董玉云 ，穆紅文，費(fèi)良軍

(1. 蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，蘭州 730070 ；2.甘肅省電力設(shè)計(jì)院，蘭州 730050； 3.西安理工大學(xué) 水資源研究所，西安 710048)

已有研究認(rèn)為，農(nóng)田氮素?fù)p失的主要途徑是硝態(tài)氮的淋溶，同時(shí)，硝態(tài)氮的淋溶也會(huì)引起地下水的污染[1-5]。因此，合理的施肥灌溉方法既可以提高氮肥的利用率，又可節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境。膜孔灌是適用于干旱和半干旱地區(qū)的節(jié)水、保肥、灌水質(zhì)量高和灌溉水利用率高的節(jié)水灌溉新技術(shù)。膜孔入滲可分為3種類型：膜孔自由入滲、膜孔單向交匯入滲和膜孔多向交匯入滲。近年來，關(guān)于膜孔灌清水入滲方面的研究已有一定進(jìn)展[6-8]。關(guān)于膜孔施肥條件下氮素運(yùn)移轉(zhuǎn)化的研究，國(guó)內(nèi)多為膜孔自由入滲和單向交匯入滲的報(bào)導(dǎo)[9-13]；關(guān)于多向交匯入滲的報(bào)導(dǎo)，僅有膜孔肥液多向交匯入滲濕潤(rùn)體特性和入滲特性及數(shù)學(xué)模型的研究[14，15]。直至目前尚未見到國(guó)內(nèi)外有關(guān)膜孔灌的報(bào)導(dǎo)。現(xiàn)階段的實(shí)際生產(chǎn)中，膜孔灌多以交匯入滲的方式存在，特別是對(duì)于密植的棉花等。因此，本研究在膜孔肥液自由入滲和單向交匯入滲的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)西北地區(qū)膜孔灌的實(shí)際，開展室內(nèi)膜孔肥液多向交匯入滲氮素運(yùn)移特性的研究，探求膜孔肥液多向交匯入滲節(jié)水、保肥的機(jī)理，可為膜孔施肥灌溉技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)裝置與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

室內(nèi)試驗(yàn)裝置如圖1所示。入滲點(diǎn)源為膜孔直徑為4.0 cm的1/4膜孔面積的方形水室，膜孔置于土箱的一角。AD和ad為作物株距的一半，AD=ad=6 cm，Aa和Dd為作物行距的一半， Aa=Dd=8 cm，DCcd面和abcd面為膜孔交匯面，即零通量面。土箱高30 cm，用10 mm厚透明有機(jī)玻璃板制作。試驗(yàn)利用橫截面積為30.5 cm2的馬氏瓶進(jìn)行自動(dòng)供水。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備示意圖Fig. 1 Schematic diagram of experimental equipment

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)土樣為西安粉土，其土壤顆粒級(jí)配組成見表1。土壤密度1.30 g/cm3，飽和重量含水率36.2%，田間持水率23.2%，初始重量含水率9.11%，初始硝態(tài)氮含量 6.5 mg/kg。肥液采用濃度為600 mg/L的NH4NO3作為肥料。土料經(jīng)碾碎、過2 mm孔徑的土篩，按預(yù)定初始含水率配土，以5 cm 為一層填裝。

試驗(yàn)設(shè)5個(gè)重復(fù)，取土?xí)r間為灌水120 min、灌水180 min和再分布3、24、72 h。按2 cm×2 cm×2 cm的立方體網(wǎng)格從濕潤(rùn)體表層向下取樣。各點(diǎn)取得的土樣中的5 g采用DR/4000型紫外分光光度計(jì)測(cè)定硝態(tài)氮濃度，其余土樣用烘干法測(cè)定土壤含水率。

表1 供試土壤的顆粒級(jí)配組成Tab.1 Grain composition of experimental soil

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 膜孔肥液多向交匯入滲土壤NO-3-N的分布

由圖2～圖5可知：供水停止時(shí)，土壤NO-3-N濃度最大值均出現(xiàn)在土壤表層；NO-3-N含量分布與土壤含水率的分布類似，即隨著與膜孔中心距離的增加，濕潤(rùn)體中土壤NO-3-N含量逐漸減少。這是由于NO-3-N本身帶負(fù)電荷，土壤顆粒吸附NO-3-N的能力較小，NO-3-N隨土壤水分運(yùn)動(dòng)主要是通過對(duì)流作用[16]。試驗(yàn)中土壤含水率最大值在土壤表層，因此表層土壤中所溶解的NO-3-N含量也最多，濃度也最大。由圖2和圖3可知，ABCD面和ABba面在濕潤(rùn)土體表層12 cm范圍內(nèi)NO-3-N含量的變化梯度較小，在濕潤(rùn)鋒位置處的土壤NO-3-N含量的變化梯度較大。由圖4和圖5可知，DCcd界面的NO-3-N含量比abcd界面的NO-3-N含量稍大。這是因?yàn)镈Ccd界面先發(fā)生交匯，因而相同入滲時(shí)間內(nèi)其累積入滲量較大，相同深度處的土壤含水率也較大，由于NO-3-N濃度鋒的運(yùn)移距離與土壤水分濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離一致，且土壤NO-3-N含量與土壤含水量呈“S”型關(guān)系[16]，對(duì)于相同深度，DCcd界面的由于土壤含水率較大，因此土壤NO-3-N含量比abcd界面的土壤NO-3-N的含量大。

圖2 ABCD面土壤NO-3-N等值線(單位：mg/kg)Fig.2 Isoline of NO-3-N of ABCD surface

圖3 ABba面土壤NO-3-N等值線(單位：mg/kg)Fig.3 Isoline of NO-3-N of ABba surface

圖4 交匯面DCcd面土壤NO-3-N等值線(單位：mg/kg)Fig.4 Isoline of NO-3-N of DCcd surface

圖5 交匯面abcd面土壤NO-3-N等值線(單位：mg/kg)Fig.5 Isoline of NO-3-N of abcd surface

2.2 濕潤(rùn)體土壤NO-3-N含量隨時(shí)間的變化

由圖6～圖8可知：在供水入滲階段，土壤NO-3-N濃度鋒運(yùn)移距離和土壤剖面NO-3-N含量的最大值在膜孔中心和交匯中心垂向均隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，土壤NO-3-N含量在同一深度處隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。進(jìn)入再分布階段，由于擴(kuò)散作用逐漸增加，NO-3-N運(yùn)移速率減小；土壤NO-3-N濃度鋒運(yùn)移距離隨時(shí)間的延長(zhǎng)而繼續(xù)增大，土壤NO-3-N含量在土壤上層有所降低，下層新濕潤(rùn)段NO-3-N含量不斷增加，整個(gè)濕潤(rùn)土體內(nèi)NO-3-N分布逐漸均勻； NO-3-N含量最大值在土壤剖面隨著再分布時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸減小，且位置逐漸向下遷移。這是因?yàn)殡S再分布時(shí)間的延長(zhǎng)，表層的土壤含水率逐漸減小，下層新濕潤(rùn)段的含水率逐漸增加，由于NO-3-N隨土壤水分運(yùn)動(dòng)，因而NO-3-N含量在土壤表層逐漸減小，在土壤下層逐漸增加。

圖6 膜孔中心垂向土壤NO-3-N分布Fig.6 Distribution of NO-3-N in vertical of film hole center

圖7 交匯中心( DC) 垂向土壤NO-3-N分布Fig.7 Distribution of NO-3-N in vertical soil of interference center (DC)

圖8 交匯中心(ab)垂向土壤NO-3-N分布Fig.8 Distribution of NO-3-N in vertical soil of interference center (ab)

2.3 濕潤(rùn)體各中心的土壤含水率與NO-3-N分布

由圖9可知，膜孔肥液多向交匯在土壤表層10 cm范圍內(nèi)垂向的土壤含水率分布差異較小，且分布比較均勻；10 cm以下的土壤含水率分布差異較大，膜孔中心垂向和交匯中心垂向土壤含水率分布梯度的大小為： ab>DC>AB。由圖10可知，土壤NO-3-N分布與土壤含水率的分布在垂直方向上類似，土壤表層8 cm范圍內(nèi)相差較小，且分布較均勻；8～10 cm范圍內(nèi)，由于ab中心后交匯，因而其土壤NO-3-N含量比AB和DC中心的稍?。?0 cm以下的土壤NO-3-N變化梯度均較大，且各中心垂向的變化梯度不一樣，其大小為：ab>DC>AB。說明NO-3-N含量隨土壤含水率的增加而增加，在土壤表層10 cm范圍內(nèi)膜孔中心和交匯中心垂向的土壤含水率相差較小，因而土壤NO-3-N含量相差較??；10 cm以下膜孔中心和交匯中心的土壤濕潤(rùn)鋒面不同，因而其NO-3-N含量變化梯度也有差異。

圖9 濕潤(rùn)體各中心垂向土壤含水率Fig.9 Distribution of soil water content in vertical of wetting body center

圖10 濕潤(rùn)體各中心垂向土壤NO-3-N分布Fig.10 Distribution of NO-3-N in vertical of wetting body center

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)本研究結(jié)果表明：在供水入滲階段，土壤NO-3-N濃度鋒運(yùn)移距離和土壤剖面NO-3-N含量的最大值在各中心垂直方向均隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增大；交匯后，交匯中心的NO-3-N的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與膜孔中心處的相同。供水停止時(shí)，由于肥液的濃度大于土壤的本底值，土壤表層的NO-3-N濃度最大；再分布階段，土壤NO-3-N濃度鋒運(yùn)移距離隨時(shí)間的延長(zhǎng)繼續(xù)增大，土壤NO-3-N含量在土壤上層有所降低，下層新濕潤(rùn)段含量不斷增加，整個(gè)濕潤(rùn)土體內(nèi)NO-3-N含量的分布逐漸均勻；土壤剖面NO-3-N濃度最大值隨時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸減小，且其位置逐漸向下遷移。

(2)本研究的硝態(tài)氮分布與文獻(xiàn)[14]的土壤含水率分布類似，這與袁鋒明等[17]人的研究成果一致，即土壤水分的入滲和再分布是引起硝態(tài)氮入滲和再分布的動(dòng)因，由于土壤膠體對(duì)硝態(tài)氮難以吸附，水分所到之處亦應(yīng)是硝態(tài)氮能至之地，兩者的運(yùn)動(dòng)應(yīng)該一致。試驗(yàn)條件下，膜孔中心和交匯中心垂向的土壤NO-3-N分布在土壤表層8 cm范圍內(nèi)相差很小，且分布比較均勻；10 cm以下的土壤NO-3-N變化梯度較大，大小順序?yàn)椋汉蟀l(fā)生交匯的中心ab>先發(fā)生交匯的中心DC>膜孔中心AB。這是由于各交匯中心下層土壤的含水率不同。已有研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于團(tuán)聚化較好的土壤，水分優(yōu)先流入大孔隙，而使硝態(tài)氮被遺留在小孔隙中，只有飽和流才能引起硝態(tài)氮的淋溶[18]。這也與陳效民等人的研究結(jié)論一致[19]，即硝態(tài)氮在非飽和狀態(tài)下的運(yùn)移速度比在飽和狀態(tài)下慢，對(duì)地下水造成污染的可能性也小。由于膜孔灌的灌水定額較小，中下層的土壤水分多處于非飽和狀態(tài)，因而土壤中的硝態(tài)氮對(duì)地下水造成污染的可能性較小，更能突顯膜孔灌的優(yōu)勢(shì)。

(3)膜孔肥液多向交匯入滲遠(yuǎn)比自由入滲和單向交匯入滲復(fù)雜，且影響因素眾多。本文在特定的土壤質(zhì)地、密度、初始含水率、肥液濃度、膜孔間距和膜孔直徑條件下，揭示了膜孔肥液多向交匯入滲土壤硝態(tài)氮分布和運(yùn)移的一般規(guī)律，初始條件的改變是否會(huì)影響土壤水分和硝態(tài)氮的運(yùn)移和分布特性，還需要更多的試驗(yàn)資料加以驗(yàn)證。且本試驗(yàn)沒有種植作物，只對(duì)土壤中水氮分布進(jìn)行研究，避免了作物吸收與殘留的影響。在實(shí)際生產(chǎn)中，土壤的水分入滲和硝態(tài)氮的淋溶取決于多種因素，包括土壤性質(zhì)、灌水量、氮肥施用的數(shù)量和種類等[20]。已有研究表明，農(nóng)田土壤的理化性狀及內(nèi)部團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的差異性都會(huì)影響灌水的均勻度，土壤內(nèi)部氮素的均勻性取決于土壤氮素初始含量的均勻程度[21]。因此，更全面的結(jié)論尚需經(jīng)過更嚴(yán)密和更充足的試驗(yàn)作進(jìn)一步的探討。

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