施氮時序對鹽堿土入滲特征參數影響的試驗研究

吳晨濤，王春霞，周 亮，胡松可，付 博

（石河子大學水利建筑工程學院現代節水灌溉兵團重點實驗室，新疆石河子832003）

我國是一個干旱缺水的發展中國家，人均可利用的水資源量僅為目前世界平均水平的1/4，是目前全球人均水資源最貧乏的發展中國家之一[1]。然而，中國由于人口基數龐大，又是目前世界上用水量最多的發展中國家，淡水資源的大量匱乏問題使得合理地開發利用我國的水資源成為一個重要的熱點問題。同時我國也是一個現代農業生產大國，一方面，由于不利的自然條件等因素，導致了我國西北干旱地區次生鹽堿土大面積分布；另一方面，在我國現代農業的生產中，由于農業灌區缺乏科學的灌溉管理與技術的指導，因此灌溉不當，導致許多農業灌區的土壤嚴重地發生次生鹽堿化[2]。我國農業上化肥使用量也是全球化肥使用量最多的國家之一。農田中過多使用化肥，會造成氮肥的利用效率不高以及過量施肥問題，導致土壤性狀惡化、產品質量下降、環境污染、成本增加等一系列問題。因此，土壤次生鹽堿化的災害防治和氮肥量降低及效率提高問題已成為了農業生產和可持續發展的重要技術命題。西北地區更是資源性土壤缺水的現象嚴重，國內外的學者針對不同條件下土壤的類型、滴頭流量、滴頭間距、間歇性供水等對土壤點源入滲的規律、土壤濕潤體變化規律的影響等做了大量的研究，并且研究取得了國際性的豐碩成果[3?7]。

低產鹽漬土是一種具有世界性的低產鹽漬化土壤，由于近年來我國土壤水資源的短缺和土地資源的日益減少和氣候的變化，實行了節水灌溉，提高了土壤生產能力，改良和合理利用低產鹽漬化的土壤已經逐漸成為進一步提高我國農業機械化生產、合理地利用土壤水資源和保護土地資源的一個重要的問題。近年來，不管國外學者是在采取節水灌溉的措施下進行研究還是采取漫灌條件下進行研究，都非常需要研究人員掌握關鍵的入滲特性參數。土壤入滲特性是影響地面灌溉過程的重要因素，是地面灌溉系統設計的重要依據[8]。吳軍虎等[9]學者研究了有機質含量及土壤容重對西北地區土壤水分入滲特性影響，結果表明當土壤容重增加時，土壤的累積入滲量、入滲率、濕潤深度會有不同程度的減小，但其濕潤深度減小的幅度較小，穩定入滲率呈平緩線性降低。秦顯艷等[10]通過對鹽堿土施氮量的控制入滲試驗，研究了施氮量對鹽堿土入滲時序參數的直接影響，結果表明鹽堿土施氮量過高會降低部分鹽堿土的入滲特性。費良軍等[11]學者通過對滴灌控制入滲水溫試驗，研究了滴灌對土壤水分入滲特性的直接影響，結果表明相同入滲歷時，入滲的水溫越高，滴頭的土壤水流量越大，入滲的土壤水量越多。由此可見，近年來的入滲試驗主要是針對于鹽堿土有機質的含量及土壤容重，施氮量，水溫等方面的影響展開了較深入的研究，而關于鹽堿田上如何高效施氮并滿足自動化灌溉需求的問題研究甚少。為此開展鹽堿土施氮時序對于土壤入滲參數的影響試驗，為鹽堿土水肥一體化條件下尋求合理的施氮時序、實現鹽堿土農業的可持續發展提供參考基礎。

1 試驗材料與設計

1.1 試驗概況

試驗于2018年6?12月在石河子大學水利建筑工程學院水利與土木工程實驗中心進行（44°18'25''N，86°03'27''E，海拔451 m），年平均氣溫6.1℃，年降雨量208 mm，蒸發量為1 967 mm，無霜期160 ～170 d，大于10℃積溫3 693℃，年輻射總量5 392 MJ/m2，年日照2 680 h，為典型的半干旱生態類型。供試土壤于2018年4月取自石河子周邊團場農田田間表層0～50 cm 熟土，待土壤自然風干后，碾碎過2 mm 細篩備用。供試土壤基本物理性質由新疆農科院土壤肥料與農業節水研究所測定，基本物理性質見表1。

表1 供試土壤的基本物理性質

1.2 試驗設計

試驗裝置主要由馬氏瓶，土槽和輸水管組成。采用馬氏瓶恒定水頭供水，截面面積30 cm2，高度1.2 m，外標刻度用于讀取入滲水量；采用尺寸為60 cm×30 cm×50 cm（長×寬×高）的有機玻璃土箱；采用醫用輸液器模擬滴頭，2個滴頭放在土箱的短邊頂點處設置滴頭流量為滴頭流量為0.9±0.15 L/h。

將土樣按土壤容重分層（10 cm）裝入土箱，層與層之間刷毛使其連接自然形成一完整連接體，裝土填至高度為50 cm處。試驗以0.3%鹽堿土為研究對象，以600 mg/L 尿素為供試肥源，控制相同的入滲時間為6 h；設置以下9種不同的施肥時序方式，每種情況設置3個重復，設計不同施氮時序見表2。

1.3 測試的指標與方法

時間：共計6 h，以min 單位量計，用秒表計時，按時間先密后疏的原則，依次按0、2、4、6、9、12、15、18、21、24、27、30、35…120、150、180、210、240、300、360 min。

表2 試驗設計組合

累積入滲量和累積入滲率：根據設定的時間來讀取并記錄馬氏瓶上的讀數，計算出累積入滲量；依據累積入滲量和入滲時間計算出累積入滲率。

濕潤鋒運移距離：以滴頭為中心，使用鋼卷尺測量濕潤鋒運移距離并記錄水平入滲距離和垂直入滲距離。

由于試驗持續時間較短，可忽略蒸發對土壤入滲過程的影響。

1.4 數據處理

采用Excel 2007 軟件進行數據處理和統計分析；使用Origin 2018軟件進行繪圖處理。

2 結果與討論

2.1 施氮時序對濕潤鋒的影響

濕潤鋒是土壤在水分入滲過程中，濕潤區域前鋒與干燥區域的分界線。在農田灌溉過程中，灌溉水分入滲過深會導致水分深層滲漏，而水分入滲過淺時又不能滿足作物根系吸水需求，從而導致作物水分脅迫而減產。因而，研究施氮時序對濕潤鋒運移的影響，對于農業上合理施肥時序的確定和合理生產具有重要的指導意義。

2.1.1 施氮時序對濕潤鋒水平運移距離的影響

濕潤鋒水平運移距離可以反應作物種植密度。圖1為單點源入滲條件下施氮時序對濕潤鋒水平運移的影響。施氮時序的改變，直接影響到了濕潤鋒水平運移距離的變化。可以看出，在入滲初期，土壤表面干燥，不同施氮時序下濕潤鋒水平運移距離隨著灌水時間的增加而不斷增加。當灌水為10 min時，各施氮時序下的水平距離均超過10 cm，此時各處理下的濕潤鋒都經過0～10 cm 的土層，N?W，W?W?N 處理下的水平運移距離最小，距離都為12 cm，W 處理比N?W，W?W?N 高20.83%。當改變肥液的入滲時序時，各施氮時序下的相同時間內水平運移距離發生改變，大體趨勢為在灌水時間60 min 后，水平運移距離增加緩慢；當灌水時間為120 min時，各處理水平距離均超過20 cm，經過10～20 cm 距離；當灌水時間為240 mim時，各處理下水平運移均超過30 cm，經過20～30 cm 距離。整體來看，施氮時序影響了水平運移的距離。試驗結束時，各處理下（W、W?N、N?W、W?N?W、

W?W?N、N?W?W、N?W?N?W、N?W?W?N、W?N?N?W）濕潤鋒水平運移距離為37、47、43、47、41、48、45、50、36 cm，分別比W 高21.28 %、13.95 %、21.28 %、9.76 %、22.92%、17.7 8%、26.00%、?2.78%。說明施氮時序對水平濕潤鋒運移有著顯著影響，施氮條件下可以提高入滲過程中的水平距離。

圖1 施氮時序對濕潤鋒水平運移距離的影響

2.1.2 施氮時序對濕潤鋒垂直運移距離的影響

濕潤鋒垂直運移距離可以反映土壤的下滲能力。圖2為點源入滲條件下施氮時序對濕潤鋒垂直運移距離的影響。由圖可知，施氮時序的改變，影響到了濕潤鋒垂直運移距離的變化。不同施氮時序下濕潤鋒垂直運移距離隨著灌水時間的增加而先快速增加后增加緩慢。當灌水為80 min時，各施氮時序下的垂直距離均超過10 cm，此時各處理下的濕潤鋒都經過0～10 cm 的土層，N?W 處理下的垂直運移距離最低，距離為10 cm，W 處理比N?W 高50%，且經過0～10 cm 距離的時間比水平方向運移相同距離延長了50 min。當改變肥液入滲時序時，各施氮時序下的相同時間內垂直運移距離會發生改變，整體趨勢為在灌水時間60 min 后，垂直運移距離增加緩慢；當灌水時間為210 min時，各處理垂直運移距離均超過20 cm，經過10～20 cm 土層，且經過10～20 cm 的歷時比水平方向運移相同距離增加了90 min，即相同入滲歷時下水平運移距離高于垂直入滲距離，這種情況一般在粘性土壤中出現的居多。運移相同距離時間的增大是由于在垂直方向下滲過程中，濕潤體逐漸變大，上方濕潤體須達到飽和狀態才能下滲，也與入滲時土壤的結構相關。總體來看，施氮時序影響了垂直水平運移的距離。試驗結束時，上述各處理下（W、W?N、N?W、W?N?W、W?W?N、N?W?W、N?W?N?W、N?W?W?N、W?N?N?W）濕潤鋒瞬時垂直運移距的為37.5、32、32、27、24、29、27、29、26 cm，分 別 比W 處 理 下 低14.67 %、14.67 %、28.00 %、36.00 %、22.67 %、28.00 %、22.67 %、30.67%。說明施氮時序對垂直濕潤鋒運移有著顯著影響。

圖2 施氮時序對濕潤鋒垂直運移距離的影響

2.1.3 施氮時序對濕潤比的影響

濕潤比指濕潤鋒水平運移距離與垂直運移距離的比值。濕潤比與滴灌的灌水技術參數（滴水流量和灌水時間）有關，可以作為一個確定滴灌灌水參數的指標[12，13]。一般作物株距和作物的根系深度之比都小于1.0，因此，對于實際滴灌的適宜濕潤比以小于1.0為宜。但濕潤情況主要受土壤結構影響，一般粘土的濕潤比高于1.0，砂土低于1.0。表3為土壤中不同施氮時序下的濕潤比隨灌水時間的變化過程。

表3 施氮時序對濕潤比的影響

如表3所示，濕潤比隨著灌水時間的增加而逐漸減小，因為濕潤體內土壤含水率增大，水勢梯度減小，此時重力勢的作用相對增大，導致垂直入滲率高于水平擴散率，因此濕潤鋒的濕潤比逐漸減小。通過方差分析，N?W?W 和N?W?W?N的方差較小，表明在入滲過程中N?W?W 和N?W?W?N 濕潤比相較于其他時序穩定。灌水結束時，各施氮處理下的濕潤比顯著高于W 處理。若是在農田滴灌灌水過程中，改變了施氮時序，為達到滴灌灌水均勻，施肥過程需適當增加灌水量或減少滴頭之間的距離，以獲得合適的濕潤比。

2.2 施氮時序對累積入滲量的影響

累積入滲量是入滲開始后一定時間內，通過地表單位面積入滲到土壤中的總水量[14，15]。針對的是一維入滲過程中單位面積土壤入滲的水量，而滴灌入滲屬于空間三維點源入滲，在入滲過程中土表面沒有形成積水，僅在入滲后期滴頭附近處由于水滴打擊形成的小坑內有少量積水，可忽略不計[11]，因此認為在試驗中水分全部滲入土中，用入滲水量的變化代替累積入滲量來反映土壤的入滲能力。由圖3可知，隨著入滲時間的增加，累積入滲量隨之增加。W時序的累積入滲量與時間近似于線性關系；W?N 和N?W時序下的累積入滲量均在180 min時出現了轉折點；W?N?W時序下的累積入滲量在120 min 和240 min時發生變化；W?W?N時序下的變化發生在240 min時刻，前期只是純水入滲未發生波動；N?W?W時序下在120 min時刻變化，120 ～240 min時間范圍內累積入滲量增加緩慢，而在240 min 后，累積入滲量增加急劇，是由于水分過多稀釋了氮濃度而造成的；N?W?N?W，N?W?W?N 和W?N?N?W時序累積入滲量均在90、180 和270 min時刻發生變化，即施氮時序的改變影響著累積入滲量的變化。原因在于：在土箱試驗中兩個單點源在入滲一段時間后濕潤面會形成交匯，交匯區不斷擴大增加上層土壤的飽和度，在相同入滲時間內改變了入滲速度；施氮時序則在一定程度上調控了這個入滲速度，表現出累積入滲量的差異性。在整個灌水過程中，N?W?W?N時序與其他處理相比，各時刻的累積入滲量都高于其他時序，說明在N?W?W?N時序下水分運移快。灌水結束時，僅有N?W?W?N時序下的累積入滲量高于W時序，超出8.77%；上述其余時序下的累積入滲量分別比W時序下低出7.31%、9.78%、13.01%、13.06%、19.27%、13.21%、24.1%。

圖3 施氮時序對累積入滲量的影響

2.3 施氮時序對入滲率的影響

入滲率是單位時間內通過地表單位面積滲入到土壤中的水量，以單位時間入滲的水層厚度計，反映了土壤的入滲性能，受供水強度、土壤的滲吸能力的影響[14,16]。如圖4所示，在入滲剛開始階段，水分受到土壤吸力和自身重力作用的影響而下滲，滲入土體中的水量大，導致入滲率剛開始隨著時間的增大而不斷增大，不同時序在不同時間下的入滲率不同。W時序下的入滲率在開始時增長，2 min后下降，4 min后入滲率變化幅動變小，幅動變化近似看成一條直線；而其他時序下的入滲率隨著入滲時序的改變而變化，加入氮液的緣故出現較大的波動。從圖5得出，上述各時序下出現最大入滲率，時間分別為2 min、4 min、4 min、18 min、4 min、70 min、2 min、45 min、2 min，在W、N?W?N?W、 W?N?N?W時序下出現最早，N?W?W時序出現最晚，為68 min。在結束時，入滲率在N?W?W?N時序下最大，為17.98 mL/min；W?N?N?W最小，為12.54 mL/min；上述各時序下入滲率比N?W?W?N時序低8%、15%、17%、20%、20%、26%、20%、30%。

圖4 施氮時序對入滲率的影響

3 結 論

（1）當施氮時序發生改變時，影響到了濕潤鋒水平運移距離和垂直運移距離。在水平方向上N?W?W?N時序運移距離最遠，比W時序多35.14%；垂直方向上W時序距離最遠，其他時序都較小于W時序，即壤質粘土土壤結構下施氮時序的改變會促進水平方向濕潤峰的運移，抑制垂直方向濕潤峰運移。

（2）灌水結束時，各施氮處理下的濕潤比高于W 條件下的。N?W?W?N 處理的方差較小，比W?N?W 處理小0.06，表明在入滲過程中先施氮的濕潤比比大田中應用的W?N?W 穩定，變異程度小。

（3）隨著灌水時間的增加，累積入滲量也會隨之增加。W時序下累積入滲量近似一條斜線。整個灌水過程中，N?W?W?N時序下各時刻累積入滲量始終高于W時序，高出8.77%；比W?N?W時序高20%，表明N?W?W?N 比W?N?W 入滲量大，入滲性能強。

（4）入滲率在入滲過程中先上升后下降，由于施氮時序不同不斷波動。試驗結束時，N?W?W?N時序下入滲率最快，比W?N?W時序高20%，得出N?W?W?N 比W?N?W 入滲性能較好，應考慮與大田試驗相比較。