，经过10～20 cm 距离；当灌水时间为240 mim时，各处理下水平运移均超过30 cm，经过20～30 cm 距离。整体来看，施氮时序影响了水平运移的距离。试验结束时，各处理下（W、W−N、N−W、W−N−W、

W−W−N、N−W−W、N−W−N−W、N−W−W−N、W−N−N−W）湿润锋水平运移距离为37、47、43、47、41、48、45、50、36 cm，分别比W 高21.28 %、13.95 %、21.28 %、9.76 %、22.92%、17.7 8%、26.00%、−2.78%。说明施氮时序对水平湿润锋运移有着显著影响，施氮条件下可以提高入渗过程中的水平距离。

图1 施氮时序对湿润锋水平运移距离的影响

2.1.2 施氮时序对湿润锋垂直运移距离的影响

湿润锋垂直运移距离可以反映土壤的下渗能力。图2为点源入渗条件下施氮时序对湿润锋垂直运移距离的影响。由图可知，施氮时序的改变，影响到了湿润锋垂直运移距离的变化。不同施氮时序下湿润锋垂直运移距离随着灌水时间的增加而先快速增加后增加缓慢。当灌水为80 min时，各施氮时序下的垂直距离均超过10 cm，此时各处理下的湿润锋都经过0～10 cm 的土层，N−W 处理下的垂直运移距离最低，距离为10 cm，W 处理比N−W 高50%，且经过0～10 cm 距离的时间比水平方向运移相同距离延长了50 min。当改变肥液入渗时序时，各施氮时序下的相同时间内垂直运移距离会发生改变，整体趋势为在灌水时间60 min 后，垂直运移距离增加缓慢；当灌水时间为210 min时，各处理垂直运移距离均超过20 cm，经过10～20 cm 土层，且经过10～20 cm 的历时比水平方向运移相同距离增加了90 min，即相同入渗历时下水平运移距离高于垂直入渗距离，这种情况一般在粘性土壤中出现的居多。运移相同距离时间的增大是由于在垂直方向下渗过程中，湿润体逐渐变大，上方湿润体须达到饱和状态才能下渗，也与入渗时土壤的结构相关。总体来看，施氮时序影响了垂直水平运移的距离。试验结束时，上述各处理下（W、W−N、N−W、W−N−W、W−W−N、N−W−W、N−W−N−W、N−W−W−N、W−N−N−W）湿润锋瞬时垂直运移距的为37.5、32、32、27、24、29、27、29、26 cm，分别比W 处理下低14.67 %、14.67 %、28.00 %、36.00 %、22.67 %、28.00 %、22.67 %、30.67%。说明施氮时序对垂直湿润锋运移有着显著影响。

图2 施氮时序对湿润锋垂直运移距离的影响

2.1.3 施氮时序对湿润比的影响

湿润比指湿润锋水平运移距离与垂直运移距离的比值。湿润比与滴灌的灌水技术参数（滴水流量和灌水时间）有关，可以作为一个确定滴灌灌水参数的指标[12，13]。一般作物株距和作物的根系深度之比都小于1.0，因此，对于实际滴灌的适宜湿润比以小于1.0为宜。但湿润情况主要受土壤结构影响，一般粘土的湿润比高于1.0，砂土低于1.0。表3为土壤中不同施氮时序下的湿润比随灌水时间的变化过程。

表3 施氮时序对湿润比的影响

如表3所示，湿润比随着灌水时间的增加而逐渐减小，因为湿润体内土壤含水率增大，水势梯度减小，此时重力势的作用相对增大，导致垂直入渗率高于水平扩散率，因此湿润锋的湿润比逐渐减小。通过方差分析，N−W−W 和N−W−W−N的方差较小，表明在入渗过程中N−W−W 和N−W−W−N 湿润比相较于其他时序稳定。灌水结束时，各施氮处理下的湿润比显著高于W 处理。若是在农田滴灌灌水过程中，改变了施氮时序，为达到滴灌灌水均匀，施肥过程需适当增加灌水量或减少滴头之间的距离，以获得合适的湿润比。

2.2 施氮时序对累积入渗量的影响

累积入渗量是入渗开始后一定时间内，通过地表单位面积入渗到土壤中的总水量[14，15]。针对的是一维入渗过程中单位面积土壤入渗的水量，而滴灌入渗属于空间三维点源入渗，在入渗过程中土表面没有形成积水，仅在入渗后期滴头附近处由于水滴打击形成的小坑内有少量积水，可忽略不计[11]，因此认为在试验中水分全部渗入土中，用入渗水量的变化代替累积入渗量来反映土壤的入渗能力。由图3可知，随着入渗时间的增加，累积入渗量随之增加。W时序的累积入渗量与时间近似于线性关系；W−N 和N−W时序下的累积入渗量均在180 min时出现了转折点；W−N−W时序下的累积入渗量在120 min 和240 min时发生变化；W−W−N时序下的变化发生在240 min时刻，前期只是纯水入渗未发生波动；N−W−W时序下在120 min时刻变化，120 ～240 min时间范围内累积入渗量增加缓慢，而在240 min 后，累积入渗量增加急剧，是由于水分过多稀释了氮浓度而造成的；N−W−N−W，N−W−W−N 和W−N−N−W时序累积入渗量均在90、180 和270 min时刻发生变化，即施氮时序的改变影响着累积入渗量的变化。原因在于：在土箱试验中两个单点源在入渗一段时间后湿润面会形成交汇，交汇区不断扩大增加上层土壤的饱和度，在相同入渗时间内改变了入渗速度；施氮时序则在一定程度上调控了这个入渗速度，表现出累积入渗量的差异性。在整个灌水过程中，N−W−W−N时序与其他处理相比，各时刻的累积入渗量都高于其他时序，说明在N−W−W−N时序下水分运移快。灌水结束时，仅有N−W−W−N时序下的累积入渗量高于W时序，超出8.77%；上述其余时序下的累积入渗量分别比W时序下低出7.31%、9.78%、13.01%、13.06%、19.27%、13.21%、24.1%。

图3 施氮时序对累积入渗量的影响

2.3 施氮时序对入渗率的影响

入渗率是单位时间内通过地表单位面积渗入到土壤中的水量，以单位时间入渗的水层厚度计，反映了土壤的入渗性能，受供水强度、土壤的渗吸能力的影响[14,16]。如图4所示，在入渗刚开始阶段，水分受到土壤吸力和自身重力作用的影响而下渗，渗入土体中的水量大，导致入渗率刚开始随着时间的增大而不断增大，不同时序在不同时间下的入渗率不同。W时序下的入渗率在开始时增长，2 min后下降，4 min后入渗率变化幅动变小，幅动变化近似看成一条直线；而其他时序下的入渗率随着入渗时序的改变而变化，加入氮液的缘故出现较大的波动。从图5得出，上述各时序下出现最大入渗率，时间分别为2 min、4 min、4 min、18 min、4 min、70 min、2 min、45 min、2 min，在W、N−W−N−W、 W−N−N−W时序下出现最早，N−W−W时序出现最晚，为68 min。在结束时，入渗率在N−W−W−N时序下最大，为17.98 mL/min；W−N−N−W最小，为12.54 mL/min；上述各时序下入渗率比N−W−W−N时序低8%、15%、17%、20%、20%、26%、20%、30%。