溝灌肥液入滲硝態(tài)氮運(yùn)移特性數(shù)值模擬及影響因素分析

聶坤堃，聶衛(wèi)波，白清俊

溝灌肥液入滲硝態(tài)氮運(yùn)移特性數(shù)值模擬及影響因素分析

聶坤堃，聶衛(wèi)波※，白清俊

（西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，西安 710048）

為探明溝灌肥液（硝酸鉀，KNO3）入滲特性，選取楊凌區(qū)砂壤土和黏壤土作為供試土壤，以室內(nèi)試驗(yàn)資料為基礎(chǔ)，對不同肥液濃度條件下的土壤水力特性參數(shù)與溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)進(jìn)行了反演，并模擬分析了不同因素對溝灌肥液入滲過程中硝態(tài)氮（NO3--N）的運(yùn)移規(guī)律。結(jié)果表明：肥液濃度變化對土壤水力特性參數(shù)有一定的影響，其中土壤飽和含水率θ、形狀系數(shù)、飽和導(dǎo)水率K隨肥液濃度的增大呈增加趨勢，但進(jìn)氣吸力倒數(shù)值則呈現(xiàn)減小趨勢；采用反演所得參數(shù)對溝灌肥液入滲過程進(jìn)行了模擬，其中不同位置處土壤水分和NO3--N模擬值與實(shí)測值相對誤差絕對值均值最高分別為6.52%和11.49%，說明反演所得土壤水力特性參數(shù)和溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)是可靠的；土壤初始含水率和肥液濃度對NO3--N分布的影響較顯著，其中NO3--N分布范圍隨著土壤初始含水率和肥液濃度的增大而增大；溝中水深和溝底寬對NO3--N豎直向分布影響較小，但對水平向分布影響較大，其水平向分布范圍隨著溝中水深和溝底寬的增大而增大。研究結(jié)果可為農(nóng)田溝灌施肥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與管理提供理論依據(jù)。

肥料；灌溉；入滲；數(shù)值反演；溶質(zhì)運(yùn)移

0 引 言

灌溉施肥是將化肥充分溶解后與灌溉水混合引入田間的施肥技術(shù)，與傳統(tǒng)（化肥）撒施技術(shù)比較，其在一定程度上提高了化肥利用率，降低了養(yǎng)分流失引起的農(nóng)田土壤生態(tài)環(huán)境污染風(fēng)險[1-2]。隨著地面灌溉理論體系的不斷發(fā)展與完善，灌溉施肥技術(shù)逐步與畦溝灌等地面灌水技術(shù)相結(jié)合，并在歐美等發(fā)達(dá)國家有著較為普遍的應(yīng)用[3-4]。Zerihun等[5]構(gòu)建了畦灌施肥地表-土壤水肥運(yùn)移耦合模型，并結(jié)合田間試驗(yàn)對模型求解結(jié)果的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證，為畦灌施肥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和管理提供了基礎(chǔ)；白美健等[6]對畦灌撒施與液施（硫酸銨）土壤中氮素時空分布特征進(jìn)行了分析，結(jié)果表明液施能明顯改善灌后土壤氮素空間分布均勻性，更有利于田間尺度的水肥管理；Ebrahimian等[7]模擬了常規(guī)溝灌和交替溝灌施肥技術(shù)下的土壤水肥運(yùn)移過程，結(jié)果表明交替溝灌施肥可有效減少水肥損失；高劍民等[8]以大田畦灌施肥試驗(yàn)為基礎(chǔ)，分析了不同液施模式下土壤水氮空間分布特征，提出了研究區(qū)域合理的畦灌施肥技術(shù)要素組合；上述研究為地面灌溉施肥技術(shù)的推廣應(yīng)用提供了基礎(chǔ)，但較少分析不同因素對土壤濕潤體中水肥運(yùn)移特性的影響。針對該問題，部分學(xué)者以土壤肥液入滲試驗(yàn)為基礎(chǔ)，分析了不同因素對土壤濕潤體中水肥（如硝態(tài)氮、銨態(tài)氮等）運(yùn)移特性的影響，并建立了考慮氮素影響的土壤累積入滲量、濕潤體內(nèi)含水率、硝態(tài)氮（NO3--N）和銨態(tài)氮（NH4+-N）分布，以及濕潤鋒運(yùn)移距離等多種形式的計(jì)算模型[9-12]。采用試驗(yàn)研究方法雖然在一定程度上揭示了土壤水肥運(yùn)移規(guī)律，但費(fèi)時費(fèi)力，且研究成果大多在特定的條件下得出，使其研究成果具有一定的局限性。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)值模擬方法被廣泛用于土壤水肥運(yùn)移特性的研究中，如馮紹元等[13]根據(jù)土壤水動力學(xué)原理，對一維非飽和土壤中NH4+-N的運(yùn)移過程進(jìn)行了模擬，并與實(shí)測值進(jìn)行了比較，結(jié)果表明土壤含水率模擬值與實(shí)測值相對誤差最大為7.1%，NH4+-N含量的相對誤差最大為19.5%；李久生等[14]模擬分析了黏壤土和砂壤土滴灌條件下土壤水分和NO3--N運(yùn)移特性，并采用肥液入滲試驗(yàn)對模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明模擬值與實(shí)測值一致性較好；Zerihun等[15-16]建立了畦灌施肥條件下土壤水流與溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)學(xué)模型，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證，所建模型能夠較精確的模擬畦灌條件下土壤剖面水流和溶質(zhì)運(yùn)移過程；Doltra等[17]模擬了滴灌施肥條件下土壤中NO3--N運(yùn)移過程，結(jié)果表明土壤NO3--N含量模擬值與實(shí)測值相關(guān)系數(shù)均不低于0.76；脫云飛等[18]對膜孔肥液自由入滲條件下土壤水氮運(yùn)移轉(zhuǎn)化進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明模擬值與實(shí)測值基本一致；Wang等[19]模擬了不同滴灌均勻度和降雨強(qiáng)度下的土壤水分和NO3--N運(yùn)移特性，結(jié)果表明模擬結(jié)果能夠較好的反映田間水分和NO3--N運(yùn)移過程；Tan等[20]模擬了稻田土壤水分、NO3--N和NH4+-N的運(yùn)移特性，并與實(shí)測值進(jìn)行了對比分析，結(jié)果表明兩者基本一致；黎會仙等[21]對滴灌條件下土壤水氮運(yùn)移過程進(jìn)行了模擬分析，其土壤含水率模擬值與實(shí)測值的相對誤差變化在10%以內(nèi)，NH4+-N、NO3--N質(zhì)量濃度的模擬值與實(shí)測值變化范圍在20%以內(nèi)；由此說明數(shù)值模擬方法可用于土壤肥液入滲特性研究，且具有較高的模擬精度，但以往研究主要集中在一維入滲和點(diǎn)源入滲方面，較少涉及溝灌二維土壤肥液入滲特性研究。由于溝灌施肥過程中不同位置處的土壤毛管力和重力作用為非線性關(guān)系，且受到土壤物理性質(zhì)和不同灌水施肥技術(shù)要素影響，使得各點(diǎn)土壤肥液入滲的水勢梯度不同，導(dǎo)致了問題研究的復(fù)雜性?；诖耍疚囊詼瞎喾室海ㄏ跛徕?，KNO3）入滲試驗(yàn)為基礎(chǔ)，采用數(shù)值反演方法估算不同肥液濃度條件下的土壤水力特性參數(shù)與溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)，并模擬分析土壤質(zhì)地、土壤初始含水率、肥液濃度、溝中水深和溝底寬等因素對溝灌肥液入滲過程中NO3--N運(yùn)移特性，以期為農(nóng)田溝灌施肥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)土壤條件

供試土樣取自陜西省楊凌區(qū)。楊凌區(qū)地形從南至北分為3級階地，其中1級階地海拔420～430 m，土壤質(zhì)地（國際制）為砂壤土，2、3級階地海拔分別為450～485和515～540 m，土壤質(zhì)地為黏壤土。根據(jù)楊凌區(qū)地形地貌特征，在1級階地和3級階地典型農(nóng)田采集土樣，取土深度為0～60 cm，將采集的土樣風(fēng)干后測定含水率（烘干法）；采用Mastersizer 2000激光粒度儀測定土樣顆粒組成，同時測定土壤中NO3--N含量，結(jié)果見表1。

表1 供試土壤特性參數(shù)

硝酸鉀（KNO3）是一種鉀氮復(fù)合肥，具有物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，可同時補(bǔ)充作物生長過程中所需的鉀和氮等優(yōu)點(diǎn)，因此在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用，故本文選用KNO3作為供試肥料，將其溶于水中進(jìn)行溝灌肥液入滲試驗(yàn)，KNO3易溶于水，且為強(qiáng)電解質(zhì)，在水中能夠完全電離，故KNO3溶液中鉀離子（K+）和硝酸根（NO3-）的比值為39：62。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果反演不同肥液濃度條件下的土壤水力特性參數(shù)和溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)，并采用數(shù)值模擬方法分析溝灌肥液入滲過程中硝態(tài)氮運(yùn)移特性。已有文獻(xiàn)[22-24]研究表明，楊凌區(qū)1級階地和3級階地土壤容重分別為1.40～1.50 和1.30～1.40 g/cm3，故本文試驗(yàn)過程中對砂壤土和黏壤土各設(shè)計(jì)3個容重水平，分別為1.40、1.45、1.50 g/cm3和1.30、1.35、1.40 g/cm3。綜和考慮前人研究過程中所設(shè)置的肥液濃度范圍[25-28]，結(jié)合文中試驗(yàn)研究目的，KNO3質(zhì)量濃度設(shè)置3個水平，即分別為250、600、900 mg/L；同時選取溝中水深、初始含水率等因素進(jìn)行溝灌肥液入滲試驗(yàn)（表2）。

表2 溝灌肥液入滲試驗(yàn)設(shè)計(jì)

注：“*”為土壤水力特性參數(shù)和溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)反演結(jié)果驗(yàn)證試驗(yàn)，其余試驗(yàn)用于反演土壤水力特性參數(shù)和溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)。

Note: “*” refers to the verification test on the inversion results of soil hydraulic characteristic parameters and solute transport parameters, and the rest tests are used to invert soil hydraulic characteristic parameters and solute transport parameters.

試驗(yàn)土樣為楊凌區(qū)砂壤土和黏壤土，風(fēng)干后過2 mm篩，分層（5 cm）裝入土箱，土箱規(guī)格為80 cm×5 cm×80 cm（長×寬×高）；在土箱一側(cè)開挖灌水溝，采用北方地區(qū)常用的梯形斷面，其中底寬20 cm，高15 cm，邊坡系數(shù)為1；由于灌水溝為軸對稱圖形，故試驗(yàn)過程中采用1/2斷面，即ABCDO區(qū)域，具體見圖1。采用馬氏瓶供水，記錄時間和入滲水量，每隔一段時間繪出濕潤鋒位置。入滲結(jié)束后，按照5 cm×5 cm×5 cm采集土樣，各測點(diǎn)土樣分為兩部分，其中一部分土樣采用烘干法測定含水率，其余土樣風(fēng)干后測定NO3--N（紫外分光光度計(jì)）含量。

圖1 灌水溝斷面

1.2 數(shù)學(xué)模型

1.2.1 水分運(yùn)動控制方程

假設(shè)土壤為均質(zhì)且各向同性的多孔介質(zhì)，不考慮土壤內(nèi)部的空氣阻力、溫度以及蒸發(fā)對入滲的影響，其方程為[29]

式中為平面坐標(biāo)，規(guī)定向下為正；為時間，min；()為土壤導(dǎo)水率，cm/min。()采用van Genuchten-Mualem（VG-M）模型進(jìn)行計(jì)算，即