微润灌下施肥浓度和水头对水氮分布的研究

孟 涵，申丽霞，王瑞军，李慧敏，李京玲，孙雪岚

（太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024）

0 引 言

微润灌溉是目前国内外新型灌溉方式，其原理是通过微润管的内外水势差，微润管持续对植物根系给水。该技术可以使土壤水分处于水/气最佳状态并且使这一状态长时间稳定的保持下去，使作物在全生命期内处于最佳灌溉条件下生长，微润灌溉不会破坏土壤团聚体结构，同时还能使得土壤通气性良好、氧气充足［1］。此外，微润灌溉技术运行的驱动力是水势能和土壤势能，不需要动力设备，运行成本低［2］，具有灌溉水分均匀，水肥一体化灌溉可操作性高等好处。目前，微润灌溉技术主要用于温室大棚蔬菜、花卉等作物灌溉，同时也应用于果树等作物灌溉[3]。该项技术广泛应用于新疆、贵州、内蒙古等地，在促进蔬菜、果蔬等作物增产方面发挥了不可替代的作用。

微润灌溉下水分在土壤中的入渗，受压力水头及肥料浓度等诸多因素影响。前人发现微润带的压力水头对作物的生长指标和土壤指标有重要影响，如薛万来等[4]发现土壤累积入渗量与压力水头正相关，湿润锋运移距离随压力水头增大而增加；何玉群等[5]研究发现微润管的压力对玉米的产量和水分利用效率都有显著的影响。聂坤堃等[6]通过室内土箱模拟试验和数值模拟研究发现KNO3溶液在一定浓度范围内增强了土壤入渗能力。因此进行了室内土箱肥液入渗试验以研究压力水头和施肥浓度双因素对水分在土壤中入渗的影响，肥料选用含氮量较高复合肥硝酸铵钙，通过分析土壤的水氮分布、湿润锋运移和累计入渗量等指标，为微润灌溉水肥一体化的农业应用提供一定的参考。

1 材料与方法

1.1 试验土样

试验于2021年3-5月在山西省太原市太原理工大学水利科学与工程学院的实验室内进行。试验土样取自山西省太原市小店区种植大棚内表层0～30 cm 的熟土，土样取回后自然风干并碾压后作为试验土样。过2.00 mm 孔径筛分后，再通过MS2000 型激光分析粒度仪测定分析土壤的颗粒和粒径，其土壤颗粒组成和初始含氮量见表1。

表1 试验土壤基本理化性质Tab.1 Physico-chemical properties of the initial soil

1.2 试验装置

装置由供水部分、输水部分和渗水部分构成。其中供水部分为与大气连接的恒压马氏瓶和可调节高度的支架板；输水部分为内径16 mm 的PE 管和阀门；渗水部分是规格为70 cm×40 cm×40 cm，有机玻璃板制成试验土箱和微润管，每个试验箱中左右对称铺设两条微润管。牛文全等[8]的室内土箱模拟试验研究结果表明，在0.2～2.0 m 水头范围内, 微润带流量与压力水头近乎呈线性关系，适宜的埋深为15～20 cm，所以该试验微润管埋深为15 cm，间隔为15 cm，其中微润管顺土箱的长度方向铺设。其装置图见图1。

图1 试验装置Fig.1 Experimental device

在试验箱的40 cm×40 cm面上以微润管为原点，每5 cm打一个孔便于取土样进行测量，以微润管为坐标原点，微润管上方为Y+，下方为Y-，因微润管对称布设，且微润管出水均匀，土质均匀，所以水平方向只需测量一侧，试验均取左侧微润管为绘制管，则微润管水平方向为X。

1.3 试验设计

试验采用双因素设计，以压力水头和施肥浓度为变量，设计2×4 组试验处理。压力水头设计1.0 m 和1.5 m 两个水平，记为H1 和H2；施肥浓度设计0、300、600、900 mg/L，分别记为N0、N3、N6、N9。

该试验通过控制土壤密度为1.30 g/cm3，每5 cm 填一层土，填土期间要振夯以保证土壤颗粒得到充分接触。

施加肥料为复合肥硝酸铵钙，是一种极易溶于水，含氮和速效钙的新型高效复合肥料，其肥效快，可快速补氮；其中增加了钙，使养分更加全面，并且植物可直接吸收，便于实施水肥一体化。

1.4 试验方法与测定内容

通过控制土壤容重的方法进行填土，填至20 cm 时进行铺设微润管，组装阀门使其与PE 输水管相接，并检验渗水性以及是否漏水，无漏水状况以及渗水性良好时继续装填，使其埋深为15 cm。

调节支架板的高度和恒压马氏瓶高度，使其达到试验设计水头。排尽恒压马氏瓶、PE 输水管和微润管中空气，根据试验所设施肥浓度将硝酸铵钙溶于水中搅拌均匀后倒入恒压马氏瓶中，开始记录湿润锋运移情况和恒压马氏瓶内水面下降高度。

试验开始于8:00，过程中每隔12 h用取土器取样，通过烘干法测量其含水率；因硝酸铵钙中铵态氮含量较低，所以该试验中只测量硝态氮，每隔12 h 取土样后通过紫外分光光度计法测量硝态氮含量。

试验第一天8:00～20:00 每隔2 h 测量恒压马氏瓶内水面下降的高度和湿润锋在Y+、Y-和X方向上的运移情况，第二天后每隔4 h 重复测量以上步骤，其中每天20:00 至次日8:00 的夜晚时间隔12 h 测一次。结果分析时均取60 h 为试验终止时刻。

2 结果与分析

2.1 压力水头和施肥浓度对湿润锋的运移影响

试验数据为3次重复后取的平均值，通过AutoCAD软件描绘出各处理情况下湿润锋的运移曲线图。

2.1.1 湿润锋运移形状图

由图2可以看出线源入渗时，湿润线大致呈同心圆，随着入渗的进行，以微润管为圆心，湿润半径逐渐增大。提高压力水头和施肥浓度，湿润体半径也会显著增大，且随着水分在土壤中的不断入渗，受重力的影响湿润体逐渐向下偏移。

图2 湿润锋运移图Fig.2 Migration map of wetting front

2.1.2 湿润锋各方向运移距离

Y+、X和Y-比较60 h内各方向的运移距离，若到达土壤表面的时间或终止时刻运移距离相同则比较上一时间的运移距离。湿润锋运移距离与时间近似符合y=a tb（a为入渗系数，b为入渗指数）的幂函数关系，通过Origin对其进行拟合，结果为表2，对其拟合函数求导为入渗速率公式。将该公式代入时间值与实测值比较得图3和图4，后对该入渗速率公式进行拟合得表2中运移速率拟合公式。1.0 m 压力水头下，H1N9＞H1N6＞H1N3＞H1N0，即各处理随着施肥浓度的增高湿润锋向Y+运移的速度也相应更快；湿润锋在X向及Y-向与Y+方向的运移规律一致，运移速度均与施肥浓度呈正相关。在1.5 m 的压力水头下，各方向上湿润锋运移速度与1.0 m 水头下的变化趋势相同。单研究施肥浓度对湿润锋运移的影响会发现随着浓度增高，湿润锋在各个方向上运移越来越快。未施加肥料时，湿润锋运移距离在各向H2N0＞H1N0，浓度在300、600 和900 mg/L时，湿润锋在各方向H2N3＞H1N3，H2N6＞H1N6，H2N9＞H1N9，湿润锋1.0 m 水头下的运移距离都小于1.5 m 水头下的运移距离。单研究压力水头对湿润锋运移的影响会发现压力水头越大，湿润锋各方向的运移速度越快。

表2 湿润锋拟合曲线Tab.2 Wetting front fitting curve

图3 Y+方向运移距离Fig.3 Migration distance of Y+

图4 运移速度Fig.4 Migration rate

2.2 压力水头和施肥浓度对入渗量的影响

图5累计入渗量H2N9＞H2N6＞H2N3＞H2N0＞H1N9＞H1N6＞H1N3＞H1N0，拟合直线为一次函数且斜率大小顺序同上。同一水头下施肥浓度的增加，拟合直线斜率和累计入渗量均增大，且随着入渗过程的进行，入渗量差异也越来越大；相同施肥浓度下，压力水头增加，对应的入渗量和拟合直线斜率也增加。但试验后期入渗量多在拟合直线的下方，入渗量后期变缓，猜测是因为入渗过程中减少了微润管附近的土壤基质势。压力水头作为土壤水分移动主要动力之一，增加水头会加快湿润锋的运移。复合肥硝酸铵钙中的钙离子增加了土壤团粒结构，增大土壤孔隙，使得土壤导水率增强；硝酸铵钙的浓度增加，溶液的溶质势增加，溶质势和对流作用提高了湿润锋的运移能力。

图5 累计入渗量随时间变化Fig.5 Cumulative infiltration volume changes with time

2.3 硝态氮含量

图6依次为H1N0～H2N9 各处理60h 后的土壤硝态氮等值线分布图，硝态氮含量最大为H2N6 和H1N9 处理，均达到9.20 mg/kg，极小值为H2N0 处理，硝态氮仅有2.31 mg/kg；硝态氮平均值最大的是H2N9处理，平均值最小的为H2N0处理。微润管附近硝态氮含量较少，远处硝态氮含量较高，硝态氮会在远处积累，最大值多出现在微润管右下方深层土壤处。该试验中除H2N9 处理外，其他处理均随着肥液浓度的增大，湿润体内相同节点处硝态氮量相应增高；未施肥和施肥浓度为900 mg/L 时，高水头的硝态氮含量小于低水头，H2N6 和H2N3的硝态氮含量随水头增加而增加。

H2N9 出现施肥浓度增加，硝态氮含量减少的原因是入渗较快，硝态氮随水运移积累在远处，在该试验取样范围内未取到最远处点，导致H2N9硝态氮含量最高点未出现在取样数据中，试验结束后对底层土壤取样测量，其硝态氮为10.70 mg/kg，大于取样点的极大值。清水入渗时水头与硝态氮含量成反比，是因为H2N0 入渗快于H1N0，且没有氮的补充，H2N0 的硝态氮随水迁移至远处。虽然水分运移会使微润管近处的硝态氮含量减少，但恒压马氏瓶中的水肥进入土壤，还是会增加微润管附近的硝态氮，二者的耦合作用较为复杂。待肥料在土壤完全溶解后，硝酸铵钙在土壤中随水迁移，因为其不会引起土壤板结，土壤可变得疏松，所以硝酸铵钙中的离子被土壤吸附较难，硝态氮随水迁移后在远处积累。刘显等[10]人也证实硝酸根带有负电，与同样带有负电的土壤胶体之间产生排斥作用，不易被土壤胶体所吸附，具有较强的移动性，水分运动时随着向周围运移。

2.4 土壤含水率

图7依次为H1N0～H2N9 各处理60 h 后的土壤含水率等值线分布图，发现土壤含水率在微润管周围含量最高，远处逐渐减少，且随着水头和施肥浓度的增加，土壤含水率均不断增加。H2N9为所有处理中含水率极大值，达到20.80%，含水率极小值为H1N0处理，其含水率只有17.00%；平均含水率最高为H2N9，平均含水率最低为H1N0。含水率最高的处理是1.5 m 压力水头，900 mg/L的施肥浓度，极值与平均值均最大。线源入渗的含水率分布以微润管为圆心，近似呈向下移的同心圆，微润管下方含水率高于同一水平位置的上方含水率。

图7 土壤含水率等值线Fig.7 Soil moisture content contour

施肥浓度和压力水头对含水率成正比是由于水为溶质运移的载体，而溶质又能反作用于土壤水分运动，肥液浓度越大，土壤中形成的团粒结构也越多，相同时间内湿润体的湿润深度越大，使得表层土壤的孔隙率增大，则相同位置处的土壤含水量也越高。这也与何振嘉[11]认为在一定施肥浓度和压力水头下，增加水头或增加肥料浓度，均会增加土壤中的含水率一致。而且肥料硝酸铵钙中含有的钙离子对土壤具有一定的保水作用，肥液浓度越大，钙离子浓度越高，保水效果越显著[12]。

3 讨 论

对微润灌溉水肥一体化下的线源入渗研究发现，在1.0 m和1.5 m 的水头，0～900 mg/L 硝酸铵钙肥料下，压力水头和施肥浓度均对微润入渗情况影响显著。湿润锋运移距离距离和速度、累计入渗量、含水率和硝态氮含量均随着水头和浓度的增加而提高。

康守旋等[13]研究了不同量的硝酸钙溶液对浑水膜孔灌多点源入渗水氮运移的影响，发现肥液对浑水有一定的增渗作用。李义林等[14]使用肥液质量浓度为0、0.2、0.4 g/L史丹利大量元素水溶肥作为入渗溶液，施氮量增大，累积入渗量和湿润体体积均增大，湿润体内水肥量也增多。由于水分运动为溶质运移的载体，而溶质又能反作用于土壤水分运动，肥液浓度越大，土壤中形成的团粒结构也越多，相同时间内湿润体的湿润深度越大，使得表层土壤的孔隙率增大，则相同位置处的土壤含水量也越高[11]。氮肥浓度增大，土壤溶质势变大，土壤吸力就越大[15]。本试验中通过提高施肥浓度，可以增加水分入渗速度和湿润体内的水氮含量，与其他研究者的结论一致。因此可以适当提高水肥溶液中的肥料浓度加快水分入渗，同时增加土壤中的氮素含量。

毕远杰等[16]研究压力水头对湿润锋的影响，发现压力水头增加，能够加快水分沿各个方向扩散,湿润体面积也将进一步增加。随着供水压力的增加，入渗界面的压力势增大，入渗速率随之增大，进而在相同入渗时间内累计入渗量也增大[17,18]。压力水头的增大，入渗界面的压力势会增大，导致入渗速率增大,湿润锋推移速度加快。本试验与其他学者的研究相同，压力水头作为入渗的主动力之一，提高水头可以加快水分在土壤中的入渗。

4 结 论

（1）水分分布近似为以微润管所铺设位置为圆心的同心圆，入渗一段时间后含水率会在微润管附近出现极大值，多出现在微润管的下方，远处含水率最低，且有向下偏移的趋势，相同节点土壤含水率随水头和肥料增加也相应增大。

（2）土壤中的硝态氮会在远离微润管处形成硝态氮的聚集区，表明硝态氮容易随水流失。1.0 m 压力水头下，硝酸铵钙900 mg/L 肥入渗处理土壤含水量和硝态氮量最大；1.5 m 压力水头下，硝酸铵钙900 mg/L 入渗处理土壤中含水量和硝态氮量最大。清水入渗时，取样范围内硝态氮表现为随入渗过程进行含量减小，含水量最大为H2N0处理，硝态氮量最大为H1N0处理。试验中压力水头1.5 m，硝酸铵钙浓度为900 mg/L时，湿润体中含水率和硝态氮含量最高，为最适宜处理。