红壤区涌泉根灌双点源入渗水氮运移特性

代智光， 赵新宇， 胡盛明

(1. 河南科技大学 农业工程学院， 河南 洛阳 471003； 2. 南昌工程学院 水利与生态工程学院， 江西 南昌 330099)

涌泉根灌是在地下滴灌基础上发展起来的一种节水灌溉技术[1].近年来，国内外学者针对涌泉根灌技术做了大量的研究.文献[2]对枣树涌泉根灌的水氮耦合效应进行了研究，结果表明涌泉根灌能显著提高枣树产量和水氮利用效率.文献[3]利用Hydrus-3D模型对再生水涌泉根灌土壤水分入渗过程进行数值模拟，预测了桃树涌泉根灌灌水器的最优布置参数.文献[4]通过大田试验，研究了涌泉根灌调亏灌溉对苹果产量、品质及水分利用效率的影响，提出了陕北地区苹果树涌泉根灌最优的灌溉量.文献[5-6]分别研究了黄绵土和红壤条件下，涌泉根灌自由入渗水氮的运移特性，结果表明铵态氮的转化率与肥液浓度密切相关，且肥液浓度不同，土壤中铵态氮和硝态氮的分布存在显著差别.文献[7]研究了肥液浓度对涌泉根灌自由入渗土壤湿润体以及湿润体内水氮运移的影响，并提出了涌泉根灌肥液入渗湿润体内土壤含水率和铵态氮浓度分布的数学模型.文献[8]研究了涌泉根灌多点源交汇入渗湿润体内水分分布的变化，结果表明在相同灌水量、流量下，相比单点源和四点源灌溉，双点源交汇入渗土壤湿润体内水分分布的均匀性最好，因而应用也最为广泛.

目前，针对双点源交汇入渗土壤水分运移分布的问题已有大量研究，而有关氮素的运移分布研究尚未见报道.基于此，结合红壤特征，通过涌泉根灌双点源交汇入渗试验，研究不同肥液浓度条件下土壤水氮的运移特性分布，以期为涌泉根灌在红壤区的推广应用提供参考.

1 试验材料与方法

1.1 试验区概况

试验在南昌工程学院校内进行.试验前期，在试验区随机选取3个点，测定土壤颗粒级配及理化指标，结果如表1所示，根据国际制土壤分类判定土壤质地为壤土.

表1 土壤颗粒级配及理化指标

1.2 试验设计

试验装置由土壤剖面、马氏瓶和灌水器组成.马氏瓶用于提供恒定水头，其内径为14 cm，高为100 cm.通过调整出口开关来控制出流流量.灌水器通过橡胶管与马氏瓶连接，其内径为4 cm，长度为45 cm.由迷宫流道段和出水段组成，其中迷宫流道段长度为25 cm，出水段长度为20 cm，表面均匀开设直径为5 mm的小孔，达到隔绝土壤，提高入渗面积的作用.开孔面积占出水段表面积的20%，并用纱布包裹，以避免土壤颗粒堵塞灌水器，具体如图1所示.

图1 试验布置及灌水器细部结构图

试验采用剖面法.在试验区选择未经扰动的天然坡面，清除土壤表层覆土及杂草后，将剖面修整为光滑整齐的阶地，灌水器的孔洞布置在距台阶边缘3 cm处.肥料采用硝酸铵钙(5Ca(NO3)2·NH4NO3·10H2O)，入渗肥液浓度共设置为0、0.46、1.39、3.24和5.55 mmol·L-1等5个梯度.结合试验区土壤导水特性，设定灌水器初始流量为2.5 L·h-1，灌水器埋深为45 cm，灌水器间距为50 cm，供水总时长为300 min.按照先密后疏的原则设置时间间隔，记录马氏瓶读数.交汇入渗发生后，以灌水器底部为起点，用直尺测量交汇面处湿润锋在竖直向上和竖直向下的运移距离，供水停止后，在距离灌水器5、15和25 cm(交汇面)处采用土钻法取土，带回实验室测定土壤含水率、铵态氮以及硝态氮含量.土壤含水率采用烘干法测定，土壤铵态氮和硝态氮含量采用紫外/可见光光度计(PerkinElmer，LAMBDA265)进行测定.

2 结果与分析

2.1 肥液浓度对涌泉根灌交汇时间的影响

涌泉根灌双点源交汇入渗发生的时间与肥液浓度的关系见图2.

图2 交汇入渗发生时间与肥液浓度关系

由图2可知，当肥液浓度分别为0、0.46、1.39、3.24和5.55 mmol·L-1时，湿润锋的交汇时间分别201、198、187、179和171 min，即随着肥液浓度的增大，湿润锋交汇的时间越来越早.这是因为在水平方向，引起湿润锋运移距离的差异主要是由溶质势造成的，肥液浓度越大，溶质势越小，湿润锋运移的势能差就越大，因此湿润锋的运移速度就越快，交汇时间也就越早[9].

对湿润锋交汇时间和肥液浓度的关系进行了拟合，结果如下：

T(c)=198.76e-0.029c，

(1)

式中：T(c)为湿润锋交汇时间，min；c为肥液浓度，0≤c≤5.55 mmol·L-1.

分析表明，式(1)的相关系数R2大于其对应的临界相关系数(R0.05=0.950)，这说明当0≤c≤5.55 mmol·L-1时，红壤区涌泉根灌湿润锋交汇时间与肥液浓度之间呈指数函数关系.

2.2 肥液浓度对累计入渗量的影响

不同肥液浓度条件下涌泉根灌土壤累计入渗量随入渗历时的变化如图3所示.由图3可知，入渗历时相同时，随着肥液浓度增加，涌泉根灌土壤累计入渗量逐渐增大，灌水结束时，肥液浓度分别为0、0.46、1.39、3.24和5.55 mmol·L-1时处理对应的累计入渗量依次为16.41、16.72、17.09、17.51和17.76 L，对应的浓度增幅依次为0.380%、0.220%、0.120%和0.057%，即肥液浓度对土壤累计入渗量有明显的促进作用，但促进作用随着肥液浓度的增大而逐渐减弱.

图3 不同肥液浓度下累计入渗量随入渗历时变化曲线

对累计入渗量和入渗历时的关系进行了拟合，拟合结果见表2.表中：I(t)为累计入渗量；t为入渗历时.由表2可知：0≤c≤5.55 mmol·L-1时，交汇前，土壤累计入渗量与入渗历时之间符合幂函数关系；交汇后，两者之间符合对数函数的变化关系.

表2 不同肥液浓度下累计入渗量与入渗历时关系拟合汇总表

2.3 肥液浓度对土壤湿润锋运移特性的影响

在交汇面处，土壤湿润锋在竖直向上和竖直向下两个方向的运移距离随入渗历时的变化曲线如图4所示.由图4可知：肥液浓度相同时，土壤湿润锋竖直向上的运移距离均小于竖直向下；入渗历时相同时，肥液浓度越大，土壤湿润锋的运移距离也就越大.

图4 交汇面处湿润锋运移距离与入渗历时关系曲线

表3为交汇面处湿润锋运移距离与入渗历时拟合汇总表.表中Z(t)u和Z(t)d分别为交汇面处湿润锋竖直向上和竖直向下两个方向的运移距离.由表3可知，相关系数R2均大于0.900，且大于其对应的临界系数(R0.05=0.666)，这说明用表3的公式来拟合湿润锋运移距离和入渗历时的关系是合理的，即交汇面处湿润锋的运移距离和入渗历时之间符合对数函数关系.

表3 交汇面处湿润锋运移距离与入渗历时拟合汇总表

2.4 肥液浓度对湿润体内含水率分布的影响

在灌水结束时，水平方向距离灌水器分别为5、15和25 cm处在土层深度为0～100 cm范围内土壤含水率分布见图5.

图5 距离灌水器不同距离处土层含水率分布曲线

由图5可知：在距离灌水器不同距离处，在土层深度为0～100 cm范围内土壤的含水率分布均表现为随着土层深度的增大，呈现先增大后减小的趋势，且在土层深度为40～60 cm范围内土壤含水率均最大；在相同土层范围内，肥液浓度越大，相应的土壤含水率就越高.以距离灌水器5 cm处为例，肥液浓度分别为0、0.46、1.39、3.24和5.55 mmol·L-1时，在土层深度为20～40 cm范围内的含水率依次为27.49%、28.21%、29.79%、31.79%和32.41%，增幅依次为2.62%、5.06%、6.71%和1.95%，即肥液浓度对相同土层内的土壤含水率有促进作用.

此外，交汇作用对土壤水分的分布也存在一定的影响.以肥液浓度为1.39 mmol·L-1为例，在距离灌水器分别为5、15和25 cm处，土层深度为0～100 cm范围内平均含水率依次为21.62%、11.11%和10.36%，减幅依次为48.61%和6.75%.由此可见，距离灌水器5～15 cm处，土壤含水率急剧下降，而距离灌水器15～25 cm处，土壤含水率的减小幅度较小.与单点源自由入渗相比，双点源交汇入渗提高了交汇面处的土壤含水率，提高了灌水的均匀度，而交汇面处作物根系分布也较为密集，因此交汇入渗有利于作物对土壤水分的吸收利用[3].

2.5 肥液浓度对湿润体内铵态氮分布的影响

灌水结束情况下，水平方向上距离灌水器为5、15和25 cm处，在土层深度为0～100 cm时铵态氮分布见图6.由图6可知，距离灌水器不同位置处，铵态氮在土层深度为0～100 cm范围内均随着土层深度增加呈现先增大后减小的趋势，且主要分布在土层深度为0～60 cm处.以肥液浓度为1.39 mmol·L-1为例，在水平方向距离灌水器5 cm处，在土层深度分别为0～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm时铵态氮的含量依次为79.21、159.21、279.12、48.44和23.97 mg·kg-1，增幅依次为100.88%、75.41%、-82.65%和-50.52%.

图6 距离灌水器不同距离处土层内铵态氮分布曲线

在相同土层内，铵态氮的分布表现为距灌水器水平距离越近，铵态氮含量越大，且交汇作用对铵态氮的影响较小.以土层深度为40～60 cm为例，在水平方向距灌水器为5、15和25 cm处铵态氮的含量分别为279.12、73.44和24.11 mg·kg-1，减幅依次为73.69%和67.17%.这是因为铵态氮带正电荷，易被土壤胶体所吸附，而在交汇面处，尽管湿润锋发生了交汇，但交汇对铵态氮分布的影响很小[5-6].

2.6 肥液浓度对湿润体内硝态氮分布的影响

灌水结束时，水平方向上距离灌水器5、15和25 cm处在土层深度为0～100 cm内硝态氮的分布情况见图7.

图7 距离灌水器不同距离处土层内硝态氮分布曲线

由图7可以看出，距离灌水器相同距离处，湿润体内硝态氮含量均随着土层深度的增加呈先增加后降低的趋势，且在40～60 cm土层内硝态氮含量最大.以距离灌水器15 cm为例，灌水结束时，肥液浓度为0、0.46、1.39、3.24和5.55 mmol·L-1时硝态氮含量依次为4.22、26.10、45.90、67.73和100.35 mg·kg-1，即肥液浓度越大，湿润体内硝态氮含量也越大，且硝态氮含量与肥液浓度符合线性变化关系.此外，在0～80 cm土层内，相比铵态氮，硝态氮的分布也更加均匀.

相同土层范围内，硝态氮分布与铵态氮存在显著差异.以土层深度为20～40 cm为例，当肥液浓度为1.39 mmol·L-1时，在距离灌水器5、15和25 cm处硝态氮含量分别为72.23、45.90和69.18 mg·kg-1.由此可见，灌水结束时，距离灌水器5 cm处硝态氮含量最大，其次为交汇面处(25 cm)，距离灌水器15 cm处硝态氮含量最小.这是因为硝态氮易随水分一起运移，因此交汇面处硝态氮含量不降反升[10].

3 结 论

1) 肥液浓度越大，湿润锋交汇的时间越早，且交汇发生时间与肥液浓度之间呈指数函数关系；肥液浓度越大，土壤累计入渗量也越大，在交汇发生前，土壤累计入渗量与入渗历时之间符合幂函数关系；在交汇发生后，土壤累计入渗量与入渗历时之间符合对数函数关系.

2) 肥液浓度越大，在交汇面处湿润锋的运移距离也越大，且交汇面处湿润锋在竖直向上和竖直向下两个方向的运移距离与入渗历时之间均符合对数函数关系.

3) 肥液浓度越大，相同土层内的土壤含水率就越高，且双点源交汇入渗提高了交汇面处的土壤含水率，提高了灌水的均匀度；灌水结束时，铵态氮主要分布在0～60 cm土层内，且距灌水器水平距离越近，铵态氮含量越大，而交汇作用对铵态氮的分布影响较小；湿润体内硝态氮含量在40～60 cm土层内最大，在水平方向上距离灌水器5 cm处硝态氮含量最大，其次为交汇面处(25 cm)，而距离灌水器15 cm处硝态氮含量最小.