畦灌技术参数对灌溉施肥性能影响研究进展

张 凯，白美健，张雪萍，章少辉，史 源

（1.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；2.水利部数字孪生流域重点实验室，北京 100038；3.北京中水科工程集团有限公司，北京 100038）

畦灌是目前应用最广泛的田间灌水方法，具有成本低廉、田间工程简单和易于实施的优点，但存在田间管理粗放、灌水施肥性能普遍偏低的缺点，优化畦灌技术参数，提高灌溉施肥管理水平具有较大潜力［1－2］。国内外学者通过分析不同畦灌技术参数组合下地表水流、土壤肥料的时空分布规律，基于不同评价指标优化畦灌技术参数，为畦灌水肥高效利用提供理论基础［3－5］。

针对如何提高畦灌施肥性能研究主要有两方面：一是开展一种或多种畦灌技术参数组合的田间试验，通过分析田间试测数据，探索畦灌技术参数对施肥性能的响应规律，获得畦灌技术参数适宜阈值，其优点是结论较准确、可直接指导生产实践，缺点是试验周期较长、忽略了次要因素的影响［6－8］；二是利用现有模拟软件或改进模拟模型对不同畦灌技术参数组合进行数值模拟，获得具有较高灌溉施肥性能的畦灌技术参数组合，其优点是考虑因素较全面、试验重复性高、模拟历时较短，缺点是模型算法难以建立且模拟结果有待试验验证［9－11］。本文将对近年来畦灌水肥研究成果进行综述分析，以期为进一步开展畦灌技术参数对灌溉施肥性能的影响研究提供参考。

1 施肥性能评价指标

地面灌溉施肥过程中，肥料随水流沿畦田长度和宽度方向推进，同时向土壤入渗，由于田面各点受水时间存在差异，因此导致田面各点的施肥分布不均。如何科学合理地评价畦灌施肥性能，是优化畦灌技术参数组合、改善田间灌溉施肥管理措施的基础。国内外学者经过长期研究，基于不同评价目的提出了灌溉施肥性能评价指标［12］，目前常用的施肥评价指标为施肥均匀度和施肥效率。

1.1 施肥均匀度

施肥均匀度是较为常用的施肥性能评价指标，用于整体度量畦田内各点处的实际施肥量偏离平均施肥量的程度［13］。计算公式为

其中

式中：UCCN为施肥均匀度，%；Nav为畦田内平均施肥量，g／m；J为取样点数量；为畦田内取样点j实际施肥量与平均施肥量间的偏差；L为畦长，m；N为实际施肥量，g／m；x为沿畦长坐标，m。

图1展示了整个畦田内实际施肥量与平均施肥量间的平均偏差，即式（1）中，因此UCCN为实际施肥量与平均施肥量间的平均偏差程度。

图1 畦田各点处的实际施肥量与平均施肥量分布的比较

无论撒施或液施，畦田前部受水时间均大于畦田尾部，畦田内存在局部畦段高于或低于整个畦内平均施肥量的情况，通常采用DUHN、DUQN两个指标度量局部畦段与整个畦内平均施肥量间的偏差程度：

式中：Navh、Navq分别为整个畦长具有最低值的1／2、1／4畦段土壤有效根系层的平均施肥增量，g／m。

1.2 施肥效率

施肥效率的定义在国内还没有形成统一的认识。传统的氮肥利用率（NUE）是指作物吸收的肥料氮量占所施肥料总氮量的百分比，反映肥料中氮被被植物吸收利用的程度，被称做肥料吸收利用率或回收率（RE），但不包括氮肥的损失和残留在土壤中的氮肥部分，仅局限于氮肥施入后的当季利用率，不包括其对后季作物的效益［14］。

式中：Nrecycle为氮的回收率，%；Nresidual为收获后的根区残留氮量，kg／hm2；Ninitial为初 始根 区含 氮量，kg／hm2；Nuptake为作物吸氮量，kg／hm2；Ncontrol为对照处理即未施肥处理的作物吸氮量，kg／hm2；Napplied为作物施氮量，kg／hm2。

从农学的角度来看，国内外评价作物氮肥利用率的指标有吸收效率和生产效率。肥料的生产效率考虑氮肥吸收后的物质生产效率及向经济器官（如果实）的分配情况，如氮肥利用效率FUE指作物产量与施氮量的比值［15］。

式中：FUE为氮肥利用效率，%；Y为作物产量，kg／hm2。

对于畦灌技术参数及施肥方式对土壤中氮素分布的影响（即分析灌溉施肥后土壤中水氮分布，而不是氮肥施入后各种状态之间的转换及作物吸收对氮素转化分布的影响），普遍采用Zerihun等［13］提出的氮肥施用效率，即有效施肥量（及储存在作物有效根区的氮量）和总施氮量的比值。

式中：EaN为氮肥施用效率，%；NT为总施肥量，g／m；为畦段内作物有效根系层内的肥料增量之和，g／m；Nrz为作物有效根系层内的肥料增量，g／m。

2 畦灌技术参数对灌溉施肥性能的影响

畦灌灌溉施肥过程中，土壤质地、施肥方式、施肥时机、入畦流量和改口成数等技术参数显著影响施肥均匀度和施肥效率［3－8］，通常选取一种或几种参数的组合设置相关试验开展研究。

2.1 土壤质地对灌溉施肥性能的影响

与土壤质地有关的参数包括糙率系数以及土壤入渗等，不同的土壤类型、耕作方式以及秸秆还田等均能影响土壤质地，不同的土壤质地通过影响灌水均匀度、灌水效率进而对施肥均匀度、施肥效率产生显著影响［16－17］。

目前，我国农田耕作方式主要有翻耕、浅耕、旋耕和深松耕等，长期的传统耕作压实了底土层，导致土壤容重偏大，对土壤水分和肥料分布有一定影响，与传统耕作相比，深松耕可使0～50 cm土层土壤容重降低0.14 g／cm3，土壤孔隙度提高10%～20%，耕作方式对土壤容重、孔隙度以及土壤入渗能力的影响程度还与土壤类型有关［18－21］。深松耕可有效促进水分入渗，提升土壤对水分和肥料的储蓄能力，但随着作物生长发育进程的推进，耕作方式对土壤入渗能力的改善效应呈逐步减弱趋势［22］。

秸秆还田可降低土壤容重、提高土壤孔隙度、促进大团聚体形成，有效改善土壤理化性质，影响灌溉施肥性能［23］。有研究表明，秸秆还田可有效提高土壤的保水能力，在土壤水入渗阶段，秸秆造成土壤中毛管孔隙断头萎缩，导致秸秆隔层表现出阻水减渗效果，即“毛细阻滞”现象［24－25］；土壤水分饱和后，秸秆膨胀占据土壤孔隙，使水分在土壤的蓄积时间延长、土壤保水性提高、持水力增强［26］；针对不同土壤类型及耕作方式，采用适宜的秸秆还田量、秸秆埋深和长度，可显著提高土壤对水分和肥料的储蓄能力［27－28］。

2.2 施肥方式对灌溉施肥性能的影响

常见的施肥方式主要有撒施和液施。人工撒施是一种传统的施肥方式，操作简单、便捷且不需要安装设备，目前仍广泛应用［4］。但是，人工撒施存在明显的缺点，一方面是难以做到均匀撒施；另一方面是地面灌溉水流易对固体肥料产生冲刷，引起畦尾水流溶质浓度增大的“后翘”现象，导致肥料在田面的分布不均、利用率降低［8，29］。为提高撒施施肥均匀度，相关学者探索了由畦首至畦尾的变量撒施方式，章少辉［10］首次提出了非均匀撒施方式，定义了撒施非均匀系数USN，利用自建数值模拟系统选择撒施非均匀系数、畦长、土壤质地、入畦单宽流量和畦面微地形5个技术参数进行模拟，获得了具有较高施肥均匀度的畦灌技术参数组合，并通过田间试验进行了验证［30］。巫纾予等［31］提出了沿畦长方向逐渐递减的变量撒施方式，对比了直线递减型、抛物线递减型和均匀分布型施肥方案，结果表明直线递减型施肥方式具有较高施肥均匀度。张仙［32］提出了非满成施肥的概念，对比了只撒施至畦田前段的非满成撒施与均匀撒施方案，结果表明合理的非满成撒施具有较高的施肥均匀度。

液施是将化肥充分溶解后与灌溉水混合输入田间的施肥方式，可有效提高化肥利用效率，避免因氮素流失而引起的农田水土环境污染，成为提高水肥利用率的有效措施［6，8］，在以色列、欧美等国家得到大面积推广应用［33］。

2.3 施肥时机对灌溉施肥性能的影响

由于施肥时机和入畦流量对液施方式下土壤水氮时空分布和施肥均匀度影响显著，其田间试验主要针对这两个因素展开［34］，鉴于氮素在土壤中的各种形态转化提高了测量成本，液施试验研究常以溴化物来模拟氮素转移。Abbasi等［35］用Br－模拟硝态氮分布，开展了施肥时机（全程施肥、灌溉前半程施肥和灌溉后半程施肥）对施肥均匀度的影响研究，结果表明全程施肥、灌溉后半程施肥比灌溉前半程施肥具有相对较高的施肥均匀度。Adamsen等［36］在砂土条件下用Br－模拟硝态氮分布，开展了施肥时机（前半段、中段、后半段和全程施肥）对施肥均匀度的影响研究，结果表明前半段、全程施肥能获得较高的施肥均匀度。Playán等［37］开展了施肥时机、入畦流量（3.36、4.94、7.82 L／（s·m））和灌水时间对施肥均匀度的影响研究，结果表明较大入畦流量下在灌溉中期施肥可获得较高施肥和灌水均匀度，并指出在整个灌水过程中以恒定速率施肥能获得较高施肥均匀度。陈新国［5］开展了施肥时机（全程施肥、灌溉至畦长33%液施和灌溉至畦长66%液施）和入畦单宽流量（2、4、6 L／（s·m））对施肥均匀度的影响研究，结果表明随入畦流量增大土壤水分沿畦长分布均匀度提高，单宽流量为4 L／（s·m）时灌溉至畦长33%处具有较高的施肥均匀性。梁艳萍等［38］选取施肥时机（全程施肥、后半程施肥）和入畦流量（2、4 L／（s·m））开展了冬小麦施用尿素田间试验，结果表明入畦单宽流量为4 L／（s·m）、灌溉全程均匀施肥的方式可在冬小麦返青水和扬花水灌后2 d作物有效根系层内形成相对较高的土壤水氮空间分布均匀度。

2.4 改口成数对灌溉施肥性能的影响

改口成数（亦称改水成数）为畦灌中停止灌溉时水流推进距离与畦田长度的比值。基于改口成数的定义，田间试验通常与入畦流量或畦田长度进行组合设计。胡雅［7］选择畦长（80、120、240 m）和改口成数（7、8、9成）开展了冬小麦生长期撒施氮肥田间试验，结果表明随畦长增大硝态氮均匀度降低，灌水均匀度随改口成数增大而降低，合理的畦长和改口成数能够降低灌水本身造成的氮素损失，推荐7成改口成数和80 m畦长的组合。白美健等［39］为寻求畦灌最优关口时间，分析了不同入畦流量、平整精度、畦长和坡度共计106 176个组合，结果表明，当畦长大于70 m，田面坡度小于0.1%时，改口成数最优取值在0.80～1.00之间；当坡面坡度大于0.1%时，改口成数最优取值在0.75～0.95之间。

3 畦灌技术参数组合对灌溉施肥性能的影响

畦灌不同技术参数对施肥性能影响存在交互作用，为便于实际应用仍需采用数值模拟手段进行畦灌技术参数优化组合设计。畦灌施肥地表溶质运移模型的研究始于20世纪中期，由于畦灌过程地表水属于浅水范畴，化肥溶液沿垂向的浓度变化不明显，借助构建浅水流控制方程中的假设条件，研究者通过对对流速度与溶质浓度沿垂向积分平均，由最初描述水流中溶质对流扩散运动混合理论逐渐确立了畦灌施肥对流－弥散控制方程（ADE）［40］，Zerihun等［33］通过考虑畦灌入渗过程，得到了如下一维表达式：

式中：C为地表溶质浓度，g／m3；i为入渗率，m／min；Dx为纵向弥散系数，m2／min；h为水流深度，m；q为单宽流量，m2／min；t为时间，min。

通过耦合地面灌溉水流运动模型、饱和－非饱和带水分运移模型和地面灌溉溶质运移模型，相关学者构建了畦灌溶质运移模型。随着Karpic⁃Crockett方法、Crank⁃Nicholson有限差分格式、分裂算子方法、三次样条插值特征法等多种方法逐步应用到模型求解，畦灌溶质运移模型运行的稳定性和求解的准确性得到了较大提高［41－42］。Abbasi等［35］采用零惯量模型和对流－弥散溶质运移方程构建了一维地表施肥模型，由于畦灌和沟灌符合一维地表水流和溶质运移的假设，因此该模型应用于封闭畦灌和沟灌具有良好效果；Ebrahimian等［43］将该模型应用于交替沟灌模拟情景也取得了良好的效果。Strelkoff等［44］通过将一维零惯量模型与SRFR地表灌溉模拟模型耦合开发了地表施肥模型，该模型假设非反应性化学物质通过水流运移，且不考虑物质的混合、分散或化学扩散，其模拟结果与Perea⁃Estrada［45］采用对流－弥散模型进行渗透肥料分配模拟的结果一致。毛威［46］提出了3种保证质量守恒的区域尺度饱和－非饱和水分及溶质运移耦合方案，根据兼顾迭代效率与计算精度的耦合方案开发了区域尺度饱和－非饱和溶质运移模型，并进行了验证。Zhu等［47］构建了完全耦合的拟三维饱和－非饱和水分及溶质运移模型，该模型采用一维Richards方程描述非饱和带水分运动，将三维流速场分解为水平向二维运动和垂向一维运动，该方法收敛性较强、质量可控、结果良好，但编程及求解过程复杂，难以应用。Zhang等［48］为了较好地模拟地表水流动和溶质运移，耦合了一维全水动力学模型和带有深度平均溶质浓度的对流－弥散溶质运移方程，该模型在模拟不同施肥时机的重复施肥试验中具有较好的效果，在此基础上Xu等［49］耦合了二维全水动力学模型和对流－弥散溶质运移方程，该模型在宽畦或稻田中也有较好的应用效果。

Abbasi等［35］通过地表施肥模拟模型对畦灌技术参数进行了敏感性分析，结果表明灌溉流量、土壤入渗参数和施肥时机对肥料分布均匀度的影响较大，而肥料溶液浓度和分散系数对肥料分布均匀度的影响较小。Playán等［37］的研究表明，施肥时机和灌溉流量是影响肥料分布均匀度的关键变量，施肥时间短会导致肥料分布均匀度低。Ebrahimian等［11］通过耦合一维零惯量模型和二维对流－弥散溶质运移方程，以玉米生长季硝态氮损失量为目标函数，对灌溉流量、灌溉时间、施肥时机和施肥时长4个变量进行优化，结果表明仅通过优化施肥开始时间和持续时间，就可以减少50%的硝酸盐损失。许迪等［50］利用构建的畦灌撒施与液施溶质运移模型，通过设置不同畦长、土壤质地、畦面微地形和入畦单宽流量等畦灌技术参数组合方案，以施肥均匀度和施肥效率为评价指标，探讨了适宜的畦灌施肥技术参数组合（见表 1）。

表1 不同畦灌施肥技术参数组合及其施肥性能

4 结论和展望

畦灌技术参数对肥料溶质运移、分布和淋失有显著影响，人工撒施时采用沿畦长方向逐渐递减的变量撒施方式或非满成施肥方式，可以显著提高施肥均匀度。灌溉施肥时采用全程均匀施肥或灌溉后半程施肥，有利于提高施肥均匀度。合理的畦长、田面坡度和改口成数组合能够降低灌溉本身造成的肥料淋失，提高施肥性能。相关学者构建了适应不同应用场景的畦灌溶质运移模拟模型，基于模型的运行稳定性、准确性和计算效率进行了改进，通过数值模拟探讨了适宜的畦灌施肥技术参数组合。畦灌条件下肥料运移分布过程十分复杂，尽管相关学者从性能指标、田间试验和数值模拟等方面开展了大量的研究工作，笔者认为以下问题尚需开展进一步研究。

（1）目前，畦灌溶质运移相关模型的研究一般都采用保守型溶质溴离子进行验证，利用溴离子作为示踪剂模拟氮素运动状况和时空变化分布趋势虽然较为准确，但缺乏氮素的转化过程，与实际施用氮肥产生的效果相比仍有差异。陆垂裕等［51］研究了不同类型氮素在二维饱和－非饱和土壤中运动及转化的数学模型，概化和简化了氮素集合体划分，给出了氮素转化、对流、弥散、挥发、作物吸收、深层渗漏和矿化等转化运移方式和控制方程。对于不同溶解度或氮素形态的肥料，应当有区别地构建相应的溶质运移模型，提高模型的适用性。

（2）我国北方部分地区存在季节性冻融期，冬小麦在冬灌时施底肥后需经历冻融期，冻融情况下土壤水分的迁移、土壤水与地下水的交互作用受多种势能影响，溶质亦存在迁移转化过程，部分地区还会经历反复冻融，整体运动过程非常复杂。相关研究目前未见报道，需要进一步开展研究。

（3）目前，田间试验和数值模拟几乎均为针对单季作物优化施肥均匀度、施肥效率、作物产量等指标进行的，对于涉及多季作物施肥性能的田间试验和数值模拟未见报道。如我国北方冬小麦－夏玉米轮作区，在夏玉米生长期间，灌溉或降水量较小且分布不集中，当季施肥除了被作物吸收外大部分残留在30～60 cm土层，部分残留肥料会被下季冬小麦吸收。因此，构建适用于多季作物的溶质运移模型，从农业、环境和经济的角度分析多季作物的畦灌技术参数优化组合是未来尚需开展研究的方向。