肥液浓度对涌泉根灌湿润体点源入渗影响研究

何 振 嘉

(陕西省土地工程建设集团有限责任公司，西安 710075)

涌泉根灌是一种可将水肥直接输送于果树根部的微灌技术，与地面滴灌等技术相比，具有明显减少水分蒸发、滴头抗堵塞性能强等诸多优点[1,2]，适宜旱区果树灌溉[3]。涌泉根灌湿润体的大小与形状对作物生长起关键性作用[4]。入渗能力、水力参数以及湿润体特征值是灌溉条件下土壤水分运移特征的重要影响因素，其相关规律的研究可为灌溉制度的制定提供技术支撑[5]。湿润体特征值受灌水时水分向土壤中入渗、入渗速度、一定时段内的累积入渗量、入渗后水分在土壤剖面上的分布等状况的影响，因此，对点源入渗湿润体特征值的研究为确定灌溉制度的基础[6]。

国内已有研究对涌泉根灌土壤水分运动规律进行了广泛的研究，其研究重点多从土壤初始含水率、土壤容重、灌水器埋深等方面开展，尤其在清水入渗条件下土壤水分运动、湿润体形态及湿润锋运移规律等方面做了大量工作[7-10]，但在肥液入渗条件下涌泉根灌湿润体研究极少。本文通过涌泉根灌条件下不同肥液浓度入渗试验，研究肥液入渗对入渗能力、湿润锋运移规律以及含水率分布等影响，以期为涌泉根灌水肥耦合以及灌溉制度的制定奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

表1 试验土壤颗粒级配组成Tab.1 Gradation composition of the test soil

1.2 试验装置及试验设计

为了探究肥液浓度对涌泉根灌湿润体入渗特性的影响，试验氮肥选用易溶性的尿素(CO(NH2)2)(氮素含量≥46.4%)作为试供肥料，共设定了4种不同尿素施用量(0、1、1.25、1.5 kg)，每组试验灌水量均为30 L，肥液浓度分别为33.3、41.7和50.0 g/L，清水为对照(肥液浓度为0 g/L)。根据设置的肥液浓度，以及尿素中氮素含量，计算出相应的尿素重量，按设定的浓度与清水混合配置。涌泉根灌入渗试验由供水系统和涌泉根灌灌水器组成，供水系统采用带有刻度截面积为70.88 cm2的硬质塑料制作的马氏瓶进行自动供水。灌水器模拟滴头流量均为7 L/h。根灌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量筒来滤定滴头流量，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，灌水器与配套套筒通过螺口直接安装或拆卸，配套套筒(PVC材料)壁厚2 mm，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打一个孔洞，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。试验地块布置图如图1所示。

图1 涌泉根灌试验地块布置图Fig.1 The bubbled-root irrigation test plot layout

1.3 试验方法及观测内容

(1)观测坐标系建立。如图2所示，水平剖面上以根灌器中心为观测原点，竖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竖直剖面上水平方向和竖直方向的湿润锋运移距离。

图2观测坐标系Fig.2 Observation coordinate system

(2)马氏瓶读数和湿润锋运移位置。试验地为原状土壤坡面，坡面表面平整光滑(高2 m、宽2 m)，将水平剖面和竖直剖面作为观测面。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，为降低降雨和蒸发影响湿润体，试验结束后用塑料布遮盖湿润体。每组试验3个重复，取其均值作为试验结果。试验系统见图3。

图3 试验系统示意图Fig.3 Experimental system structure

(3)土壤含水量。在灌水前、灌水结束时及灌水后1、3 d时用土钻提取土壤样品，用烘干法测定土壤含水量，取土位置为涌泉根灌灌水器东、南、西、北四个方向10 cm处，取其均值作为结果，取其取土深度为100 cm作为计划湿润层，分10层，每层10 cm。烘箱温度105 ℃，烘干时间12 h。

(4)实验数据分析。采用Microsoft Excel 2007分析软件处理试验数据并进行绘图。

2 结果与分析

2.1 肥液浓度对涌泉根灌入渗能力的影响

图4为灌水量均为30 L，滴头流量为7 L/h条件下，肥液浓度为50 g/L和清水的涌泉根灌累积入渗量曲线和入渗率随时间变化曲线。由图可以看出，相同入渗条件下涌泉根灌肥液入渗和清水入渗的累计入渗量均随时间的延长而增大，且同一时间时肥液入渗的累积入渗量大于清水入渗的累积入渗量；在入渗开始1 h以内，肥液与清水的累积入渗量和入渗率随时间的变化率均很大，这主要是由于，在入渗初期土壤水势梯度较大，水量入渗速度较快；随时间与入渗量的不断增加，水势梯度逐渐减小，肥液入渗和清水入渗的入渗率均减小，最终趋于缓和。入渗率随着时间的增大而降低，且肥液入渗率大于清水入渗的入渗率，即肥液入渗的入渗速度要快于清水入渗，肥液入渗对涌泉根灌入渗的影响表现得更为显著。整个入渗过程中累积入渗量、入渗速率与入渗时间均呈现较为光滑连续的曲线。

图4 涌泉根灌累积入渗量及入渗率示意图Fig.4 Schematic diagram of cumulative infiltration and infiltration rate of bubbled-root irrigation

涌泉根灌方式下不同肥液浓度土壤在入渗过程中累积入渗量随肥液浓度增大而增大，表明土壤水分运动虽然为溶质迁移的载体，但溶质的运动同时影响到土壤水分运动。水分可以通过土壤表面的通道下渗，且在下渗过程中不断接触肥液中的各种分子与离子。土壤胶体具有较大的表面能，能够吸附其他物质分子，因此，涌泉根灌入渗过程中，土壤胶体通过吸附尿素中的肥料分子，将养分保存于土壤中。同时，土壤胶体自身所携带的负电荷能够吸附肥液中的许多阳离子，减弱了土体中的排斥作用，使较小的胶体微粒形成较大的土壤团聚体。入渗肥液浓度越大，土壤胶体能够吸附更多的肥料分子，其增强了土壤胶粒的凝聚作用，使其形成更大的团粒结构，从而使土壤表面结构发生改变，土壤颗粒粒径以及土壤孔隙相应增大，水分入渗的通道也越多，导致入渗量增加[11,12]。

土壤入渗过程主要受土壤入渗能力和供水强度的影响。供水强度与土壤入渗能力的对比关系决定土壤的入渗特性；供水强度由灌水量决定，土壤入渗能力主要受土壤自身特性的影响；土壤入渗能力一般用累计入渗量或入渗率来表示；入渗率随着入渗过程的进行逐渐减小，入渗到一定程度时达到稳定。土壤水分运动的白金汉-达西定律将入渗过程的各种影响因素归结于水势梯度与非饱和导水率的共同作用。对入渗过程的分析主要集中于入渗后土壤剖面中含水量分布随时间变化和湿润锋运移规律[13,14]。

土壤入渗过程可以用入渗模型进行描述。Horton模型认为入渗率会随着入渗时间的推移而减小，主要是因为受到土壤表层因子的影响[15]，但其模型适用于粗略的估算流域的降雨入渗，难以精确的描述一点入渗；Philip模型和Green-Ampt模型均具有明确的物理意义，有着较为广泛的应运，但Philip模型只适应于均质土壤一维垂直入渗，且入渗时间较短的情况，Green-Ampt模型主要用于研究初始干燥土壤在薄层积水时的入渗问题[16]。Kostiakov模型形式较为简单，且能够很好的表征本次试验中土壤入渗过程。为探究涌泉根灌点源肥液入渗情况下的入渗特性，对肥液入渗和清水入渗的累积入渗量的实测数据用Kostiakov模型进行拟合。考斯加科夫公式为:

it=i1t-a

(1)

式中：it为任意时间的入渗速度，mm/min；i1为第一单位时间末的入渗速度，mm/min；t为入渗时间，min；α为经验指数，α=0.3～0.8，初始含水量越高，α越小。

累计入渗量与入渗时间的关系可用下式进行计算：

(2)

式中：i0为第一个单位时间内土壤渗吸的平均速度。

将式(2)变形为：

Z=Ktα

(3)

式中：Z为涌泉根灌肥液自由入渗累积入渗量，L；K为入渗系数，L/min；α为入渗系数，无因次；t为入渗时间，min；具体拟合结果如下：

肥液入渗：Z= 0.093t1.035，R2= 0.998

(4)

清水入渗：Z= 0.024t1.292，R2=0.990

(5)

可看出， Kostiakov模型中肥液入渗的入渗系数大于清水，但入渗指数小于清水。取显著性水平为0.01，分别分析清水和肥液入渗的实测数据，R2均大于临界相关系数rd(0.605 5)，表明Kostiakov能够很好的描述涌泉根灌肥液累积入渗量随时间变化的关系。此外，入渗率与时间之间也符合幂函数关系，将其进行拟合，结果如下：

清水入渗i= 0.336t-0.22，R2=0.987

(6)

肥液入渗i= 0.334t-0.18，R2=0.995

(7)

可看出，肥液入渗时入渗率的入渗系数要低于清水入渗，而入渗指数要大于清水。取显著性水平位0.01，分别分析清水和不同肥液浓度的实测数据，R2均大于临界相关系数rd(0.605 5)，表明涌泉根灌的入渗率变化可以较好的用幂函数表述。

为验证Kostiakov模型对模拟涌泉根灌入渗模拟的精度，将肥液浓度为50 g/L的涌泉根灌累积入渗量的实测值使用模型拟合，拟合结果见表2。

表2 实测值与模型拟合值对比表Tab.2 Comparison of simulated and measured values by the model

可以看出该模型的模拟值与实测值的相对偏差均在5.18%以内，可以利用此模型进行涌泉根灌累积入渗量的模拟。

2.2 涌泉根灌肥液入渗土壤湿润峰运移特性

图5为涌泉根灌点源肥液入渗(肥液浓度50 g/L)与清水入渗竖直剖面湿润锋随时间的变化过程。可以看出，涌泉根灌入渗湿润锋运移形状近似为椭圆形，清水入渗与肥液入渗的湿润锋运移具有相似的规律，湿润锋的运移速度开始较快，随着时间的推移，运移速率逐渐减慢；肥液入渗在竖直方向的入渗速率要快于清水入渗，但在水平方向的入渗要慢于清水。在30 min之前，肥液入渗与清水入渗湿润锋的运移差异并不显著，入渗30 min时，肥液入渗的湿润锋的竖直运移距离为16.2 cm，清水入渗的为15.7 cm；随着时间的增加，湿润锋间的变化表现得更为显著。入渗45 min时，肥液入渗的竖直湿润锋运移距离为24.6 cm，清水入渗的距离为20.5 cm。

图5 涌泉根灌点源入渗湿润锋运移曲线Fig.5 Wetting front transport curve under suger-root irrigation point source infiltration

由数据还可以得出，入渗初期，水平湿润锋的运移速度比竖直方向的运移速度快，这是由于入渗开始基质势起主导作用，水平湿润锋由0瞬时增大，大于竖直湿润锋的运移距离；随着时间的推移，肥液入渗湿润锋在竖直方向的变化超过水平运移的速度，这是由于土壤水分运动在竖直方向受到基质势和重力势的共同作用，土壤水势梯度减小，导致土壤水向下的运动增强，而水平方向只有基质势的影响，这一点说明湿润体的形状为椭球体[17,18]。肥液入渗到10 min时竖直湿润锋运移距离超过水平湿润锋运移距离(此时竖直为9.3 cm，水平位8.3 cm)，清水入渗到25 min时竖直湿润锋超过水平湿润锋(此时竖直为15.7 cm，水平位15.5 cm)。

图6为灌水量为30 L，滴头流量为7 L/h时的清水和肥液浓度分别为33.3、41.7和50 g/L的涌泉根灌点源入渗在水平剖面上湿润锋运移随时间变化的关系曲线。可以看出，湿润锋的运移距离随时间的增加而增加，运移速率随着时间的推移而减弱；浓度越大，湿润锋运移距离越慢；水平方向的湿润锋运移速度要快于竖直方向。

图6 水平剖面湿润锋运移随时间关系曲线Fig.6 Variation of wetting in horizontal profile

经分析，在水平剖面上的水平湿润锋和竖直湿润锋运移曲线符合幂函数规律，对其结果拟合见表3。

图7为灌水量为30 L，滴头流量为7 L/h时的清水和肥液浓度分别为33.3、41.7和50 g/L的涌泉根灌点源入渗在竖直剖面上湿润锋运移随时间变化的关系曲线。可以看出，水平方向与竖直方向的湿润锋运移距离具有不同的变化规律；在水平方向和竖直方向上的湿润锋运移距离均随浓度的增大而增大。

表3 水平剖面湿润锋运移拟合结果Tab.3 Fitting result of wetting front transport in horizontal profile

图7 竖直剖面湿润锋运移距离Fig.7 Variation of wetting in vertical profile

对竖直剖面上的湿润锋运移距离与时间进行幂函数拟合，结果如表4。

2.3 肥液浓度对涌泉根灌肥液入渗湿润体含水率动态分布的影响

图8为清水和浓度分别为33.3、41.7和50 g/L的肥液入渗灌水结束时和分布1 d以及再分布3 d的涌泉根灌灌水器中心

表4 竖直剖面湿润锋运移拟合结果Tab.4 Fitting result of Wetting front transport in vertical profile

垂向土壤含水量的分布情况。可以看出，灌水可以较大幅度提高土壤含水量。灌水结束时0～100 cm内的平均土壤含水量(21.56%)明显高于CK(5.14%)。其他条件相同时，不同浓度的涌泉根灌入渗土壤含水量均具有相似的分布规律； 在灌水结束时，表层(27%)和中层(26.23%)土壤含水量明显高于底层(14.79%)，表层略高于中层；这是由于涌泉根灌灌水器埋设于距地表15 cm距离处，在灌水过程中，流量超过土壤的入渗能力，在灌水器中会形成一定程度的积水，随着积水深度的不断增大，向上运移的湿润锋与上边界的水势梯度变小，在土壤基质势的作用下引起湿润锋向上运移的速率加快，导致表层土壤的含水量略高于中层土壤；而灌水量不足以下渗到底层土壤，所以底层土壤含水量最低。分布1 d后，土壤含水量的分布由表层开始向下运移，表现出表层低(18.1%)、中层高(19.96%)、底层低(14.93%)的变化趋势。再分布3 d后，0～100 cm内土壤平均含水量较灌水结束时降低6.34%；清水与不同肥液浓度的涌泉根灌土壤平均含水量大致相等，分别为：14.25%、14.8%、15.58和16.25%。

在一定肥液浓度范围内，不同肥液浓度间土壤含水量的分布表现出一定的差异；高浓度肥液入渗土壤含水量分布曲线位于低浓度之下，说明涌泉根灌入渗在相同深度处的土壤含水量随着肥液浓度的增大而增大。这是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。

由入渗阶段研究结果可以看出，肥液入渗阶段增加了总孔隙和非毛管孔隙，其通气导水能力增强，水稳性团聚体数量显著增高，因此入渗量随肥液浓度的增加而增大，但土壤水再分布阶段，实际上是土壤孔隙中水分充满的状态转化为排水变空的动态过程，即土壤处于脱湿状态，根据土壤特性可知，脱湿状态下的土壤孔隙一般来说变空的顺序为从大到小，大孔隙中大部分为非毛管孔隙组成，因此再分布阶段土壤的通气导水能力变为排水能力，肥液浓度越大，再分布阶段非毛管孔隙排水能力越强，排水量越大，而肥液浓度较小，再分布阶段非毛管孔隙数量较低，排水能力较弱，相同再分布时间土壤排水速度较慢，排水量较少，因此当再分布达到一定时间时，肥液浓度下的含水率分布不如入渗阶段含水率分布差异性明显。

图8 不同肥液浓度对灌水器处湿润体土壤含水量分布图Fig.8 Variation of vertical soil water content at emitter in different fertilizer concentration

2.4 肥液浓度对涌泉根灌肥液入渗湿润体形状的影响

图9为灌水量为30 L，滴头流量为7 L/h时的清水和肥液浓度分别为33.3、41.7和50 g/L的涌泉根灌点源入渗数值剖面上湿润锋运移距离与时间的关系曲线。可以看出，水平扩散距离和竖直入渗深度均随着入渗时间的增加而增加，但湿润体运移速率逐渐减小；入渗初期，由于供水强度大于土壤入渗能力，水平扩散速度略快于竖直入渗速度，随着灌水时间的增加，竖直方向重力势作用增大，导致湿润锋竖直比水平运移距离大。入渗肥液浓度越大，垂直剖面上水平方向运移距离越小，竖直方向运移距离就越大，涌泉根灌肥液入渗条件下湿润体的形状近似为椭球体，且随着浓度的增大，灌水结束时湿润体形状越宽而深。

图9 竖直剖面湿润锋运移随时间动态变化曲线Fig.9 Wetting front transport distance of wetting body in vertical profile

3 结 语

本文对涌泉根灌肥液入渗在不同肥液浓度条件下的湿润体特性，湿润体内含水量的分布特性进行了研究，取得主要成果如下。

(1)涌泉根灌肥液入渗的累积入渗量可由Kostiakov模型进行拟合，且模型精度较高。入渗速率与时间符合幂函数关系。肥液入渗形成的湿润体形状近似为椭球体，在水平剖面与竖直剖面上的湿润锋运移距离与时间的关系均符合幂函数关系，拟合结果较好。

(2)肥液浓度对涌泉根灌肥液入渗能力有较大的影响，相同流量条件下，肥液浓度越大，入渗能力越强。入渗肥液浓度越大，湿润体的形状越宽而深。

(3)涌泉根灌肥液入渗湿润体含水量的变化受肥液浓度的影响显著。同一土层深度处，土壤含水量随肥液浓度的增加而增加，且随着水分再分布时间的增长，表现为表层低、中层高、底层低的分布特征。

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