不同水頭和土壤容重下微潤灌濕潤體內水鹽分布特性

劉小剛 朱益飛 余小弟 李義林 唐建楷 喻黎明

(昆明理工大學現代農業工程學院，昆明650500)

不同水頭和土壤容重下微潤灌濕潤體內水鹽分布特性

劉小剛 朱益飛 余小弟 李義林 唐建楷 喻黎明

(昆明理工大學現代農業工程學院，昆明650500)

為探明微潤灌溉施肥的濕潤體內水鹽分布規律，開展不同壓力水頭和土壤容重下室內微潤灌溉入滲試驗。設置3個水頭(H1.0:1.0m、H1.5:1.5m和H2.0:2.0m)和3個土壤容重(D1.00:1.00 g/cm3、D1.15:1.15 g/cm3和D1.30:1.30 g/cm3)，以質量分數0.3%的硝酸鉀溶液為入滲溶液，研究微潤灌濕潤體內水鹽空間分布規律和變異特征。結果表明:微潤管入口水頭和土壤容重對濕潤體內含水率、與K+含量均值影響顯著。同一土壤容重下，H1.5和H2.0與H1.0相比，濕潤體剖面面積增大13.50%～21.61%，濕潤體內含水率、與K+含量均值分別增大3.69% ～10.71%、7.80% ～10.95%和7.29% ～17.49%，均勻系數分別增大7.65% ～18.63%、5.22%～13.63%和9.34%～21.89%;同一水頭下，D1.15和D1.30與D1.00相比，濕潤體剖面面積減小5.76%～ 9.21%，含水率、含量均值分別減小15.73% ～21.54%、8.08% ～10.97%，而K+含量均值增大34.89% ～ 64.79%，三者均勻系數分別減小9.02%～11.45%、4.04%～7.25%和7.09%～11.54%。K+在微潤管周圍分布較集中，K+聚集分布面積約占濕潤體剖面面積的40.80%～61.41%。微潤灌濕潤體內含水率、和K+含量均值與至微潤管的水平距離符合四參數Log-logistic模型。

微潤灌溉施肥;土壤容重;水頭;濕潤體;水鹽分布;四參數Log-logistic模型

引言

微潤灌溉是一種精準高效的節水灌溉技術，能夠向作物根部持續微量供水［1－4］，可在無外加動力下實現自動供水［5－6］，相對于其他灌水器而言沿程水頭損失極其微小，其流態指數比一般灌水器大［3］，同時減少地表蒸發與土壤深層滲漏，具有節水高效、降低能耗、抗堵塞性能強等特點［7－10］。有關微潤灌溉的應用基礎方面已有較多的研究成果，主要集中在壓力水頭、土壤容重、溶液礦化度對微潤灌土壤入滲特性的影響等方面［1－4，7－9］。微潤灌溉產生以微潤管為軸心的對稱圓形濕潤體，土壤含水率最大值出現在微潤管附近，并向管帶四周逐漸減小［7］;壓力是入滲量的重要因素，微潤管埋深顯著影響濕潤體形狀。壓力越大，濕潤鋒運移距離越大，土壤水分分布范圍越廣，土壤平均含水率越高［1－2］;土壤密度和質地也是影響濕潤體分布的重要因素，濕潤鋒運移距離與時間呈顯著冪函數關系，累積入滲量和灌水時間呈線性函數關系［8］;微潤灌溉的礦化度對濕潤體體積影響顯著，而對濕潤體形狀影響較小，濕潤鋒運移距離、土壤累積入滲量、濕潤體體積均隨入滲溶液礦化度提高而增大［9］。

漫灌、地表滴灌、覆蓋膜滴灌、膜下滴灌等灌水模式下土壤水鹽含量及分布對土壤微生物、作物生長、水分利用及產量影響顯著［11－20］。作為一種新型農業節水技術，微潤灌溉對土壤水鹽分布的影響還鮮見報道。有關微潤灌溉入滲特性研究大多集中在水平埋設條件下，而對于適宜于寬距作物的豎插式微潤管入滲特性還研究較少，尤其是水肥一體微潤灌濕潤體水鹽分布規律尚不清楚。本文研究水肥一體微潤灌溉下微潤管豎直布設時，毛管入口壓力和土壤容重對土壤水鹽分布的影響，并建立濕潤體水鹽分布模型，以期為水肥一體微潤灌溉推廣應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗土樣

按國際制土壤分類方法(International Society of Soil Science，ISSS)，供試紅壤土屬多礫質砂質壤土。土壤顆粒組成采用Mastersizer 2000型激光粒度分析儀(英國馬爾文公司)測定，土壤自然堆放下粒徑組成為直徑 d＞2 mm、0.02 mm＜d≤2 mm、0.002mm＜d≤0.02 mm和0＜d≤0.002 mm分別占21.75%、74.27%、3.96%和0.12%，初始含水率為 3.56%，與 K+含量本底值分別為19.74mg/kg和39.52mg/kg。土壤容重分別為1.00、1.15、1.30 g/cm3時的飽和含水率分別為66.80%、47.52%和40.69%。按照控制的容重分層填裝土樣，層間打毛。

1.2 試驗裝置

試驗裝置由土箱和供水系統組成。有機玻璃土箱的尺寸(長×寬×高)為40 cm×40 cm×45 cm，厚度為10mm。微潤管(深圳市微潤灌溉技術有限公司提供)、馬氏瓶和橡膠軟管組成供水系統。微潤管為四折痕雙層結構，內層為厚度0.06mm的高分子半透膜。孔隙直徑在10～900 nm之間，膜上孔密度約為105個/cm2。微潤管公稱直徑為16mm，折徑(寬度)為(25±1.5)mm，壁厚為(0.9±0.5)mm，正常工作壓力為0.02 MPa。馬氏瓶提供連續恒壓水頭，升降支架實現水頭調控。

1.3 試驗設計與方法

試驗設3個微潤管入口水頭(H1.0:1.0 m、H1.5:1.5 m和 H2.0:2.0 m)和 3個土壤容重(D1.00:1.00 g/cm3、D1.15:1.15 g/cm3和D1.30: 1.30 g/cm3)完全組合共9個處理，各處理重復3次，文中所有數據取均值。采用質量分數為0.3%的硝酸鉀溶液模擬灌溉施肥。試驗開始前，控制容重分層裝土，每層5 cm，層間打毛。微潤管長度為30 cm，有效滲水長度為25 cm，進水上端采用專用塑料接頭與橡膠軟管連接，下端采用生料帶纏繞橡膠塞封閉。有機玻璃土箱內高為 45 cm，裝土高度為40 cm。豎直插入微潤管時保持上端接頭與土面齊平，控制兩側與土箱兩壁水平距離各1 cm。選取濕潤體的1/4作為觀測對象，記錄濕潤鋒輪廓變化。在土層表面覆蓋塑料薄膜抑制土壤水分蒸發。入滲時間持續124 h，0～12 h每2 h、12～48 h每4 h、48～124 h每8 h記錄馬氏瓶刻度，并在玻璃土箱側面描繪濕潤鋒。入滲結束立即用小土鉆分層取樣，豎直方向從土壤表面起每隔5 cm取樣1次，水平方向每隔5 cm取樣。烘干法測定土壤含水率，紫外可見分光光度計和火焰光度計測定土壤與K+含量。

1.4 計算方法

(1)濕潤體剖面面積計算示意圖如圖1所示。

圖1 微潤灌濕潤體及剖面面積計算示意圖Fig．1 Schematic diagram ofwetted body and section area

濕潤體剖面面積計算公式為

式中 S——濕潤體剖面面積

f(x)——入滲124 h的濕潤鋒移動位置曲線的擬合函數(與實測曲線相關系數大于0.9)

x——濕潤體深度 n——正整數

ai——f(x)的擬合系數

DM——濕潤體最大深度

f(x)擬合函數由SPSS 19.0分析完成，根據擬合函數通過Matlab 7.0軟件編程計算得到濕潤體剖面面積。

(2)濕潤體內水鹽分布均勻度采用克里斯琴森均勻系數計算，計算公式為

式中 Cu——濕潤體內水鹽分布均勻系數

θi——第i個取樣點的潤體內水鹽含量

m——取樣點個數

1.5 作圖及統計方法

濕潤體內水鹽分布采用SigmaPlot 10.0繪制，顯著性分析采用SPSS 19.0統計完成。

2 結果與分析

2.1 濕潤體內土壤水鹽分布

2.1.1 土壤水分分布

由圖2可知，與H1.0相比，H1.5和H2.0時，D1.00、D1.15和D1.30的濕潤體剖面面積分別增大7.41%～15.02%、10.46%～21.35%和17.39%～26.09%，且越靠近微潤管含水率越高，距離微潤管最近處接近飽和含水率。D1.00時，H1.0、H1.5和H2.0的含水率超過35%的面積分別占濕潤體剖面面積的43.16%、56.09%和65.57%。其中D1.30的濕潤體剖面面積最小。土壤容重一定時，與H1.0相比，H1.5和 H2.0時的濕潤體剖面面積增大13.50% ～21.61%;水頭一定時，與 D1.00相比，D1.15和D1.30的濕潤體剖面面積減小5.76% ～9.21%。

圖2 不同容重和水頭下微潤灌濕潤體土壤水分分布(單位:%)Fig．2 Soilwater distributions ofmoistube-irrigated wetted body under different bulk densities and pressure heads

圖3 不同容重和水頭下微潤灌的濕潤體土壤-N 含量分布(單位:mg/kg)Fig．3 Soilcontent distributions ofmoistube-irrigated wetted body under different bulk densities and pressure heads

2.1.3 土壤K+分布

K+含量大于120 mg/kg的分布面積較小且聚集在微潤管附近，K+含量最大可達600 mg/kg以上(圖4)。與H1.0相比，H1.5和H2.0時，D1.00、D1.15和D1.30的K+含量大于120 mg/kg的分布面積分別增大 5.26% ～18.42%、5.83% ～26.09%、12.57% ～22.16%。與 D1.00相比，D1.15和D1.30時，H1.0、H1.5和H2.0的K+含量大于120 mg/kg的分布面積分別減小18.64% ～26.75%、18.34% ～21.62%和14.07% ～24.45%; K+含量大于120 mg/kg的分布面積分別占濕潤體剖面面積的35.12%、38.73%和43.15%。

綜上(圖2～4)可知，K+含量分布規律與含水率和含量的差異明顯，K+含量分布面積較小且隨距離的增大變幅較大。綜上可知，濕潤體剖面水鹽分布相對均勻，底部含量未明顯增大，因此未出現淋洗現象。

圖4 不同容重和水頭下微潤灌的濕潤體土壤K+含量分布(單位:mg/kg)Fig．4 Soil K+content distributions ofmoistube-irrigated wetted body under different bulk densities and pressure heads

2.2 濕潤體內水鹽分布變化特性

容重一定時，與H1.0相比，H1.5和H2.0時的K+含量均值與均勻系數分別增大7.29%～17.49%和9.34%～21.89%。水頭一定時，與D1.00相比，D1.15和D1.30時的K+含量均值增大34.89% ～64.79%，而均勻系數減小7.09%～11.54%。在同一水頭下，容重越大，K+含量越大。D1.00、D1.15和D1.30的K+含量均勻系數分別為65.60% ～74.81%、58.42% ～72.15%和54.19% ～70.23%。D1.00的K+含量均勻系數最大，而D1.30時最小，比D1.00減小6.12%～17.39%。

表1 微潤灌的濕潤體內水鹽分布特征Tab．1 Characteristics of soil water and salinity distribution in moistube-irrigated wetted body

2.3 微潤灌濕潤體內水鹽含量均值

2.3.1 四參數Log-logistic分析

Logistic模型是S型曲線的常用模型，大量試驗表明呈S型曲線的數據都符合該模型［21－26］。Loglogistic模型是Logistic的擴展，擬合效果優于前者，且參數更有實際意義［25］。用四參數Log-logistic模型進行曲線擬合，得到不同水頭和土壤容重濕潤體內含水率、和K+含量均值與至微潤管水平距離的關系。試驗數據回歸結果如表2所示，其模型為

表2 微潤管濕潤體內水鹽含量的四參數Log-logistic擬合Tab．2 Fitting formula of soilwater and salinity contents in moistube-irrigated wetted body using fourparameter Log-logistic model

式中 l——與微潤管水平距離 λ——擬合含量

D——含量的下漸近線，略低于水平距離趨近于濕潤體邊緣時的最小λ值［25］

A——含量的上漸近線，略高于水平距離趨近微潤管時的最大λ值

B——含量變化速率參數，相當于模型曲線的最大斜率

C——模型曲線拐點所對應的λ值

表2中各回歸方程式的R2均大于0.97，并通過P＜0.05的顯著性檢驗。因此，濕潤體內含水率、和K+含量均值與至微潤管水平距離的關系規律符合四參數Log-logistic模型。水頭與土壤容重一定時，根據擬合公式可計算出與微潤管不同水平距離相應的水鹽含量均值。

圖5 濕潤體剖面水鹽含量均值實測值與模擬曲線Fig．5 Measurement values and simulation curves of average contents of soilwater and salinity in wetted body profile

圖5為入滲124 h后濕潤體內不同距離水鹽含量的均值。由圖5可知，水頭越大，濕潤體內水鹽含量均值越大，高水頭的模擬曲線均位于低水頭上方。濕潤體內含水率與含量均值隨著與微潤管水平距離的增大而減小，隨著土壤容重的增加而減小;K+含量均值隨著土壤容重的增加而略有增大，隨著與微潤管水平距離的增大而減小，而減小到趨于土壤本底值后基本不變。隨著與微潤管水平距離的增大，濕潤體內含水率和含量均值模擬曲線的斜率由小變大，而K+含量均值的模擬曲線斜率由大變小，主要由于土壤對水鹽的吸附程度不同所致。

3 討論

水肥一體化技術是水和肥同步供應的一項農業技術，是將可溶性固體或液體肥料配制成的肥液，借助壓力系統與水一起灌溉，根據土壤養分含量和作物種類的需肥規律和特點，均勻、定時、定量浸潤作物根系發育生長區域，從而達到提高作物品質、增產增收的一項新技術。前人對水肥一體化滴灌條件下土壤水鹽分布做了較多研究，結果發現季節變化、土壤質地、咸水灌溉均會影響滴灌模式下的土壤水鹽分布［14－15，18］。有關土壤鹽分的研究大多采用電導率這一綜合指標，然而不同離子在土壤中遷移轉化規律有所不同，因此本文對水肥一體化微潤灌溉的土壤含水率、和K+含量進行探討，分析水鹽分布規律和變異特征，并建立微潤灌濕潤體內水鹽含量均值模型以期指導實際生產。

水頭是控制微潤灌溉流量的主要參數，通過影響入滲界面的勢梯度進而改變水分運動通量［1］。水鹽在土壤中的運移與土壤孔隙及含量密切相關，土壤容重越小，水鹽實際流動面積越大，入滲能力越強［27］，本試驗中土壤容重增加，溶液入滲總量也隨之減小。因此，隨著水頭的增加，濕潤體剖面面積及高于本底值的和K+含量分布面積顯著增大;而隨著土壤容重的增加，水鹽分布面積顯著減小。水頭和土壤容重對微潤灌溉濕潤體內含水率、和K+含量均值影響顯著。前人研究發現，不同水頭下含水率最大均值出現在微潤管附近;同一位置，壓力水頭越大，土壤平均含水率越高［1］，這與本文水分分布規律類似。本文同時發現，不同水頭下土壤水鹽含量最大值均出現在微潤管附近，并向管帶四周逐漸減小含量均值與微潤管水平距離的減小速率與水分類似，先小后大再小，而K+含量均值減小速率先大后小;同一水平位置，水頭越大，土壤水鹽含量均值越高。隨著水頭的增加，與K+含量均值與均勻系數均增大。主要由于增加水頭使得土壤吸濕和導水性能增大，同時增大水鹽入滲速率以及濕潤體增加速率，從而顯著提高土壤水鹽均勻度［28］。土壤容重增大，含水率均勻系數減小，濕潤體減小［6］。而本文發現土壤容重增大，含量均值減小，而K+含量均值增大，水鹽均勻系數均減小。可能由于土壤容重增加，密實度增大，孔隙率減小，水分通道變小，水鹽入滲總量減小。帶負電荷，作為一種非吸附性離子，在土壤中的遷移能力較強，顯著表現出“隨水運動”的規律。而土壤對K+的吸附性較強且隨容重增大而增強，K+在土壤中移動性較小，結合土壤容重增大，K+分布面積略有減小，因此K+含量均值隨土壤容重增加而增大，且在微潤管附近出現富集現象，D1.30時微潤管附近K+含量最高。土壤容重增大，水鹽均勻系數減小，可能由于土壤容重增大，孔隙度減小，水鹽運移、擴散與再分布降低所致。另外，相對于入滲界面的勢梯度，重力勢梯度對水鹽的影響微小，因此未出現淋洗現象。

土壤水鹽遷移常用經典數學模型計算獲得，但由于模型參數較多且較難確定，限制了模型的應用。Logistic模型在多個領域已有廣泛應用［21－26］。與傳統模型比較，四參數Log-logistic模型增加了一個參數(拐點)，該模型靈活性高，對于符合S型曲線的數據，擬合效果優良［25］。本文基于水鹽含量均值擬合的曲線公式，系統總結了不同水頭與容重下的水鹽分布模型，通過模擬曲線可直觀得到與豎插式微潤管不同距離的水鹽含量均值。因此，四參數Loglogistic模型為模擬微潤灌溉水鹽分布提供了思路。

水肥一體化微潤灌溉可根據土壤狀況及作物不同階段的生長特性，有效控制水分、養分供給的數量和比例，充分發揮水肥耦合效應，提高水肥利用率，達到以肥調水，以水促肥，協調水肥供應狀況，實現水肥高效利用。根據土壤容重和作物在不同生長期的水鹽(水肥)需求量，通過調控水頭來改變濕潤體的水鹽分布，同時調控微潤管與作物的水平距離使水鹽分布與作物需求相匹配，從而達到節水增效的目的。本研究結果尤其對寬距經濟林微潤水肥一體化灌溉的推廣應用具有一定的指導意義。

4 結論

(1)微潤管豎直布設下，水頭和土壤容重對微潤灌溉濕潤體內含水率、和K+含量均值影響顯著。

(4)四參數Log-logistic模型能很好地擬合豎插式微潤灌溉濕潤體內含水率、和K+含量均值的分布規律。

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25 馮國雙，譚德講，劉韞寧，等．四參數log-logistic模型在生物活性測定中的應用［J］．藥物分析雜志，2013，33(11):1849－1851．FENG Guoshuang，TAN Dejiang，LIU Yunning，et al．Application of 4-parameter log-logistic model in bioassay［J］．Chinese Journal of Pharmaceutical Analysis，2013，33(11):1849－1851．(in Chinese)

26 薛曉萍，王建國，郭文琪，等．氮素水平對初花后棉株生長量、氮素累積特征及氮素利用率動態變化的影響［J］．生態學報，2006，26(11):3631－3640．XUE Xiaoping，WANG Jianguo，GUO Wenqi，et al．Effects of nitrogen applied levels on the dynamics of biomass，nitrogen accumulation and nitrogen fertilization recovery rate of cotton after initial flowering［J］．Acta Ecologica Sinica，2006，26(11): 3631－3640．(in Chinese)

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Water-Salinity Distribution Characteristics in Wetted Soil of Moistube Irrigation under Different Pressure Heads and Soil Bulk Densities

LIU Xiaogang ZHU Yifei YU Xiaodi LIYilin TANG Jiankai YU Liming
(Faculty of Modern Agricultural Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，China)

In order to investigate water-salinity distribution characteristics in wetted soil of moistube fertigation，the infiltration experiment ofmoistube irrigation was carried outunder different pressure heads and soil bulk densities，the 0．3%potassium nitrate solution was used in infiltration experiment，and three pressure heads(H1.0:1.0 m，H1.5:1.5 m and H2.0:2.0 m)and three soil bulk densities (D1.00:1.00 g/cm3，D1.15:1.15 g/cm3and D1.30:1.30 g/cm3)were designed to study the watersalinity distribution and spatial variation traits in wetted soil ofmoistube irrigation．The results showed that pressure heads and soil bulk densities had significant effect on average contents ofmoisture，and K+in wetted soil．Under the same soil bulk density，compared with H1.0，the sectional area of wetted soil of H1.5 and H2.0 was increased by 13.50% ～21.61%，average contents of moisture，and K+were increased by 3.69% ～10.71%，7.80% ～10.95%and 7.29% ～17.49%， respectively，and uniformity coefficients were increased by 7.65% ～18.63%，5.22% ～13.63%and 9.34% ～21.89%，respectively．Under the same pressure head，compared with D1.00，the sectional area ofwetted soil of D1.15 and D1.30 was decreased by 5.76% ～9.21%，average contents ofmoisture andwere decreased by 15.73% ～21.54%and 8.08% ～10.97%，but average content of K+was increased by 34.89% ～64.79%，and uniformity coefficients ofmoisture，and K+contents in wetted soil were decreased by 9.02% ～11.45%，4.04% ～7.25% and 7.09% ～11.54%，respectively．K+distributed intensively around moistube and accounted for 40.80% ～61.41% ofdistribution area of wetted soil．Average contents of the moisture，and K+in wetted soil of moistube irrigation and the horizontal distance from moistube conformed to the four-parameter Log-logistic model．The research results can provide theoretical basis and practical reference formoistube fertigation．

moistube fertigation;soil bulk density;pressure head;wetted soil;water-salinity distribution;four-parameter Log-logistic model

S275.3

A

1000-1298(2017)07-0189-09

2016-11-01

2017-01-16

國家自然科學基金項目(51469010、51109102)、云南省應用基礎研究項目(2014FB130)、云南省教育廳重點項目(2011Z035)和大學生創新創業訓練計劃項目(201610674068)

劉小剛(1977—)，男，教授，博士，主要從事水土資源高效利用研究，E-mail:liuxiaogangjy@126．com

喻黎明(1976—)，男，副教授，博士，主要從事節水灌溉理論與設備研究，E-mail:liming16900@sina．com

10．6041/j．issn．1000-1298．2017．07．024