李曉, 何振嘉

(1.西安市西北郊城市排洪渠道管理中心, 西安 710016; 2.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,自然資源部退化及未利用土地整治工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710075)

棗樹是陜北黃土高原區(qū)的傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)樹種，近年來已成為米脂、清澗等地經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)的重要支柱[1]，但是，棗區(qū)春季干旱少雨的氣候特點(diǎn)極大地阻礙了紅棗產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，尤其是在水資源供需矛盾日益嚴(yán)峻的背景下，研究適用于陜北山地棗樹根系埋深較深特點(diǎn)的節(jié)水灌溉技術(shù)是目前亟待解決的問題[2]。涌泉根灌是一種可直接將水肥輸送到果樹根部進(jìn)行灌溉的微灌技術(shù)，減少蒸發(fā)損失、抑制雜草生長并避免水肥在地表的積聚，提高了水肥利用效率[3]。由于灌水器套管的保護(hù)，避免了灌水器堵塞，維護(hù)費(fèi)用較低，較滴灌和管灌優(yōu)勢明顯[4]。眾多學(xué)者對(duì)濕潤體土壤點(diǎn)源入滲研究取得了大量成果。劉顯等[5]對(duì)不同初始含水率情況下涌泉根灌水肥耦合入滲進(jìn)行了研究，提出了該條件下濕潤鋒運(yùn)移距離的數(shù)學(xué)模型。費(fèi)良軍等[6]對(duì)不同肥液濃度涌泉根灌入滲濕潤體及水氮運(yùn)移特性進(jìn)行了研究，并建立了肥液濃度與濕潤鋒運(yùn)移相關(guān)模型，分析了不同灌水器埋深條件下涌泉根灌土壤水分、濕潤鋒運(yùn)移情況，結(jié)果表明，灌水器埋深對(duì)濕潤鋒運(yùn)移距離有較大的影響[7-10]。李耀剛等[11-12]對(duì)涌泉根灌條件下土壤水分運(yùn)動(dòng)的研究表明，濕潤體特征值隨著流量與開孔度的變化而變動(dòng)。黎朋紅等[13]和費(fèi)良軍等[10,14]通過大田試驗(yàn)證明了濕潤鋒運(yùn)移距離與灌水器流量呈正相關(guān)關(guān)系，濕潤鋒運(yùn)移距離及濕潤體內(nèi)水分含量與土壤容重呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

綜上所述，國內(nèi)學(xué)者對(duì)涌泉根灌土壤水分運(yùn)移特性已進(jìn)行了大量研究，但大多集中于土壤初始含水率、土壤容重、灌水器埋深等方面，關(guān)于涌泉根灌對(duì)農(nóng)田養(yǎng)分的研究主要集中在滴灌等微灌條件下土壤水氮運(yùn)移方面[15-16]，對(duì)不同流量條件下涌泉根灌肥液入滲技術(shù)要素的研究還較少。流量大小影響入滲深度，滴頭流量過小，灌水則無法入滲到棗樹根區(qū)，降低灌水利用效率；滴頭流量過大，則會(huì)引起地表滲水以及深層滲漏，因此，適宜的滴頭流量是研究涌泉根灌條件下灌水技術(shù)要素的重要關(guān)鍵。為了能夠推廣涌泉根灌節(jié)水保肥型微灌技術(shù)，并適宜山地果樹的水肥耦合模式，提高水肥利用率，本文通過涌泉根灌濕潤體入滲試驗(yàn)，研究不同灌水器流量條件對(duì)肥液入滲濕潤體特征值、土壤水分及氮素運(yùn)移的影響，以期為涌泉根灌水肥高效利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

1.2 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

涌泉根灌入滲試驗(yàn)由供水系統(tǒng)和涌泉根灌灌水器組成，供水系統(tǒng)采用馬氏瓶(YT-MS，西安固泰傳感器有限公司)進(jìn)行自動(dòng)供水。試驗(yàn)氮肥選用易溶性的尿素[CO(NH2)2]，購自陜西奧維乾元化工有限公司，氮素質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥46.4%，設(shè)定肥液濃度為33.3 g·L-1。灌水器流量分別為4、7、10 L·h-1，灌水量40 L，灌水器上方有連通大氣的氣孔，通過調(diào)節(jié)馬氏瓶底部旋鈕開度控制流量，用秒表和20 mL量筒來濾定灌水器流量，并校驗(yàn)試驗(yàn)過程中部分時(shí)刻的灌水器流量，確保供水穩(wěn)定。

涌泉根灌灌水器高20 cm(垂直埋深15 cm，地表裸露5 cm)，外徑4 cm，配套套筒(PVC材料)內(nèi)徑4 cm，外徑4.2 cm；在灌水器配套套管自上往下每隔2 cm打1個(gè)孔洞，孔徑為2 mm，開孔度20%，開孔部分用紗布包裹，防止土壤顆粒進(jìn)入灌水器產(chǎn)生堵塞。灌水器安裝方式如圖1所示。

圖1 灌水器安裝方式Fig.1 Installation mode of the emitter

1.3 試驗(yàn)方法及觀測內(nèi)容

1.3.1觀測坐標(biāo)系 水平剖面上以根灌器中心為觀測原點(diǎn)，垂直剖面上以涌泉根灌灌水器出水口(埋深15 cm)為觀測原點(diǎn)，分別觀測水平剖面和垂直剖面上的濕潤鋒運(yùn)移距離。

1.3.2馬氏瓶讀數(shù)和濕潤鋒運(yùn)移位置 在試驗(yàn)區(qū)原狀土壤坡面，將水平剖面和垂直剖面作為觀測面。入滲量通過馬氏瓶的刻度讀取，不同時(shí)刻濕潤鋒運(yùn)移距離使用鋼卷尺直接在試驗(yàn)剖面上量出。

1.3.3土壤含水率及氮素測定 土壤含水率采用烘干法測定，土壤氮素含量采用CleverChem200全自動(dòng)間斷化學(xué)分析儀(德國DeChem-Tech. GmbH)測定。具體方法：先用電子秤稱取5.0 g土樣放入100 mL塑料瓶中，然后加入50 mL濃度為1 mol·L-1的氯化鉀溶液，置于振蕩器上以250 r·min-1振蕩30 min，振蕩完后用濾紙過濾，濾液收集于5 mL比色管中；最后將比色管中的濾液置于CleverChem200型全自動(dòng)間斷分析儀內(nèi)測定，得到土壤中硝態(tài)氮及銨態(tài)氮含量。每組試驗(yàn)3個(gè)重復(fù)，取均值。

1.3.4指標(biāo)計(jì)算 不同流量條件下累積入滲量與時(shí)間的關(guān)系用Kostiakov模型進(jìn)行擬合，如式(1)所示。

Z=Ktα

(1)

式中，Z為涌泉根灌肥液自由入滲累積入滲量，mm；K為入滲系數(shù)，mm·min-1；α為入滲系數(shù)；t為入滲時(shí)間，min。

入滲系數(shù)K、入滲指數(shù)α與灌水器流量q呈線性關(guān)系。

Kq=μq+k0

(2)

αq=vq+α0

(3)

式中，Kq、αq為肥液入滲系數(shù)、入滲指數(shù)；μ、v為擬合系數(shù)；k0、α0為清水入滲系數(shù)、入滲指數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 灌水器流量對(duì)涌泉根灌肥液入滲能力的影響

圖2 流量對(duì)涌泉根灌累積入滲量(A)和入滲率(B)的影響Fig.2 Influence of flow rate on cumulative infiltration (A) and infiltration rate (B) of bubbled-root irrigation

利用式(1)對(duì)不同流量條件下累積入滲量與時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行擬合,結(jié)果如表1所示。

表1 累積入滲量擬合參數(shù)表Table 1 Cumulative infiltration amount fitting parameter table

由表1可以看出，采用Kostiakov入滲模型，各參數(shù)擬合結(jié)果較好，相關(guān)系數(shù)均大于0.98，不同灌水器流量模擬出來的相關(guān)系數(shù)均大于顯著性水平rα=0.01時(shí)的臨界值。隨著流量的增大，模擬方程的系數(shù)越來越大，指數(shù)越來越小。利用式(2)、式(3)得到入滲系數(shù)K、入滲指數(shù)α與灌水器流量q的關(guān)系:

Kc=-0.034q+0.007，R2=0.998

(4)

αc=-0.019q+0.981，R2=0.991

(5)

將式(4)、(5)入滲參數(shù)Kq、αq回歸方程式代入式(1)，得到涌泉根灌不同肥液濃度條件下隨灌水時(shí)間變化的單位面積上累積入滲量的模型為：

Z=(0.034q-0.007)t(-0.019q+0.981)

(6)

為驗(yàn)證式(6)的可靠性，采用該模型計(jì)算灌水器流量q為7 L·h-1的涌泉根灌肥液入滲單位面積上累積入滲量，擬合結(jié)果見表2。

表2 累計(jì)入滲量實(shí)測值與模型擬合值對(duì)比Table 2 Comparison of the measured values of cumulative infiltration and the fitted values of the model

由表2可知，模型的擬合值與實(shí)測值的相對(duì)偏差在-3.22%～7.08%以內(nèi)，相對(duì)偏差均低于±10%，說明采用式(6)計(jì)算不同流量條件下涌泉根灌單位面積上累積入滲量是可靠的。

2.2 灌水器流量對(duì)涌泉根灌肥液入滲濕潤體特性的影響

2.2.1灌水器流量對(duì)涌泉根灌肥液入滲濕潤鋒運(yùn)移的影響 探究灌水器流量對(duì)濕潤體特征值與入滲時(shí)間的變化規(guī)律對(duì)涌泉根灌田間實(shí)際應(yīng)用具有重要指導(dǎo)意義。由圖3A可以看出，水平剖面的濕潤鋒運(yùn)移距離均隨著入滲時(shí)間的增長而增長；且流量越大，同一入滲時(shí)間濕潤鋒與時(shí)間關(guān)系曲線斜率越大，濕潤鋒運(yùn)移距離越大。水平方向的濕潤鋒運(yùn)移距離要快于垂直方向，且隨著流量的增大這一特征更加明顯。由圖3B和C可以看出，垂直剖面上的濕潤鋒運(yùn)移距離均隨著入滲時(shí)間的增長而增長;且流量越大，擬合曲線的斜率越大，運(yùn)移速率越快，同一入滲時(shí)間處的濕潤鋒運(yùn)移距離越大。垂直方向的濕潤鋒運(yùn)移距離要快于水平方向，且隨著流量的增大這一特征更加明顯，這是由于垂直剖面在入滲過程受到重力勢作用逐漸變大，使得垂直方向運(yùn)移距離快于水平距離。

注：A:水平剖面水平方向；B:垂直剖面水平方向；C:垂直剖面垂直方向。Note: A: Horizontal direction at horizontal profile; B: Horizontal direction at vertical profile vertical; C: Vertical direction at vertical profile vertical.圖3 不同流量條件下各方向濕潤鋒運(yùn)移距離變化Fig.3 Variation of wetting front migration distance in all directions under different flow conditions

灌水結(jié)束時(shí)，各流量條件下(4、7和10 L·h-1)水平剖面上的濕潤鋒運(yùn)移距離分別為35.3、38.8和41.6 cm，增幅依次為9.91%和7.22%。垂直剖面上水平方向的濕潤鋒運(yùn)移距離分別為37.7、42.2和48.2 cm，增幅依次為11.93%和14.22%;垂直方向的濕潤鋒運(yùn)移距離分別為50.1、53.4和57.3 cm，增幅依次為6.58%和7.30%。通過對(duì)比各流量條件下濕潤鋒運(yùn)移距離與流量的關(guān)系可以看出，流量對(duì)涌泉根灌垂直剖面上水平方向運(yùn)移距離的影響最為明顯，對(duì)垂直剖面向下濕潤鋒運(yùn)移影響最小。土壤入滲能力和供水強(qiáng)度是影響涌泉根灌肥液入滲的主要因素，當(dāng)供水強(qiáng)度小于土壤入滲能力時(shí)，供水強(qiáng)度的大小對(duì)涌泉根灌肥液入滲及濕潤鋒運(yùn)移距離起決定性因素，供水流量越大，一定時(shí)間內(nèi)的供水量越大，則表現(xiàn)為濕潤鋒運(yùn)移距離也越大。而當(dāng)供水強(qiáng)度大于土壤入滲能力時(shí)，涌泉根灌灌水器中將產(chǎn)生一定的積水，且積水量隨著流量的增大而增大，積水部位周圍土壤含水率迅速飽和，不同流量狀況下形成的壓力不同，流量越大，灌水器內(nèi)產(chǎn)生的壓力也越大，同時(shí)，加大了重力勢及灌水器管壁與土壤接觸面積，從而導(dǎo)致大流量情況下水平擴(kuò)散距離越大。

當(dāng)前我國學(xué)校教育教學(xué)結(jié)構(gòu)中，人們大多將知識(shí)內(nèi)化不足歸因于學(xué)生過度依賴教師講授，普遍認(rèn)為是學(xué)生自主學(xué)習(xí)意識(shí)薄弱，致使課程設(shè)置脫離現(xiàn)實(shí)應(yīng)用、授受形式缺乏更新，以及課程知識(shí)滯后社會(huì)發(fā)展。因此，“人工智能+教育”課程設(shè)置的首要任務(wù)，就是要利用大數(shù)據(jù)跟蹤技術(shù)扁平化連接教育資源以實(shí)現(xiàn)國際共享，進(jìn)而設(shè)定動(dòng)態(tài)開放的課程結(jié)構(gòu)，以具有國際視野的知識(shí)信息激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。只有實(shí)現(xiàn)這樣的課程設(shè)置，才可能實(shí)現(xiàn)國際化能力培養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)。

經(jīng)分析，不同流量條件下各方向上的濕潤鋒運(yùn)移距離與入滲時(shí)間呈顯著的冪函數(shù)關(guān)系，即：

(7)

式中,Rx(t)、Hx(t)和Hz(t)分別為水平剖上水平方向以及垂直剖面上水平方向和垂直方向濕潤鋒運(yùn)移距離，cm；a、b、c、d、e、f為對(duì)應(yīng)的擬合參數(shù)。

用式(7)分別對(duì)各流量條件下不同方向濕潤鋒運(yùn)移距離的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果如表3所示。

表3 各方向濕潤鋒運(yùn)移距離與入滲時(shí)間的擬合結(jié)果Table 3 Fitting results of wetting front migration distance and infiltration time in all directions

可見，用冪函數(shù)對(duì)各方向濕潤鋒與時(shí)間的擬合結(jié)果決定系數(shù)R2值均大于0.97，其相關(guān)關(guān)系顯著。對(duì)表3中擬合參數(shù)a、b、c、d、e、f與流量進(jìn)行分析，得到各擬合參數(shù)與流量的相關(guān)關(guān)系，其擬合結(jié)果如下。

①水平剖面水平濕潤鋒：

(8)

②垂直剖面水平濕潤鋒：

(9)

③垂直剖面垂直濕潤鋒：

(10)

將式(8)(9)(10)分別帶入式(7)，可得各方向濕潤鋒運(yùn)移距離與灌水器流量的數(shù)學(xué)模型。

(11)

為驗(yàn)證模型(11)的可靠性，在相同試驗(yàn)條件下對(duì)涌泉根灌灌水器流量為7 L·h-1的濕潤鋒運(yùn)移距離進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果見表4。

表4 濕潤鋒運(yùn)移距離實(shí)測值與模型擬合值對(duì)比Table 4 Comparison of measured values of wet front transfer distance and model fitting values

由表4中各方向濕潤鋒運(yùn)移距離的實(shí)測值和模型擬合值對(duì)比可知，其相對(duì)誤差在±8.26%以內(nèi)，說明利用模型(11)對(duì)涌泉根灌肥液入滲不同灌水器流量及入滲時(shí)間下各方向的濕潤鋒運(yùn)移距離的預(yù)測是較為可靠的。

2.2.2灌水器流量對(duì)涌泉根灌肥液入滲濕潤體含水率動(dòng)態(tài)分布的影響 灌水結(jié)束時(shí)濕潤體內(nèi)部的水分狀況，以及經(jīng)過時(shí)間再分布之后的水分狀況對(duì)灌溉制度的制定具有很大的參考價(jià)值。從圖4可以看出，涌泉根灌灌水方式下，流量越大，同一位置處的含水率越高。灌水結(jié)束時(shí)，水分分布區(qū)域相對(duì)集中，含水率較高的區(qū)域在土壤表層，這是由于涌泉根灌是將灌水器埋設(shè)于距表層土壤15 cm處，表層土壤首先受到水分補(bǔ)給，導(dǎo)致表層土(0～30 cm)壤含水率較高，達(dá)到28.45%；底層土壤(60～100 cm)由于灌水量不足，濕潤鋒并未運(yùn)移至該土層，因此土壤含水率較低，接近CK(11.78%)。在肥液入滲初期，影響入滲的主要因素為供水強(qiáng)度，灌水器流量越大，一定時(shí)間內(nèi)的供水量也越多，土壤中壓力不斷加大，因此增大了高含水區(qū)域范圍;隨著入滲時(shí)間的增加，供水強(qiáng)度逐漸超過入滲強(qiáng)度，灌水器內(nèi)的積水隨灌水器流量的增加而增大，因此，加大了肥液入滲的重力勢以及與土壤的接觸面積，對(duì)肥液向下入滲起到了顯著的促進(jìn)作用。灌水結(jié)束1 d后，水分會(huì)發(fā)生再分布，1 d后由于水分的滯后性，濕潤鋒繼續(xù)向下運(yùn)移，上層土壤含水率明顯減小，下層土壤受到上層水分向下運(yùn)移的補(bǔ)給，形成表層低(18.55%)、中間高(20.39%)、底層低(14.46%)的趨勢；此外，在水勢梯度作用下土壤水分繼續(xù)向下運(yùn)移，但運(yùn)移速率較為緩慢，整個(gè)濕潤體內(nèi)土壤含水率分布變的較為穩(wěn)定，趨于相對(duì)均勻；3 d后，濕潤體繼續(xù)擴(kuò)大，但濕潤體內(nèi)含水率明顯降低，0～100 cm范圍內(nèi)土層平均含水率僅為15.10%，略高于CK。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，水分再分布1 d后，濕潤體基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，可將分布1 d時(shí)濕潤體特征值作為灌水技術(shù)指導(dǎo)依據(jù)。

2.2.3灌水器流量對(duì)涌泉根灌肥液入滲濕潤體形狀的影響 從圖5可以看出，濕潤鋒運(yùn)移曲線均隨著時(shí)間的增長而變化。在灌水結(jié)束時(shí)，4、7和10 L·h-1灌水器流量濕潤體的水平和垂直向運(yùn)移距離分別為：36、41.7、46.2和46.9、54.9、65.6 cm。流量越大，濕潤鋒在水平方向與垂直方向的運(yùn)移距離均越大，且隨著流量的增大，趨勢更加明顯。這主要是由于入滲初期，土壤初始含水率較低，而土壤基質(zhì)勢最大，水份在土壤基質(zhì)勢的作用下運(yùn)移擴(kuò)散，供水強(qiáng)度大于土壤入滲能力，水平擴(kuò)散速度略快于垂直入滲速度;隨著灌水時(shí)間的增加，垂直方向重力勢作用增大，導(dǎo)致垂直濕潤鋒比水平運(yùn)移距離大，濕潤體的形狀近似為橢球體，灌水器流量越大，表層土壤濕潤面積增大的速度就越快，濕潤體越寬且深。

A：灌水結(jié)束時(shí)；B:結(jié)束1 d后；C:結(jié)束3 d后A：At the end of irrigation；B: 1 d after the end of irrigation ; C: 3 d after the end of irrigation圖4 不同流量在灌水器處土壤含水率隨時(shí)間變化Fig.4 Soil water content at different emitters at the emitter varies with time

A：4 L·h-1；B:7 L·h-1；C:10 L·h-1圖5 灌水結(jié)束后垂直剖面濕潤鋒運(yùn)移隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化曲線Fig.5 Dynamic curve of wet frontal movement with time in vertical section at the end of irrigation

2.3 灌水器流量對(duì)涌泉根灌肥液入滲氮素運(yùn)移的影響

A：灌水結(jié)束時(shí)；B:結(jié)束1 d后A：At the end of irrigation；B: 1 d after the end of irrigation圖分布情況

3 討論

本文通過不同流量涌泉根灌肥液入滲試驗(yàn)，對(duì)涌泉根灌肥液入滲特性及濕潤體水氮運(yùn)移的變化規(guī)律進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)流量對(duì)涌泉根灌肥液入滲能力有較大的影響，相同肥液濃度條件下，流量越大，入滲能力越強(qiáng)，這與劉顯和費(fèi)良軍[17]研究結(jié)果一致。本文分別建立了灌水器流量與涌泉根灌累積入滲量以及濕潤鋒運(yùn)移距離的數(shù)學(xué)模型，且模型精度較高。研究表明，涌泉根灌清水入滲條件下，濕潤體形狀為橢球體。肥液入滲條件下同樣得到相同結(jié)論，且隨灌水器流量的增大濕潤體的形狀越寬且深。涌泉根灌肥液入滲條件下，流量越大，同一位置處的含水率越高[18-19]。灌水結(jié)束1 d后，土壤含水率表現(xiàn)為表層低(18.55%)、中間高(20.39%)、底層低(14.46%)的趨勢，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，水分再分布1 d后，濕潤體基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)[20]，可將分布1 d時(shí)濕潤體特征值作為灌水技術(shù)指導(dǎo)依據(jù)。

A：灌水結(jié)束時(shí)；B:結(jié)束1 d后A：At the end of irrigation；B: 1 d after the end of irrigation圖分布

本文初步探究了灌水器流量對(duì)涌泉根灌點(diǎn)源肥液入滲土壤水氮運(yùn)移特性的影響，為涌泉根灌的推廣提供技術(shù)參考。根據(jù)果園種植密度及果樹根系分布特點(diǎn)，灌水器布設(shè)方式及布設(shè)間距會(huì)對(duì)濕潤體特性產(chǎn)生影響。因此，不同灌水器流量在雙點(diǎn)源布設(shè)或多點(diǎn)源布設(shè)條件下對(duì)濕潤體特征值及水氮運(yùn)移特性的將是深入研究的重點(diǎn)。