趙彥波，尹 娟,2,3，尹 亮

(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021；2.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程中心，銀川 750021；3.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，銀川 750021)

滴灌施肥技術(shù)是一種根據(jù)土壤水分、養(yǎng)分平衡原理，計(jì)算作物在不同生長階段的需水、需肥量，通過滴頭適時(shí)適量地把水分和養(yǎng)分滴施到作物根部的現(xiàn)代高效節(jié)水節(jié)肥技術(shù)[1]。滴頭在滴施過程中灌水濕潤面積和濕潤深度是在根系分布范圍之內(nèi)，作物根區(qū)土壤水分、養(yǎng)分分布區(qū)狀況受滴頭流量和施肥濃度的影響，因此，研究滴灌施肥條件下土壤濕潤體大小、土壤水分運(yùn)移分布規(guī)律，對(duì)制定合理的灌水施肥制度和設(shè)計(jì)規(guī)范的滴灌設(shè)備具有重要意義。目前，國內(nèi)外專家學(xué)者在土壤水肥運(yùn)移方面做了大量研究，并取得了一系列成果。Cote等[2]運(yùn)用Hydraus 2D土壤物理模擬軟件模擬研究了在地下滴灌條件下土壤水分及溶質(zhì)運(yùn)移規(guī)律；張林等[3]在室內(nèi)多點(diǎn)源滴灌實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上研究了土壤水分運(yùn)移過程，得出了多點(diǎn)源滴灌條件下土壤水分運(yùn)移規(guī)律為先點(diǎn)源入滲再交匯入滲最后形成濕潤帶的結(jié)論；鄭園萍等[4]采用室內(nèi)土箱試驗(yàn)研究了多點(diǎn)源滴灌條件下沙壤土中水分遷移分布規(guī)律，結(jié)果表明綜合考慮灌溉時(shí)間、灌溉濕潤比、灌水結(jié)束后土壤水分再分布及濕潤鋒的交匯等因素，提出了沙壤土滴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)該選擇流量較大的滴頭，且滴頭間距要小的結(jié)論；岳海英等[5]在室內(nèi)模擬研究了不同滴頭流量對(duì)濕潤體形狀的影響規(guī)律，結(jié)果表明，不同滴頭流量下的濕潤體體積與灌水量之間都滿足冪函數(shù)關(guān)系；李久生等[6]通過室內(nèi)滴灌實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了點(diǎn)源滴灌濕潤鋒和土壤水分運(yùn)動(dòng)過程，反演論證了土壤水動(dòng)力學(xué)參數(shù)。以上研究成果為合理設(shè)計(jì)滴灌系統(tǒng)提供了參考依據(jù)，而這些成果主要側(cè)重于單一的水分和養(yǎng)分運(yùn)移，對(duì)于滴灌條件下土壤水肥運(yùn)移研究較少。國內(nèi)外滴灌施肥技術(shù)在馬鈴薯、果樹、辣椒、西瓜、黃瓜、茄子、番茄、西蘭花等[7-13]方面的應(yīng)用研究較多，關(guān)于枸杞滴灌施肥技術(shù)研究與應(yīng)用較少。為此，針對(duì)以上問題，本試驗(yàn)開展了寧夏中部旱區(qū)枸杞滴灌施肥條件下土壤水分、養(yǎng)分運(yùn)移試驗(yàn)研究。本文主要論述了枸杞根系主要吸水區(qū)濕潤鋒的變化分布規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 供試土壤與試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)樓進(jìn)行。供試土壤取自寧夏中部干旱區(qū)吳忠市同心縣下馬關(guān)鎮(zhèn)枸杞種植基地，土壤類型為沙壤土。在按實(shí)測土壤干容重裝土之前，自然風(fēng)干土樣，然后用2 mm的篩進(jìn)行土樣篩分，以達(dá)到土壤顆粒分布均勻。土壤容重1.41 g/cm3，向有機(jī)玻璃土箱內(nèi)分層裝土，每5 cm一層，各層之間將土壤打毛，每層土接觸更加緊密。裝完土后土箱內(nèi)土壤均勻沉降分布24 h，以達(dá)到初始條件完全相同的土壤剖面。試驗(yàn)土壤的田間持水率和初始含水率為32%和6%。

本研究是在矩形有機(jī)玻璃土箱內(nèi)進(jìn)行的滴灌施肥試驗(yàn)，通過透明的土箱外壁觀測記錄濕潤鋒的運(yùn)移分布情況。土箱規(guī)格60 cm×50 cm×60 cm，滴灌滴頭采用橡膠軟管代替，采用馬氏瓶為系統(tǒng)供水，滴頭流量大小通過調(diào)節(jié)馬氏瓶進(jìn)氣口的開度來控制。出水口位于矩形土箱1/4的棱角處，所以就以濕潤體的1/4為研究對(duì)象，待出水口滴頭流量達(dá)到穩(wěn)定后固定好滴頭，開始計(jì)時(shí)進(jìn)行滴灌試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)共設(shè)3個(gè)控制因素，分別為滴頭流量、施氮濃度和計(jì)劃濕潤層。其中滴頭流量設(shè)0.3、0.5、0.7、0.9 L/h 4種不同處理(試驗(yàn)已經(jīng)將濕潤體的1/4作為研究對(duì)象，所以4種不同的滴頭流量實(shí)際上分別相當(dāng)于1.2、2.0、2.8、3.6 L/h的田間實(shí)際滴頭流量)。試驗(yàn)以硝酸銨(分析純)作為氮肥，灌溉水氮素濃度設(shè)200、300、400、500 mg/L 4個(gè)濃度梯度。研究表明，枸杞根系主要分布層和土壤水分活躍層位于0～40 cm土層[14]，因此以該深度作為試驗(yàn)的計(jì)劃濕潤層。試驗(yàn)采用完全隨機(jī)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，共16組試驗(yàn)。

開始供水滴灌試驗(yàn)后灌水在入滲過程中，在相同的時(shí)間間隔內(nèi)用記號(hào)筆在土箱外側(cè)標(biāo)記濕潤鋒，通過黏貼在試驗(yàn)土箱外壁水平和垂直方向的刻度尺觀測濕潤鋒隨時(shí)間的運(yùn)移距離。試驗(yàn)開始后每隔10 min記錄一次濕潤鋒，等濕潤鋒間距變化不明顯，再每隔30 min記錄一次，濕潤鋒間距變化不明顯，再每隔60 min記錄一次，當(dāng)垂直濕潤鋒運(yùn)移深度達(dá)到350 mm后停止灌水，待濕潤體內(nèi)土壤水分均勻分布24 h后垂直濕潤鋒運(yùn)移深度達(dá)到40 cm。為防止土壤水分蒸發(fā)，待灌水結(jié)束后用塑料薄膜進(jìn)行覆蓋。

2 結(jié)果與分析

2.1 同一施氮濃度下濕潤鋒運(yùn)移規(guī)律

對(duì)于不同滴頭流量不同施肥濃度條件下的滴灌而言，從灌水開始到灌水結(jié)束，入滲濕潤鋒的形狀均近似為半橢圓(圖1中只顯示了1/4橢圓)。灌水初期，在相同的時(shí)間間隔內(nèi)，濕潤鋒水平擴(kuò)散距離明顯大于濕潤鋒垂直運(yùn)移深度，隨著灌水時(shí)間的延長和灌水量的增加，濕潤鋒水平擴(kuò)散距離與垂直運(yùn)移深度在數(shù)值上趨于相等。隨著灌溉的進(jìn)行，濕潤鋒垂直運(yùn)移深度逐漸大于濕潤鋒水平擴(kuò)散距離。灌水前期，在相同的時(shí)間間隔內(nèi)，濕潤鋒運(yùn)移間隔最大，即水分在土壤中的擴(kuò)散運(yùn)移速度較大。隨著灌水的延續(xù)，在較大時(shí)間間隔內(nèi)濕潤鋒運(yùn)移距離不斷減小，說明在灌水后期土壤水分運(yùn)移速度減小。

出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因是入滲初期，土壤含水量很小，土壤基質(zhì)勢最大，土壤水分在基質(zhì)勢的作用下向前遷移擴(kuò)散。豎直方向相對(duì)于水平方向，土壤質(zhì)地較大，孔隙較小不利用于水分的運(yùn)移擴(kuò)散。而水平方向土壤較松散，土壤孔隙較大，有利于土壤水分的遷移擴(kuò)散，所以在灌水初期水平濕潤鋒運(yùn)移距離大于垂直濕潤鋒運(yùn)移距離。隨著灌水延續(xù)，土壤含水率逐漸增大，部分土壤已經(jīng)達(dá)到飽和，土壤基質(zhì)勢為零。濕潤鋒處在基質(zhì)勢和重力勢的雙重作用下，水分在豎直方向的運(yùn)移速度大于水分在水平方向的運(yùn)移速度，即垂直濕潤鋒運(yùn)移距離大于水平濕潤鋒運(yùn)移距離。

圖1為不同滴頭流量同一施氮濃度下濕潤鋒運(yùn)移過程，h為入滲深度，L為水平距離。坐標(biāo)系中的(0,0)點(diǎn)為滴頭所在位置。從圖1可以看出：在同一施氮濃度下，隨著滴頭流量的增大，在相同的時(shí)間間隔內(nèi)濕潤鋒運(yùn)移距離變大，水平濕潤鋒運(yùn)移距離變化更顯著，灌溉所形成的濕潤面積增大，垂直濕潤鋒到達(dá)計(jì)劃濕潤層的時(shí)間越短。以上規(guī)律說明增大滴頭流量能增大表層土壤濕潤面積，減小灌水時(shí)間。這種情況更適合于瓜果蔬菜的灌溉。

圖1 同一施氮濃度不同滴頭流量下濕潤鋒運(yùn)移過程

2.2 同一滴頭流量下濕潤鋒運(yùn)移規(guī)律

圖2為同一滴頭流量不同施氮濃度下土壤濕潤鋒的運(yùn)移過程。從圖2可以看出：同一滴頭流量下隨著肥液濃度的增加，在相同的時(shí)間間隔內(nèi)水平濕潤鋒運(yùn)移距離逐漸變小，垂直濕潤鋒運(yùn)移距離相對(duì)變大。濕潤鋒剖面形狀由最初的1/4圓面變成豎直1/4橢圓面，4個(gè)濕潤鋒面隨著肥液濃度的增大而減小。以上現(xiàn)象說明，在同一滴頭流量下進(jìn)行滴灌灌溉，隨著灌水氮素濃度的增大，水平濕潤鋒運(yùn)移速度會(huì)逐漸變小，垂直濕潤鋒運(yùn)移速度會(huì)逐漸增大。灌溉形成的濕潤面積較小，能明顯促進(jìn)土壤水分的深層運(yùn)移。所以在灌溉耐旱作物時(shí)，可以適當(dāng)增加灌溉水肥液濃度，達(dá)到縮小土壤表層濕潤面積，促進(jìn)水分養(yǎng)分向根系深層運(yùn)移的目的。

圖2 同一滴頭流量不同施氮濃度下濕潤鋒運(yùn)移過程

結(jié)合圖1和圖2可知，肥液濃度和滴頭流量都能影響土壤水分的分布情況，決定濕潤鋒運(yùn)移距離的大小，而滴頭流量的影響程度更大。灌水結(jié)束后，濕潤體水分均勻分布24 h，濕潤鋒還會(huì)向前運(yùn)移一段距離。滴頭流量一定，肥液濃度越大濕潤鋒向前運(yùn)移擴(kuò)散距離越小。肥液濃度一定，滴頭流量越大濕潤鋒向前運(yùn)移擴(kuò)散距離越大。通過累積入滲量和水量平衡原理計(jì)算可得表1，在同一滴頭流量下，濕潤鋒到達(dá)同一計(jì)劃濕潤層時(shí)，灌水量隨著肥液濃度的增大而減小，灌水歷時(shí)隨著肥液濃度的增大而減小。在同一肥液濃度下，濕潤鋒到達(dá)同一計(jì)劃濕潤層時(shí)，灌水量隨著滴頭流量的增大而增大，灌水歷時(shí)隨著滴頭流量的增大而減小。

表1 不同處理下灌水量與灌水歷時(shí)

出現(xiàn)上述規(guī)律的主要原因是：在滴灌施肥條件下土壤水分入滲濕潤鋒運(yùn)移規(guī)律主要由土壤入滲率和滴頭流量大小決定。當(dāng)?shù)晤^流量小于土壤入滲率，即滴頭流量為0.3和0.5 L/h時(shí)，土壤表面不形成積水。土壤水分在基質(zhì)勢和重力勢的作用下，慢慢向四周擴(kuò)散。水平濕潤鋒和垂直濕潤鋒運(yùn)移速度基本相同，所形成的濕潤體體積較小。隨著灌水濃度的增大，土壤中溶質(zhì)逐漸增大，有效促進(jìn)了土壤水分的深層運(yùn)移。當(dāng)?shù)晤^流量大于土壤入滲率，即滴頭流量為0.7和0.9 L/h時(shí)，土壤表面產(chǎn)生積水，形成積水入滲。表層土壤很快達(dá)到飽和，水平濕潤鋒在基質(zhì)勢的作用下迅速向前運(yùn)移。在持續(xù)供水的情況下，水平濕潤距離不斷增大，所形成的濕潤面積不斷變大。在灌水后期，濕潤體內(nèi)土壤水分在重力勢和壓力勢的作用下向深層運(yùn)移。隨著灌水濃度的增加土壤溶質(zhì)勢變大，促進(jìn)了水分在豎直方向的運(yùn)移擴(kuò)散。

2.3 水平濕潤鋒隨時(shí)間的變化規(guī)律

同一滴頭流量不同施氮濃度處理下水平濕潤鋒隨時(shí)間的變化規(guī)律見圖3，不同滴頭流量和不同施氮濃度下水平濕潤距離與時(shí)間的擬合關(guān)系見表2，均滿足冪函數(shù)L=atb。

圖3 水平濕潤鋒隨時(shí)間的變化規(guī)律

從表2可以看出冪指數(shù)b隨滴頭流量q和施肥濃度c無明顯變化，其平均值約為0.32。而冪函數(shù)系數(shù)a隨滴頭流量的增加而增加，隨施氮濃度的增大而減小。這表明水平濕潤距離受滴頭流量大小和施肥濃度高低的影響。從圖3中可以看出灌水歷時(shí)相同時(shí)，滴頭流量越大，擬合曲線斜率越大，即水分水平擴(kuò)散速率越大，相同時(shí)間間隔內(nèi)水平濕潤距離越大。同一滴頭流量下，隨著施氮濃度的增大，擬合曲線斜率越小，即水分水平擴(kuò)散速率越小，相同時(shí)間間隔內(nèi)的水平濕潤距離越小。以上現(xiàn)象說明在同一施肥濃度下，增大滴頭流量會(huì)擴(kuò)大土壤濕潤面積。在同一滴頭流量下，增大施肥濃度能減小土壤濕潤面積。這是因?yàn)殡S著滴頭流量的增大，灌水強(qiáng)度逐漸大于土壤入滲能力，地表逐漸形成積水，從而加快了水分在水平方向的運(yùn)移。隨著施肥濃度的增大，土壤溶質(zhì)迅速增大，隨之土壤土水勢也增大，加上土壤重力勢的影響水分向豎直方向擴(kuò)散，抑制了水分在水平方向的運(yùn)移。

表2 水平濕潤鋒擬合式及相關(guān)系數(shù)

2.4 垂直濕潤鋒隨時(shí)間的變化規(guī)律

垂直濕潤鋒運(yùn)移距離與時(shí)間之間滿足冪函數(shù)關(guān)系，擬合參數(shù)列于表3。圖4給出了不同滴頭流量和不同施氮濃度下垂直濕潤距離隨時(shí)間的變化規(guī)律。從表3中可以看出，冪指數(shù)b隨滴頭流量q和肥液濃度c無明顯變化，而冪函數(shù)系數(shù)a隨著滴頭流量q的增大而增大，隨施氮濃度c的增大而減小。這表明垂直濕潤距離既受滴頭流量的影響，也受施肥濃度的影響。

表3 垂直濕潤鋒擬合式及相關(guān)系數(shù)

圖4 垂直濕潤鋒隨時(shí)間的變化規(guī)律

從圖4中可以看出，同一施氮濃度下隨著滴頭流量的增加曲線斜率增大，土壤水分垂直運(yùn)移速度增大。說明增大滴頭流量有利于土壤水分在豎直方向的運(yùn)移；同一滴頭流量下，隨著施氮濃度的增大曲線斜率增大，水分垂向運(yùn)移速度增大。說明增大施肥濃度有利于土壤水分的豎向運(yùn)移。出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因是增大滴頭流量，土壤很快達(dá)到飽和，在基質(zhì)勢和重力勢的作用下加速了土壤水分的運(yùn)移擴(kuò)散。在同一滴頭流量下，隨著施肥濃度的增加，土壤溶質(zhì)勢增大及土壤水勢增大，土壤水分遷移速度增大，促進(jìn)了土壤水分的運(yùn)移。

3 討 論

在實(shí)際作物灌溉過程中，制定合理的灌溉制度十分關(guān)鍵。因此在充分了解作物根系分布的基礎(chǔ)上，推算出灌溉定額以及灌水在根區(qū)土壤中的運(yùn)移深度，就能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)適時(shí)適量灌溉，即能節(jié)約水資源又能減少人工投入，實(shí)現(xiàn)高效節(jié)水，提高作物產(chǎn)量的目的。

該研究表明，滴頭流量和施肥濃度都會(huì)在一定程度上影響灌溉水在土壤中的運(yùn)移分布規(guī)律。土壤水分的運(yùn)移深度和擴(kuò)散半徑都會(huì)隨著滴頭流量的增大而增大，大滴頭流量灌溉有利于擴(kuò)大土壤濕潤面積，小滴頭流量有利于土壤水分向深層運(yùn)移。當(dāng)?shù)晤^流量一定時(shí)，增大施肥濃度可以促進(jìn)土壤水分的豎向遷移擴(kuò)散。當(dāng)施肥濃度一定時(shí)，增大滴頭流量可以增大土壤濕潤體。灌水形成的水平濕潤鋒與垂直濕潤鋒都與時(shí)間滿足冪函數(shù)關(guān)系，且系數(shù)a是隨著滴頭流量的增大而增大，隨施肥濃度的增大而減小。因此可以通過函數(shù)關(guān)系來預(yù)測一定灌水時(shí)間內(nèi)土壤水分運(yùn)移深度。

本試驗(yàn)假設(shè)土壤均質(zhì)各項(xiàng)同性來研究滴頭流量和施肥濃度對(duì)灌溉水在土壤中運(yùn)移過程的影響，沒有考慮土壤其他物理性質(zhì)對(duì)灌水在土壤中分布的影響；關(guān)于土體中水分運(yùn)移深度與時(shí)間之間是否存在確切的數(shù)學(xué)關(guān)系，該研究還得出的結(jié)論還不夠充分，滴頭流量和施肥濃度對(duì)冪函數(shù)系數(shù)a的影響沒有給出確切的影響因子，沒有通過數(shù)學(xué)方法加以求證。所以在接下的研究中會(huì)是筆者重點(diǎn)研究說明的問題。

4 結(jié) 論

利用室內(nèi)滴灌施肥試驗(yàn)，對(duì)飽和區(qū)水平濕潤鋒和垂直濕潤鋒進(jìn)行了觀測，分析了肥液濃度和滴頭流量對(duì)土壤水分分布的影響，得出如下結(jié)論。

(1)滴頭流量是影響土壤濕潤體大小的關(guān)鍵因素。同一施肥濃度下滴頭流量越大，灌水到達(dá)計(jì)劃濕潤層的時(shí)間就越短，形成的濕潤體體積會(huì)越大，灌水結(jié)束后濕潤鋒繼續(xù)遷移的距離會(huì)越大。

(2)施肥濃度是影響土壤水分分布的主要因素。同一滴頭流量下施肥濃度越大，越有利于水分在豎直方向的擴(kuò)散，形成的濕潤體體積越小，灌水結(jié)束后土壤水分再分布的距離會(huì)越小。

(3)水平與垂直濕潤鋒運(yùn)移距離受滴頭流量和施肥濃度的影響。水平與垂直濕潤鋒運(yùn)移距離與時(shí)間滿足冪函數(shù)關(guān)系，冪指數(shù)b隨流量q和施肥濃度c無明顯變化，系數(shù)a隨滴頭流量的增加而增加，隨施肥濃度的增大而減小。

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