膜孔肥液多向交汇入渗土壤硝态氮运移特性试验研究

董玉云 ，穆红文，费良军

(1. 兰州交通大学 土木工程学院，兰州 730070 ；2.甘肃省电力设计院，兰州 730050； 3.西安理工大学 水资源研究所，西安 710048)

已有研究认为，农田氮素损失的主要途径是硝态氮的淋溶，同时，硝态氮的淋溶也会引起地下水的污染[1-5]。因此，合理的施肥灌溉方法既可以提高氮肥的利用率，又可节约资源和保护环境。膜孔灌是适用于干旱和半干旱地区的节水、保肥、灌水质量高和灌溉水利用率高的节水灌溉新技术。膜孔入渗可分为3种类型：膜孔自由入渗、膜孔单向交汇入渗和膜孔多向交汇入渗。近年来，关于膜孔灌清水入渗方面的研究已有一定进展[6-8]。关于膜孔施肥条件下氮素运移转化的研究，国内多为膜孔自由入渗和单向交汇入渗的报导[9-13]；关于多向交汇入渗的报导，仅有膜孔肥液多向交汇入渗湿润体特性和入渗特性及数学模型的研究[14，15]。直至目前尚未见到国内外有关膜孔灌的报导。现阶段的实际生产中，膜孔灌多以交汇入渗的方式存在，特别是对于密植的棉花等。因此，本研究在膜孔肥液自由入渗和单向交汇入渗的基础上，结合我国西北地区膜孔灌的实际，开展室内膜孔肥液多向交汇入渗氮素运移特性的研究，探求膜孔肥液多向交汇入渗节水、保肥的机理，可为膜孔施肥灌溉技术提供理论依据。

1 试验装置与方法

1.1 试验装置

室内试验装置如图1所示。入渗点源为膜孔直径为4.0 cm的1/4膜孔面积的方形水室，膜孔置于土箱的一角。AD和ad为作物株距的一半，AD=ad=6 cm，Aa和Dd为作物行距的一半， Aa=Dd=8 cm，DCcd面和abcd面为膜孔交汇面，即零通量面。土箱高30 cm，用10 mm厚透明有机玻璃板制作。试验利用横截面积为30.5 cm2的马氏瓶进行自动供水。

图1 试验设备示意图Fig. 1 Schematic diagram of experimental equipment

1.2 试验方法

试验土样为西安粉土，其土壤颗粒级配组成见表1。土壤密度1.30 g/cm3，饱和重量含水率36.2%，田间持水率23.2%，初始重量含水率9.11%，初始硝态氮含量 6.5 mg/kg。肥液采用浓度为600 mg/L的NH4NO3作为肥料。土料经碾碎、过2 mm孔径的土筛，按预定初始含水率配土，以5 cm 为一层填装。

试验设5个重复，取土时间为灌水120 min、灌水180 min和再分布3、24、72 h。按2 cm×2 cm×2 cm的立方体网格从湿润体表层向下取样。各点取得的土样中的5 g采用DR/4000型紫外分光光度计测定硝态氮浓度，其余土样用烘干法测定土壤含水率。

表1 供试土壤的颗粒级配组成Tab.1 Grain composition of experimental soil

2 试验结果与分析

2.1 膜孔肥液多向交汇入渗土壤NO-3-N的分布

由图2～图5可知：供水停止时，土壤NO-3-N浓度最大值均出现在土壤表层；NO-3-N含量分布与土壤含水率的分布类似，即随着与膜孔中心距离的增加，湿润体中土壤NO-3-N含量逐渐减少。这是由于NO-3-N本身带负电荷，土壤颗粒吸附NO-3-N的能力较小，NO-3-N随土壤水分运动主要是通过对流作用[16]。试验中土壤含水率最大值在土壤表层，因此表层土壤中所溶解的NO-3-N含量也最多，浓度也最大。由图2和图3可知，ABCD面和ABba面在湿润土体表层12 cm范围内NO-3-N含量的变化梯度较小，在湿润锋位置处的土壤NO-3-N含量的变化梯度较大。由图4和图5可知，DCcd界面的NO-3-N含量比abcd界面的NO-3-N含量稍大。这是因为DCcd界面先发生交汇，因而相同入渗时间内其累积入渗量较大，相同深度处的土壤含水率也较大，由于NO-3-N浓度锋的运移距离与土壤水分湿润锋运移距离一致，且土壤NO-3-N含量与土壤含水量呈“S”型关系[16]，对于相同深度，DCcd界面的由于土壤含水率较大，因此土壤NO-3-N含量比abcd界面的土壤NO-3-N的含量大。

图2 ABCD面土壤NO-3-N等值线(单位：mg/kg)Fig.2 Isoline of NO-3-N of ABCD surface

图3 ABba面土壤NO-3-N等值线(单位：mg/kg)Fig.3 Isoline of NO-3-N of ABba surface

图4 交汇面DCcd面土壤NO-3-N等值线(单位：mg/kg)Fig.4 Isoline of NO-3-N of DCcd surface

图5 交汇面abcd面土壤NO-3-N等值线(单位：mg/kg)Fig.5 Isoline of NO-3-N of abcd surface

2.2 湿润体土壤NO-3-N含量随时间的变化

由图6～图8可知：在供水入渗阶段，土壤NO-3-N浓度锋运移距离和土壤剖面NO-3-N含量的最大值在膜孔中心和交汇中心垂向均随着时间的延长而增大，土壤NO-3-N含量在同一深度处随时间的延长而增加。进入再分布阶段，由于扩散作用逐渐增加，NO-3-N运移速率减小；土壤NO-3-N浓度锋运移距离随时间的延长而继续增大，土壤NO-3-N含量在土壤上层有所降低，下层新湿润段NO-3-N含量不断增加，整个湿润土体内NO-3-N分布逐渐均匀； NO-3-N含量最大值在土壤剖面随着再分布时间的延长逐渐减小，且位置逐渐向下迁移。这是因为随再分布时间的延长，表层的土壤含水率逐渐减小，下层新湿润段的含水率逐渐增加，由于NO-3-N随土壤水分运动，因而NO-3-N含量在土壤表层逐渐减小，在土壤下层逐渐增加。

图6 膜孔中心垂向土壤NO-3-N分布Fig.6 Distribution of NO-3-N in vertical of film hole center

图7 交汇中心( DC) 垂向土壤NO-3-N分布Fig.7 Distribution of NO-3-N in vertical soil of interference center (DC)

图8 交汇中心(ab)垂向土壤NO-3-N分布Fig.8 Distribution of NO-3-N in vertical soil of interference center (ab)

2.3 湿润体各中心的土壤含水率与NO-3-N分布

由图9可知，膜孔肥液多向交汇在土壤表层10 cm范围内垂向的土壤含水率分布差异较小，且分布比较均匀；10 cm以下的土壤含水率分布差异较大，膜孔中心垂向和交汇中心垂向土壤含水率分布梯度的大小为： ab>DC>AB。由图10可知，土壤NO-3-N分布与土壤含水率的分布在垂直方向上类似，土壤表层8 cm范围内相差较小，且分布较均匀；8～10 cm范围内，由于ab中心后交汇，因而其土壤NO-3-N含量比AB和DC中心的稍小；10 cm以下的土壤NO-3-N变化梯度均较大，且各中心垂向的变化梯度不一样，其大小为：ab>DC>AB。说明NO-3-N含量随土壤含水率的增加而增加，在土壤表层10 cm范围内膜孔中心和交汇中心垂向的土壤含水率相差较小，因而土壤NO-3-N含量相差较小；10 cm以下膜孔中心和交汇中心的土壤湿润锋面不同，因而其NO-3-N含量变化梯度也有差异。

图9 湿润体各中心垂向土壤含水率Fig.9 Distribution of soil water content in vertical of wetting body center

图10 湿润体各中心垂向土壤NO-3-N分布Fig.10 Distribution of NO-3-N in vertical of wetting body center

3 结 语

(1)本研究结果表明：在供水入渗阶段，土壤NO-3-N浓度锋运移距离和土壤剖面NO-3-N含量的最大值在各中心垂直方向均随时间的延长而增大；交汇后，交汇中心的NO-3-N的运动规律与膜孔中心处的相同。供水停止时，由于肥液的浓度大于土壤的本底值，土壤表层的NO-3-N浓度最大；再分布阶段，土壤NO-3-N浓度锋运移距离随时间的延长继续增大，土壤NO-3-N含量在土壤上层有所降低，下层新湿润段含量不断增加，整个湿润土体内NO-3-N含量的分布逐渐均匀；土壤剖面NO-3-N浓度最大值随时间的延长而逐渐减小，且其位置逐渐向下迁移。

(2)本研究的硝态氮分布与文献[14]的土壤含水率分布类似，这与袁锋明等[17]人的研究成果一致，即土壤水分的入渗和再分布是引起硝态氮入渗和再分布的动因，由于土壤胶体对硝态氮难以吸附，水分所到之处亦应是硝态氮能至之地，两者的运动应该一致。试验条件下，膜孔中心和交汇中心垂向的土壤NO-3-N分布在土壤表层8 cm范围内相差很小，且分布比较均匀；10 cm以下的土壤NO-3-N变化梯度较大，大小顺序为：后发生交汇的中心ab>先发生交汇的中心DC>膜孔中心AB。这是由于各交汇中心下层土壤的含水率不同。已有研究发现，对于团聚化较好的土壤，水分优先流入大孔隙，而使硝态氮被遗留在小孔隙中，只有饱和流才能引起硝态氮的淋溶[18]。这也与陈效民等人的研究结论一致[19]，即硝态氮在非饱和状态下的运移速度比在饱和状态下慢，对地下水造成污染的可能性也小。由于膜孔灌的灌水定额较小，中下层的土壤水分多处于非饱和状态，因而土壤中的硝态氮对地下水造成污染的可能性较小，更能突显膜孔灌的优势。

(3)膜孔肥液多向交汇入渗远比自由入渗和单向交汇入渗复杂，且影响因素众多。本文在特定的土壤质地、密度、初始含水率、肥液浓度、膜孔间距和膜孔直径条件下，揭示了膜孔肥液多向交汇入渗土壤硝态氮分布和运移的一般规律，初始条件的改变是否会影响土壤水分和硝态氮的运移和分布特性，还需要更多的试验资料加以验证。且本试验没有种植作物，只对土壤中水氮分布进行研究，避免了作物吸收与残留的影响。在实际生产中，土壤的水分入渗和硝态氮的淋溶取决于多种因素，包括土壤性质、灌水量、氮肥施用的数量和种类等[20]。已有研究表明，农田土壤的理化性状及内部团粒结构的差异性都会影响灌水的均匀度，土壤内部氮素的均匀性取决于土壤氮素初始含量的均匀程度[21]。因此，更全面的结论尚需经过更严密和更充足的试验作进一步的探讨。

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