白瑞，費良軍，陳琳，劉樂，鐘韻，李巧麗

(1. 西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，陜西 西安 710048; 2. 陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院，陜西 西安 710048)

文中在以上研究基礎(chǔ)上結(jié)合中國黃河流域特有的渾水灌溉特點，開展不同土壤容重影響下的渾水肥液入滲水氮變化規(guī)律定量研究，為有效利用渾水資源、提高灌溉質(zhì)量和氮素利用率提供理論參考.

1 試驗材料與方法

配置渾水所用泥沙取自陜西涇惠渠，風(fēng)干后過1 mm篩.供試土壤取自西安洪慶鎮(zhèn)農(nóng)田0～30 cm土層，取回后去除雜草后自然風(fēng)干過2 mm篩.利用Mastersizer 2000激光粒度分析儀測定土壤黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002～0.020 mm)、砂粒(0.020～2.000 mm)含量分別為13.56%,71.55%,14.87%.測得該土壤風(fēng)干含水率為2.93%，飽和含水率為38.36%，飽和導(dǎo)水率為0.077 cm/min，土壤硝態(tài)氮初始含量為5.6 mg/kg，銨態(tài)氮初始含量為15.31 mg/kg.

試驗采用一維垂直積水入滲方式，水頭控制在恒定3 cm.試驗設(shè)定土壤容重分別為1.30,1.35,1.40,1.45 g/cm3，每個水平設(shè)置3次重復(fù).試驗按照每層5 cm裝土于直徑8 cm、高60 cm、厚度為10 mm的有機玻璃土柱中(土柱底下設(shè)排氣孔消除氣相阻力，孔上蓋濾紙)，層間刮毛防止出現(xiàn)分層現(xiàn)象，總裝土高度為45 cm.試驗渾水含沙率定為4.18%(參考涇惠渠黃河泥沙含量4.18%)，采用改進的內(nèi)徑9 cm，高90 cm的電動馬氏瓶供水，轉(zhuǎn)動軸上帶有葉片(轉(zhuǎn)動軸直徑為1.4 cm，誤差忽略不計)，可持續(xù)攪拌防止渾水中泥沙沉淀.試驗所用肥料為山西陽煤豐喜集團生產(chǎn)的農(nóng)業(yè)用硝酸銨鈣肥，外觀為白色球狀，含氮量為15.5%，其中硝態(tài)氮占14.4%，銨態(tài)氮占1.1%，肥液濃度參考大田施肥量按照600 mg/L配置.

入滲過程中記錄每一時刻對應(yīng)的入滲量與濕潤鋒，入滲300 min后停止供水，并立即吸出水頭積水，分別在入滲結(jié)束后、再分布1,2 d后，利用土鉆沿垂直深度每隔5 cm進行取土，測定土壤含水率及硝態(tài)氮含量，其中土壤含水率采用烘干法測定，土壤硝態(tài)氮含量依據(jù)GB/T 32737—2016采用DR5000紫外分光光度計測定.

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤容重對渾水肥液累積入滲量的影響

圖1為不同土壤容重單位膜孔面積累積入滲量I隨入滲時間t變化曲線.可以看出，隨著入滲時間的推移，累積入滲量逐漸增加；同一入滲時間，隨著容重的增大，累積入滲量逐漸減小，說明容重對于肥液入滲有減滲效果.相較1.30 g/cm3容重的土壤，容重1.35，1.40，1.45 g/cm3分別減滲19.1%，32.5%和45.5%，這是因為容重較小的土壤孔隙度較大，土體疏松度較好，水分運移通道順暢，從而運移較快，在同一時間入滲水量較多.

圖1 不同土壤容重累積入滲量變化曲線

PHILIP[11]基于通過垂直入滲，通過求解級數(shù)解得出著名Philip入滲模型為

(1)

式中：I為累積入滲量，cm；t為入滲時間，min；S為吸滲率，cm/min0.5；A為穩(wěn)定入滲率，cm/min；S反映土壤前期入滲能力，對土壤入滲初期入滲率的大小起主要作用，A主要衡量土壤的滲透性能.該模型在均質(zhì)土一維垂直入滲情況下具有明確的物理意義.

利用Philip對累積入滲量和入滲時間進行擬合，結(jié)果見表1.

表1 Philip入滲模型擬合參數(shù)

隨著土壤容重ρ增加，吸滲率S和穩(wěn)滲率A均逐漸減小，且決定系數(shù)均大于0.98.經(jīng)分析，吸滲率S和穩(wěn)滲率A與土壤容重之間符合以下關(guān)系，即

S=-3.197 6r+5.026 1，R2=0.991 2，

(2)

A=0.051 8r-4.005，R2=0.995 1，

(3)

式中：r為土壤容重，g/cm3.

將式(2)—(3)代入式(1)，得到不同土壤容重肥液入滲下累積入滲量的Philip經(jīng)驗公式為

I(t)=(-3.197 6r+5.026 1)t1/2+(0.051 8r-4.005)t.

(4)

依據(jù)達到穩(wěn)定入滲率的時間，將圖1累積入滲量隨時間的變化分為2個階段，第一階段為入滲初期變化加快的非線性入滲階段，第二階段為到達穩(wěn)定入滲率時逐漸趨于穩(wěn)定的線性入滲階段，將2個階段用一條光滑的曲線表示，當(dāng)進入線性階段時，入滲率基本達到穩(wěn)定，曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折.由于非線性入滲階段水分進入土壤階段可看成孔隙不斷充水過程，參考電容充電的規(guī)律對其進行表示，對于非線性入滲階段[12]為

(5)

式中:Iq為非線性階段的累積入滲量,cm;fb為穩(wěn)滲部分的截距,cm;τ為轉(zhuǎn)折時間常數(shù),一般取達到穩(wěn)定入滲時間的1/3.

對于入滲后期的累積入滲量隨時間的變化關(guān)系為

Ih=fpt,

(6)

式中：Ih為后期的累積入滲量,cm;fp為穩(wěn)定入滲率，cm/min.

綜合式(5)—(6)可得整個入滲過程的累積入滲量與時間的關(guān)系表達式為

(7)

基于Matlab利用式(7)對實測數(shù)據(jù)進行擬合，結(jié)果見表2.由擬合結(jié)果可以看出，不同土壤容重對應(yīng)累積入滲量與入滲時間相關(guān)度較高，決定系數(shù)R2均大于0.99，均方根誤差RMSE均小于0.49 cm，說明累積入滲量與時間符合式(7)所建立的關(guān)系.

表2 電容充電模型入滲量擬合參數(shù)

對擬合結(jié)果進行分析，不同土壤容重所對應(yīng)的擬合參數(shù)fb.fp和τ與土壤容重分別呈如下關(guān)系：

fb=90.465r-9.855,R2=0.991 2,

(8)

τ=126.05r-5.314,R2=0.937 8,

(9)

fp=-0.118 4r+0.199 8,R2=0.999 8.

(10)

將式(8)—(10)代入式(7)得到土壤容重累積入滲量與入滲時間的函數(shù)關(guān)系式為

(11)

基于土壤容重為1.38 g/cm3實測數(shù)據(jù)，利用式(4),(11)對上述2種模型所建立的經(jīng)驗公式進行驗證，不同土壤容重實測值與模擬值的擬合結(jié)果如表3所示.

表3 不同土壤容重實測值與模擬值對比

根據(jù)擬合結(jié)果可以看出，根據(jù)Philip公式所建立模型模擬值與實測值相對偏差在±7%以內(nèi)，而電容充電公式模擬值與實測值相對偏差在±9%以內(nèi)，說明對于不同土壤容重一維垂直肥液入滲，Philip理論入滲模型與電容充電經(jīng)驗?zāi)Ｐ途哂休^高的精度.

2.2 不同土壤容重下濕潤鋒的運移規(guī)律

圖2為不同土壤容重濕潤鋒運移距離曲線，由圖可知，隨著時間的推移，不同容重對應(yīng)濕潤鋒運移距離Z均逐漸增大，并且前期變化較快，后期逐漸減緩.由于隨入滲時間的增加，入滲速率逐漸減小至穩(wěn)定入滲率，因此對應(yīng)濕潤鋒的推進能力逐漸減弱直至趨于穩(wěn)定；同一入滲時間下，土壤容重越大，濕潤運移越慢，入滲結(jié)束后運移的距離越短，以容重為1.30 g/cm3為基準(zhǔn)，容重1.35,1.40,1.45 g/cm3濕潤鋒減小幅度分別為17%,33%,53%.

圖2 不同土壤容重濕潤鋒運移距離變化曲線

對不同土壤容重渾水肥液入滲下的濕潤鋒曲線進行分析，結(jié)果表明濕潤鋒運移距離與入滲時間符合冪函數(shù)關(guān)系，即

Z=AtB,

(12)

式中：Z為渾水一維肥液入滲濕潤鋒運移距離,cm;A為運移系數(shù)；B為運移指數(shù).對渾水一維肥液濕潤鋒運移距離和入滲時間進行擬合，結(jié)果見表4，可以看出，隨著容重的增加，運移系數(shù)A呈現(xiàn)減小趨勢，運移指數(shù)B呈現(xiàn)增大趨勢，經(jīng)過擬合分析，系數(shù)A與容重之間呈現(xiàn)冪函數(shù)負相關(guān)關(guān)系，指數(shù)B與容重之間呈現(xiàn)對數(shù)正相關(guān)函數(shù)關(guān)系，且相關(guān)系數(shù)均達到0.99以上，表達式為

A=41.636r-13.12,R2=0.999 2,

(13)

B=1.206 8lnr+0.191 6,R2=0.996 5.

(14)

表4 濕潤鋒運移距離與入滲時間擬合結(jié)果

根據(jù)擬合結(jié)果，可以建立不同容重下的渾水肥液濕潤鋒運移距離與時間的關(guān)系式為

Z=41.636r-13.12t(1.206 8ln r+0.191 6)，0≤t≤300 min，1.30≤r≤1.45.

(15)

為驗證式(15)的可靠性，對比分析土壤容重為1.30 g/cm3的實測濕潤鋒數(shù)據(jù)與模擬濕潤鋒數(shù)據(jù)，結(jié)果見表5.

表5 濕潤鋒實測值與模擬值對比結(jié)果

從表中可以看出，土壤容重1.30 g/cm3對應(yīng)濕潤鋒模擬值與實測值相對誤差均在±9%范圍內(nèi)，說明建立的渾水肥液入滲條件下不同容重與時間垂直入滲濕潤鋒運移公式精度較好.

2.3 不同土壤容重下土壤濕潤體內(nèi)水分分布規(guī)律

圖3a為供水結(jié)束時不同容重土壤含水率θ與入滲深度Z的關(guān)系曲線，從圖中可以看出，不同容重土壤含水率均隨著入滲深度的增加逐漸減小，上層土體含水率差異較小，隨著深度的增加，減小幅度增大，并在濕潤鋒附近時降為初始土壤含水率2.93%.同一位置土壤含水率隨容重增大而減小，由于容重較大的土體相對密實，土體內(nèi)微小孔隙含量較多，當(dāng)水分進入時土壤顆粒吸水膨脹對孔隙進行填充，同時渾水?dāng)y帶的細小泥沙顆粒對孔隙有堵塞作用，導(dǎo)致土壤導(dǎo)水率降低，水分在土體內(nèi)入滲速率減小，因此對應(yīng)土壤含水率降低.

圖3 土壤含水率隨濕潤鋒運移距離變化曲線

圖3b為容重為1.30 g/cm3的土壤含水率變化曲線.可以看出，再分布過程中土壤含水率有顯著變化.表現(xiàn)為土體上層水分不斷減小，下層逐漸增大，這是由于上層土壤水勢較大，再分布過程中上層水分向下運移對下層土體進行補給，并使?jié)駶欎h深度逐漸向下推進.再分布1 ～2 d土壤含水率僅有微弱變化，說明再分布1 d后土體內(nèi)水分基本達到穩(wěn)定狀態(tài).

2.4 渾水肥液一維入滲下土體內(nèi)硝態(tài)氮運移規(guī)律

圖4a為供水結(jié)束后不同容重土壤硝態(tài)氮分布曲線，可以看出，在同一入滲時間下，不同容重的土壤硝態(tài)氮含量均隨濕潤鋒運移距離Z的增加逐漸減小，最終趨于土壤硝態(tài)氮本底值.硝態(tài)氮含量最大值出現(xiàn)在土壤表層，這是因為前300 min土壤處于充分供水階段，土壤水分入滲過程連續(xù)，上層土體含水量始終大于下層土體，當(dāng)?shù)竭_濕潤鋒邊緣處，土壤水分含量驟減，硝態(tài)氮迅速降為本底值；不同容重對土壤硝態(tài)氮含量影響不同，容重越大運移速率越緩慢，同一位置土壤硝態(tài)氮含量越小.供水結(jié)束時土壤容重為1.30，1.35，1.40和1.45 g/cm3對應(yīng)硝態(tài)氮最大值分別為56.01，53.31，49.42和47.21 mg/kg，這是因為不同容重土壤孔隙大小、含量和分布不同，導(dǎo)致肥液在土體中的運移狀態(tài)不同，容重越大，水分運移越緩慢，在相同的入滲時間下進入土體攜帶肥液量越少，因此對應(yīng)的硝態(tài)氮含量越小.

圖4 供水結(jié)束到再分布2d土壤硝態(tài)氮變化曲線

3 結(jié) 論

1) 土壤容重對渾水一維垂直肥液入滲能力有較大影響，同一入滲時間下，累積入滲量隨土壤容重的增加而減小，兩者關(guān)系均符合Philip模型和電容充電模型.

2) 濕潤鋒運移距離隨土壤容重的增大而減小；濕潤鋒運移距離與入滲時間呈冪函數(shù)關(guān)系，且運移系數(shù)A隨土壤容重的增加而減小，運移指數(shù)B反之.

3) 濕潤體內(nèi)土壤含水率隨土壤容重的增加而減小，供水結(jié)束后主要集中于上層土壤，再分布過程中水分由上至下運移，水分分布更加均勻.

4) 供水結(jié)束時不同容重土壤中硝態(tài)氮含量均隨入滲深度的增大而較小，同一深度土壤容重越大所對應(yīng)硝態(tài)氮含量越大，硝態(tài)氮整體變化趨勢與含水率分布趨勢相似；再分布2 d后土體上層硝態(tài)氮含量逐漸減小，下層含量逐漸增加，硝態(tài)氮含量在濕潤鋒處出現(xiàn)峰值，整個土體硝態(tài)氮分布更加均勻.