灌施條件下土壤氮素分布規(guī)律研究綜述

姚 穎，孫西歡，馬娟娟，郭向紅

環(huán)境污染作為一個全球性的嚴重問題，已引起各國政府和科技界的重視與關注，已有研究表明，硝態(tài)氮是造成地下水污染的主要物質(zhì)。而硝態(tài)氮的主要來源是農(nóng)田施肥后由于灌溉和降雨造成的氮素淋溶，同時，氮肥的淋溶不僅引起地下水污染也降低了氮肥的利用率。如何在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中科學地進行氮素供應，既增加作物產(chǎn)量，又減少浪費的同時降低污染是國內(nèi)外共同面臨的重要課題。國內(nèi)外許多學者對氮素運移特性進行了試驗研究和模擬，下面就從試驗和模擬兩方面論述氮素運移特性。

1 土壤中氮素的形態(tài)

土壤氮可分為有機態(tài)氮和無機態(tài)氮兩部分，二者之和成稱為全氮，其中不包含土壤空氣中的氮。無機氮又稱礦質(zhì)氮，從化學形態(tài)分為銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮，而亞硝態(tài)氮的含量少，故在報告中不提及。因硝態(tài)氮和銨態(tài)氮都是可以被植物直接吸收的，又稱有效氮和速效氮。有的文獻中把一部分無機氮和在一段時間內(nèi)由于有機氮的礦化而形成的無機氮統(tǒng)稱速效氮。銨態(tài)氮和硝態(tài)氮在轉(zhuǎn)化和移動方面有明顯不同。土壤中無機氮的存在形態(tài)與水分狀態(tài)有密切關系。

土壤有機氮是土壤氮素的主體，植物可以直接吸收某些簡單的有機氮，但是對植物的氮素營養(yǎng)來說，土壤有機氮的作用主要是通過其礦化作用轉(zhuǎn)變成無機氮后表現(xiàn)出來的。

2 氮素運移的研究現(xiàn)狀

氮素是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不可缺少的營養(yǎng)物質(zhì)，氮素的使用促進了農(nóng)作物的增產(chǎn)，但是不合理地施用氮肥對環(huán)境產(chǎn)生了負面影響，尤其是硝態(tài)氮的淋溶對地下水的污染。研究土壤氮素的運移規(guī)律，通過合理灌溉施肥，減少氮素損失，是當前土壤溶質(zhì)運移領域中研究的熱點。

2.1 影響氮分布因素研究

研究灌溉施肥條件下土壤氮素的分布規(guī)律時，要對影響氮素分布的因素進行分析。Edwards等[1]以硝酸銨為肥料進行滴灌施肥試驗，指出硝酸銨的施入導致根系附近土壤pH值減小，Al的溶性增加，使作物根系生長受到限制，影響了根系對水分和養(yǎng)分的吸收。S.K.Behera，R.K.Panda[2]通過對亞熱帶小麥不同灌溉和施肥水平下溶質(zhì)運移研究指出，在不同的施肥水平下，灌水方法對銨態(tài)氮和硝態(tài)氮在時間和深度上影響不大；在不同的灌水方法下，施肥水平對銨態(tài)氮硝態(tài)氮在時間和深度分布影響比較大；張建君，李久生等[3]對滴灌施肥灌溉條件下水分和養(yǎng)分運移的研究進展進行總結后認為，滴灌施肥灌溉條件下土壤水、氮的運移和分布主要受土壤特性、灌水器流量、肥液濃度及灌水量的影響，而灌水器周圍飽和區(qū)半徑的確定是影響土壤水分和氮素運移模擬精度的關鍵因素；董玉云等[4]通過室內(nèi)試驗，研究了肥液濃度對土壤硝態(tài)氮運移特性的影響。研究表明：不同濃度的硝態(tài)氮濃度鋒運移距離與土壤水分運動的濕潤鋒一致；肥液濃度越大，相同入滲時間土壤硝態(tài)氮濃度鋒運移距離越大，相同深度土壤硝態(tài)氮濃度越大；齊學斌、亢連強[5]研究了不同潛水埋深污水灌溉硝態(tài)氮運移實驗，研究表明，灌水量和地下水埋深對硝態(tài)氮運移分布有很大影響；曹俊[6]通過對玉米膜孔灌土壤水氮運移特性進行實驗研究，認為灌水定額是影響氮素分布的主要因素。

2.2 灌溉施肥條件下土壤氮素分布規(guī)律研究進展

近年來，節(jié)水灌溉技術有了一定的發(fā)展，但是灌溉施肥條件下的水分和溶質(zhì)運移、分布及轉(zhuǎn)化的實驗數(shù)據(jù)仍然很少[3]。

BarYosef和Sheikholslami[7]對滴灌條件下黏土和砂土中水分、硝態(tài)氮的分布進行試驗，研究表明，黏土在灌水結束后，濕潤體邊緣有硝態(tài)氮的累積，而濕潤體內(nèi)部硝態(tài)氮的濃度小于灌水中的濃度，這是范德華作用的結果。砂土中也存在類似的現(xiàn)象，不同的是，土壤溶液中的硝態(tài)氮的濃度沒有明顯小于灌溉水中的濃度，這主要是因為砂土中有機質(zhì)少，反硝化過程幾乎沒有發(fā)生；侯紅雨等[8]對溫室滴灌條件下銨態(tài)氮遷移規(guī)律進行了研究，指出銨態(tài)氮主要在擴散機理作用下進行遷移，遷移距離小，在距離滴頭附近的表層土壤中顯著聚集。吳軍虎等[9]對波涌灌溉土壤間歇入滲條件下硝態(tài)氮的運移特性進行試驗研究表明，連續(xù)入滲與間歇入滲在時間相同時，其各層入滲硝態(tài)氮的比例均隨濕潤深度增加而減小，說明灌施條件下入滲硝態(tài)氮易于保存在淺層土壤中，并且上層土壤中入滲硝態(tài)氮的比例都隨時間增加而逐步減小，下層比例略有增加；間歇入滲較連續(xù)入滲硝態(tài)氮鋒面運移速度慢，并且間歇入滲上層土壤硝態(tài)氮含量較連續(xù)入滲稍大，下層含量較?。划斶M入再分布階段后，無論是硝態(tài)氮鋒面運移變化，或是硝態(tài)氮含量的變化，其變化速度較連續(xù)入滲都小。

3 土壤中氮素運移數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外學者以土壤水動力學和溶質(zhì)運移的基本理論為指導，通過建立各種模型對土壤水氮運移分布進行了模擬，通過實驗的檢驗得到了良好的效果。

3.1 氮素分布的數(shù)值模型

土壤溶質(zhì)運移的研究始于19世紀，在實際中解決溶質(zhì)運移問題用到物理模型和數(shù)學模型。

近年來由于計算機模型技術的發(fā)展，根據(jù)不同土壤環(huán)境及研究目的的需要，建立了多種模擬模型，這些模型基本上可分為三大類：對流—彌散模型、傳輸—化學平衡模型和函數(shù)模型。之后，考慮到土壤參數(shù)的空間、時間變異性，又發(fā)展了隨機對流一彌散傳輸模型及隨機函數(shù)模型[10]。

物理模型是采用相似準則，通過建立實物體來模擬所要研究的問題。一般的模擬實驗包括參數(shù)的測定方法都屬于物理模擬。關于溶質(zhì)運移的數(shù)值模擬方法主要有：有限差分法、有限元法、二維有限分析數(shù)值解、特征有限元法、沿流線跟蹤法等。

3.2 氮素分布的數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀

程先軍、許迪[11]基于非飽和水運動理論和多孔介質(zhì)中溶質(zhì)運移的對流—彌散理論為基礎，建立地下滴灌條件下地埋點源土壤水運動和溶質(zhì)運移數(shù)學模型。

以土壤負壓水頭為因變量的柱坐標下的土壤水分運動方程為：

式中：θ——土壤體積含水率；

h——土壤負壓水頭；

r——徑向坐標；

z——垂直坐標；

t——時間；

k（h）——非飽和導水率。

土壤空隙間的溶質(zhì)運移三維軸對稱型傳輸方程為：

式中，c為土壤水溶質(zhì)濃度；qr，qz為土壤水通量在徑向和垂向方向上的分量；Drr，Dzz，Drz為水動力彌散系數(shù)張量的分量。

采用有限單元法進行求解，在確定模型輸入?yún)?shù)的基礎上，利用室內(nèi)試驗資料對模擬計算結果進行驗證，并對簡化的低頭邊界條件合理性進行檢驗。對比結果表明，模擬值與實測值吻合良好。開發(fā)的模型可用來描述地下滴灌土壤水肥運動的分布規(guī)律，可為地下滴灌系統(tǒng)的合理設計和運行提供理論依據(jù)。

此外，唐蓮[12]以再生水為例，通過建立數(shù)學模型，模擬了土壤入滲過程水分、污染物運移規(guī)律，并與實驗結果對比，結果表明，模型能較好地模擬實驗區(qū)的土壤水分、溶質(zhì)運移情況。模型的建立是用有限差分法求解對流彌散方程，采用與水分相同的計算域離散方法，形成的三對角形方程利用matlab軟件包，用迭代法編程求解。栗巖峰、李久生[13]針對不同質(zhì)地土壤中地表滴灌施肥的水分入滲特點，建立了層狀土壤地表滴灌硝態(tài)氮運移數(shù)學模型及邊界條件，并利用HYDRUS-2D軟件對模型進行求解，HYDRUS-2D軟件可以作為預測滴灌施肥灌溉條件下水分和氮素在土壤中運移的有效工具。但是對于邊界條件比較復雜的模型，HYDRUS-2D軟件就顯露出其運用的局限性。李志新、許迪[14]結合畦灌水流模擬軟件SRFR（基于畦灌水流零慣性量模型）提出一個地表溶質(zhì)運移模型。該運移模型建立在一維對流擴散公式的基礎上，采用上游加權有限差分法對對流項進行空間離散化，并應用Crank-Nicolson中央差分格式形成差分方程組進行求解。通過數(shù)值試驗對模型的數(shù)值求解結果與相應的解析解進行對比分析，結果顯示，模型的數(shù)值誤差較小，在彌散度較小的條件下仍然具有很高的精度，在畦灌地表水流溶質(zhì)運移模擬中有很強的適用性。

4 結語

國內(nèi)外學者對非飽和土壤中的氮素影響因素和分布規(guī)律進行了大量的理論與試驗研究，并得到了許多有益的規(guī)律。但是多數(shù)研究主要考慮大田常規(guī)灌溉情形或僅考慮室內(nèi)情形下的氮素轉(zhuǎn)化運移狀況，多集中于單個過程，忽視氮素轉(zhuǎn)化各個過程的相互影響。

數(shù)值模擬過程中，運用數(shù)學模型解決溶質(zhì)運移問題時，都存在假設條件過于簡單、求解過于繁瑣、實用性有限的問題?，F(xiàn)在模型通常只考慮土壤水分運動對溶質(zhì)運移的影響，而忽略反向的影響關系，即忽略了溶質(zhì)對土水勢和土壤導水率的影響。

[1] EdwardsJ.H.,BruceR.R.,HortonB.D.,ChesnessJ.L.andWehuntE.J.SoilcationanddistributionasaffectedbyNH4NO3appliedthroughadripirrigationsystem.J.Amer.Soc.Hor.Sci.1982,107(6):1142-1148.

[2] J.S.K.Behera,R.K.Panda*.Effectoffertilizationandirrigationscheduleonwaterandfertilizersolutetransportforwheat cropinasub-humidsub-tropicalregion.2009,130(6):141-155.[3] 張建軍，李久生,任理.滴灌施肥灌溉條件下土壤水氮運移的研究進展[J].灌溉排水,2002(2)：75-79.

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[5] 齊學斌，亢連強，等.不同潛水埋深污水灌溉硝態(tài)氮運移特性試驗研究[J].生態(tài)環(huán)境，2007(10)：188-196.

[6] 曹俊，費良軍，脫云飛.灌水定額對玉米膜孔灌土壤水氮運移特性影響試驗研究[J].地下水，2009(4)：99-102.

[7] Bar-YosefB,etal,Distributionofwaterandionsinsoilsirrigatedandfertilizedfromatricklesource[J].SciSocAm[J],1976(40):575-582.

[8] 侯紅雨，龐鴻賓，齊學斌，等.溫室滴灌條件下尿素轉(zhuǎn)化遷移分布規(guī)律試驗研究[J].灌溉排水學報，2003，22(6):18-23.

[9] 吳軍虎，費良軍.灌施條件下波涌灌溉土壤間歇入滲硝態(tài)氮運移特性試驗研究.灌溉排水[J]，2002，21（2）:75-79.

[10] 許秀元，陳同斌.土壤中溶質(zhì)運移模擬的理論與應用.地理學[J]，2002，17（1）:99-104.

[11] 程先軍，許迪.地下滴灌土壤水運動和溶質(zhì)運移的數(shù)學模型及驗證[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2001，17(6):1-3.

[12]唐蓮.中水灌溉條件下土壤水分與氮素運移的數(shù)值模擬[J].農(nóng)業(yè)科學研究，2009，30(3):48-51.

[13] 栗巖峰，李久生.層狀土壤滴灌水氮運移數(shù)值模擬[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水土資源高效利用理論與實踐，2008:338-347.

[14] 李志新，許迪等.畦灌施肥條件下地表水流溶質(zhì)運移模型研究[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2001，17(6):1-3.