肥液濃度對雙點源涌泉根灌土壤入滲特征及水分運移的影響

張俊，緱麗娜，何振嘉，肖欣怡，梁飛，任虎興，傅渝亮

（1.陜西省土地工程建設集團有限責任公司，西安 710075；2.華北水利水電大學水利學院，鄭州 450045）

0 引 言

干旱缺水是限制我國節水農業發展的重要影響因素之一，我國農業灌溉保證率較低，尤其是地面灌溉等方式造成的水資源浪費較大，不利于我國節水灌溉的進一步發展，地下灌溉方式因能夠有效減少水分損耗而受到國內外學者的普遍關注[1-3]。涌泉根灌是吳普特等[4]在陜北山地棗樹種植中推廣應用的一種微灌技術，是在滴灌基礎上優化發展而來的地下局部灌溉。該灌水技術可將水肥直接輸送至果樹根區，可極大避免傳統地面滴灌中地表水肥損失，有效提高水肥利用效率[5,6]。此外，涌泉根灌灌水器套管的保護避免了滴頭與土壤直接接觸，降低了滴頭堵塞率，且其制作材料價格低廉，與傳統滴灌相比具有較高的性價比優勢，對于果樹節水灌溉具有較大的應用推廣價值[7]。

國內學者對涌泉根灌單點源入滲條件下土壤水分運移特性已有較多研究。費良軍等[8,9]研究了不同流量和土壤容重條件下涌泉根灌土壤水分入滲特性和運移規律。樊曉康等[10]研究了不同灌水量和灌水器埋深條件下涌泉根灌土壤水分入滲規律。牛文全等[11]和劉顯等[12]研究了土壤初始含水率對涌泉根灌濕潤體特性的影響,豐富了涌泉根灌技術要素。水和肥是保障作物生長必備的2項重要影響因子，隨著水肥一體化技術的廣泛研究與應用，肥液入滲也是研究涌泉根灌灌水器相關技術參數的重點方向。費良軍等[13]、何振嘉等[14-16]、劉顯等[17,18]以涌泉根灌土壤水分入滲和運移相關研究為基礎，對涌泉根灌水肥運移和氮素分布情況進行了大量試驗，取得了一定成果，但多數研究主要基于單點源入滲。在生產實踐中，雙點源（或多點源）布置形式更為常見，且雙點源（或多點源）交匯入滲較單點源入滲過程也更為復雜。目前，水肥共施條件對涌泉根灌雙點源交匯入滲水氮運移特性影響的研究較少[19-21]。劉顯等[22]對涌泉根灌雙點源交匯入滲水氮運移特性進行了初步探討，但其研究重點主要集中于不同灌水器間距條件對水氮運移和分布的影響。本文在肥液入滲基礎上，研究不同肥液濃度對涌泉根灌交匯入滲濕潤體相關技術參數及水分運移的影響，探究了雙點源入滲與單點源的差異，為涌泉根灌技術的科學應用和灌水器相關技術參數的優化提供必要參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在陜西榆林市米脂縣西北農林科技大學遠志山試驗基地(37°40′-38°06′N，100°15′-110°16′E)開展，屬典型的黃土高原丘陵溝壑區域，氣候為半干旱地區，年均降水量為451.6 mm。供試土壤為黃綿土，試驗土壤顆粒組成使用英國馬爾文儀器公司生產的Mastersizer-3000激光粒度分析儀測定，土壤中黏粒（＜0.002 mm）、粉粒（0.002～0.05 mm）、砂粒（0.05～2 mm）所占百分比分別為17.55%、42.59%、39.86%，根據卡慶斯基制分析土壤質地為壤土；土壤平均干容重為1.31 g/cm3，初始含水率為10.4%，田間持水率為23.4%，飽和含水率為39.8%；土壤較為貧瘠，有效N、P和K質量分數分別為34.74、2.91和101.9 mg/kg，有機質含量占比為0.21%，土壤平均NH4+-N含量為0.89 mg/kg，平均NO3--N含量為12.63 mg/kg；土壤pH為8.6，偏堿性。

1.2 試驗裝置及設計

試驗裝置由馬氏瓶、灌水器和土壤剖面組成。馬氏瓶截面積70.88 cm2，提供恒定水頭并通過旋鈕調節灌水器流量。灌水器通過橡膠管與馬氏瓶連接，灌水器由灌水器內芯、過水流道以及配套套管組成，灌水器內芯套管中布設過水流道，高30 cm，外徑4 cm，灌水器與配套套筒管通過螺口直接安裝或拆卸，配套套管為PVC材料，壁厚2 mm，內徑4 cm，出水口位于內芯內側，水分在流道中經過消能從出水口流出，再經由套管以面源出流的方式導入土壤進行灌溉。灌水器上方有連通氣孔，通過調節馬氏瓶底部旋鈕控制灌水時間和灌水流量，結合試驗區土壤導水特性，模擬灌水器流量為5 L/h，使用秒表和20 mL量筒率定滴頭流量，并校驗試驗過程中部分時刻的灌水器流量，確保供水穩定。試驗灌水器間距50 cm，灌水器埋深15 cm，套管開孔率20%；肥液質量濃度設置5、10和20 g/L共3個梯度，以清水入滲作對照（CK），供試氮肥為尿素，為降低降雨和蒸發對濕潤體的影響，試驗結束后用塑料布遮蓋濕潤體，每組處理3次重復，取其均值作為試驗結果。涌泉根灌示意圖及試驗系統示意圖見圖1、圖2。

圖1 涌泉根灌示意圖Fig.1 Sketch map of bubbled-root irrigation

圖2 試驗系統示意圖Fig.2 Experimental system structure

1.3 試驗方法及觀測內容

濕潤鋒觀測采用剖面法，在試驗區選擇未經擾動的天然坡地，清除土壤表層覆土及雜草后，將剖面修整為光滑整齊的階地，將水平和垂直剖面作為觀測面，按照先密后疏的原則記錄馬氏瓶讀數和濕潤鋒運移距離，不同時刻濕潤鋒運移距離使用鋼卷尺直接在試驗剖面上量出。交匯入滲發生后，以灌水器底部為起點，用直尺測量交匯面處濕潤鋒在豎直向上和豎直向下的運移距離，供水停止后，在距離灌水器0、12.5和25 cm（交匯面）處選用直徑為5 cm的土鉆分層取土，取土間隔為10 cm，用烘干法測定土壤含水率。

累積入滲量計算公式：

式中：I為累積入滲量，mm；r為馬氏瓶底面半徑，cm；h(t)為馬氏瓶供水下降高度，mm，r′為灌水器套管半徑，mm；h′(t)為不同入滲時間t內灌水器套管內積水深度，mm。

累積入滲量曲線利用Philip模型和Kostiakov模型對涌泉根灌雙點源交匯入滲數據進行擬合。

Philip模型為：

式中：I為累積入滲量，mm；S為土壤吸滲率，mm/min0.5；t為入滲時間，min。

Kostiakov模型為：

式中：I為累積入滲量，mm；K為經驗系數，mm/minβ；β為經驗指數；t為入滲時間，min。

肥液濃度對涌泉根灌雙點源交匯入滲條件下不同肥液濃度對土壤水分入滲特征的影響，利用增滲率Z（同一入滲時刻，肥液的累積入滲量較清水的增加量與清水累積入滲量的百分比）進行具體分析：

式中：Z為增滲率；IA為涌泉根灌雙點源交匯入滲條件下清水入滲的累積入滲量，mm；IB為涌泉根灌雙點源交匯入滲條件下肥液入滲的累積入滲量，mm。

1.4 數據分析

采用Microsoft Excel 2010分析軟件處理試驗數據并進行繪圖，對相關試驗數據進行Pearson相關檢驗和單因素方差分析，顯著水平設定為P＜0.05。

2 結果與分析

2.1 肥液濃度對雙點源涌泉根灌累積入滲量的影響

圖3為肥液濃度分別為0、5、10和20 g/L單向交匯入滲整個過程累積入滲量變化曲線。可以看出，肥液促進了雙點源涌泉根灌的土壤水分入滲。入滲70 min以內，不同肥液濃度累積入滲量差異不大，70 min后不同肥液濃度的累積入滲量差異逐漸增大。累積入滲量隨著肥液濃度的增加而增加（P＜0.05）。這主要由于肥液入滲過程中，當毛管孔隙持水能力達到最大時，非毛管孔隙的大小決定土壤通氣透水能力。土壤接近飽和狀態時，由于尿素溶液中帶負電荷的土壤膠體被肥液中帶正電荷的銨根離子和鈣離子所中和，肥液中的鈣離子把土壤膠體中的鈉離子進行置換，各個膠體之間產生吸引，有效改善了土壤團聚體的分布，特別是非毛管孔隙中的水穩性團聚體，孔隙中形成較好的通氣透水能力，因此入滲率提高，導致相應時間段內的累積入滲量增加，肥液濃度越大，肥液中的正電荷越多，進而與帶負電荷的土壤膠體中和幅度越大，相應產生的土壤團聚體越大，對肥液入滲的促進效果越顯著[23]。

圖3 不同肥液濃度條件下累積入滲量曲線Fig.3 Cumulative infiltration curve under the conditions of different fertilizer concentration

此外，隨著肥液濃度的增大，濕潤鋒交匯的時間越短。這主要因為在水平方向濕潤鋒運移距離的差異主要受溶質勢控制，肥液濃度越大，溶質勢越小，濕潤鋒運移的勢能差越大，濕潤鋒運移速度越快，交匯時間則越短。

對入滲70、150和300 min時不同肥液的累積入滲量分別與清水入滲（CK）進行比較（見表1），增滲率隨著肥液濃度的升高顯著增加（P＜0.05），隨入滲時間延長顯著增加（P＜0.05）。

表1 不同肥液濃度條件下增滲率比較Tab.1 Comparison of infiltration rate under different fertilizer concentration of fertilizer solution

2.2 肥液濃度對雙點源涌泉根灌入滲模型參數的影響

依據實測數據（見圖3），利用Philip模型和Kostiakov模型進行擬合，得到不同肥液濃度條件下涌泉根灌交匯入滲累積入滲量的數學模型（見表2）。2種入滲模型擬合效果較好，決定系數R2均能達到0.96以上。隨肥液濃度增加，Philip公式吸滲率S逐漸增大，說明施加肥液可增強毛管力對土壤水分的吸收能力。原因是肥液中正電荷與帶負電荷的土壤膠體中和形成水穩性團聚體，而水穩性團聚體是良好的土壤結構體，具有多孔性和水穩性特點；肥液濃度越大，肥液中的正電荷越多，形成的水穩性團聚體越多，土壤吸滲率也就越大。隨著肥液濃度的增大，Kostiakov公式入滲系數K逐漸減小，經驗入滲指數β逐漸減小，這表明肥液濃度的增加使土壤的初始入滲速率有所增加，提高了土壤入滲能力。

表2 累積入滲量擬合參數Tab.2 Fitting parameter table of cumulative infiltration

2.3 肥液濃度對雙點源涌泉根灌土壤含水率分布的影響

入滲結束后，對清水入滲和不同肥液濃度（5、10和20 g/L）條件下，0～100 cm土壤含水率分布狀況進行分析。測定位置分別為灌水器、交匯側距灌水器12.5 cm和交匯面處（見圖4）。

圖4 灌水器處土壤含水率分布曲線Fig.4 The moisture curve at the emitter

灌水器下方垂直方向土壤含水率隨土壤深度增加整體表現為先增加后減小的趨勢，土壤深度20 cm處達最大值。肥液濃度分別為5、10和20 g/L時，土壤深度20 cm處土壤含水率分別較清水入滲顯著（P＜0.05）增加了3.96%、7.42%和14.03%。相同深度的土壤含水率表現為隨肥液濃度的增大而增大，土壤深度70 cm處肥液濃度為5、10和20 g/L的土壤含水率分別較清水入滲的土壤含水率顯著（P＜0.05）增加了15.47%、42.12%和88.66%；當土壤深度大于70 cm時，肥液對土壤含水率的影響較小。

圖5為交匯側距灌水器12.5 cm處土壤含水率分布狀況。由圖5可知，灌水器交匯側距灌水器12.5 cm處土壤含水率整體表現為先增加后減小，不同肥液濃度下的土壤含水率均在土壤深度20 cm處為最大值，在土壤深度20 cm處，肥液濃度5、10、20 g/L的土壤含水率分別較清水入滲顯著（P＜0.05）增加了1.68%、5.49%、8.77%。另外，交匯側距灌水器12.5 cm處的土壤含水率在土壤深度相同時表現為隨肥液濃度的增大而增大；在土壤深度0～70 cm，肥液入滲條件下的土壤含水率較清水入滲的土壤含水率出現顯著變化，隨土壤深度的增加先減小后增加，在土壤深度70 cm處變化最顯著，肥液濃度5、10、20 g/L的土壤含水率分別較清水入滲顯著（P＜0.05）增加了19.02%、52.23%、68.53%；在土壤深度70～100 cm，肥液入滲條件下的土壤含水率較清水入滲的土壤含水率未出現顯著變化；在土壤深度30 cm處，肥液入滲條件下的含水率較清水入滲的含水率之間無顯著差異，其中肥液濃度5、10、20 g/L的土壤含水率分別較清水入滲增加了1.28%、4.81%、8.44%。

圖5 交匯側距灌水器12.5 cm處含水率分布曲線Fig.5 The moisture curve distance emitter 12.5 cm of the intersection side

圖6為交匯面處土壤含水率分布狀況。由圖6可知，交匯面處土壤含水率整體表現為先增加后減小，不同肥液濃度下的土壤含水率均在土壤深度20 cm處達最大值，在土壤深度20 cm處，肥液濃度5、10、20 g/L的土壤含水率分別較清水入滲顯著（P＜0.05）增加了2.09%、5.02%、6.69%。另外，交匯面處土壤含水率在相同深度時表現為隨肥液濃度增大而增大；在深度0～60 cm處，肥液入滲條件下的土壤含水率較清水入滲的土壤含水率出現顯著變化，在深度60 cm處變化最顯著，其中肥液濃度5、10、20 g/L的土壤含水率分別較清水入滲顯著（P＜0.05）增加了21.45%、42.00%、81.43%；在深度60～100 cm，肥液入滲條件下的土壤含水率較清水入滲的土壤含水率未出現顯著變化；土壤深度30 cm處肥液入滲條件下的含水率較清水入滲的含水率無顯著差異，其中肥液濃度5、10、20 g/L的土壤含水率分別較清水入滲增加了0.40%、1.69%、3.98%。整體來看，濕潤區域的土壤含水率表現為隨肥液濃度增大而增大。

圖6 交匯面土壤含水率分布曲線Fig.6 The moisture curve in intersection surface

2.4 涌泉根灌條件下雙點源交匯入滲較單點源入滲的入滲特征分析

為進一步分析雙點源交匯入滲特征，在相同肥液濃度下進行單點源入滲并進行對比。在雙點源交匯入滲試驗中根據2個灌水器濕潤鋒發生交匯現象的時刻，將入滲階段分為自由入滲階段和交匯入滲階段。本次試驗對濕潤鋒運移狀況進行計時觀察，其中10 g/L肥液濃度涌泉根灌雙點源交匯入滲的濕潤鋒在入滲時間達到143 min時發生交匯。因此在10 g/L肥液濃度涌泉根灌雙點源交匯入滲試驗中，0～143 min為自由入滲階段，143～300 min為交匯入滲階段。圖7為10 g/L肥液濃度條件下單點源入滲和雙點源入滲的累積入滲量變化曲線。由圖7可知，10 g/L肥液濃度條件下，在0～143 min單點源入滲和雙點源入滲的累積入滲量變化曲線差異不大，在143～300 min雙點源入滲累積入滲量較單點源入滲的有所減小，并且單點源入滲和雙點源入滲的累積入滲量之間的差異隨時間逐漸增大。

圖7 涌泉根灌雙點源入滲與單點源入滲累積入滲量曲線Fig.7 Cumulative infiltration curve of double point source infiltration and single point source infiltration in Bubbled-root irrigation

為量化分析涌泉根灌雙點源交匯入滲條件下不同階段累積入滲量特征，利用減滲量ΔI，對肥液濃度10 g/L雙點源入滲交匯入滲階段（143～300 min）的累積入滲量與單點源入滲相同時間階段的累積入滲量進行對比分析。表3為肥液濃度10 g/L條件下143～300 min雙點源入滲較單點源入滲的減滲量分析。

表3 雙點源入滲交匯入滲階段較單點源入滲的減滲量Tab.3 The infiltration reduction of double point source infiltration at intersection stage compared with single point source infiltration

經分析，減滲量隨時間增加逐漸增大，減滲量與時間之間具有較好相關性。對減滲量ΔI與入滲時間進行擬合得：

式中：ΔI為減滲量，mm；t為入滲時間，min。

可以看出，涌泉根灌條件下雙點源入滲交匯入滲階段的累積入滲量與單點源入滲相同時間的累積入滲量符合冪函數關系。

對入滲結束后雙點源入滲條件下交匯面處含水量與單點源入滲條件下距離灌水器相同位置處含水量垂直分布狀況進行對比分析。圖8為肥液濃度10 g/L條件下雙點源入滲的交匯面處和單點源入滲距灌水器25 cm處含水率垂直分布狀況。由圖8可知，在土壤深度0～70 cm，雙點源入滲的交匯面處土壤含水率明顯大于單點源入滲距灌水器25 cm處土壤含水率，這主要是由于濕潤鋒發生交匯后，土壤水分運動在垂直方向受到基質勢和重力勢的共同作用，增強了水分向下運動能力，促進了土壤水分的積累。

圖8 雙點源入滲交匯面處和單點源入滲相同位置含水率曲線Fig.8 Water content curve at the intersection surface of double point source infiltration and the same position of single point source infiltration

3 討 論

涌泉根灌灌水技術對于緩解水資源短缺、提高水肥利用效率效果顯著，尤其是在果樹節水灌溉領域具有廣闊的推廣前景。涌泉根灌不同水肥條件對雙點源入滲交匯面處土壤水分入滲特性、土壤含水率分布狀況的影響，是進一步豐富涌泉根灌灌水技術要素的重要方面。大量研究表明[13-18]，涌泉根灌肥液入滲條件下累積入滲量隨入滲肥液濃度的增大而增大，這是由于在肥液入滲過程中，土壤中帶負電荷的膠體逐漸被肥液中的銨根離子中和，使土壤膠體之間排斥作用減弱甚至消失，進一步促使微小膠體形成團聚體，增加了土壤顆粒的粒徑，改善了土壤結構，從而增強了土壤的入滲能力。但不同肥液濃度雙點源入滲條件下累積入滲量變化的研究鮮有報道。本研究表明涌泉根灌雙點源入滲條件下交匯面處的累積入滲量與入滲肥液濃度呈正相關冪函數關系，而相同肥液濃度下，在濕潤鋒交匯后的交匯入滲階段雙點源入滲的入滲量小于單點源入滲相同時間段的累積入滲量。這主要是由于涌泉根灌多向交匯入滲為充分供水條件下的空間三維入滲，在試驗條件下，水分入滲過程中的土水勢主要包括重力勢、壓力勢和基質勢等，土壤水分在土水勢的驅動下運移；在涌泉根灌多向交匯入滲發生交匯后，入滲過程變為二維入滲，在水平方向，交匯界面兩側具有相同的土水勢，水平方向的水流通量為零，該界面兩側不存在水勢梯度，即水分不能通過零通量面，減弱了水分的水平側滲，所以導致涌泉根灌多向交匯入滲量與自由入滲量存在較大差別，兩者之間出現減滲現象，導致雙點源入滲的累積入滲量較單點源入滲要小。本研究表明，雙點源交匯入滲土壤含水率隨肥液濃度的增大而增大，且在不同土層深度出，雙點源入滲自由入滲測和交匯入滲側含水率存在一定差異，在土壤深度0～70 cm時，肥液入滲條件下的含水率和清水入滲的含水率差異隨土壤深度增加逐漸顯著，且肥液濃度越大，土壤含水率差異變化越大，肥液濃度5、10、20 g/L的土壤含水率分別較清水入滲增加了15.47%、42.12%、88.66%，土層深度70～100 cm，肥液入滲和清水入滲條件土壤含水率差異逐漸減小。代智光等[24]研究了紅壤區肥液濃度對涌泉根灌水氮運移特性的影響，結果表明，在同一土層深度范圍內，土壤含水率與肥液濃度呈正相關關系，本研究表明肥液濃度對黃土區涌泉根灌雙點源入滲條件下土壤含水率分布的影響同樣具有正相關關系。這主要是由于在肥液入滲過程中，施入的尿素中含有大量銨態氮，其自身攜帶的正電荷與土壤膠體中大量的負電荷發生反應，促進土壤大團聚體的形成，有利于改善土壤水分的再分布特性。

4 結 論

（1）肥液促進了雙點源涌泉根灌的土壤水分入滲能力，累積入滲量隨肥液濃度增加而增加。

（2）雙點源涌泉根灌累積入滲量可利用Philip模型和Kostiakov模型進行擬合，肥液增加了土壤吸滲率及初始入滲速率，土壤入滲能力的衰退速度有所延緩。

（3）肥液提高了雙點源涌泉根灌的土壤含水率，且隨肥液濃度增大顯著增大。

（4）雙點源涌泉根灌比單點源的累積入滲量有所減小，且隨時間增加，差異逐漸增大。