不同肥液含量下寬壟溝灌硝態(tài)氮和銨態(tài)氮運移試驗與模擬

汪順生，燕永芳，陳春來，寇建輝，郝 麗

(1.華北水利水電大學 水利學院，河南 鄭州 450046； 2.淮安市淮陰區(qū)水政監(jiān)察大隊，江蘇 淮安 210000；3.淮安市淮陰區(qū)水利局，江蘇 淮安 210000)

改革開放后，我國農(nóng)田灌溉方式與以往相比有很大不同，一些新型節(jié)水灌溉技術逐漸被推廣開來，但是地面灌溉在所有灌溉方式中仍占有主導地位[1-2]。經(jīng)統(tǒng)計，目前我國97%以上灌溉面積仍為地面灌溉，且溝灌占很大比例。寬壟溝灌技術作為一種新型灌溉方式，在我國北方糧食主產(chǎn)區(qū)農(nóng)業(yè)耕作及灌溉中廣泛應用。前期國內(nèi)外學者對寬壟溝灌水分運移做了大量研究，但是水肥高效利用方面仍然不夠，因此需要進一步針對寬壟溝灌下氮素運移進行研究，構建完整節(jié)水節(jié)肥農(nóng)業(yè)發(fā)展體系。

國內(nèi)外學者對硝態(tài)氮和銨態(tài)氮運移規(guī)律進行了較多研究，PIER等[3]通過對西瓜產(chǎn)量和硝態(tài)氮淋失量的分析，開展了地下滴灌條件下水氮耦合研究；SKAGGS等[4]通過數(shù)值模擬對滴灌條件下水分運輸特性進行研究，驗證了HYDRUS-2D軟件在模擬水分運輸時的準確性；李京玲等[5]建立土壤水分和氮素運移模型，利用有限體積法對其求解并證明該模型在氮素運移方面精準可靠；張勇勇等[6]通過室內(nèi)模擬壟溝灌施肥下土壤水分入滲及氮素運移試驗，研究硝態(tài)氮和銨態(tài)氮在濕潤體中的分布特征；馮曉波等[7]、費良軍等[8-9]研究土壤容重和體積質(zhì)量對地面灌溉中土壤水氮運移的影響，證明土壤氮素含量的增減與土壤容重和體積質(zhì)量的增減成反比；劉顯等[10]采用室內(nèi)模擬試驗，對不同灌溉方式下水氮運移特性和規(guī)律進行探究，提出不同初始含水率下氮素累積入滲量、各向濕潤鋒運移距離的經(jīng)驗模型；吳現(xiàn)兵等[11]、張燕等[12]研究水肥耦合作用下，不同灌水量和施氮量對硝態(tài)氮和銨態(tài)氮在土體中的分散及作物吸收的影響，得到最佳灌水施氮組合；昝鵬等[13]通過不同灌溉方式下溫室水稻產(chǎn)量的比較，得出水稻氮素利用率在達到最佳施氮量后開始減少，為合理滴灌施氮提供了理論基礎；董玉云等[14]通過膜孔灌測坑試驗，研究灌溉定額對玉米生育期土壤水氮分布及產(chǎn)量的影響；黎會仙等[15]通過室內(nèi)土柱試驗，研究滴灌結束時及再分布過程中土壤水氮的運移變化規(guī)律；段文學等[16]通過改變施氮量分析旱地小麥氮素利用規(guī)律，在試驗條件下找到了最佳施氮量，為旱地小麥的氮肥合理施用提供理論依據(jù)。然而關于寬壟溝灌不同肥液含量下氮素運移的研究鮮有報道。

鑒于此，通過試驗及數(shù)值分析與模擬，研究不同肥液含量下氮素運移特性，建立不同肥液含量下氮素運移模型，采用HYDRUS-2D對硝態(tài)氮和銨態(tài)氮分布進行模擬，并分析模擬效果，為寬壟溝灌田間氮素的合理施用提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗區(qū)概況與試驗材料

試驗于2020年2—6月在華北水利水電大學河南省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點實驗室進行(北緯34°50′、東經(jīng)113°48′，海拔110.4 m)，該地主要為粉砂壤土，含有少量黏土，容重為1.35 g/cm3。試驗區(qū)土壤特性參數(shù)見表1。

表1 土壤特性參數(shù)

試驗區(qū)寬壟溝灌的溝寬、壟面規(guī)格分別為40 cm和70 cm，溝斷面采用梯形形式，壟高20 cm，溝底寬20 cm，相鄰兩溝中距離為1.1 m，壟上種植小麥、玉米等作物。寬壟溝灌布置形式如圖1。

圖1 寬壟溝灌種植模式Fig.1 Wide ridge and furrow irrigation planting model

試驗裝置由馬氏瓶和土槽組成，有機玻璃材質(zhì)，長60 cm、寬6 cm、高90 cm，裝置內(nèi)為寬壟溝灌試驗田均質(zhì)土，裝置側面每隔10 cm設小孔，半徑1 cm，且底部設有微小排氣孔，以此模擬寬壟溝灌整個壟溝的1/2。進行試驗時側面小孔用4號塞堵塞，采用馬氏瓶供水以維持溝中水位不變直至120 min后灌水結束，結束后取待測土樣。寬壟溝灌灌水溝斷面如圖2。

圖2 寬壟溝灌灌水溝斷面Fig.2 Cross section of irrigation ditch with wide ridge and furrow invgation

寬壟溝灌灌水溝斷面呈對稱梯形，在試驗和模擬中僅考慮陰影區(qū)域即ABCDEF區(qū)域內(nèi)的氮素運移。GF、FA、AB、CD界面為無水邊界，D點為灌水溝中心，DE邊界為灌水溝溝底，BC邊界為自由排水邊界，灌水溝深度為H，溝中水深即壓力水頭h，DE和EG邊界均為定水頭邊界。

1.2 試驗設計

試驗前期準備：首先，在耕地取0～30 cm耕層土壤為土樣，過2.00 mm篩，然后對其進行風干、碾壓等操作，并在表面均勻噴灑去離子水。以平均干容重1.35 g/cm3為準，每10 cm為單位裝進土箱，并設置為試驗需要的初始含水率。裝完土后在土箱表面用薄膜蓋住，靜放24 h讓含水率分散均勻。試驗中測出硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量本底值后，采用3種不同NH4NO3肥液含量進行氮素運移研究。試驗設計見表2。

試驗滲透肥料為600 mg/L NH4NO3溶液，土壤初始含水率為24%，入滲時間為120 min，壓力水頭為10 cm，測取水平和垂直方向上硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量，重復3次取平均值，取樣點見圖3。

表2 寬壟溝灌氮素運移試驗設計

1.3 測定項目與試驗方法

硝態(tài)氮含量：采用KCl溶液浸提土樣，并用紫外分光光度計測土樣中硝態(tài)氮的含量。

銨態(tài)氮含量：使用靛酚藍比色法進行測定。

1.4 氮素運移模擬參數(shù)

(1)水動力彌散系數(shù)

假定土壤中溶質(zhì)的水動力彌散系數(shù)相同，通過閱讀文獻和前期試驗率定[17-18]，假定土壤縱向彌散度DL=10.2 cm/h，橫向彌散度DT通過縱向彌散度進行估算，取縱向彌散度的1%，DT=0.1 cm/h；自由水分子擴散系數(shù)Dw=0.089 cm/h。

(2)硝化反應動力學參數(shù)

圖3 入滲試驗取樣點Fig.3 Sampling points for infiltration test

2 結果與分析

2.1 氮素運移試驗研究

根據(jù)1.2中的設計進行試驗后，在取樣點測得硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量如圖4、5所示。

從圖4可看出，5、15、25、35、45、55 cm垂直方向土層深度下硝態(tài)氮含量分別為244.1、230.6、150.4、89.9、75.2、40.6 mg/kg，隨著土層深度增加硝態(tài)氮含量消減83.4%；水平方向硝態(tài)氮含量分別為233.4、200.4、118.6、57.0、36.4、28.1 mg/kg，隨著水平方向距離增大硝態(tài)氮含量消減88.0%，差距明顯。說明隨著土層深度的增加，硝態(tài)氮含量有明顯的下降趨勢，且表現(xiàn)出肥隨水走的特性，到55 cm時趨勢減弱，逐漸趨于本底值。

由圖5可看出，5、15、25、35、45、55 cm垂直方向土層深度下銨態(tài)氮含量分別為165.5、37.1、9.7、21.3、8.1、9.7 mg/kg，隨著土層深度增加銨態(tài)氮含量消減95.1%；水平方向硝態(tài)氮含量分別為165.5、40.0、16.0、9.5、8.2、7.0 mg/kg，隨著水平運移距離增大銨態(tài)氮含量消減95.8%。從數(shù)據(jù)可以看出，銨態(tài)氮含量隨著土層深度的增大逐漸減小，且下降速度相對于硝態(tài)氮較快，到45 cm處基本接近本底值，說明吸附作用對銨態(tài)氮的運移過程影響更大。

圖4 試驗取樣點硝態(tài)氮含量Fig.4 Nitrate nitrogen content in test sampling points

圖5 試驗取樣點銨態(tài)氮含量Fig.5 Ammonium nitrogen content in test sampling points

2.2 氮素運移模擬參數(shù)驗證

運用HYDRUS-2D進行試驗，水分參數(shù)和氮素運移參數(shù)均選用1.4中的數(shù)據(jù)。為了確定選用參數(shù)的可行性和模擬結果的精確性，對模擬結果和實際測量結果進行比較得出，本研究選用的水分參數(shù)和氮素運移參數(shù)準確性很高，為接下來運用HYDRUS-2D模擬氮素運移規(guī)律提供了理論支撐。

圖6、7分別是試驗累積入滲量和濕潤鋒與HYDRUS-2D軟件模擬結果的比較。

圖6 累積入滲量實測值與模擬值對比Fig.6 Comparison between measured and analog values of cumulative infiltration amount

由圖6、7可知，通過HYDRUS-2D模擬獲得的累積入滲量和水分入滲量均優(yōu)于實際測量結果，模擬效果較好，表明HYDRUS-2D在模擬氮素運移中，土壤水分參數(shù)有很高的準確性。

圖7 濕潤鋒實測值與模擬值對比Fig.7 Comparison between measured and analog values of wetting front

硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量實測值與HYDRUS-2D模擬值對比如圖8、9所示。

圖8 硝態(tài)氮含量實測值與模擬值對比Fig.8 Comparison between measured and analog values of nitrate nitrogen content

由圖8、9可以看出，硝態(tài)氮含量實測值整體呈現(xiàn)線性均勻分布，銨態(tài)氮含量實測值前期較為集中，之后呈線性分布；垂直和水平方向上，模擬結果與實測值誤差均在允許范圍內(nèi)，擬合度較高，表明HYDRUS-2D軟件對于寬壟溝灌硝態(tài)氮和銨態(tài)氮運移的模擬效果較好，可靠且高度可信。

2.3 氮素運移模擬研究

2.3.1 不同肥液含量下氮素運移模型構建

2.3.1.1 假定條件 土壤中氮的轉(zhuǎn)化過程較為復雜，本試驗所用土樣經(jīng)過風干、碾壓、篩選等操作后，有機質(zhì)含量幾乎不存在。HYDRUS-2D模擬的假設條件如下：

(1)不將溫度作為氮素運移影響因素；

(2)不考慮硝化作用中間產(chǎn)物NO3-；

(3)假定為均質(zhì)土壤，且具有各向同性的；

(4)認為土壤水為連續(xù)介質(zhì)，不可壓縮，且土壤骨架沒有變形；

(5)由于時間原因，僅對入滲階段氮素運移進行分析研究。

圖9 銨態(tài)氮含量實測值與模擬值對比Fig.9 Comparison between measured and analog values of ammonium nitrogen content

2.3.1.2 模型建立 寬壟溝灌土壤肥液入滲屬于二維入滲，HYDRUS-2D模擬過程不長，且主要對入滲階段進行研究，因此溶質(zhì)運移方程可以表示為：

(1)

(2)

(3)

(4)

ρ為土壤容重(g/cm3)；

αk為溶質(zhì)在固相和液相中的分配系數(shù)(cm3/g)；

qr、qz為水平方向和垂直方向的水分通量(cm/min)；

Q、H為源匯相[mg·(cm3/min)]；

|q|為土壤水分通量絕對值(cm3)；

DL和DT為溶質(zhì)在水平和垂直方向上的彌散度(cm/h)；

Dω為自由水分子擴散系數(shù)(cm2/min)；

τ為彎曲系數(shù)，采用下式表示：

(5)

2.3.1.3 定解條件 (1)初始條件 模擬土壤設定為均質(zhì)土，其氮素均勻分布，初始條件為：

(6)

(2)邊界條件

試驗中，認為上邊界FG與FA蒸發(fā)量為0，且沒有降雨，沒有其他溶質(zhì)添加，其邊界條件分別為：

(7)

(8)

由于在試驗中濕潤鋒沒有到BC下邊界，因此采取第一類邊界條件：

(9)

在灌水溝中AB邊界是對稱面，CD邊界是中心，其邊界條件為：

(10)

DE和EG作為灌水入滲邊界，由于溝內(nèi)保持水位一定，因此采用第一類邊界條件：

(11)

2.3.2 模擬結果 在HYDRUS-2D運行中，采用1.2中試驗設計中的觀測點作為模擬觀測點，分析硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量隨時間變化情況，觀測點設置見圖3。

2.3.2.1 不同肥液濃度下硝態(tài)氮運移規(guī)律

(1)分布規(guī)律

入滲結束時不同肥液含量下硝態(tài)氮含量分布如圖10所示。

圖10 不同肥液含量下硝態(tài)氮含量分布Fig.10 Distribution of nitrate nitrogen content under different fertilizer content

由圖10看出，300 mg/L肥液含量下，硝態(tài)氮含量分別為123.86、100.00、87.87、73.60、53.30 mg/kg；600 mg/L肥液含量下，硝態(tài)氮含量分別為223.96、186.29、146.42、108.45、63.62 mg/kg;900 mg/L肥液含量下，硝態(tài)氮含量分別為330.97、269.52、207.64、143.31、73.97 mg/kg。這說明在同一斷面處，隨著肥液含量增大，硝態(tài)氮含量也增大，表明肥液含量對硝態(tài)氮的分布有促進作用。并且距灌水溝中心D點越遠，硝態(tài)氮含量的下降速度越慢，越靠近邊緣，硝態(tài)氮含量越接近本底值。

(2)含量變化規(guī)律

根據(jù)模擬結果，對水平和垂直方向硝態(tài)氮含量變化進行研究，其分布如圖11所示。

圖11 不同肥液含量下硝態(tài)氮含量變化Fig.11 Change of nitrate nitrogen content under different fertilizer content

從圖11可知，在300、600、900 mg/L的肥液含量下，初始硝態(tài)氮含量分別為130.8、261.6、392.4 mg/kg，在水平和垂直方向55 cm處，含量趨于29.3 mg/kg，分別相差77.6%、88.8%、92.5%。說明肥液含量越大，硝態(tài)氮含量的下降速率越快，距灌水溝中心D點越遠，硝態(tài)氮含量越低，3種肥液含量梯度下硝態(tài)氮含量均在距溝中心D點50～60 cm處接近本底值29.3 mg/kg。由此可見，滲透過程中硝態(tài)氮隨水運移較為明顯，且與水分分布相似。

2.3.2.2 不同肥液含量下銨態(tài)氮運移規(guī)律

(1)分布規(guī)律

入滲結束時不同肥液含量條件下銨態(tài)氮含量分布如圖12所示。

由圖12可知，300 mg/L肥液含量下，銨態(tài)氮含量分別為109.60、88.37、67.18、46.01、24.83 mg/kg；600 mg/L肥液含量下，銨態(tài)氮含量分別為216.68、171.64、126.65、81.70、36.71 mg/kg；900 mg/L肥液含量下，銨態(tài)氮含量分別為323.62、254.87、186.12、117.36、48.61 mg/kg。說明銨態(tài)氮含量在同一斷面處隨著肥液含量增大而增大，但是從總體分布來看，由于吸附作用，大部分銨態(tài)氮停留在上層，這表明肥液含量對銨態(tài)氮分布的影響小于硝態(tài)氮。銨態(tài)氮含量等值線比硝態(tài)氮含量更密，表明銨態(tài)氮含量在入滲初期顯著下降，且變化更快。

圖12 不同肥液含量下銨態(tài)氮含量分布Fig.12 Distribution of ammonium nitrogen content under different fertilizer content

(2)含量變化規(guī)律

根據(jù)模擬結果，對水平和垂直方向銨態(tài)氮含量變化進行研究，如圖13所示。

圖13 不同肥液含量下銨態(tài)氮含量變化Fig.13 Change of ammonium nitrogen content under different fertilizer content

由圖13可知，在300、600、900 mg/L的肥液含量下，初始銨態(tài)氮含量分別為130.8、261.6、392.4 mg/kg，距灌水溝中心D點和土壤深度25 cm處，銨態(tài)氮含量趨于7.7 mg/kg，分別相差94.1%、97.1%、98.0%。說明銨態(tài)氮含量在上部變化比較明顯，距灌水溝中心D點越遠，銨態(tài)氮含量下降越快，肥液濃度越高，變化越明顯。在3種不同肥液含量下，銨態(tài)氮含量的總體變化相對一致，在水平和垂直方向上，距溝中心D點20～40 cm處都靠近本底值7.7 mg/kg，這表明銨態(tài)氮的分布主要受吸附作用影響，水的滲透作用不太顯著。

3 結論與討論

本研究運用HYDRUS-2D軟件模擬不同肥液含量下硝態(tài)氮和銨態(tài)氮在寬壟溝灌中的含量與分布。試驗開始前，將累計入滲量實測值和HYDRUS-2D軟件模擬值進行擬合，驗證HYDRUS-2D模擬試驗中參數(shù)的準確性，模擬值與實測值基本一致，其結果可靠且高度可信，說明模擬參數(shù)的選取合理，可以在本研究中作為試驗的輔助手段，為寬壟溝灌氮素運移研究提供技術支持。這與SKAGGS等[4]、李久生等[18]的研究結果一致。

不同肥液含量對硝態(tài)氮和銨態(tài)氮分布的影響明顯。本試驗中，肥液含量設置為300、600、900 mg/L，在不同肥液含量下，硝態(tài)氮的分布隨肥液入滲范圍的擴大逐步擴大，肥液含量越高，硝態(tài)氮含量越大，下降速率也越大。并且距溝中心D點越遠，硝態(tài)氮含量的下降速度越慢。銨態(tài)氮的分布與硝態(tài)氮類似，但是從總體分布來看，由于吸附作用，大部分銨態(tài)氮停留在上層，說明肥液含量對銨態(tài)氮分布的影響小于硝態(tài)氮，這與馮曉波等[7]研究結果相似。銨態(tài)氮含量等值線較硝態(tài)氮含量更密，表明銨態(tài)氮含量降低速度較硝態(tài)氮更快，且硝態(tài)氮和銨態(tài)氮分布在垂直和水平方向變化趨勢相同。

劉顯等[10]在研究土壤初始含水率對硝態(tài)氮和銨態(tài)氮分布影響時，得出銨態(tài)氮不易隨水分運移，硝態(tài)氮運移特性與水分相似的特性，與本研究試驗結果一致，滲透過程中硝態(tài)氮隨水分運移較為明顯，銨態(tài)氮則受吸附作用影響較為明顯。由于時間因素，本研究未考慮水分再分布的影響，再分布條件下的氮素運移特性研究可作為下一步研究重點。肥液含量越大，硝態(tài)氮含量的下降速率越快，距灌水溝中心D點越遠，硝態(tài)氮含量越低，3種肥液含量梯度下硝態(tài)氮含量均在距灌水溝中心D點50～60 cm處接近本底值29.3 mg/kg。受吸附作用影響，銨態(tài)氮含量在上部變化比較明顯，肥液含量越高，銨態(tài)氮含量下降速率越快，距離灌水溝中心D點越遠，變化越顯著，3種肥液含量梯度下銨態(tài)氮含量均在距灌水溝中心D點20～40 cm處接近本底值7.7 mg/kg。可在此結論的基礎上，結合吳現(xiàn)兵等[11]控制施氮量及制定相應灌水方案的研究方法，探尋寬壟溝灌條件下的水肥耦合最優(yōu)組合。

綜上所述，本研究通過試驗、理論與數(shù)值模擬相結合的方法，探尋了不同肥液含量下寬壟溝灌硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的分布及含量變化規(guī)律，為寬壟溝灌氮素的合理施用提供了理論依據(jù)。下一步，在本研究的基礎上，將結合引黃灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉和施肥特點，從水、肥兩方面進行灌水質(zhì)量評價，以提高氮肥利用率，減小氮肥深層滲漏損失對水環(huán)境的污染，開展寬壟溝灌灌水質(zhì)量評價及農(nóng)田水土環(huán)境效應研究，為寬壟栽培條件下適宜施肥灌水提供理論依據(jù)和技術保障，為豐富地面灌溉理論、提高水肥利用率和環(huán)境生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展作出更大貢獻。