不同氮肥液濃度下微孔陶瓷根灌土壤水氮運(yùn)移與流失特性的數(shù)值模擬研究

楊 雪，劉旭飛，韓夢(mèng)雪，張 林

（1.中國(guó)科學(xué)院教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心，陜西 楊凌 712100；2.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；4.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

0 引 言

施用氮肥是提高農(nóng)作物產(chǎn)量最簡(jiǎn)單、有效的方式之一，已被作為關(guān)鍵影響因子用來調(diào)控作物生長(zhǎng)發(fā)育和最終產(chǎn)量[1]。但是，在實(shí)際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，農(nóng)民經(jīng)常為提高作物產(chǎn)量而盲目施肥。過高的氮肥投入不僅降低其利用效率，還會(huì)造成環(huán)境問題。我國(guó)作物的氮肥利用率普遍小于50%，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家[2]。而未被利用的氮肥隨著土壤水分的深層滲漏而淋失，加重地下水體的非點(diǎn)源污染，Niu 等人的研究表明地下肥水可能主要是由歷史上有機(jī)肥等不斷下滲的結(jié)果，導(dǎo)致深層包氣帶NO3-大量累積，加劇了地下水NO3-污染風(fēng)險(xiǎn)[3]。為解決氮肥利用率低的問題，水肥一體化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。這一技術(shù)將灌水和施肥融為一體，借助壓力灌溉系統(tǒng)，將水肥液均勻、準(zhǔn)確地輸送到作物根部，是氮肥增效的關(guān)鍵措施之一[4]。蘇明辰等[4]調(diào)研發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)施肥方法相比，水肥一體化技術(shù)將水分利用率提高了40%～60%，肥料利用率提高了30%～50%。袁念念等[5]研究表示水肥一體化技術(shù)將肥料集中輸送到作物根部，增加了根系密集區(qū)域的氮素含量，減弱了硝態(tài)氮深層淋溶風(fēng)險(xiǎn)。然而，目前水肥一體化技術(shù)是周期性地將氮肥液施到作物根部，而氮素一旦進(jìn)入土壤會(huì)被脲酶迅速催化水解，這種短時(shí)間內(nèi)大量水肥供給的方式會(huì)增加氮肥無效損失風(fēng)險(xiǎn)，造成作物后期氮肥供應(yīng)不足，導(dǎo)致氮肥的過量施用[6-8]。因此，推進(jìn)高效水肥供施技術(shù)發(fā)展，對(duì)提高水肥利用效率具有重要意義。

近年來，西北農(nóng)林科技大學(xué)自主研發(fā)了一種微孔陶瓷根灌技術(shù)（SICE）。相對(duì)于地下滴灌，SICE在大幅度降低工作壓力（＜1.0 m）的同時(shí)，通過微孔陶瓷灌水器內(nèi)部微米級(jí)的孔隙實(shí)現(xiàn)了小流量出流。在灌水量相同的前提下，大大延長(zhǎng)了灌水時(shí)間，減緩了氮素進(jìn)入土壤的速率，使氮素的肥效可以緩慢釋放，較傳統(tǒng)灌溉方式有效養(yǎng)分供應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，整個(gè)生育期內(nèi)土壤水氮環(huán)境穩(wěn)定，氮肥利用效率高。目前，已有研究論證了SICE運(yùn)行可靠性和田間實(shí)際應(yīng)用效果[9-11]。然而，以往研究多聚焦在土壤水分，目前利用SICE 進(jìn)行氮肥液持續(xù)微量供給時(shí)的土壤水氮運(yùn)移及其流失特性尚不明晰，限制了該技術(shù)在實(shí)際中的推廣應(yīng)用。

近年來，眾多學(xué)者建立了大量土壤水氮聯(lián)合運(yùn)移模型。其中，由美國(guó)鹽土實(shí)驗(yàn)室（US Salinity laboratory）開發(fā)的HYDRUS 模型最為廣泛應(yīng)用。Doltra 等對(duì)滴灌施肥條件下種植了不同作物的砂質(zhì)壤土進(jìn)行建模，結(jié)果表明該模型對(duì)0～90 cm 土層內(nèi)銨態(tài)氮（NH4+-N）和硝態(tài)氮（NO3--N）含量的預(yù)測(cè)十分精確，平均絕對(duì)誤差值低于觀測(cè)值的平均標(biāo)準(zhǔn)差[12]。聶坤堃等利用HYDRUS-2D 反演所得參數(shù)對(duì)溝灌肥液入滲過程進(jìn)行了模擬，結(jié)果顯示土壤水分運(yùn)移模擬值與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差均小于7.0%，溶質(zhì)運(yùn)移相對(duì)誤差均小于11.5%[13]。上述研究均獲得了較高的擬合效果，由此可見，利用HYDRUS 模型對(duì)SICE 土壤水氮運(yùn)移規(guī)律及流失特性進(jìn)行預(yù)測(cè)是可行的。

為此，本研究采用HYDRUS-2D 建立了SICE 持續(xù)微量供給下的土壤水氮聯(lián)合運(yùn)移模型，并于中國(guó)青海開展了微孔陶瓷根灌枸杞田間試驗(yàn)，用以模型校準(zhǔn)和準(zhǔn)確性驗(yàn)證，最后以地下滴灌（CK）為對(duì)照，利用模型研究了3 種氮肥液濃度（211.54 mg/L、169.23 mg/L、126.92 mg/L）下SICE 土壤水氮運(yùn)移與流失特性。研究結(jié)果可為闡明SICE 土壤水氮運(yùn)移特性和水肥高效利用內(nèi)在影響機(jī)制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

研究地點(diǎn)位于青海省海西州德令哈市懷頭他拉鎮(zhèn)（東經(jīng)96°44'，北緯37°21'）（見圖1），地處柴達(dá)木盆地東北邊緣，平均海拔2 874 m。屬大陸性高原氣候。年平均氣溫2.4 ℃，晝夜溫差大，最高平均溫差可達(dá)15.8 ℃。年平均降水量110.3 mm，集中在5-8 月，無霜期97 d 左右，年平均蒸發(fā)量2 000～2 500 mm。試驗(yàn)開始前，取試驗(yàn)地0～100 cm 土壤進(jìn)行檢測(cè)，按照USDA 分類標(biāo)準(zhǔn)為壤質(zhì)砂土。該地土壤保水能力差、養(yǎng)分含量低，土壤有機(jī)質(zhì)含量為5.0 g/kg，速效氮含量108.6 mg/kg、速效磷含量為3.6 mg/kg，速效鉀含量為2.9 mg/kg。其基本物理參數(shù)見表1。

圖1 研究區(qū)位置及模擬的概念幾何（單位：cm）Fig.1 Study area location and conceptual geometry of simulation

表1 土壤物理特性Tab.1 Soil physical characteristics

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

選取試驗(yàn)地的枸杞園區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)，品種為“寧枸七號(hào)”，其生育期共140 d，試驗(yàn)期為2019 年。種植時(shí)株行距為0.8 m×1.2 m。以SICE 實(shí)現(xiàn)水分和氮素的持續(xù)供給，陶瓷灌水器在西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院中制備完成，尺寸為6.0 cm×4.0 cm×2.0 cm(長(zhǎng)×內(nèi)徑×外徑)，設(shè)計(jì)流量為0.25 L/h(工作壓力為0.2 m時(shí)空氣中的出流量)。按照一管一行的布置方式將陶瓷灌水器埋設(shè)在每棵枸杞根層土壤，埋深為30 cm（枸杞根系密度最大位置），距離樹干20 cm，布設(shè)長(zhǎng)度40 m。供水裝置為體積1.1 m3的水桶，此外，該系統(tǒng)還由供水水箱、浮球閥、過濾器、施肥器、毛管、閥門等組成，其詳細(xì)結(jié)構(gòu)見文獻(xiàn)[14]中的描述。以地下滴灌（CK）為對(duì)照，選用耐特菲姆超級(jí)臺(tái)風(fēng)貼片式滴灌帶，設(shè)計(jì)流量為3.75 L/h。灌溉定額1 820 m3/hm2，全生育期共灌水7 次，每次間隔15～20 d，灌水定額260 m3/hm2，每次灌水6.67 h，每棵樹灌水24.96 L。各處理行間設(shè)置0.2 m 緩沖區(qū)，并深埋塑料薄膜予以隔離，防止處理間土壤水分的橫向交換。施用氮肥選用尿素，含氮量為46.7%。從高到低設(shè)置3 種施肥濃度，采用不完全組合試驗(yàn)，共包括4個(gè)處理（表2）。特別地，由于CK 屬于間歇灌溉，土壤水氮情況呈現(xiàn)周期性的變化規(guī)律，再次灌溉會(huì)重復(fù)上一過程。此外，模擬時(shí)間尺度過長(zhǎng)會(huì)忽略單次灌水后枸杞根系層土壤水氮變化細(xì)節(jié)，故本研究選擇一個(gè)灌水周期（20 d）進(jìn)行模擬。

表2 試驗(yàn)處理Tab.2 Experimental treatment

2 模型構(gòu)建與驗(yàn)證

2.1 模型基本方程

2.1.1 土壤水分運(yùn)動(dòng)基本方程

微孔陶瓷根灌與地下滴灌的土壤水分運(yùn)動(dòng)均為三維流動(dòng)問題，但該系統(tǒng)下水分入滲具有軸對(duì)稱特點(diǎn)，即水分以陶瓷灌水器中心軸為對(duì)稱軸均勻的向四周入滲。進(jìn)一步地，假設(shè)模擬區(qū)域內(nèi)的土壤性質(zhì)各向同性且均勻；入滲水流為連續(xù)介質(zhì)且不可壓縮，顆粒骨架保持不變；忽略溫度、水分滯后作用等因素以及溶質(zhì)濃度變化產(chǎn)生的勢(shì)梯度對(duì)水分運(yùn)動(dòng)及分布的影響[15]。故此時(shí)水分入滲可簡(jiǎn)化為二維平面問題。采用Richards方程描述土壤剖面水流運(yùn)動(dòng)：

式中：θ為土壤體積含水率，cm3/cm3；h為土壤負(fù)壓力水頭，cm；K(h)為非飽和導(dǎo)水率，cm/d；t為模擬時(shí)間，d；x為徑向坐標(biāo)，cm；z為垂直坐標(biāo)，設(shè)向上為正，cm。

2.1.2 土壤氮素運(yùn)移基本方程

土壤中氮素的遷移轉(zhuǎn)化受多因子的綜合影響。本研究選用尿素作為肥料，尿素分子進(jìn)入土壤后在適宜的水分和酶的影響下，發(fā)生一系列生物化學(xué)反應(yīng)。本研究忽略銨態(tài)氮揮發(fā)、以及土壤中氣相和溫度的影響，優(yōu)先考慮水解、吸附、硝化、反硝化和礦化作用。進(jìn)一步假設(shè)溶質(zhì)在土壤溶液中是通過對(duì)流—彌散作用運(yùn)移的。其中，礦化作用用零級(jí)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)方程描述，水解、硝化與反硝化用一級(jí)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)方程描述[15]。氮素運(yùn)移基本方程詳見公式（2）～（4）[16]。

尿素態(tài)氮運(yùn)移方程：

銨態(tài)氮（NH4+-N）運(yùn)移方程：

硝態(tài)氮（NO3--N）運(yùn)移方程：

式中：C1、C2、C3分別為尿素態(tài)氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮質(zhì)量濃度，mg/cm3；k0，k1，k2，k3分別為有機(jī)質(zhì)礦化、尿素水解、銨態(tài)氮硝化和硝態(tài)氮反硝化速率常數(shù)，d-1；kd為銨態(tài)氮吸附速率，cm3/g；Dxx和Dzz為水動(dòng)力彌散系數(shù)張量的分量，cm2/d；包含縱向彌散系數(shù)DL、橫向彌散系數(shù)DT，cm；和自由水中的分子擴(kuò)散系數(shù)DW，cm2/d[17]；qx和qz分別為x、z方向的土壤水通量，cm3/d；s為固相銨態(tài)氮吸附量，s=kdC2；ρ為土壤干容重，g/cm3。

2.2 初始條件和邊界條件

本研究模擬采用的概念幾何和邊界條件如圖1所示，其為寬度120 cm，厚度100 cm 的土層。初始土壤溶質(zhì)含量設(shè)為零，初始土壤含水量設(shè)定與試驗(yàn)地實(shí)際條件相同。邊界條件分為水流邊界和溶質(zhì)運(yùn)移邊界。水流上邊界設(shè)置為大氣邊界，輸入通量包括降水、作物潛在蒸騰和棵間蒸發(fā)量，地下滴灌帶和陶瓷灌水器均設(shè)置為變流量邊界，輸入通量包括灌溉和溶質(zhì)通量。左右兩側(cè)設(shè)置為無通量邊界。下邊界假定為自由排水邊界。對(duì)于溶質(zhì)運(yùn)移邊界，由于滴灌帶和陶瓷灌水器周圍未形成積水，故此時(shí)邊界條件采用第三類邊界條件。同理，溶質(zhì)運(yùn)移的上邊界和下邊界同樣選擇第三類邊界條件。

2.3 模型參數(shù)及驗(yàn)證

2.3.1 土壤水力參數(shù)

模擬過程中土壤含水率θ以及非飽和導(dǎo)水率K(h)等水力特征參數(shù)均采用Van Genuchten模型進(jìn)行擬合[18]：

式中：θr和θS分別為土壤殘余含水率和土壤飽和含水率，cm3/cm3；KS為土壤飽和導(dǎo)水率，cm/d；Se為相對(duì)飽和度，cm3/cm3；α為土壤進(jìn)氣的倒數(shù)；n為孔隙分布指數(shù)；l為空氣聯(lián)通系數(shù)，作為許多土壤的平均值，被估計(jì)為0.5[19]。

擬合率定后得到土壤水分特征參數(shù)如表3所示。

表3 土壤水分特征參數(shù)Tab.3 Soil hydraulic properties

2.3.2 土壤溶質(zhì)參數(shù)

本氮素運(yùn)移模型中忽略土壤中氣相和溫度的影響，氮素的運(yùn)移參數(shù)包括縱向彌散系數(shù)DL、橫向彌散系數(shù)DT和自由水中的分子擴(kuò)散系數(shù)Dw；氮素轉(zhuǎn)化包括礦化、水解、吸附、硝化、反硝化5 個(gè)參數(shù)[15,16]，并根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行率定，見表4和表5。

表5 氮素轉(zhuǎn)化參數(shù)Tab.5 Nitrogen transformation parameters

2.3.3 模型驗(yàn)證

本研究使用決定系數(shù)（R2）和相對(duì)均方根誤差（NRMSE）評(píng)估土壤水氮運(yùn)移模型計(jì)算準(zhǔn)確度。R2越趨向于1表示模擬值與實(shí)測(cè)值越接近[20]，采用公式（9）進(jìn)行計(jì)算；NRMSE的取值小于0.2 則表示模擬值與實(shí)測(cè)值具有高度匹配性，其計(jì)算方法如公式（10）所示：

式中：n為對(duì)比次數(shù)；Pi為模型值；Oi為實(shí)測(cè)值；Oˉ為平均實(shí)測(cè)值。

圖2為土壤含水率和土壤NO3--N含量計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比結(jié)果。由圖2可知，R2的擬合結(jié)果分別為0.891 1和0.854 9，表示該水氮聯(lián)合運(yùn)移模型分別解釋了89.11%和85.49%的不確定性，說明實(shí)測(cè)土壤含水率和硝態(tài)氮含量中約有89.11%和85.49%可由對(duì)應(yīng)的模擬值來說明或決定。此外，NRMSE的值均小于0.2。說明構(gòu)建的模型能較準(zhǔn)確的反映土壤水氮時(shí)空動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步研究不同處理對(duì)土壤NH4+-N 時(shí)空分布的影響，并對(duì)根層土壤水氮流失進(jìn)行預(yù)測(cè)。

圖2 土壤含水率和土壤NO3--N含量的模擬值與實(shí)測(cè)值的相關(guān)性Fig.2 The correlation between the simulated and measured values of soil water content and soil NO3--N content

3 模型應(yīng)用

3.1 土壤水氮時(shí)間變化特征

圖3為一個(gè)灌水周期結(jié)束時(shí)根系層土壤平均含水率、土壤平均NH4+-N和NO3--N含量在不同處理下的時(shí)間變化特征。

圖3 不同處理土壤水氮隨時(shí)間變化圖Fig.3 The variation of average soil water and nitrogen content with time in different treatments

由圖3 可知，對(duì)于土壤含水率的變化，CK 處理前期快速增加至0.1 cm3/cm3以上，緊接著快速降低至0.07 cm3/cm3左右，而T1、T2、T3 處理的土壤含水率始終維持在0.09 cm3/cm3左右，相比與CK 形成的波動(dòng)的土壤水分環(huán)境，SICE 更能保證土壤水分環(huán)境的穩(wěn)定。

對(duì)于土壤平均NH4+-N含量的變化，CK處理先快速增加到16.70 mg/kg，隨后逐漸降低，在第13 天左右接近完全消散。而T1 處理土壤平均NH+4-N 含量增加到13.33 mg/kg 后下降，后續(xù)穩(wěn)定在3.11 mg/kg。相比于CK，T1 處理土壤NH4+-N 含量下降得更慢，在根系層的留存時(shí)間更長(zhǎng)。此外，T1 處理中土壤NH4+-N 含量峰值較CK 降低，這可能是由于前期CK 灌水量大，充足的水分有利用于尿素氮向銨態(tài)氮的轉(zhuǎn)化，而T1 的出流量小，前期土壤水分不足，抑制了NH4+-N的產(chǎn)生。

對(duì)于土壤平均NO3--N含量的變化，呈現(xiàn)和土壤NH4+-N含量類似的變化規(guī)律，4 種處理土壤平均NO3--N 含量皆在經(jīng)歷一個(gè)峰值后逐漸降低。對(duì)比CK 和T1 發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間的增加，T1 較CK 處理土壤NO3--N 含量下降幅度小、在土壤中的濃度高，說明相較于CK，SICE 在整個(gè)周期內(nèi)NO3--N 供應(yīng)更加充足、穩(wěn)定。此外，通過T1、T2、T3 對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨著氮肥液濃度的降低，土壤NO3--N 含量的峰值降低，曲線斜率變緩，波動(dòng)范圍減小。而且，相較于土壤NH4+-N含量，土壤NO3--N含量達(dá)到峰值的時(shí)間相對(duì)滯后（從3 d 增加到7 d），這是因?yàn)槭┯玫姆柿鲜悄蛩氐年P(guān)系，會(huì)有一個(gè)尿素氮向銨態(tài)氮，再向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化過程。

綜上所述，相較于CK，SICE 土壤平均水氮含量的變化速率明顯變小，有效水分和養(yǎng)分供應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，保證了整個(gè)灌水周期水氮的充足，使得土壤含水量和含氮量更加穩(wěn)定。

3.2 土壤水氮空間變化特征

圖4 為一個(gè)灌水周期結(jié)束時(shí)（第20 d）根系層土壤水分、土壤NH4+-N和NO3--N在不同處理下的空間分布特征。

圖4 第20天土壤含水率，土壤NH4+-N含量和土壤NO3--N含量的空間分布Fig.4 The spatial distribution of soil water content,soil NH4+-N content and soil NO3--N content on the 20th day

由圖4 可以看出，一個(gè)灌水周期過后，CK 處理的根系層水分含量明顯小于T1，T1 處理的濕潤(rùn)體基本保持不變，最大含水率的土層位于枸杞根系密度最大處（-30 cm），這有利于將氮肥液保存在枸杞根系層中被作物吸收。此外，通過對(duì)比T1、T2、T3 處理還發(fā)現(xiàn)氮肥液濃度的增加對(duì)土壤水分的分布無顯著影響。

對(duì)于根系層NH4+-N的分布，CK處理的土層在一個(gè)灌水周期后NH4+-N 的含量接近于0，而T1 處理還在持續(xù)出流，使得枸杞根系密度最大處的NH4+-N含量穩(wěn)定在3 mg/kg以上。對(duì)比T1、T2、T3，隨著氮肥液濃度的增加，土壤各剖面NH4+-N 的含量增大，并對(duì)其在土層中的分布范圍有輕微促進(jìn)作用。并且，NH4+-N呈現(xiàn)聚集在灌水器周圍的現(xiàn)象。

對(duì)于根系層土壤NO3--N 的分布，一個(gè)灌水周期結(jié)束后，CK 處理的NO3--N 含量降低至8.11 mg/kg，T1 處理在14.87 mg/kg 以上。對(duì)比T1、T2、T3 發(fā)現(xiàn)，氮肥液濃度的增加對(duì)土壤中NO3--N含量影響較大，而對(duì)其在剖面分布無明顯影響。此外，與NH4+-N集中吸附在灌水器周圍相比，土層NO3--N分布范圍更廣，并趨于向下層土壤運(yùn)移，但始終集中在枸杞根系土層（0～-60 cm）。

上述研究成果均表明，和CK 相比，SICE 減小了根系層土壤水肥環(huán)境的波動(dòng)，有效保證了土層根、水、肥的高度匹配。

3.3 土壤水氮流失分析

選擇一個(gè)灌水周期進(jìn)行模擬，計(jì)算獲得的根系層土壤水氮流失結(jié)果如圖5所示。

圖5 根層土壤水氮流失特性Fig.5 Characteristics of water and nitrogen loss in root layer soil

對(duì)于根系層土壤水分流失。CK 和SICE 的土壤水分滲漏量分別為14.94、14.16 mm。一個(gè)灌水周期內(nèi)兩者相差較小，前期土壤水分滲漏曲線高度重合，直至第10 d 開始出現(xiàn)差異，10 d 后CK 處理的滲漏量持續(xù)保持最大。這可能是因?yàn)镃K 短時(shí)間內(nèi)大量供水，而T1、T2、T3 持續(xù)微量出流，導(dǎo)致CK 土壤水分損失曲線的斜率大于T1、T2、T3 處理，隨著時(shí)間增加，差異累積，直至在第10 d 后顯現(xiàn)出來。這里T1、T2、T3處理的根層水分損失高度重合。造成此現(xiàn)象的原因是模型中計(jì)算水分損失取決于輸入的土壤特征參數(shù)，此設(shè)定相同，本模擬只改變了肥液濃度，忽略了實(shí)際土壤中各種因素的相互作用。

對(duì)于根系層土壤NH4+-N的流失。土壤NH4+-N淋失量在第5 d 開始出現(xiàn)差異，一個(gè)灌水周期內(nèi)土壤NH4+-N 淋失量為CK（0.094 kg/hm2）＞T1（0.081 kg/hm2）＞T2（0.080 kg/hm2）＞T3（0.079 kg/hm2），隨氮肥液濃度的增加淋失量增大，但各處理間相差較小，最大差值為0.015 kg/hm2。這是因?yàn)镹H4+-N本身易與土壤膠粒結(jié)合，容易被大量吸附停留在灌水器附近的土層，向土壤下層運(yùn)移的NH4+-N 含量很少，而且土層中的NH4+-N 會(huì)繼續(xù)向NO3--N 轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致NH4+-N 淋失量差異不明顯。

同理，根系層土壤NO3--N 變化趨勢(shì)類似，只是時(shí)間相對(duì)滯后。不同處理土壤NO3--N 的淋失量結(jié)果相差較大，分別為CK（1.49 kg/hm2）＞T1（0.73 kg/hm2）＞T2（0.63 kg/hm2）＞T3（0.52 kg/hm2），與CK 相比，一個(gè)灌水周期內(nèi)T1 處理每公頃減小了51.01%的NO3--N 淋失量。其中最大差值為0.97 kg/hm2。這是因?yàn)镹O3--N 與土壤膠粒性質(zhì)相似，不易被土壤吸附，灌水后會(huì)隨著水分在土壤剖面內(nèi)不斷遷移，導(dǎo)致NO3--N 更容易淋失。

總體來看，SICE 處理土層水分滲漏量和氮素淋失量均小于CK 處理。其中，根系層土壤水分和NH4+-N 的淋失量差值較小，而NO3--N 淋失量則差異較大。對(duì)于根層水氮滲漏，SICE 表現(xiàn)明顯優(yōu)于CK 處理，在確保根系層土壤水氮環(huán)境穩(wěn)定的同時(shí)滲漏量減小，降低了硝酸鹽污染物向地下水遷移的風(fēng)險(xiǎn)。

4 討 論

本研究采用HYDRUS-2D 建立了SICE 持續(xù)微量供給下的土壤水氮聯(lián)合運(yùn)移模型，用以研究SICE 土壤水氮運(yùn)移與流失特性。SICE 相較于傳統(tǒng)灌溉方式最大的不同在于灌溉持續(xù)時(shí)間和出流特性。當(dāng)前以間歇灌溉為主的水氮供施方式，存在的最大問題即土壤水分和養(yǎng)分的劇烈波動(dòng)。與之相反，SICE屬于連續(xù)灌溉。在灌水量相同的前提下，可利用陶瓷灌水器內(nèi)部微米級(jí)孔隙實(shí)現(xiàn)水肥液的持續(xù)微量供給[21]，減緩水分和氮肥進(jìn)入土壤的速率，延長(zhǎng)灌溉時(shí)間，使得肥效可以緩慢釋放，保證了整個(gè)生育期內(nèi)土壤水氮環(huán)境的穩(wěn)定。

地下滴灌一次的灌水時(shí)間僅為數(shù)小時(shí)，其初期出流量大，由于土壤的各向同性此時(shí)重力勢(shì)占主導(dǎo)地位，短時(shí)間內(nèi)大量水肥供給的方式可能會(huì)導(dǎo)致優(yōu)先流的產(chǎn)生，造成水氮的深層滲漏，致使根區(qū)氮素不足，無法滿足作物生長(zhǎng)后期的需求。相反地，SICE 持續(xù)微量的出流方式，更傾向于形成基質(zhì)流，水分和養(yǎng)分均勻下滲，有效的將土壤NH4+-N和NO3--N保留在作物根系層。例如本文3.2 的研究中，相較于CK，SICE 的0～60 cm根系土層中明顯有更多的氮素留存（圖4）。

此外，根層氮素含量的增加，也可能是因?yàn)樗目捎眯栽黾?，理想的土壤水分含量更利于尿素的轉(zhuǎn)化，使作物更好地吸收養(yǎng)分。對(duì)比CK 和T1，在氮素運(yùn)移和反應(yīng)參數(shù)設(shè)定相同，且肥液濃度一致的情況下，T1 處理土壤NO3--N 含量峰值大于CK 處理（圖3）。這是因?yàn)椴煌螒B(tài)的氮在土壤中會(huì)相互轉(zhuǎn)化，當(dāng)尿素隨水施入土壤后，先在脲酶的作用下生成碳酸銨[22]。碳酸銨進(jìn)一步與水發(fā)生反應(yīng)轉(zhuǎn)化為NH4+-N，NH4+-N 再氧化為NO3--N。由于前期CK灌水量大，形成了飽和土壤水環(huán)境，加快了生成NO3--N 這一反應(yīng)進(jìn)程。而硝酸根帶負(fù)電荷，不易被帶負(fù)電荷為主的土壤膠體吸附，其主要存在于土壤溶液中，容易隨水移動(dòng)而引起硝酸根的淋失[23]。因此，CK 將較于SICE 處理的NO3--N 淋失量更大（圖5）。而且，CK 處理前期土壤濕度過大，在通氣不良情況下，根層中的NO3--N 可經(jīng)反硝化作用還原成不能被作物利用的氧化亞氮，氧化氮和氮?dú)?，造成脫氮損失[24,25]。

研究還發(fā)現(xiàn)，土壤NH4+-N和NO3--N空間分布存在較大差異，土壤NH4+-N 的分布半徑明顯小于NO3--N。一方面是因?yàn)镹O3--N 和生物作用使得NH4+-N 在土層中短暫存在后就轉(zhuǎn)化為NO3--N。另一方面是因?yàn)閰^(qū)別于NO3--N 的化學(xué)特性，銨離子帶正電荷，容易與土壤膠粒上已有的陽離子進(jìn)行交換，并吸附于土壤膠粒，不僅吸附在土壤表面，還可進(jìn)入粘土礦物的晶體中，成為固定態(tài)銨離子[26]，移動(dòng)性較小，比較容易被土壤“包存”[27]。也容易成為交換態(tài)養(yǎng)分，逐步供給作物吸收利用[28,29]。因此相較于NO3--N 較廣的分布范圍，NH4+-N 集中吸附在灌水器周圍。

此外，本研究并未發(fā)現(xiàn)氮肥濃度對(duì)土壤水分的運(yùn)移有明顯影響，與此相反，有研究表示土壤NO3--N 濃度會(huì)影響土壤水分分布特性，從而導(dǎo)致NO3--N 濃度高的土層吸水量增加[30]。因此，未來有必要進(jìn)一步考慮灌溉水和氮肥之間的相互影響，以更好地優(yōu)化SICE的灌水施肥策略，推進(jìn)其工程化應(yīng)用。

5 結(jié) 論

綜上，本文利用HYDRUS-2D 構(gòu)建了SICE 持續(xù)微量供給下的土壤水氮聯(lián)合運(yùn)移模型，并于中國(guó)青海開展了微孔陶瓷根灌枸杞田間試驗(yàn)，用以模型校準(zhǔn)和準(zhǔn)確性驗(yàn)證，最后以地下滴灌（CK）為對(duì)照，利用模型研究了3 種氮肥液濃度（211.54 mg/L、169.23 mg/L、126.92 mg/L）下SICE 土壤水氮時(shí)空分布特征，并對(duì)土壤水分滲漏及氮素淋失動(dòng)態(tài)進(jìn)行了模擬分析，得出以下結(jié)論：

（1）校驗(yàn)后的HYDRUS-2D 模型在預(yù)測(cè)土壤含水量、NO3--N 運(yùn)移過程中表現(xiàn)良好，進(jìn)一步地，可以對(duì)SICE 土壤NH4+-N 的時(shí)空分布規(guī)律，以及土壤水分深層滲漏和氮素淋失進(jìn)行評(píng)估。

（2）與CK 相比，SICE 減緩了氮肥液進(jìn)入土壤的速率，延長(zhǎng)了有效水分和養(yǎng)分的供應(yīng)時(shí)間（從6.67 h 延長(zhǎng)至480.00 h），降低了根系層土壤水分、NH4+-N 和NO3--N 的時(shí)間波動(dòng)性，保證土壤水氮相對(duì)充足的同時(shí)還維持了土壤水氮環(huán)境的相對(duì)穩(wěn)定；其次，氮肥液持續(xù)微量供給期內(nèi)，SICE 將土壤水分、NH4+-N 和NO3--N 維持在枸杞根系密度最大處的土層深度，充分保證了土層根、水、肥的高度匹配，為枸杞水氮高效利用提供了有效保障。

（3）對(duì)于根層土壤水分滲漏量、土壤NH4+-N和NO3--N淋失量，三者的處理結(jié)果均為CK＞T1＞T2＞T3，與CK 相比，T1處理每公頃減小了51.01%的NO3--N淋失量。SICE在降低水分深層滲漏和氮素淋失方面明顯優(yōu)于CK，降低了硝酸鹽污染物向地下水遷移的風(fēng)險(xiǎn)。