紅壤丘陵區(qū)多點(diǎn)源滴灌硝態(tài)氮運(yùn)移特性研究

裴青寶，余雷，孔瓊菊，陳若男，萬(wàn)怡國(guó)

（1.江西省水利科學(xué)研究院，南昌 330099；2.南昌工程學(xué)院，南昌 330099； 3.寧波市水利局農(nóng)村水利管理處，浙江寧波 315000）

0 引言

【研究意義】近年來(lái)，滴灌在各類(lèi)作物灌溉中廣泛應(yīng)用，尤其是水肥一體化滴灌技術(shù)在灌溉同時(shí)又滿(mǎn)足了作物對(duì)養(yǎng)分的需求，具備節(jié)水、節(jié)肥、對(duì)地形適應(yīng)性強(qiáng)以及灌水均勻等諸多優(yōu)點(diǎn)[1-3]。滴灌系統(tǒng)參數(shù)影響水肥運(yùn)移規(guī)律及分布狀況，并決定濕潤(rùn)體的形狀，進(jìn)而影響水肥利用效率和灌溉制度的設(shè)計(jì)。而土壤質(zhì)地[4-5]、地形條件[6-7]、施肥量[8-10]等也是影響灌水后水分養(yǎng)分分布的重要因素?！狙芯窟M(jìn)展】目前，關(guān)于滴灌入滲的數(shù)值模擬研究，主要集中在對(duì)水分運(yùn)動(dòng)的模擬[11-12]，對(duì)于溶質(zhì)遷移的模擬相對(duì)較少；近年來(lái)Hydrus被越來(lái)越多地應(yīng)用到滴灌水分溶質(zhì)運(yùn)移的模擬中；Hanson等[13]采用Hydrus-2D模型模擬了室內(nèi)條件下4種不同滴灌灌水量和5種不同施氮量的水分運(yùn)移分布過(guò)程，通過(guò)模型預(yù)測(cè)對(duì)水肥進(jìn)行管理，使得產(chǎn)量最大化、并減少對(duì)環(huán)境的影響。冀榮華等[14]通過(guò)Hydrus-3D模型模擬了壓力水頭對(duì)土壤入滲的影響，模擬結(jié)果表明，壓力水頭與土壤水分?jǐn)U散率成正相關(guān)，土壤濕潤(rùn)體的范圍隨著壓力水頭的增加而增加。EL-nesr等[15]進(jìn)行了地下滴灌系統(tǒng)中多點(diǎn)源條件下水分養(yǎng)分運(yùn)移的數(shù)值模擬，采用Hydrus-2D/3D對(duì)有植被和裸地下的水分溶質(zhì)運(yùn)移做了模擬。

【切入點(diǎn)】江西紅壤丘陵地區(qū)多以臍橙為支柱產(chǎn)業(yè)，水肥一體化滴灌技術(shù)被大規(guī)模地應(yīng)用到該區(qū)域臍橙灌溉中，但是由于沒(méi)有相應(yīng)技術(shù)支撐，種植戶(hù)在臍橙滴灌施肥中比較盲目?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】通過(guò)研究臍橙滴灌過(guò)程中水分養(yǎng)分運(yùn)移及分布狀況，分析臍橙滴灌關(guān)鍵技術(shù)適宜參數(shù)，以期為該區(qū)域臍橙滴灌水肥一體化管理提供科學(xué)指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

臍橙滴灌水肥一體化試驗(yàn)在江西省尋烏縣晨光鎮(zhèn)竹背村臍橙種植園內(nèi)進(jìn)行，多年平均降雨量1 639.1 mm。但降雨量年際變化較大，最大年降雨量為2 448.7 mm（1961年），最小年降雨量946.8 mm（1991年）。年內(nèi)降雨時(shí)空分配也很不均勻，4—6月多年平均降雨量為767.1 mm，占全年降雨量的46.8%。試驗(yàn)點(diǎn)選擇在丘陵臍橙種植帶上，長(zhǎng)100 m、寬3 m，對(duì)試驗(yàn)點(diǎn)距地表100 cm以?xún)?nèi)的土壤體積質(zhì)量質(zhì)地進(jìn)行取樣分析，土壤基本物理性質(zhì)如表1所示。

表1 土壤基本物理性質(zhì)Table1 Basic physical properties of tested soils

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

試驗(yàn)設(shè)計(jì)不同的滴頭間距（20、30、40、50 cm）和滴灌流量（0.5、1、2 L/h），共計(jì)12個(gè)處理，NO3--N質(zhì)量濃度根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民臍橙施肥習(xí)慣確定為651 mg/L。試驗(yàn)時(shí)間為2018年7—8月。滴灌時(shí)間設(shè)定為5 h，試驗(yàn)選擇在臍橙果樹(shù)根系附近進(jìn)行，試驗(yàn)開(kāi)始后清除地表雜物并使入滲地面保持平整。采用馬氏瓶供水，試驗(yàn)開(kāi)始前在現(xiàn)場(chǎng)配置NO3--N溶液，并用流量計(jì)控制流量。試驗(yàn)開(kāi)始后記錄馬氏瓶讀數(shù)，間隔時(shí)間為10 min。入滲結(jié)束后，通過(guò)土鉆取樣，取樣深度根據(jù)濕潤(rùn)體范圍確定，當(dāng)土鉆取至未濕潤(rùn)土體時(shí)結(jié)束，用烘干法測(cè)定剖面含水率。試驗(yàn)地土壤初始NO3--N質(zhì)量濃度為11.28 mg/L。取樣點(diǎn)布置如圖1所示，各剖面分別間隔10 cm取樣至濕潤(rùn)鋒處。土壤蒸發(fā)量用自制微型蒸發(fā)器測(cè)定[16]，蒸發(fā)器埋設(shè)在試驗(yàn)點(diǎn)附近，試驗(yàn)期間每天20:00測(cè)定質(zhì)量，試驗(yàn)期間測(cè)定得到的土面平均日蒸發(fā)強(qiáng)度為3.55 mm/d。

圖1 交匯入滲取樣點(diǎn)布置Fig.1 Layout of cross-intrusion sampling points

1.3 數(shù)學(xué)模型

1.3.1 水分運(yùn)動(dòng)基本方程

滴灌土壤水分運(yùn)動(dòng)為三維流動(dòng)問(wèn)題。假定入滲土體分為二層，土壤剖面研究區(qū)域?yàn)?00 cm，分層位置為30 cm 處，同一層內(nèi)各向同性。存在地表蒸發(fā)，土壤初始含水率相同，忽略土壤溫度和水分變化引起的滯后現(xiàn)象；則三維軸對(duì)稱(chēng)點(diǎn)源水分入滲Richard 方程[17-19]可表示為：

式中：θ為土壤體積含水率（cm3/cm3）；h為土壤負(fù)壓水頭（cm）；x、y、z為坐標(biāo)（z 坐標(biāo)向下為正）（cm）；t為時(shí)間（min）；Kh為非飽和導(dǎo)水率（cm/min）；S為地表蒸發(fā)項(xiàng)（cm/min）。

Hydrus-3D模擬時(shí)需要非飽和土壤水分特征曲線θh、土壤導(dǎo)水率Kh計(jì)算采用Van Genuchten模型[5,14]：

式中：θs、θr為土壤飽和含水率和殘余含水率（cm3/cm3）；Ks為土壤飽和導(dǎo)水率（cm/min）；l為孔隙連通性參數(shù)，大多數(shù)土壤取0.5；a、n、m為擬合經(jīng)驗(yàn)參數(shù)；Se為有效含水率（飽和度）。

1.3.2 滴灌NO3--N 遷移方程

NO3--N 作為非吸附性離子，隨水分的運(yùn)移在同一層內(nèi)認(rèn)為做徑向?qū)ΨQ(chēng)運(yùn)動(dòng)，其對(duì)流-彌散方程可表示為[15,20]：

式中：C為土壤中NO3--N的質(zhì)量濃度（mg/L）；qr為縱向上的土壤水分通量；qz為橫向上的土壤水分通量；Drr、Dzz、Drz為水動(dòng)力彌散系數(shù)張量的分量；q為土壤水通量的絕對(duì)值；DL、DT為溶質(zhì)的縱向和橫向彌散度（L）；Dw為自由水中的分子擴(kuò)散系數(shù)；τ為溶質(zhì)的彎曲系數(shù)，通常表示土壤體積含水率的函數(shù)。

圖2 模型求解區(qū)域Fig.2 Model solving regions

1.4 邊界條件和初始條件

1.4.1 邊界條件

模型求解區(qū)域?yàn)槟毘鹊喂鄰牡乇碇寥霛B所形成的濕潤(rùn)范圍內(nèi)，如圖2所示。Hydrus-3D 不能模擬出水頭的變化過(guò)程，根據(jù)其可以模擬出邊界條件隨時(shí)間的變化，進(jìn)一步模擬滴灌入滲過(guò)程中滴頭下方地表積水區(qū)域及水頭的變化。試驗(yàn)過(guò)程中觀測(cè)并記錄滴頭下方積水區(qū)域隨時(shí)間的變化，試驗(yàn)開(kāi)始后20 min 時(shí)達(dá)到飽和區(qū)域的50%，飽和區(qū)域?yàn)榈晤^下方表層土壤達(dá)到飽和的范圍，為一定值，用RS表示，積水深度為0.35 cm，用游標(biāo)卡尺通過(guò)測(cè)量滴頭下方積水深度得到，在灌水后35 min 達(dá)到飽和區(qū)域的80%、積水深度為0.6 cm，在50 min 后飽和區(qū)穩(wěn)定，積水深度為0.78 cm。試驗(yàn)過(guò)程中滴頭下方積水水頭變化分為2個(gè)階段，即：初期變化階段和穩(wěn)定階段，在模擬過(guò)程中積水水頭變化設(shè)置按照這2個(gè)階段來(lái)設(shè)置，初期變化階段以入滲開(kāi)始后20 min 及該時(shí)間點(diǎn)的水頭為概化，穩(wěn)定階段則為第50 min 及相應(yīng)水頭。模擬考慮蒸發(fā)，則上邊界為第二類(lèi)邊界即水分運(yùn)動(dòng)的上邊界條件可以表示為：

本次模擬過(guò)程中地表有積水，溶質(zhì)上邊界條件采用一類(lèi)邊界條件。

滴灌濕潤(rùn)體周邊土壤水分運(yùn)移通量為0，則側(cè)邊界屬于第二類(lèi)邊界條件：

由于地下水埋深較深，可認(rèn)為下邊界含水率始終不變，等于初始含水率，按第一類(lèi)邊界條件處理。即

下邊界為自由排水邊界：

式中：θ0為土壤初始含水率（cm3/cm3）；h為滴頭下方積水深度（cm）；es為地表蒸發(fā)強(qiáng)度（mm/d）。

1.4.2 初始條件

初始條件假定土壤初始含水率和NO3--N 質(zhì)量濃度在研究區(qū)域內(nèi)分布均勻，初始條件可表示為:

式中：h0為初始含水率對(duì)應(yīng)的土壤水勢(shì)（cm）；C0為土壤初始NO3--N 質(zhì)量濃度（mg/L）。

1.4.3 土壤水力參數(shù)

土壤水分特性的VG模型參數(shù)，分層土壤水分特征曲線采用壓力膜法測(cè)定，并將輸入到RETC 軟件進(jìn)行模擬，對(duì)比分析不同方法得到模型參數(shù)，最終確定合適的參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 分層土壤Van-Genuchten模型參數(shù)Table2 Model parameters Van-Genuchten split red soil

1.4.4 溶質(zhì)參數(shù)

模擬中NO3--N 運(yùn)移采用標(biāo)準(zhǔn)的一階動(dòng)力學(xué)線性非吸附模型。本次模擬Hydrus-3D 時(shí)間權(quán)重方案采用隱式，空間權(quán)重方案采用伽遼金有限元法，溶質(zhì)單位為mg/L，模擬中質(zhì)量濃度脈沖持續(xù)時(shí)間設(shè)定為300 min，彎曲系數(shù)取0.5，NO3--N 溶質(zhì)對(duì)流彌散方程中縱向彌散度Dr取0.55，橫向彌散度Dz取0.06[21]，平衡吸附為完全物理吸附且均發(fā)生在可動(dòng)區(qū)，溶質(zhì)的分子擴(kuò)散系數(shù)Dw取為0.015 cm/min，吸附模型選擇弗洛伊德吸附模型，試驗(yàn)不考慮硝化反硝化作用[22]。

2 結(jié)果與分析

根據(jù)試驗(yàn)取樣點(diǎn)的布置，采用MATLAB軟件繪制不同剖面上各點(diǎn)NO3--N量，形成交匯入滲后NO3--N在土體內(nèi)分布的三維圖，并用Hydrus-3D對(duì)NO3--N在土體中的分布進(jìn)行模擬。

2.1 多點(diǎn)源滴灌下滴頭間距和滴頭流量對(duì)NO3--N 運(yùn)移分布影響

2.1.1 多點(diǎn)源滴灌不同滴頭間距對(duì)NO3--N 分布影響

滴頭流量為1 L/h時(shí)多點(diǎn)源滴灌交匯入滲濕潤(rùn)體內(nèi)NO3--N分布如圖3所示，由圖3可知，滴頭間距變化對(duì)滴灌后NO3--N在土壤中的遷移分布有較大的影響，滴頭間距越大，滴灌后NO3--N在紅壤內(nèi)的分布范圍越廣，滴頭間距為50 cm時(shí)NO3--N分布范圍最大，滴頭間距為20 cm時(shí)分布范圍最小。滴頭間距越小滴頭附近表層土壤的NO3--N量越大，滴頭間距為20 cm是表層土壤NO3--N量最大，達(dá)到651 mg/L?？梢?jiàn)多點(diǎn)源滴灌條件下，滴頭間距較小時(shí)可供濕潤(rùn)的土體空間也相應(yīng)減少。而且試驗(yàn)所在地上層土壤較疏松，下層土壤緊實(shí)，下層土壤入滲率出現(xiàn)降低，水分溶質(zhì)的向下入滲困難；在滴頭流量不發(fā)生變化的情況下，未入滲的水分溶質(zhì)在滴頭下方出現(xiàn)累積和擴(kuò)散，增加了地表處的濕潤(rùn)范圍和NO3--N量。如圖3（a）所示，滴頭間距為20 cm時(shí)，表層土體內(nèi)的NO3--N量較高，地表處濕潤(rùn)范圍為0～80 cm，濕潤(rùn)深度為60 cm，距地表40 cm深度處的濕潤(rùn)范圍為0～30 cm。如圖3（d）所示，當(dāng)間距為50 cm，間距的加大使得土壤入滲空間增加，濕潤(rùn)深度為80 cm，距地表30 cm深度處的濕潤(rùn)范圍為0～60 cm，滴灌過(guò)程中在滴頭下方土壤內(nèi)形成2個(gè)質(zhì)量濃度鋒，NO3--N在土壤內(nèi)的分布范圍變大，但是2個(gè)質(zhì)量濃度鋒交匯的范圍較小，容易形成部分根系沒(méi)有養(yǎng)分供給的施肥空白區(qū)。綜合對(duì)比4個(gè)不同滴頭間距所形成的NO3--N分布圖，當(dāng)?shù)晤^間距為30 cm時(shí)，NO3--N分布范圍以及深度大于間距為20 cm，且質(zhì)量濃度鋒交匯區(qū)域較大，該間距灌溉后有利于作物對(duì)NO3--N的吸取。

圖3 流量1L/h 濕潤(rùn)體內(nèi)NO3--N 分布Fig.3 NO3--N distribution in weting body under dripper discharge of 1 L/h

2.1.2 多點(diǎn)源滴灌不同滴頭流量對(duì)NO3--N 分布影響

圖4為滴頭間距30cm時(shí)，不同流量下NO3--N的分布情況，由圖4可知，間距為30 cm時(shí)，3個(gè)不同流量的多點(diǎn)源滴灌NO3--N在土體內(nèi)的遷移分布受流量的影響較大，流量較大時(shí)NO3--N分布范圍以及交匯區(qū)域均比較廣。滴頭流量對(duì)入滲后濕潤(rùn)體的形狀和水平和垂直入滲深度有較大的影響[23-24]，NO3--N作為非吸附性的溶質(zhì)，滴灌過(guò)程中隨水分在土壤中遷移，滴頭間距相同時(shí)，流量變大水分的濕潤(rùn)范圍增加，促使NO3--N遷移分布擴(kuò)大。流量為0.5 L/h時(shí)（圖4（a）），滴灌后NO3--N的分布范圍和交匯區(qū)域均相對(duì)單薄，養(yǎng)分的有效覆蓋范圍較小不利于根系吸收。流量為1 L/h時(shí)（圖4（b）），滴灌后NO3--N分布范圍較大，交匯范圍也比較廣，滴灌濕潤(rùn)體內(nèi)的NO3--N量較高，能夠在臍橙根系周?chē)纬梢粋€(gè)有效的養(yǎng)分帶。流量為1.5 L/h時(shí)（圖4（c）），水分溶質(zhì)入滲的空間受到限制，當(dāng)入滲率達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)入滲量減少，地表積水范圍擴(kuò)大，從而造成地表濕潤(rùn)范圍增加，水分溶質(zhì)集聚在表層，不利于作物根系對(duì)水分養(yǎng)分吸收。

圖4 間距為30cm不同流量下NO3--N分布Fig.4 Distribution of nitrate nitrogen at different flow rates under 30 cm spacing

2.2 多點(diǎn)源滴灌NO3--N遷移分布數(shù)值模擬

采用Hydrus-3D對(duì)交匯處以及水平位置90°方向上的NO3--N量進(jìn)行模擬。以流量為1 L/h，4個(gè)不同間距試驗(yàn)為例，多點(diǎn)源滴灌NO3--N實(shí)測(cè)值與模擬值如圖5所示。由圖5可見(jiàn)，4個(gè)不同間距Hydrus-3D模擬值與實(shí)測(cè)值平均相對(duì)偏差分別為7.97%、8.3%、8.9%、10.8%。在0°方向（圖5（a）），滴頭下方和距離滴頭10 cm處，不同深度NO3--N的模擬值比較光滑，而實(shí)測(cè)值則出現(xiàn)了“突變”，實(shí)測(cè)值在測(cè)定過(guò)程中存在土壤的空間差異性，以及通過(guò)土鉆取樣的過(guò)程中上層水分溶質(zhì)繼續(xù)下滲，改變了該處質(zhì)量濃度。而Hydrus-2D/3D在模擬過(guò)程中假定所有點(diǎn)的水分溶質(zhì)量為定值，忽略水分溶質(zhì)的再分布過(guò)程。另外，Hydrus-2D/3D通過(guò)邊界條件設(shè)定的蒸發(fā)量是定值，模擬結(jié)束后模型認(rèn)定積水區(qū)域消失，蒸發(fā)停止，而在實(shí)際中地表蒸發(fā)繼續(xù)進(jìn)行；積水短時(shí)間內(nèi)存在，影響了模擬的精度。以圖5（b）90°方向的取樣為例，地表20 cm范圍內(nèi)的實(shí)測(cè)值均是大于模擬值的，尤其在滴頭下方表層土體內(nèi)溶質(zhì)質(zhì)量濃度較高，受到地表積水的影響該區(qū)域?qū)嶋H處于飽和或過(guò)飽和狀態(tài)，而模型則忽略了該范圍內(nèi)的土壤水分溶質(zhì)的實(shí)際狀態(tài)。以上影響模擬精度的因素需要在后期研究中對(duì)模型的參數(shù)確定，邊界條件和初始條件的設(shè)置等進(jìn)行修訂，以便于提高模型對(duì)該區(qū)域溶質(zhì)遷移的模擬精度。

圖5 不同間距NO3--N運(yùn)移分布模擬值與實(shí)測(cè)值Fig.5 Simulation and measured values of nitrate nitrogen transport distribution with different spacing

3 討論

南方水資源比較豐沛，國(guó)內(nèi)外有關(guān)于此的研究還不是很多，而該區(qū)域丘陵地區(qū)種植的臍橙常存在季節(jié)性干旱和因?yàn)楣┧щy造成灌溉水資源短缺影響臍橙產(chǎn)量品質(zhì)等問(wèn)題。深入研究紅壤地區(qū)滴管水肥運(yùn)移分布規(guī)律的基礎(chǔ)上；分析丘陵地區(qū)臍橙滴灌關(guān)鍵技術(shù)；為臍橙產(chǎn)量品質(zhì)提升提供技術(shù)保障。綜合對(duì)比4個(gè)不同滴頭間距所形成的NO3--N分布，當(dāng)?shù)晤^間距為30 cm時(shí)，2滴頭間NO3--N質(zhì)量濃度鋒交匯區(qū)域較大，該間距灌溉后有利于作物根系對(duì)NO3--N的吸取。間距相同時(shí)，流量越大，入滲效果越差，地表層含水量較高且分布不均，這與唐士劼等[25]研究結(jié)果一致。NO3--N隨水遷移，很容易造成地表養(yǎng)分富集的現(xiàn)象。研究表明縮小滴頭流量或間距有助于改善濕潤(rùn)體均勻性[26]，而本研究中流量為0.5 L/h時(shí)，濕潤(rùn)體不僅范圍較小，且入滲時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)提灌而言能源消耗過(guò)大；故間距相同時(shí)流量為1 L/h較適合于紅壤滴灌。

Hydrus-2D/3D在對(duì)室內(nèi)均值土壤入滲的模擬精度較高[27-28]，對(duì)于大田環(huán)境，由于受到多種因素的影響致使模擬精度低于室內(nèi)環(huán)境。國(guó)內(nèi)外關(guān)于Hydrus-2D/3D對(duì)滴灌濕潤(rùn)鋒推移和含水率變化的數(shù)值模擬結(jié)果表明，模擬值與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差在10%以?xún)?nèi)[5,29-30]，特別是在室內(nèi)試驗(yàn)條件下Hydrus-2D/3D對(duì)NO3--N的運(yùn)移分布模擬相對(duì)誤差在9.5%以?xún)?nèi)[22]，表明室內(nèi)條件下Hydrus-2D/3D對(duì)土壤水分溶質(zhì)運(yùn)移的模擬精度較高。分析認(rèn)為，室內(nèi)試驗(yàn)條件下各層土壤組成均質(zhì)、各向同性，大田土壤為非均質(zhì)土壤以及土壤中的生物活動(dòng)產(chǎn)生的大孔隙等均會(huì)影響水分溶質(zhì)運(yùn)移[30]，Hydrus-2D/3D模型進(jìn)行了理想化處理。通過(guò)分析認(rèn)為該模型總體上能夠用于紅壤丘陵區(qū)多點(diǎn)源入滲水分溶質(zhì)運(yùn)移模擬。

本文只討論了滴頭流量間距等參數(shù)變化對(duì)NO3--N遷移分布的影響，而NO3--N質(zhì)量濃度變化以及多因素共同作用下，紅壤水肥運(yùn)移分布狀況和數(shù)值模擬將是下一步的研究重點(diǎn)。

4 結(jié)論

1）在紅壤區(qū)臍橙滴灌最適宜的滴頭間距為30 cm時(shí)，滴頭流量為1 L/h；在該間距和流量下土壤濕潤(rùn)體的分布范圍與交匯區(qū)域內(nèi)水分和NO3--N能夠滿(mǎn)足臍橙根系吸水要求，最大限度地避免了水肥流失和浪費(fèi)。2）Hydrus-3D對(duì)紅壤大田條件下多點(diǎn)源滴灌入滲后NO3--N遷移分布的模擬值與實(shí)測(cè)值的平均相對(duì)誤差在11%以?xún)?nèi)，模型能夠較好地模擬出紅壤地區(qū)滴灌水肥一體化灌溉中的養(yǎng)分遷移分布。