劉利華，費(fèi)良軍，陳 琳，郝 琨

渾水含沙率對(duì)膜孔灌肥液入滲土壤水氮運(yùn)移特性的影響

劉利華，費(fèi)良軍※，陳 琳，郝 琨

（1. 西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710048；2. 西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，西安 710048）

含沙率；渾水；膜孔灌；肥液入滲；水氮運(yùn)移

0 引 言

膜孔灌是在覆膜種植基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種地面節(jié)水灌溉新技術(shù)，膜上水流通過灌水孔和作物孔滲入土壤。與傳統(tǒng)地面灌相比，膜孔灌在節(jié)水保肥的同時(shí)改善了作物的生長(zhǎng)環(huán)境，具有較高的灌水質(zhì)量和水肥利用效率，在中國(guó)干旱半干旱地區(qū)具有廣闊的應(yīng)用前景[1-2]。因此，深入研究渾水膜孔灌肥液入滲農(nóng)田土壤氮素運(yùn)移轉(zhuǎn)化特性對(duì)緩解中國(guó)水資源緊缺、擴(kuò)灌增產(chǎn)、提高肥料利用率和灌溉質(zhì)量等具有十分重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

膜孔灌土壤入滲特性是研究膜孔灌技術(shù)要素的基礎(chǔ)[3]。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)膜孔灌技術(shù)已做過大量的研究[4-5]。相對(duì)傳統(tǒng)灌溉，地膜覆蓋在減少土壤水分蒸發(fā)的同時(shí)提高了土壤溫度[6-7]；Saeed等[8]通過膜孔灌向日葵的研究表明，膜孔灌較傳統(tǒng)地面灌能節(jié)水37%～45%，可提高向日葵產(chǎn)量23%～30%。在膜孔灌入滲特性方面，目前主要針對(duì)累積入滲量、濕潤(rùn)鋒運(yùn)移規(guī)律和水分分布特性。已有研究表明，累積入滲量和濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離與入滲時(shí)間呈冪函數(shù)關(guān)系，濕潤(rùn)體內(nèi)土壤含水率隨著到膜孔距離的增加而不斷減小[9]。在影響因素方面，分別從土壤質(zhì)地、土壤容重、土壤初始含水率、膜孔直徑、泥沙粒度組成等因素進(jìn)行了室內(nèi)渾水膜孔入滲試驗(yàn)研究。研究表明，土壤質(zhì)地對(duì)入滲系數(shù)和入滲指數(shù)有顯著影響[10-11]；隨著土壤容重的增大，累積入滲量、穩(wěn)定入滲率以及濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離逐漸減小[12]，土壤平均含水率、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量及變化率逐漸減小[13]；土壤初始含水率是影響水分入滲、傳導(dǎo)和改變土壤入滲率的重要因素。已有研究表明，膜孔灌土壤入滲能力隨著土壤初始含水率的增大而減小[14-15]；隨著膜孔直徑和物理性黏粒含量的增大，膜孔灌單位膜孔面積累積入滲量逐漸減小[1,16]。范嚴(yán)偉等[17]將膜孔灌入滲量分為垂直入滲量和膜孔側(cè)滲量，并引入單位膜孔周長(zhǎng)側(cè)滲量概念，同時(shí)采用 HYDRUS-1D/3D 軟件模擬了土壤垂直一維入滲特性和膜孔入滲，提出了膜孔灌入滲量簡(jiǎn)化計(jì)算模型[18]。

黃河流域大部分是以多泥沙河流為水源的渾水灌區(qū)，由于水資源緊缺不得不引用渾水灌溉[19]，而渾水灌溉必然將泥沙挾帶至農(nóng)田，在土表形成致密層，導(dǎo)致入滲上邊界條件及性狀發(fā)生改變，減滲的同時(shí)改善土壤的耕作性，實(shí)現(xiàn)了黃河水沙資源的高效利用[20]。結(jié)合中國(guó)黃河流域灌區(qū)渾水灌溉和施肥的實(shí)際，開展施肥條件下渾水膜孔灌土壤氮素運(yùn)移轉(zhuǎn)化和水肥耦合效應(yīng)研究是一個(gè)全新的研究方向，也突出了施肥條件下渾水膜孔灌在中國(guó)研究的特色與優(yōu)勢(shì)。截至目前，尚未見到渾水膜孔灌肥液入滲條件下不同含沙率渾水對(duì)土壤水氮運(yùn)移分布特性的相關(guān)研究報(bào)道，而含沙率是渾水膜孔灌的關(guān)鍵影響因素?；诖?，本研究通過渾水膜孔灌肥液入滲試驗(yàn)，研究含沙率對(duì)土壤水氮運(yùn)移特性的影響，以期為進(jìn)一步深入探討渾水膜孔灌肥液入滲提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1　材料與方法

1.1　試驗(yàn)材料

1.2　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)5個(gè)含沙率水平，分別為：0（清水，CK）、3%、6%、9%、12%（質(zhì)量含沙率，sediment concentration，）。膜孔直徑為6 cm，土壤容重為1.30 g/cm3。硝酸銨鈣是一種氮鈣復(fù)合肥，易溶于水，補(bǔ)充作物生長(zhǎng)所需氮的同時(shí)可提高作物抵抗力。本研究選用硝酸銨鈣作供試肥料，將其溶于渾水進(jìn)行膜孔灌入滲試驗(yàn)，肥液濃度為600 mg/L。

1.3　試驗(yàn)裝置與方法

于2017年3月10日至4月20日進(jìn)行不同含沙率的膜孔灌肥液自由入滲試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置示意圖見圖1。

1.土箱 2.膜孔 3.濕潤(rùn)鋒 4.供水管 5.馬氏瓶 6.電動(dòng)機(jī) 7.轉(zhuǎn)軸 8.葉片 9.進(jìn)氣口 10.1/4膜孔

1.4　數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2010 和Surfer 11統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和繪圖。

2　結(jié)果與分析

2.1　含沙率對(duì)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移特性的影響

渾水膜孔灌肥液自由入滲過程中，垂直濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離可以更好地反映其入滲特性。圖2為不同含沙率渾水膜孔肥液自由入滲時(shí)的濕潤(rùn)鋒垂直運(yùn)移距離隨入滲時(shí)間的變化曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，相同的入滲歷時(shí)，相比對(duì)照試驗(yàn)，渾水肥液條件下的垂直濕潤(rùn)鋒距離均小于對(duì)照組；此外，含沙率越高，相應(yīng)的垂直濕潤(rùn)鋒距離越小。這是因?yàn)椋陈试酱?，泥沙在膜孔處的沉積越多，形成的致密層越厚，這在一定程度上阻滯了土壤水分的下滲。

圖2　不同含沙率條件下垂直濕潤(rùn)鋒運(yùn)移特性曲線

經(jīng)分析，不同含沙率的渾水膜孔肥液自由入滲的垂直濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離（vertical migration distance of wetting front,z）與入滲時(shí)間呈極顯著的冪函數(shù)關(guān)系

F=·t（1）

式中z為垂直濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離，cm；為入滲時(shí)間，min；、為擬合參數(shù)。

利用式（1）對(duì)圖2中的實(shí)測(cè)資料進(jìn)行擬合，結(jié)果見表1。

由表1可知，不同含沙率渾水膜孔肥液自由入滲的垂直濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離與入滲時(shí)間擬合的決定系數(shù)2均大于0.98，說明冪函數(shù)可很好地描述不同含沙率條件下的垂直濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離。此外，隨著含沙率逐漸升高，參數(shù)逐漸減小，逐漸增大。具體表現(xiàn)為：含沙率從0升高到12%，參數(shù)從2.046 0減小到0.986 4，而參數(shù)從0.265 5增大到0.347 0。通過進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)參數(shù)、與含沙率符合下列關(guān)系。

A=·0·e（2）

B=·0·e（3）

式中為含沙率，%；A、B分別為含沙率為時(shí)的擬合參數(shù)；0、0分別為清水（=0）膜孔肥液入滲時(shí)的擬合參數(shù)；為擬合參數(shù)。

按照式（2）和式（3）對(duì)表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合

A=1.055 70·e-0.064 0ρ,2=0.998 1 （4）

B=1.019 70·e0.021 0ρ,2=0.997 1 （5）

表1　垂直濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離與入滲時(shí)間關(guān)系的擬合參數(shù)

2.2　含沙率對(duì)渾水膜孔肥液入滲能力的影響

2.2.1 單位膜孔面積累積入滲量

圖3為不同渾水含沙率的膜孔肥液自由入滲時(shí)的單位膜孔面積累積入滲量曲線?？梢钥闯觯S著含沙率的增大，累積入滲量逐漸減小，即含沙率對(duì)入滲能力的減小作用越強(qiáng)。這主要是由于在入滲過程中，渾水中泥沙不斷沉積在入滲土壤表面，在膜孔內(nèi)形成一個(gè)光滑的致密層，改變了入滲的上邊界條件及性狀，使得入滲土壤表面上層變得密實(shí)，在一定程度上起到了減滲作用，表現(xiàn)為土壤導(dǎo)水能力降低，入滲量減小[22]。

圖3　不同含沙率條件下單位面積膜孔累積入滲量

采用Kostiakov入滲模型對(duì)圖3中入滲量變化過程的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合

()=·（7）

表2為式（7）的具體擬合參數(shù)，取顯著性水平為0.01，對(duì)于含有12個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的系列，其臨界相關(guān)系數(shù)（critical correlation coefficient，）為0.709 0。由表2可知，相關(guān)系數(shù)均遠(yuǎn)大于，這說明按照Kostiakov入滲模型建立的相關(guān)關(guān)系顯著。

表2　單位膜孔面積累積入滲量與入滲時(shí)間擬合參數(shù)

通過表2可以發(fā)現(xiàn)，入滲系數(shù)與入滲指數(shù)隨著含沙率的變化十分明顯。在一定范圍內(nèi)，含沙率逐漸增大時(shí)，入滲系數(shù)逐漸減小，而入滲指數(shù)基本保持不變。具體表現(xiàn)為：含沙率從0增大到12%，入滲系數(shù)從0.303 2減小到0.156 8，而入滲指數(shù)保持在0.88左右。為便于計(jì)算分析，將取為0.88。經(jīng)分析，入滲系數(shù)與含沙率的變化關(guān)系符合指數(shù)函數(shù)，按照指數(shù)關(guān)系擬合入滲系數(shù)與含沙率的變化過程得出

=0.284 1e-0.052ρ,2=0.952 2 （8）

()=0.284 1e-0.052ρ·0.880≤≤12, 0≤≤300（9）

將式（9）對(duì)求導(dǎo)，即得不同含沙率條件下的渾水膜孔肥液自由入滲的入滲率（infiltration rate，）

=0.25e-0.052ρ·t0.120≤≤12, 0≤≤300（10）

利用式（10）計(jì)算含沙率= 6%時(shí)的入滲率，并與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表3?？梢钥闯?，在含沙率= 6%條件下，利用式（10）計(jì)算得到的入滲率與試驗(yàn)值之間的相對(duì)誤差較小，均在11%以內(nèi)。這表明利用式（10）來預(yù)測(cè)西安粉壤土在不同含沙率條件下的膜孔肥液自由入滲的入滲率有可行性。

2.2.2 含沙率對(duì)減滲率的影響

單從入滲量的直接比較中，不足以反映含沙率對(duì)入滲的影響程度，因而定義渾水入滲減滲率表述含沙率對(duì)膜孔肥液自由入滲的減滲效果[23-24]。以 = 0（清水）為對(duì)照，則渾水入滲減滲率（infiltration reduction rate，）

=(0-I)/0′100% （11）

表3　入滲率計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)照(r= 6%)

圖4　不同含沙率的減滲率特性曲線

= C·t（12）

式中為擬合參數(shù)。

按照式（12）對(duì)圖4中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，具體擬合結(jié)果見表4。

表4　減滲率與入滲時(shí)間擬合參數(shù)

2.3　含沙率對(duì)濕潤(rùn)體內(nèi)土壤含水率的影響

為研究不同含沙率的渾水膜孔肥液自由入滲所得出的濕潤(rùn)體內(nèi)土壤水分分布情況，本試驗(yàn)以膜孔中心為原點(diǎn)，規(guī)定水平向左和垂直向下為正，根據(jù)實(shí)測(cè)含水率，采用Surfer 11繪制試驗(yàn)供水結(jié)束時(shí)濕潤(rùn)體內(nèi)土壤水分分布等值線圖，如圖5所示。

圖5　濕潤(rùn)體內(nèi)土壤含水率分布等值線圖

通過圖5可知，不同含沙率條件下的濕潤(rùn)體內(nèi)土壤含水率分布等值線均呈半橢圓形。土壤含水率分布等值線均隨著到膜孔中心距離的由近到遠(yuǎn)而從疏到密分布，即含水率隨著到膜孔中心距離的增加由大到小變化。濕潤(rùn)前鋒處的土壤水分主要受到土壤基質(zhì)吸力作用，在圖 5中表現(xiàn)為等值線較密集，含水率變化梯度較大。此外，含沙率增大時(shí)，伴隨著入滲沉積的泥沙越多，在土表面形成的致密層對(duì)水分下滲的阻礙作用越強(qiáng)。因此，在其他條件一定的情況下，含沙率越大，相同入滲歷時(shí)下所得出濕潤(rùn)體體積和高含水率區(qū)域越小，濕潤(rùn)體內(nèi)同一位置處土壤含水率也越小。

為更深入研究含沙率對(duì)濕潤(rùn)體內(nèi)土壤含水率的影響，分析膜孔中心垂向土壤含水率變化，如圖6所示?？梢钥闯觯煌陈蕳l件下，膜孔中心垂向土壤含水率均隨著土層深度的增加而減小。相同土壤深度，含沙率越大，對(duì)應(yīng)的含水率越小。以土壤深度5 cm為例，含沙率0、3%、6%、9%和12%處理的土壤含水率分別為26.85%、26.12%、24.88%、24.34%和21.79%，以清水作為基準(zhǔn)，含水率減幅依次為2.72%、7.34%、9.35%和18.85%。

圖6　膜孔中心垂向土壤含水率

圖7為灌水結(jié)束、再分布24和48 h的膜孔中心垂向土壤含水率。灌水結(jié)束后，濕潤(rùn)體土壤水分進(jìn)行再分布，濕潤(rùn)鋒繼續(xù)下移，濕潤(rùn)體體積擴(kuò)大，濕潤(rùn)體內(nèi)含水率發(fā)生較明顯變化。具體表現(xiàn)為：再分布24和48 h，上層含水率逐漸減小，而下層含水率逐漸增大，在整個(gè)濕潤(rùn)體內(nèi)土壤含水率趨于均勻分布。這是因?yàn)椋谠俜植歼^程中，濕潤(rùn)體以外的土壤處于吸濕狀態(tài)，在水勢(shì)梯度的作用下水分繼續(xù)運(yùn)移，形成新的濕潤(rùn)體，同時(shí)下層土壤受到上層土壤水分的補(bǔ)給，使得在再分布48 h后，濕潤(rùn)體內(nèi)土壤水分基本趨于均勻。

圖7　膜孔中心垂向土壤含水率再分布（r=3%）

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，膜孔中心垂向土壤含水率（soil moisture content，）與土壤深度呈拋物線函數(shù)關(guān)系

=·2+·+（13）

式中為土壤質(zhì)量含水率，%；為土層深度，cm；、、為擬合系數(shù)。

利用式（13）對(duì)圖7中的含水率實(shí)測(cè)值與土壤深度進(jìn)行擬合。

灌水結(jié)束：

=-0.122 62+0.200 3+39.304 0,2=0.952 0 （14）

再分布24 h：

=-0.041 92-0.028 4+21.592 0,2=0.974 6 （15）

再分布48 h：

=-0.022 52-0.109 1+16.632 0,2=0.955 3 （16）

式（14）至式（16）擬合的決定系數(shù)2均大于0.95，這說明利用式（13）可較好地描述不同含沙率渾水膜孔肥液自由入滲灌水結(jié)束及再分布24和48 h后膜孔中心垂向土壤含水率與土壤深度間的關(guān)系。

2.4　含沙率對(duì)渾水膜孔肥液入滲氮素運(yùn)移的影響

圖9　濕潤(rùn)體內(nèi)土壤再分布曲線

圖10　濕潤(rùn)體水平方向土壤含量變化曲線

3　討　論

4　結(jié)　論

本研究通過室內(nèi)膜孔入滲試驗(yàn)，對(duì)不同渾水含沙率條件下的膜孔灌肥液自由入滲特性以及濕潤(rùn)體土壤水氮運(yùn)移變化特性進(jìn)行了研究，得出以下主要結(jié)論：

1）渾水含沙率越大，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離越小，相同的入滲歷時(shí)所得出濕潤(rùn)體體積和高含水率區(qū)域越小，濕潤(rùn)體內(nèi)同一位置處土壤含水率越??；垂直濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離與入滲時(shí)間呈極顯著的冪函數(shù)關(guān)系；建立了渾水膜孔肥液自由入滲灌水結(jié)束及再分布24和48 h時(shí)膜孔中心垂向土壤含水率與土壤深度之間的拋物線經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

2）含沙率對(duì)渾水膜孔肥液自由入滲的入滲能力有較大影響。單位膜孔面積累積入滲量與入滲時(shí)間符合Kostiakov模型；隨著渾水含沙率的逐漸增大，入滲系數(shù)（infiltration coefficient）逐漸減小，入滲指數(shù)（infiltration index）基本不變；減滲率與入滲時(shí)間之間呈極顯著的冪函數(shù)關(guān)系，含沙率對(duì)減滲率的影響主要是通過對(duì)減滲系數(shù)（infiltration decay coefficient）的影響來實(shí)現(xiàn)。

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Effects of sediment concentration of muddy water on water and nitrogen transport characteristics under film hole irrigation with fertilizer infiltration

Liu Lihua, Fei Liangjun※, Chen Lin, Hao Kun

(1.710048; 2.710048)

sediment concentration; muddy water; film hole irrigation; fertilizer infiltration; water and nitrogen transport

劉利華，費(fèi)良軍，陳 琳，郝 琨.渾水含沙率對(duì)膜孔灌肥液入滲土壤水氮運(yùn)移特性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(2)：120－129. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.015 http://www.tcsae.org

Liu Lihua, Fei Liangjun, Chen Lin, Hao Kun. Effects of sediment concentration of muddy water on water and nitrogen transport characteristics under film hole irrigation with fertilizer infiltration[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(2): 120－129. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.015 http://www.tcsae.org

2019-12-09

2020-01-03

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（2016YFC0400204）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51779205、51479161）；公益性行業(yè)科研專項(xiàng)資助項(xiàng)目（201203003）

劉利華，博士生，主要從事節(jié)水灌溉理論與技術(shù)研究。Email：liulihua0712@163.com

費(fèi)良軍，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事節(jié)水灌溉理論和農(nóng)業(yè)水資源利用研究。Email：feiliangjun2008@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.015

S275.3

A

1002-6819(2020)-02-0120-10