灌水器埋深对红壤区涌泉根灌双点源入渗水氮运移的影响

代智光，蔡耀辉

灌水器埋深对红壤区涌泉根灌双点源入渗水氮运移的影响

代智光1，蔡耀辉2, 3*

（1.南昌工程学院 水利与生态工程学院，南昌 330099；2.西北农林科技大学 水土保持研究所，陕西 杨凌 712100；3.中国科学院水利部 水土保持研究所，陕西 杨凌 712100）

【】研究红壤区涌泉根灌双点源入渗土壤水氮运移分布规律，为提高涌泉根灌水氮利用效率和灌水器合理埋深提供理论依据。在大田通过灌水器埋深分别为30、45、60 cm的硝酸铵钙溶液入渗试验，研究了灌水器埋深对涌泉根灌双点源交汇入渗土壤的入渗能力、湿润锋运移距离、土壤水分以及铵态氮和硝态氮运移特性的影响，并建立了红壤涌泉根灌土壤累计入渗量及湿润锋运移距离与入渗历时的关系模型。灌水器埋深分别为30、45和60 cm时，红壤累计入渗量和稳定入渗率分别为18.84 L和0.035 cm/min、17.09 L和0.031 cm/min以及14.37 L和0.024 cm/min，即灌水器埋深越大，土壤的累计入渗量和稳渗率就越小，且累计入渗量与入渗历时之间均符合幂函数关系；灌水器埋深分别为30、45和60 cm时，交汇入渗发生的时间分别为168、187和197 min，交汇发生时间增幅依次为10.16%和5.56%，湿润锋运移距离随埋深的增大而减小，运移距离与入渗历时之间均符合对数函数关系，且竖直向下的运移距离均大于竖直向上；土壤含水率均随着土层深度的增加而先增加后减小，对于同一土层，灌水器处土壤含水率最大，其次为交汇面处，而距离灌水器12.5 cm处土壤含水率最小；土壤铵态氮和硝态氮均随土层深度的增加而先增加后减小，在水平方向，距离灌水器越近，铵态氮的质量浓度越大，对于硝态氮而言，灌水器埋深不同，硝态氮的分布存在明显差异。灌水器埋深对涌泉根灌双点源交汇入渗红壤的水氮运移分布均有显著影响，且埋深超过60 cm时，氮肥淋失风险较大，且对作物吸收不利。

红壤；涌泉根灌；灌水器埋深；水氮运移

0 引言

【研究意义】红壤主要分布在我国南方丘陵区，是我国重要的土壤资源之一。长期以来，红壤区季节性干旱以及红壤酸、黏、瘦等问题严重制约着当地农业的发展；涌泉根灌作为一种微灌新技术，类似于地下滴灌，其出流方式为三维柱状出流，出流面积大，抗堵塞能力强，特别适宜于红壤和根系分布相对较深的果林树灌溉[1-2]，因此，结合红壤特性，研究涌泉根灌水氮运移及分布对涌泉根灌技术在红壤区的推广应用具有重要意义。【研究进展】近年来，国内外相关学者关于涌泉根灌技术进行了大量研究，并取得了一系列成果。如刘风华等[3]研究表明，土壤体积质量越大，红壤的水分入渗能力就越弱；代智光等[4]研究了肥液质量浓度对红壤区涌泉根灌自由入渗水氮运移的影响，并建立了土壤累计入渗量及湿润锋运移距离与肥液浓度的关系模型；樊晓康等[5]研究了滴头流量、灌水量及灌水器埋深对土壤湿润体的影响，结果表明，相比灌水量，灌水器埋深对土壤入渗湿润体影响更大；张陆军等[6]研究表明，每株枣树安装2个灌水器是枣树最适宜的布置方式；刘显等[7-8]研究了肥液质量浓度和灌水器埋深对涌泉根灌自由入渗土壤水氮运移特性的影响，并建立了土壤湿润锋的运移模型。【切入点】相比单点源自由入渗，涌泉根灌双点源布置条件下作物的水肥利用效率更高，因此在生产实践中，双点源入渗的应用也最为普遍。由于双点源入渗土壤水氮分布与自由入渗存在显著差异[9-12]，而目前有关双点源入渗土壤水氮分布的研究还很少见，且灌水器埋深是影响涌泉根灌水氮运移的关键技术参数之一，对土壤的水氮分布影响明显。【拟解决的关键问题】基于此，本研究在红壤区开展涌泉根灌双点源肥液入渗试验，研究不同灌水器埋深下红壤的水氮运移特征，以期为涌泉根灌技术在红壤地区的推广应用提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在南昌工程学院校内进行（28°42′N，115°59′E）。本区域属于北半球亚热带湿润气候，年降雨量1 600～1 700 mm，主要分布在7—9月，年平均气温17.7 ℃，高温干旱，年内变化较大。试验前期在试验区随机选取3个点，采用环刀法在探坑4个侧面每隔20 cm取1次土样，测定各土层土壤颗粒级配及理化指标，其中颗粒级配采用激光粒度分析仪（MS2000型，马尔文，英国）测定，体积质量采用环刀法测定，铵态氮及硝态氮的质量浓度采用紫外/可见光光度计法（PerkinElmer，LAMBDA265）测定，土壤pH值采用PHS-3C型pH计测定，具体结果如表1所示，根据国际制标准判定各层土壤质地均为壤土。土壤粒级比例为体积分数。

表1 土壤颗粒级配及理化指标

1.2 试验设计

试验装置主要由土壤剖面、马氏瓶和灌水器组成。马氏瓶用于提供恒定水头，其内径为14 cm，高为100 cm，通过调整出口开关来控制出流流量；灌水器通过橡胶管与马氏瓶连接，其内径为4 cm，长度为20 cm，由迷宫流道段和出水段组成，均为10 cm长，其中出水段开孔率为20%，并用纱布包裹以避免土壤颗粒堵塞灌水器，具体见图1。

试验采用剖面法。在试验区选择未经扰动的天然坡面，清除表层覆土及杂草后，将剖面修整为光滑整齐的阶地，其高和宽度均为1.5 m，灌水器的孔洞布置在距台阶边缘3 cm处。结合试验区土壤导水特性，设定灌水器初始流量为2.5 L/h；肥液质量浓度为15 g/L，肥料采用硝酸铵钙（5Ca(NO3)2·NH4NO3·10H2O），对应铵态氮和硝态氮质量浓度分别为0.25、9.45 g/L。灌水器间距为50 cm，供水总时长为300 min。灌水器埋深共设置3个梯度：30、45、60 cm。按照先密后疏的原则设置时间间隔，记录马氏瓶读数；交汇入渗发生后，以灌水器底部为起点，用直尺测量交汇面处湿润锋在竖直向上和竖直向下的运移距离，供水停止后，在距离灌水器0（灌水器）、12.5 cm和25 cm（交汇面）处采用土钻法取土，带回实验室测定土壤含水率、铵态氮以及硝态氮的质量浓度。

土壤含水率采用烘干法测定，土壤铵态氮和硝态氮的质量浓度采用紫外/可见光光度计法（PerkinElmer，LAMBDA265）进行测定[13-14]。每组试验重复3次，取其平均值进行分析。

图1 试验布置及灌水器细部结构

2 结果与分析

2.1 灌水器埋深对土壤入渗能力的影响

不同灌水器埋深条件下土壤累计入渗量和入渗率见图2。由图2可知，灌水器埋深不同，土壤累计入渗量和入渗率存在较大差别，灌水结束时，灌水器埋深30、45、60 cm对应的累计入渗量分别为18.84、17.09、14.37 L，相比30 cm处理，减幅依次为9.30%和23.73%；稳渗率分别为0.035、0.031、0.024 cm/min，相比30 cm处理，减幅依次为11.43%和31.43%。可以看出，灌水器埋深越大，土壤的累计入渗量和稳渗率越小，且减幅逐渐增大。

不同灌水器埋深条件下土壤入渗能力、湿润锋运移距离及铵态氮和硝态氮质量浓度的方差分析如表1所示。由表1可知，埋深为30 cm和45 cm对应的累计入渗量和稳渗率均显著大于60 cm埋深处理，而30 cm和45 cm埋深处理之间差异不显著。

图2 不同灌水器埋深土壤累计入渗量和入渗率

表1 不同灌水器埋深条件下土壤入渗能力、湿润锋运移距离及土壤氮素质量浓度

注 不同处理间不同字母表示在＜0.05水平差异显著。

表2 不同灌水器埋深下累计入渗量与入渗历时拟合关系

注为入渗历时（min）；()为累计入渗量（L）。

为进一步研究灌水器埋深对土壤累计入渗量的影响，对土壤累计入渗量与入渗历时的关系进行了拟合，结果如表2所示。由表2可知，灌水器埋深分别为30、45、60 cm时，土壤累计入渗量与入渗历时关系拟合公式的相关系数2均大于0.05显著性水平对应的临界相关系数（0.05=0.514），这说明用表2的公式来拟合不同灌水器埋深条件下累计入渗量与入渗历时的关系是合理的，即灌水器埋深不同时，土壤累计入渗量与入渗历时之间均符合幂函数关系。

2.2 灌水器埋深对交汇面处土壤湿润锋运移的影响

交汇面处土壤湿润锋的运移距离随入渗历时的变化见图3。由图3可知，灌水器埋深分别为30、45、60 cm时，交汇入渗发生的时间分别为168、187、197 min，增幅依次为10.16%和5.56%，即灌水器埋深越大，交汇入渗发生的时间就越晚。交汇入渗发生后，交汇面处土壤肥液运动由三维变为二维，土壤湿润锋开始沿着交汇面向上和向下运移。入渗历时相同时，交汇面处湿润锋的运移距离随埋深的增大而减小，且竖直向下的运移距离均大于竖直向上方向，在灌水结束时，各处理在竖直向上湿润锋的运移距离分别为13.7、12.4、10.3 cm，而竖直向下的运移距离分别为15.8、14.4、12.1 cm。可以看出，随着灌水器埋深的增大，土壤湿润锋的运移距离就越小，且各处理在竖直向下的运移距离大于竖直向上方向。

在灌水结束时，各处理土壤湿润锋在竖直向上和竖直向下的运移距离之间存在显著差异，且30 cm埋深处理显著大于60 cm埋深，而30 cm埋深和45 cm埋深之间差异不显著（表1）。交汇面处土壤湿润锋的运移距离与入渗历时的关系拟合结果如表3所示。由表3可知，拟合公式的相关系数均在0.820以上，均大于0.05显著性水平对应的临界相关系数（0.05=0.514），这说明灌水器埋深不同时，交汇面处土壤湿润锋的运移距离与入渗历时之间均符合对数函数的变化关系。

图3 交汇面处土壤湿润锋运移距离随入渗历时变化

表3 不同灌水器埋深下湿润锋运移距离与入渗历时关系拟合

注为入渗历时（min）；()和()分别为湿润锋竖直向上和竖直向下的运移距离（cm）。

2.3 灌水器埋深对土壤水分运移特性的影响

在灌水结束时，不同灌水器埋深条件下涌泉根灌双点源入渗土壤水分的分布见图4。由图4可知，灌水结束时，在距灌水器不同位置处，土壤含水率的分布基本相同，均随着土层深度的增加呈先增加后减小的变化趋势，以灌水器处为例（0 cm），灌水器埋深分别为30、45、60 cm时，其土层最大含水率分别为32.33%、31.31%和27.82%，对应的土层分别为20～40、40～60 cm和40～60 cm。

土壤含水率在灌水器处（0 cm）最大，其次为交汇面处（25 cm），而距离灌水器12.5 cm处土壤含水率最小，这是因为在0 cm处，距离灌水器最近，因此土壤含水率也就越高，而在交汇面处（25 cm），由于土壤肥液交汇作用的影响，土壤含水率相比12.5 cm处，反而有不同程度的上升，且对浅层土壤的影响要大于深层。在生产实践中，交汇面处作物根系分布也较为集中，因此交汇入渗对作物有效利用水分较为有利。

图4 不同灌水器埋深土壤水分分布

2.4 灌水器埋深对土壤铵态氮运移的影响

灌水器埋深分别为30、45、60 cm时，距灌水器不同位置处土壤中铵态氮的分布见图5。由图5可以看出，灌水器埋深相同时，土壤中铵态氮的质量浓度均随土层深度的增加而先增加后减小。以灌水器处（0 cm）为例，灌水器埋深为30 cm时，在0～20、20～40、40～60、60～80 cm和80～100 cm内土壤铵态氮的质量浓度分别为121.11、247.74、94.36、28.12 mg/kg和21.57 mg/kg，增幅依次为104.56%、-61.91%、-70.20%和-23.29%，即距灌水器越近，铵态氮的质量浓度就越高，而在60～100 cm内，铵态氮的质量浓度急剧减小。

此外，灌水器埋深对土壤中铵态氮的水平分布影响明显。对于同一土层而言，土壤中铵态氮的质量浓度关系为：0 cm>12.5 cm>25 cm，即距离灌水器越远，铵态氮的质量浓度就越低，与自由入渗类似，说明交汇作用对铵态氮的质量浓度影响不大。

图5 不同灌水器埋深土壤铵态氮分布

2.5 灌水器埋深对土壤硝态氮运移的影响

灌水器埋深分别为30、45 cm和60 cm时，距离灌水器不同距离处土壤中硝态氮的分布见图6。由图6可知，在灌水结束时，土壤中硝态氮的分布与土壤含水率类似，灌水器埋深越小，土壤中硝态氮的平均质量浓度就越高，但土层内硝态氮分布的均匀性也越低，以灌水器处（0 cm）为例，灌水器埋深分别为30、45、60 cm，在0～40 cm内土壤中硝态氮的平均质量浓度分别为3.49、2.21和1.45 mg/kg，而在40～100 cm内土壤中硝态氮平均质量浓度分别为1.69、1.97和1.74 mg/kg，相比0～40 cm，分别下降51.58%、10.86%和-20.00%，即灌水器埋深越浅，土壤中硝态氮就越容易在浅层土壤中聚集，因此其分布也越不均匀。

灌水器埋深不同，土壤中硝态氮的水平分布也存在较大差异。当灌水器埋深为30 cm时，在20～60 cm土层内，硝态氮的质量浓度在灌水器处（0 cm）最大，交汇面处（25 cm）次之，而距灌水器12.5 cm位置处最小，灌水器埋深为45 cm时，在0～40 cm土层内，距灌水器越远，硝态氮的质量浓度就越小，而在40～80 cm土层范围内，由于湿润锋的交汇作用，相比距灌水器12.5 cm位置处，交汇面处硝态氮的质量浓度更大；当灌水器埋深为60 cm时，除了80～100 cm外，各土层硝态氮的质量浓度均表现为随距灌水器距离的增大而逐渐减小的变化趋势。

图6 不同灌水器埋深土壤硝态氮分布

3 讨论

累计入渗量和稳渗率越大，土壤的入渗能力就越强。本研究中，灌水器埋深越大，土壤的累计入渗量和稳渗率就越小，且减幅逐渐增大，与刘显等[7]在涌泉根灌单点源自由入渗的研究结果一致，这是因为随着灌水器埋深的增大，其所在土层的土壤体积质量也逐渐加大，而体积质量越大，土壤的孔隙量就越小，土壤肥液运动所受到的阻力就越大[15-17]，因此土壤累计入渗量就越小，且土壤入渗速度衰减较快，达到稳渗率历时就较短。因此，在对作物进行灌溉，当灌水器埋深较大时，应适当增加灌水时间，或者对土壤进行适当翻耕，降低土层体积质量，以保证作物的需水量。

灌水器埋深越大，土壤湿润锋的运移距离就越小，这是因为灌水器埋深较浅时，湿润锋交汇入渗就越早发生，且灌水器所在土层土壤体积质量也较小，因此土壤湿润锋的运移距离就较大[3]。此外，湿润锋运移主要是在重力势和基质势的共同作用造成的，而重力势对肥液运移的影响主要与肥液的运动方向有关，当肥液向下运动时，重力势促进了肥液的运动，而当肥液向上运移时，重力势对土壤肥液的运移起阻碍作用，因此土壤肥液在竖直向下的运移距离大于竖直向上方向。

土壤的水氮分布对作物的有效利用有直接影响，水氮分布与作物主要吸水根系分布越接近，作物对水氮的吸收利用就越容易[6]。土壤中含水率和硝态氮的分布基本一致，土壤含水率高的地方，硝态氮的质量分数就越大，而铵态氮则主要分布在灌水器附近，且相比铵态氮，交汇作用对硝态氮分布的影响更大，这是由于土壤颗粒以带负电荷为主，对带正电荷的铵态氮有较强的吸附作用，因此大量的铵根离子分布在灌水器附近，只有当灌水器附近土壤颗粒达到饱和吸附后，铵态氮才开始随土壤水分大幅迁移，因此在交汇面处，铵态氮的质量浓度最低，而硝态氮带负电荷，不易被土壤所吸附，易随土壤水分运动，因此土壤含水率高的区域硝态氮的质量浓度就较高[18-19]。此外，随着灌水器埋深的增大，80～100 cm内硝态氮的质量浓度逐渐提高，加剧了硝态氮随灌溉淋失的风险，降低了作物对氮肥的利用效率。

4 结论

1）灌水器埋深越大，土壤的累计入渗量和稳渗率越小，土壤累计入渗量与入渗历时之间符合幂函数关系。

2）灌水器埋深越大，土壤湿润锋交汇时间就越晚。入渗历时相同时，交汇面处湿润锋的运移距离随灌水器埋深的增大而减小，竖直向下的运移距离均大于竖直向上方向，且土壤湿润锋的运移距离与入渗历时之间符合对数函数关系。

3）距灌水器不同位置处，土壤含水率均随着土层深度的增加呈先增加后减小的趋势，对于相同土层而言，土壤含水率在灌水器处最大，其次为交汇面处，而距离灌水器12.5 cm处土壤含水率最小。

4）在竖直方向，土壤铵态氮和硝态氮均随土层深度的增加而先增加后减小，而在水平方向，铵态氮和硝态氮的分布存在差异，距离灌水器越近，土壤中铵态氮的质量浓度就高，而对于硝态氮而言，灌水器埋深不同，硝态氮的分布存在明显差异。

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The Effects of Depth of Subsurface Dual Emitters in Surge-root Irrigation on Water and Nitrogen Movement in Red Soil

DAI Zhiguang1, CAI Yaohui2,3*

(1. School of Hydraulic and Ecological Engineering, Nanchang Institute of Technology, Nanchang 330099, China; 2. Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A&F University, Yangling 712100, China; 3. Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, Yangling 712100, China)

【】The red soil widely distributed in hilly regions in southern China is an important soil resource, but the seasonal drought in these regions and the inherent acidity, stickiness and leanness of the red soil could impede crop growth. Surge-root irrigation (SRI) is a technology capable of ameliorating these problems and improving agricultural production in these regions. Understanding the movement of water and nitrogen in the soil under SRI is essential to improving its efficacy.【】The purpose of this paper is to experimentally study the impact of burying depth of the dual-emitters in SRI on water and nitrogen movement in the red soil in attempts to provide a guidance for improving nitrogen utilization efficiency in these regions.【】The experiment was conducted in field with calcium ammonium nitrate as the nitrogen fertilizer; the emitters were buried at depth of 30, 45, or 60 cm, respectively. For each treatment, we measured water infiltration from the emitters, movement of the wetting fronts, spatiotemporal changes in soil moisture, ammonium and nitrate, from which we derived formulae to calculate the changes in cumulative infiltration and location of the wetting front with time.【】When the emitter depth was 30, 45 and 60 cm, the cumulative infiltration and the stable infiltration rate were 18.84 L and 0.035 cm/min, 17.09 L and 0.031 cm/min, and 14.37 L and 0.024 cm/min, respectively, indicating that the deeper the emitters were, the less the cumulative infiltration and stable infiltration rate were. The cumulative infiltration increased with time in a power-law, and when the emitters depth was 30, 45 and 60 cm, the time it took the wetting fronts emanating from the two emitters to cross was 168, 187 and 197 min, respectively. The migrating distance of the wetting front increased with the buried depth of the emitters, and it was related to irrigation time logarithmically. Vertically, soil moisture content (SWC), ammonium and nitrate all increased first and then decreased. Horizontally, both SWC and ammonium were the highest in the proximity of the emitters and the lowest at a location 12.5 cm from the emitters. In contrast, the nitrate distribution varied significantly with the burying depths of the emitters.【】The burying depth of the emitters in the SRI had significant effects on water and nitrogen transport in red soils. Burying the emitters deeper than 60 cm could risk nitrogen leaching to groundwater and should be avoided.

red soil; surge-root irrigation; emitter depths; water and nitrogen transport

S275

A

10.13522/j.cnki.ggps.2020146

1672 - 3317（2021）07 - 0009 - 07

代智光, 蔡耀辉. 灌水器埋深对红壤区涌泉根灌双点源入渗水氮运移的影响[J]. 灌溉排水学报, 2021, 40(7): 9-15.

DAI Zhiguang, CAI Yaohui. The Effects of Depth of Subsurface Dual Emitters in Surge-root Irrigation on Water and Nitrogen Movement in Red Soil[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(7): 9-15.

2020-03-12

江西省教育厅研究项目（GJJ180952）；中国农科院水资源安全高效利用重点开发实验室开放基金项目（2019BB02）；江西省科技厅研究项目（20192BAB216037）

代智光（1984-），男。讲师，主要从事节水灌溉理论与新技术研究。E-mail: daizhiguang100@163.com

蔡耀辉（1991-），男。助理研究员，主要从事节水灌溉理论与新技术研究。E-mail: caiyh@nwafu.edu.cn

责任编辑：陆红飞