李京玲，賈亞敏，孫西歡

(太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024)

0 引 言

蓄水坑灌作為一種新型的節(jié)水灌溉方法，與地面灌溉相比，具有節(jié)水、保水、保肥、防止水土流失等優(yōu)點(diǎn)[1]。利用蓄水坑灌法進(jìn)行灌施時，肥液主要通過蓄水坑側(cè)壁入滲，由于蓄水坑較深(20～60 cm)，因此入滲過程中坑內(nèi)水頭變化較大。有研究表明，蓄水坑灌條件下，入滲水頭在10～55 cm范圍對第一時段末的入滲通量影響顯著，而對入滲指數(shù)的影響不顯著[2,3]；灌水量對濕潤鋒運(yùn)移、土壤含水率分布及硝態(tài)氮含量影響顯著，而對銨態(tài)氮分布影響較小[4]；肥液濃度對土壤水氮運(yùn)移的影響不顯著[4]。因此蓄水坑灌土壤水氮運(yùn)移與入滲水頭，灌施方式和土壤特性密切相關(guān)。受自然條件和耕作條件的影響，農(nóng)田土壤容重的差異普遍存在，土壤容重作為反映土壤物理特性的重要指標(biāo)之一，其對土壤的透氣性、入滲性能和溶質(zhì)遷移特性等都有顯著影響[5,6]，基于此國內(nèi)外開展了大量有關(guān)土壤容重對節(jié)水灌溉條件下土壤水氮運(yùn)移的影響研究[7-9]，而有關(guān)土壤容重對蓄水坑灌土壤水氮運(yùn)移影響方面的研究較少[10,11]。本文基于室內(nèi)試驗(yàn)，探討土壤容重對蓄水坑灌條件下土壤入滲、水分分布、銨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量的影響，以期為蓄水坑灌法的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

為研究土壤容重對蓄水坑灌入滲和土壤水氮運(yùn)移的影響，試驗(yàn)采用自行研制的蓄水坑灌入滲物理模型(見圖1)在室內(nèi)進(jìn)行了研究。試驗(yàn)土箱為一30°扇柱體，主體材料為10 mm厚有機(jī)玻璃，其規(guī)格為100 cm(半徑)×120 cm(高)。蓄水坑安放在扇形的夾角處，規(guī)格為16 cm(半徑)×60 cm (高)，坑底為不透水形式。為防止在蓄水坑側(cè)壁和土箱內(nèi)壁的夾縫中出現(xiàn)優(yōu)先流，試驗(yàn)過程中在蓄水坑側(cè)壁均勻涂抹黃油，以保障夾縫密不透水。

圖1 蓄水坑灌入滲裝置(單位：cm)

1.2 供試材料

供試土壤取自山西省太谷縣北洸村蘋果園20～120 cm土層，土壤質(zhì)地為砂壤土，其土壤顆粒級配組成見表1所示。取回的土樣經(jīng)混合風(fēng)干后測定，其基本理化性質(zhì)為：初始體積含水率0.03 cm3/cm3，飽和體積含水率0.46 cm3/cm3，有機(jī)質(zhì)含量1.1%，全氮含量0.068%，堿解氮含量148.9 mg/kg，銨態(tài)氮含量4.8 mg/kg，硝態(tài)氮含量58.8 mg/kg。

表1 供試土壤的顆粒級配組成表

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)分別設(shè)置土壤容重為1.3、1.4、1.47 g/cm33個水平，灌水量為6 L，肥液濃度為700 mgN/L，肥料為尿素分析純。試驗(yàn)過程中將風(fēng)干后的土樣按照一定的土壤容重分層裝填進(jìn)土箱，當(dāng)裝填高度到達(dá)60 cm時，在土箱的夾角處安放蓄水坑(圖1中的水室)，繼續(xù)裝填土樣達(dá)土箱高度。灌施過程中控制水頭于地表以下20 cm處，并采用馬氏瓶進(jìn)行恒定水位供水。

灌施結(jié)束后1 d，利用小型土鉆分別在徑向每間隔5 cm和垂向每間隔10 cm進(jìn)行取土,直至濕潤鋒的邊緣。取回的土樣一部分采用烘干法測定土壤含水率[12]。另一部分裝入帶有標(biāo)簽的自封塑料袋冷藏，用于測定土壤氮素含量。土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量按照土水比為1:10加入1 mol/L KCl溶液進(jìn)行震蕩浸提，并采用全自動流動分析儀(AA3，SEAL，德國)測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤容重對入滲能力的影響

圖2為不同土壤容重下累積入滲量隨時間的變化曲線。由圖2可知，在入滲的140 min內(nèi)，累積入滲量均隨入滲時間的延長而增大，土壤容重越大，相同時間內(nèi)的累積入滲量越小，不同土壤容重下肥液入滲能力的大小依次為：1.3 g/cm3>1.4 g/cm3>1.47 g/cm3。這是因?yàn)樵谕寥蕾|(zhì)地相同的條件下，隨土壤容重的增大，土壤的緊實(shí)度增大，即單位體積土壤的密度增大，孔隙減小，孔隙尺度減小，孔隙彎曲程度增大，孔隙之間的連通性變差，導(dǎo)致單位水勢梯度下水分通量減小，即土壤導(dǎo)水能力減小，相應(yīng)的土壤入滲能力減小。

圖2 不同土壤容重下累積入滲量隨時間的變化曲線

經(jīng)分析，不同土壤容重下累積入滲量I與入滲時間t的關(guān)系符合Kostiakov模型，即：

I=Ktα

(1)

式中：I為累積入滲量，cm；t為入滲時間，min；K為入滲系數(shù)，cm/min；α為入滲指數(shù)。

不同土壤容重下累積入滲量(I)與入滲時間(t)的擬合方程見表2。由表2可知，Kostiakov擬合方程中的入滲系數(shù)K和入滲指數(shù)α均隨土壤容重的增大而減小。這進(jìn)一步表明，容重越大，相應(yīng)的土壤入滲能力越小，第一單位時間末的入滲率越小。對表1中的擬合方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，取顯著性水平為0.05，擬合方程中的決定系數(shù)R2均大于其臨界相關(guān)系數(shù)rα(0.456)，說明Kostiakov模型能很好地描述蓄水坑灌累積入滲量(I)隨時間(t)的變化關(guān)系。

表2 不同容重下的累積入滲量擬合方程

2.2 土壤容重對含水率分布的影響

圖3為r=20cm和r=35cm(r是指距離蓄水坑中心的徑向距離)處不同土壤容重下體積含水率的分布圖。濕潤體20～60cm深度入滲界面范圍，土壤體積含水率隨容重的增大而增大。這與容重增大，單位體積總孔隙的數(shù)量增多有關(guān)。土壤濕潤體范圍隨容重的增大而減小，土壤容重為1.30、1.40和1.47g/cm3時，其水平和垂直濕潤距離分別為40、41、42cm和85、82.5、75cm，濕潤范圍的面積分別為2 669、2 615、2 472cm2。這與容重增大，土壤孔隙之間的連通性變差，土壤水分運(yùn)動受土壤顆粒的阻力增大，導(dǎo)致運(yùn)動范圍減小有關(guān)。土壤容重越大，表層0～20cm濕潤體范圍土壤含水率越大，土壤水分向表層運(yùn)移增加，而向下運(yùn)移距離減小。這是因?yàn)橥寥廊葜卦龃?，土壤的孔隙尺度減小，土壤的毛管作用力使得土壤水分向表層運(yùn)移增加。

圖3 不同土壤容重下體積含水率分布圖

2.3 土壤容重對銨態(tài)氮分布的影響

圖4為r=20cm和r=35cm處不同土壤容重下的銨態(tài)氮含量分布圖。由圖4(a)可知，在r=20cm徑向距離處，由于吸附作用，土壤銨態(tài)氮主要分布在蓄水坑壁入滲界面附近，且在20～60cm深度范圍內(nèi)銨態(tài)氮含量隨容重的增大而增大。這是尿素的水解和銨態(tài)氮的吸附共同作用的結(jié)果。由圖4(b)可知，在遠(yuǎn)離蓄水坑壁的r=35cm處，土壤銨態(tài)氮含量隨容重的增大先增大后減小，具體為1.4g/cm3>1.47g/cm3>1.3g/cm3。這是由于土壤容重增大，導(dǎo)致孔隙之間的連通性變差，土壤的通氣狀況不良，而尿素轉(zhuǎn)化與通氣狀況和土壤含水率等有密切關(guān)系。

圖4 不同土壤容重下銨態(tài)氮含量分布圖

2.4 土壤容重對硝態(tài)氮分布的影響

圖5為r=20cm和r=35cm處不同土壤容重下硝態(tài)氮含量分布圖。不同土壤容重下，土壤硝態(tài)氮主要分布在濕潤鋒的邊緣，蓄水坑壁入滲界面附近的硝態(tài)氮含量較低(有時低于本底值)，這與硝態(tài)氮在土壤中容易隨著水流的運(yùn)動而運(yùn)動有關(guān)。隨土壤容重的增大，土壤硝態(tài)氮在深層濕潤鋒的累積增大，相對于1.3和1.4g/cm3，土壤容重為1.47g/cm3深層濕潤鋒處的硝態(tài)氮累積量分別增加了40.67%和11.34%。這是因?yàn)橥寥乐械南鯌B(tài)氮主要是通過銨態(tài)氮的硝化作用而增加，通過硝態(tài)氮的反硝化作用而損失，隨土壤容重的增大，土壤通氣狀況變差，硝化作用減小，同時土壤容重的增大，導(dǎo)致土壤孔隙尺寸減小，土壤濕潤鋒處流速減小，硝態(tài)氮的累積增加。

3 結(jié) 語

(1)隨土壤容重的增大，相同時間內(nèi)的累積入滲量逐漸減小，不同土壤容重下的累積入滲量(I)與入滲時間(t)之間均符合Kostiakov模型。

(2)隨土壤容重的增大，土壤濕潤體范圍逐漸減小。土壤水分再分布1d內(nèi)，0～60cm深度范圍土壤體積含水率隨容重的增大而增大。

(3)不同容重下土壤銨態(tài)氮分布均表現(xiàn)出隨徑向距離的增加而減小。土壤銨態(tài)氮含量隨土壤容重的增大在不同徑向方向上變化不一致。

圖5 不同土壤容重下硝態(tài)氮含量分布圖

(4)不同容重下土壤硝態(tài)氮分布均表現(xiàn)出隨徑向距離的增加而增加，并在濕潤鋒邊緣得到了累積。深層濕潤鋒處的硝態(tài)氮含量隨土壤容重的增大而增大，相對于1.3和1.4g/cm3，土壤容重為1.47g/cm3深層濕潤鋒處的硝態(tài)氮累積量分別增加了40.67%和11.34%。

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