不同肥液含量下宽垄沟灌硝态氮和铵态氮运移试验与模拟

汪顺生，燕永芳，陈春来，寇建辉，郝 丽

(1.华北水利水电大学 水利学院，河南 郑州 450046； 2.淮安市淮阴区水政监察大队，江苏 淮安 210000；3.淮安市淮阴区水利局，江苏 淮安 210000)

改革开放后，我国农田灌溉方式与以往相比有很大不同，一些新型节水灌溉技术逐渐被推广开来，但是地面灌溉在所有灌溉方式中仍占有主导地位[1-2]。经统计，目前我国97%以上灌溉面积仍为地面灌溉，且沟灌占很大比例。宽垄沟灌技术作为一种新型灌溉方式，在我国北方粮食主产区农业耕作及灌溉中广泛应用。前期国内外学者对宽垄沟灌水分运移做了大量研究，但是水肥高效利用方面仍然不够，因此需要进一步针对宽垄沟灌下氮素运移进行研究，构建完整节水节肥农业发展体系。

国内外学者对硝态氮和铵态氮运移规律进行了较多研究，PIER等[3]通过对西瓜产量和硝态氮淋失量的分析，开展了地下滴灌条件下水氮耦合研究；SKAGGS等[4]通过数值模拟对滴灌条件下水分运输特性进行研究，验证了HYDRUS-2D软件在模拟水分运输时的准确性；李京玲等[5]建立土壤水分和氮素运移模型，利用有限体积法对其求解并证明该模型在氮素运移方面精准可靠；张勇勇等[6]通过室内模拟垄沟灌施肥下土壤水分入渗及氮素运移试验，研究硝态氮和铵态氮在湿润体中的分布特征；冯晓波等[7]、费良军等[8-9]研究土壤容重和体积质量对地面灌溉中土壤水氮运移的影响，证明土壤氮素含量的增减与土壤容重和体积质量的增减成反比；刘显等[10]采用室内模拟试验，对不同灌溉方式下水氮运移特性和规律进行探究，提出不同初始含水率下氮素累积入渗量、各向湿润锋运移距离的经验模型；吴现兵等[11]、张燕等[12]研究水肥耦合作用下，不同灌水量和施氮量对硝态氮和铵态氮在土体中的分散及作物吸收的影响，得到最佳灌水施氮组合；昝鹏等[13]通过不同灌溉方式下温室水稻产量的比较，得出水稻氮素利用率在达到最佳施氮量后开始减少，为合理滴灌施氮提供了理论基础；董玉云等[14]通过膜孔灌测坑试验，研究灌溉定额对玉米生育期土壤水氮分布及产量的影响；黎会仙等[15]通过室内土柱试验，研究滴灌结束时及再分布过程中土壤水氮的运移变化规律；段文学等[16]通过改变施氮量分析旱地小麦氮素利用规律，在试验条件下找到了最佳施氮量，为旱地小麦的氮肥合理施用提供理论依据。然而关于宽垄沟灌不同肥液含量下氮素运移的研究鲜有报道。

鉴于此，通过试验及数值分析与模拟，研究不同肥液含量下氮素运移特性，建立不同肥液含量下氮素运移模型，采用HYDRUS-2D对硝态氮和铵态氮分布进行模拟，并分析模拟效果，为宽垄沟灌田间氮素的合理施用提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验区概况与试验材料

试验于2020年2—6月在华北水利水电大学河南省节水农业重点实验室进行(北纬34°50′、东经113°48′，海拔110.4 m)，该地主要为粉砂壤土，含有少量黏土，容重为1.35 g/cm3。试验区土壤特性参数见表1。

表1 土壤特性参数

试验区宽垄沟灌的沟宽、垄面规格分别为40 cm和70 cm，沟断面采用梯形形式，垄高20 cm，沟底宽20 cm，相邻两沟中距离为1.1 m，垄上种植小麦、玉米等作物。宽垄沟灌布置形式如图1。

图1 宽垄沟灌种植模式Fig.1 Wide ridge and furrow irrigation planting model

试验装置由马氏瓶和土槽组成，有机玻璃材质，长60 cm、宽6 cm、高90 cm，装置内为宽垄沟灌试验田均质土，装置侧面每隔10 cm设小孔，半径1 cm，且底部设有微小排气孔，以此模拟宽垄沟灌整个垄沟的1/2。进行试验时侧面小孔用4号塞堵塞，采用马氏瓶供水以维持沟中水位不变直至120 min后灌水结束，结束后取待测土样。宽垄沟灌灌水沟断面如图2。

图2 宽垄沟灌灌水沟断面Fig.2 Cross section of irrigation ditch with wide ridge and furrow invgation

宽垄沟灌灌水沟断面呈对称梯形，在试验和模拟中仅考虑阴影区域即ABCDEF区域内的氮素运移。GF、FA、AB、CD界面为无水边界，D点为灌水沟中心，DE边界为灌水沟沟底，BC边界为自由排水边界，灌水沟深度为H，沟中水深即压力水头h，DE和EG边界均为定水头边界。

1.2 试验设计

试验前期准备：首先，在耕地取0～30 cm耕层土壤为土样，过2.00 mm筛，然后对其进行风干、碾压等操作，并在表面均匀喷洒去离子水。以平均干容重1.35 g/cm3为准，每10 cm为单位装进土箱，并设置为试验需要的初始含水率。装完土后在土箱表面用薄膜盖住，静放24 h让含水率分散均匀。试验中测出硝态氮和铵态氮含量本底值后，采用3种不同NH4NO3肥液含量进行氮素运移研究。试验设计见表2。

试验渗透肥料为600 mg/L NH4NO3溶液，土壤初始含水率为24%，入渗时间为120 min，压力水头为10 cm，测取水平和垂直方向上硝态氮和铵态氮含量，重复3次取平均值，取样点见图3。

表2 宽垄沟灌氮素运移试验设计

1.3 测定项目与试验方法

硝态氮含量：采用KCl溶液浸提土样，并用紫外分光光度计测土样中硝态氮的含量。

铵态氮含量：使用靛酚蓝比色法进行测定。

1.4 氮素运移模拟参数

(1)水动力弥散系数

假定土壤中溶质的水动力弥散系数相同，通过阅读文献和前期试验率定[17-18]，假定土壤纵向弥散度DL=10.2 cm/h，横向弥散度DT通过纵向弥散度进行估算，取纵向弥散度的1%，DT=0.1 cm/h；自由水分子扩散系数Dw=0.089 cm/h。

(2)硝化反应动力学参数

图3 入渗试验取样点Fig.3 Sampling points for infiltration test

2 结果与分析

2.1 氮素运移试验研究

根据1.2中的设计进行试验后，在取样点测得硝态氮和铵态氮含量如图4、5所示。

从图4可看出，5、15、25、35、45、55 cm垂直方向土层深度下硝态氮含量分别为244.1、230.6、150.4、89.9、75.2、40.6 mg/kg，随着土层深度增加硝态氮含量消减83.4%；水平方向硝态氮含量分别为233.4、200.4、118.6、57.0、36.4、28.1 mg/kg，随着水平方向距离增大硝态氮含量消减88.0%，差距明显。说明随着土层深度的增加，硝态氮含量有明显的下降趋势，且表现出肥随水走的特性，到55 cm时趋势减弱，逐渐趋于本底值。

由图5可看出，5、15、25、35、45、55 cm垂直方向土层深度下铵态氮含量分别为165.5、37.1、9.7、21.3、8.1、9.7 mg/kg，随着土层深度增加铵态氮含量消减95.1%；水平方向硝态氮含量分别为165.5、40.0、16.0、9.5、8.2、7.0 mg/kg，随着水平运移距离增大铵态氮含量消减95.8%。从数据可以看出，铵态氮含量随着土层深度的增大逐渐减小，且下降速度相对于硝态氮较快，到45 cm处基本接近本底值，说明吸附作用对铵态氮的运移过程影响更大。

图4 试验取样点硝态氮含量Fig.4 Nitrate nitrogen content in test sampling points

图5 试验取样点铵态氮含量Fig.5 Ammonium nitrogen content in test sampling points

2.2 氮素运移模拟参数验证

运用HYDRUS-2D进行试验，水分参数和氮素运移参数均选用1.4中的数据。为了确定选用参数的可行性和模拟结果的精确性，对模拟结果和实际测量结果进行比较得出，本研究选用的水分参数和氮素运移参数准确性很高，为接下来运用HYDRUS-2D模拟氮素运移规律提供了理论支撑。

图6、7分别是试验累积入渗量和湿润锋与HYDRUS-2D软件模拟结果的比较。

图6 累积入渗量实测值与模拟值对比Fig.6 Comparison between measured and analog values of cumulative infiltration amount

由图6、7可知，通过HYDRUS-2D模拟获得的累积入渗量和水分入渗量均优于实际测量结果，模拟效果较好，表明HYDRUS-2D在模拟氮素运移中，土壤水分参数有很高的准确性。

图7 湿润锋实测值与模拟值对比Fig.7 Comparison between measured and analog values of wetting front

硝态氮和铵态氮含量实测值与HYDRUS-2D模拟值对比如图8、9所示。

图8 硝态氮含量实测值与模拟值对比Fig.8 Comparison between measured and analog values of nitrate nitrogen content

由图8、9可以看出，硝态氮含量实测值整体呈现线性均匀分布，铵态氮含量实测值前期较为集中，之后呈线性分布；垂直和水平方向上，模拟结果与实测值误差均在允许范围内，拟合度较高，表明HYDRUS-2D软件对于宽垄沟灌硝态氮和铵态氮运移的模拟效果较好，可靠且高度可信。

2.3 氮素运移模拟研究

2.3.1 不同肥液含量下氮素运移模型构建

2.3.1.1 假定条件 土壤中氮的转化过程较为复杂，本试验所用土样经过风干、碾压、筛选等操作后，有机质含量几乎不存在。HYDRUS-2D模拟的假设条件如下：

(1)不将温度作为氮素运移影响因素；

(2)不考虑硝化作用中间产物NO3-；

(3)假定为均质土壤，且具有各向同性的；

(4)认为土壤水为连续介质，不可压缩，且土壤骨架没有变形；

(5)由于时间原因，仅对入渗阶段氮素运移进行分析研究。

图9 铵态氮含量实测值与模拟值对比Fig.9 Comparison between measured and analog values of ammonium nitrogen content

2.3.1.2 模型建立 宽垄沟灌土壤肥液入渗属于二维入渗，HYDRUS-2D模拟过程不长，且主要对入渗阶段进行研究，因此溶质运移方程可以表示为：

(1)

(2)

(3)

(4)

ρ为土壤容重(g/cm3)；

αk为溶质在固相和液相中的分配系数(cm3/g)；

qr、qz为水平方向和垂直方向的水分通量(cm/min)；

Q、H为源汇相[mg·(cm3/min)]；

|q|为土壤水分通量绝对值(cm3)；

DL和DT为溶质在水平和垂直方向上的弥散度(cm/h)；

Dω为自由水分子扩散系数(cm2/min)；

τ为弯曲系数，采用下式表示：

(5)

2.3.1.3 定解条件 (1)初始条件 模拟土壤设定为均质土，其氮素均匀分布，初始条件为：

(6)

(2)边界条件

试验中，认为上边界FG与FA蒸发量为0，且没有降雨，没有其他溶质添加，其边界条件分别为：

(7)

(8)

由于在试验中湿润锋没有到BC下边界，因此采取第一类边界条件：

(9)

在灌水沟中AB边界是对称面，CD边界是中心，其边界条件为：

(10)

DE和EG作为灌水入渗边界，由于沟内保持水位一定，因此采用第一类边界条件：

(11)

2.3.2 模拟结果 在HYDRUS-2D运行中，采用1.2中试验设计中的观测点作为模拟观测点，分析硝态氮和铵态氮含量随时间变化情况，观测点设置见图3。

2.3.2.1 不同肥液浓度下硝态氮运移规律

(1)分布规律

入渗结束时不同肥液含量下硝态氮含量分布如图10所示。

图10 不同肥液含量下硝态氮含量分布Fig.10 Distribution of nitrate nitrogen content under different fertilizer content

由图10看出，300 mg/L肥液含量下，硝态氮含量分别为123.86、100.00、87.87、73.60、53.30 mg/kg；600 mg/L肥液含量下，硝态氮含量分别为223.96、186.29、146.42、108.45、63.62 mg/kg;900 mg/L肥液含量下，硝态氮含量分别为330.97、269.52、207.64、143.31、73.97 mg/kg。这说明在同一断面处，随着肥液含量增大，硝态氮含量也增大，表明肥液含量对硝态氮的分布有促进作用。并且距灌水沟中心D点越远，硝态氮含量的下降速度越慢，越靠近边缘，硝态氮含量越接近本底值。

(2)含量变化规律

根据模拟结果，对水平和垂直方向硝态氮含量变化进行研究，其分布如图11所示。

图11 不同肥液含量下硝态氮含量变化Fig.11 Change of nitrate nitrogen content under different fertilizer content

从图11可知，在300、600、900 mg/L的肥液含量下，初始硝态氮含量分别为130.8、261.6、392.4 mg/kg，在水平和垂直方向55 cm处，含量趋于29.3 mg/kg，分别相差77.6%、88.8%、92.5%。说明肥液含量越大，硝态氮含量的下降速率越快，距灌水沟中心D点越远，硝态氮含量越低，3种肥液含量梯度下硝态氮含量均在距沟中心D点50～60 cm处接近本底值29.3 mg/kg。由此可见，渗透过程中硝态氮随水运移较为明显，且与水分分布相似。

2.3.2.2 不同肥液含量下铵态氮运移规律

(1)分布规律

入渗结束时不同肥液含量条件下铵态氮含量分布如图12所示。

由图12可知，300 mg/L肥液含量下，铵态氮含量分别为109.60、88.37、67.18、46.01、24.83 mg/kg；600 mg/L肥液含量下，铵态氮含量分别为216.68、171.64、126.65、81.70、36.71 mg/kg；900 mg/L肥液含量下，铵态氮含量分别为323.62、254.87、186.12、117.36、48.61 mg/kg。说明铵态氮含量在同一断面处随着肥液含量增大而增大，但是从总体分布来看，由于吸附作用，大部分铵态氮停留在上层，这表明肥液含量对铵态氮分布的影响小于硝态氮。铵态氮含量等值线比硝态氮含量更密，表明铵态氮含量在入渗初期显著下降，且变化更快。

图12 不同肥液含量下铵态氮含量分布Fig.12 Distribution of ammonium nitrogen content under different fertilizer content

(2)含量变化规律

根据模拟结果，对水平和垂直方向铵态氮含量变化进行研究，如图13所示。

图13 不同肥液含量下铵态氮含量变化Fig.13 Change of ammonium nitrogen content under different fertilizer content

由图13可知，在300、600、900 mg/L的肥液含量下，初始铵态氮含量分别为130.8、261.6、392.4 mg/kg，距灌水沟中心D点和土壤深度25 cm处，铵态氮含量趋于7.7 mg/kg，分别相差94.1%、97.1%、98.0%。说明铵态氮含量在上部变化比较明显，距灌水沟中心D点越远，铵态氮含量下降越快，肥液浓度越高，变化越明显。在3种不同肥液含量下，铵态氮含量的总体变化相对一致，在水平和垂直方向上，距沟中心D点20～40 cm处都靠近本底值7.7 mg/kg，这表明铵态氮的分布主要受吸附作用影响，水的渗透作用不太显著。

3 结论与讨论

本研究运用HYDRUS-2D软件模拟不同肥液含量下硝态氮和铵态氮在宽垄沟灌中的含量与分布。试验开始前，将累计入渗量实测值和HYDRUS-2D软件模拟值进行拟合，验证HYDRUS-2D模拟试验中参数的准确性，模拟值与实测值基本一致，其结果可靠且高度可信，说明模拟参数的选取合理，可以在本研究中作为试验的辅助手段，为宽垄沟灌氮素运移研究提供技术支持。这与SKAGGS等[4]、李久生等[18]的研究结果一致。

不同肥液含量对硝态氮和铵态氮分布的影响明显。本试验中，肥液含量设置为300、600、900 mg/L，在不同肥液含量下，硝态氮的分布随肥液入渗范围的扩大逐步扩大，肥液含量越高，硝态氮含量越大，下降速率也越大。并且距沟中心D点越远，硝态氮含量的下降速度越慢。铵态氮的分布与硝态氮类似，但是从总体分布来看，由于吸附作用，大部分铵态氮停留在上层，说明肥液含量对铵态氮分布的影响小于硝态氮，这与冯晓波等[7]研究结果相似。铵态氮含量等值线较硝态氮含量更密，表明铵态氮含量降低速度较硝态氮更快，且硝态氮和铵态氮分布在垂直和水平方向变化趋势相同。

刘显等[10]在研究土壤初始含水率对硝态氮和铵态氮分布影响时，得出铵态氮不易随水分运移，硝态氮运移特性与水分相似的特性，与本研究试验结果一致，渗透过程中硝态氮随水分运移较为明显，铵态氮则受吸附作用影响较为明显。由于时间因素，本研究未考虑水分再分布的影响，再分布条件下的氮素运移特性研究可作为下一步研究重点。肥液含量越大，硝态氮含量的下降速率越快，距灌水沟中心D点越远，硝态氮含量越低，3种肥液含量梯度下硝态氮含量均在距灌水沟中心D点50～60 cm处接近本底值29.3 mg/kg。受吸附作用影响，铵态氮含量在上部变化比较明显，肥液含量越高，铵态氮含量下降速率越快，距离灌水沟中心D点越远，变化越显著，3种肥液含量梯度下铵态氮含量均在距灌水沟中心D点20～40 cm处接近本底值7.7 mg/kg。可在此结论的基础上，结合吴现兵等[11]控制施氮量及制定相应灌水方案的研究方法，探寻宽垄沟灌条件下的水肥耦合最优组合。

综上所述，本研究通过试验、理论与数值模拟相结合的方法，探寻了不同肥液含量下宽垄沟灌硝态氮和铵态氮的分布及含量变化规律，为宽垄沟灌氮素的合理施用提供了理论依据。下一步，在本研究的基础上，将结合引黄灌区农业灌溉和施肥特点，从水、肥两方面进行灌水质量评价，以提高氮肥利用率，减小氮肥深层渗漏损失对水环境的污染，开展宽垄沟灌灌水质量评价及农田水土环境效应研究，为宽垄栽培条件下适宜施肥灌水提供理论依据和技术保障，为丰富地面灌溉理论、提高水肥利用率和环境生态协调发展作出更大贡献。