施氮量對鹽堿土入滲特征參數影響的試驗研究

2018-12-26 08:42:38秦顯艷王春霞何新林

節水灌溉 2018年12期

秦顯艷，王春霞，何新林

(石河子大學水利建筑工程學院，新疆石河子 832000 )

鹽堿地在世界范圍內廣泛存在，是一個世界的問題[1]。根據聯合國糧農組織2000年統計，我國有各類鹽堿土約7 500 萬hm2，占世界的8.96%，排名第2[2]，其中有利用潛力的鹽堿荒地面積近1 300 萬hm2，潛力巨大[3]。新疆是中國最大的土壤鹽堿地區，鹽堿地面積1 100 萬hm2，約占全國鹽堿土面積的1/3和新疆土地面積的66%[4]。鹽堿地造成大量土地低產甚至無產、農民收入降低、可用土地資源減少，更甚還會成為限制新疆農業發展和土地資源可持續利用的關鍵。鹽堿地的改良問題由來已久，目前最普遍的方法是以排為主，即結合灌溉沖洗，依靠水分入滲運動移走一部分可溶性鹽[5]，或者種植耐鹽作物[6]。中國鹽堿土地面積大，水資源缺乏，推行此辦法來改良鹽堿地顯然非常不合理。針對干旱和土壤鹽堿狀況，新疆地區自20世紀80年代起就開展了膜下滴灌技術的研究和推廣[7]，并推廣了膜下滴灌水肥一體化技術，通過精準滴灌施肥將定量的溶解態肥料直接輸送到作物根部，提高了肥料利用效率，農作物產量基本持平甚至略高[8]。但是農民為了在有限的土地上創造出更多的經濟效益，只能通過加大施肥量來獲得。相關研究表明氮肥施用過量可導致土壤硝態氮積累[9]，西歐從環境保護角度提出，保證地下水不受硝酸鹽污染的土壤無機肥最高殘留水平，允許淺根性蔬菜收獲后土壤最低肥不得超過90 kg/hm2[10]，這也表明不合理施肥會使氮肥利用率下降，并有可能增加土壤的污染及鹽漬化的風險[11]。

無論是采用大水壓鹽還是利用膜下滴灌開發治理新疆鹽堿地，都需要掌握鹽堿地土壤的入滲參數[5]。王全九等研究了一維土柱在淡水與微咸水連續入滲條件下的入滲參數對比實驗，結果表明采用微咸水入滲可以改變土壤的結構參數,從而增大土壤的入滲能力[12]。羅朋等研究了入滲水頭對土壤入滲參數的影響，結果表明濕潤鋒與入滲歷時擬合良好，累積入滲量與時間符合Kostiakov公式[13]。吳爭光等研究了土質對入滲參數的影響，結果表明隨土樣黏性顆粒含量的增加,入滲率逐漸減小[14]。由以上可見，以往的試驗研究多是針對滴灌水質(淡水、微咸水、咸水等)、入滲水頭以及土質進行的，研究其入滲參數，而關于施氮量對鹽堿土入滲特征影響的研究相對較少。為了研究施氮量對鹽堿土入滲特征的影響，本文對施加氮肥條件下的室內一維鹽堿土土柱的入滲進行觀測，為鹽堿土上氮肥的科學施用提供參考。

1 試驗設計與方法

1.1 試驗裝置及試驗土樣

試驗裝置如圖1所示，主要包括馬氏瓶供水裝置和試驗土柱，該試驗裝置均為透明的有機玻璃制作而成。采用馬氏瓶定水頭供水，截面面積45 cm2，高度1.2 m，外標刻度用于讀取入滲水量。試驗土柱半徑7.5 cm，兩側每隔2.5 cm有一小孔，用于取土分析，土柱外標刻度用于記錄濕潤鋒讀數。土柱上方放有燈泡，用于布置后期研究關照對入滲的試驗。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Sketch map of experiments

本試驗供試土壤經測為黏性砂土，土壤容重1.4 g/cm3，土壤質量飽和含水量45%，田間持水量32%，土樣風干后經2 mm篩備用。本次試驗入滲方式為連續入滲，按土壤容重1.4 g/cm3，每10 cm分層裝入，并用夯土器夯實，然后進行下一層的裝土，直至裝到試驗設計高度。

1.2 試驗方法

馬氏瓶中裝氮肥溶液，為保證均勻入滲，表層土壤保持積水深度3.5 cm。試驗開始后觀測濕潤鋒及馬氏瓶讀數并記錄，入滲12 h后停止供水，倒出土柱表面積水并用量筒稱量，吸干表標積水，用土鉆取土進行分析，分別測定了其含水量，含鹽量以及氮素含量。研究因子包括氮肥濃度、鹽堿土鹽分含量。其中鹽堿土鹽分含量根據鹽堿土分類標準設置為0.3%、0.9%、1.2%三個水平，氮肥濃度根據新疆棉田施氮量設置為0、300、600、900 mg/L，將其進行正交組合，共計11個不同的試驗組合(由于含鹽量1.2%上施肥300 mg/L和600 mg/L時，效果相差不大，因此無鹽1.2%肥900 mg/L的試驗組合)，每個組合設置2個重復。

2 結果與討論

2.1 施氮量對累積入滲量的影響

圖2分別顯示了不同鹽-氮組合條件下累積入滲量隨時間的變化曲線。由圖2可見，累積入滲量隨時間的延長而增加。各個鹽-氮組合的累積入滲量曲線總體上呈現上升趨勢，前期上升較快，后期上升較慢。這是因為在試驗初期，土柱入滲主要依靠基質勢和重力，入滲較快。隨著入滲時間的延長，入滲界面以上的土壤不斷密實，土體結構發生變化，導致入滲較慢；當土壤鹽分含量≤0.9%時，施氮對含鹽量為0.9%土壤的累積

圖2 累積入滲量曲線Fig.2 Curve of soil cumulative infiltration

入滲量變化影響最大；當土壤鹽分達到1.2%時，增加施氮量對累積入滲量影響很小，這說明施氮量對含鹽量較高鹽堿土的入滲影響較??；當土壤鹽分含量相同時，相同時間內累積入滲量大小順序為：0 mg/L>600 mg/L>300 mg/L>900 mg/L。這表明在土壤鹽分含量相同的情況下，施氮量為0 mg/L即不施氮只灌水時，鹽堿土入滲最好，同時也說明了施氮有降低鹽堿土入滲性能的效果，但是在施氮的條件下，施氮量為600 mg/L時鹽堿土入滲最好，施氮量300 mg/L和施氮900 mg/L次之，并且施氮量900 mg/L對鹽堿土入滲性能的降低效果最顯著。這表明施氮量對鹽堿土入滲有影響；當施氮量相同時，相同時間內累積入滲量大小順序為：0.3%>0.9%>1.2%。在施氮量為0 mg/L入滲結束時，含鹽量為1.2%的累積入滲量為9.3 cm，含鹽量為0.3%的累積入滲量為20.6 cm，為含鹽量1.2%的2倍多。這表明在施氮量相同的情況下，含鹽量較低的累積入滲量大，土壤入滲性能較好。而含鹽量較高的累積入滲量小，土壤入滲性能較差。這是由于含鹽較高的鹽堿土孔隙度較小，透氣透水性較差，所以累積入滲量較小。

2.2 施氮量對濕潤鋒的影響

圖3分別顯示了不同鹽-氮組合條件下濕潤鋒深度隨時間的變化曲線。由圖可見，濕潤鋒深度同樣隨時間的延長而增加，各個鹽-氮組合的濕潤鋒深度曲線總體上呈現上升趨勢，前期上升較快，后期上升較慢。這與圖2中累積入滲量曲線趨勢產生的原因一致；當土壤鹽分含量≤0.9%時，施氮對含鹽量為0.9%土壤的累積入滲量變化影響最大；當土壤鹽分達到1.2%時，增加施氮量對濕潤鋒影響很小。當土壤鹽分含量相同時，相同時間內濕潤鋒深度大小順序為：0 mg/L>600 mg/L>300 mg/L>900 mg/L，同樣地表明了施氮有降低鹽堿土入滲性能的效果，并且在施氮的條件下，施氮量為600 mg/L時鹽堿土入滲最好，施氮量300 mg/L和施氮量900 mg/L次之。當施氮量相同時，相同時間內濕潤鋒深度大小順序為：0.3%>0.9%>1.2%。在施氮量為0 mg/L入滲結束時，含鹽量為1.2%的濕潤鋒深度為16.6 cm，含鹽量為0.3%的濕潤鋒深度為32.5 cm，大概為含鹽量1.2%的2倍，這表明在施氮量相同的情況下，土壤鹽分含量高濕潤鋒深度小。這一結果與圖2中累積入滲量的結果一致，其產生的原因也相同。

圖3 濕潤鋒曲線Fig.3 Curve of wetting front distance

2.3 施氮量對入滲率影響

圖4分別顯示了不同鹽-氮組合條件下入滲率隨時間的變化曲線。由圖可見，入滲率在入滲初期出現峰值，入滲時間在100 min以內時，各組合的入滲率在這一階段與時間呈現出明顯的負相關關系，該階段的入滲率曲線為斜率很大的非線性曲線。當入滲時間大于100 min時，隨著時間的推移，迅速衰減為斜率較小的曲線，衰減幅度減小并趨于穩定；這是由于隨著時間的延長，土柱中土體結構發生變化，土壤入滲較慢，因此導致土壤入滲率逐漸降低。當土壤鹽分含量相同時，由圖可見，不同施氮量下的入滲率曲線相差較小，并且接近重合，這是由于土壤入滲率較小，故差異不明顯；當施氮量相同時，土壤含鹽量≤0.9%時，入滲率最終穩定在0.02 cm/min左右,而土壤含鹽量為1.2%時，入滲率最終穩定在0.01 cm/min左右。這也同樣說明了圖2所表明的結果，即含鹽量較高的累積入滲量小，土壤滲水性能較差。