沟灌肥液入渗硝态氮运移特性数值模拟及影响因素分析

聂坤堃，聂卫波，白清俊

沟灌肥液入渗硝态氮运移特性数值模拟及影响因素分析

聂坤堃，聂卫波※，白清俊

（西安理工大学水利水电学院，西安 710048）

为探明沟灌肥液（硝酸钾，KNO3）入渗特性，选取杨凌区砂壤土和黏壤土作为供试土壤，以室内试验资料为基础，对不同肥液浓度条件下的土壤水力特性参数与溶质运移参数进行了反演，并模拟分析了不同因素对沟灌肥液入渗过程中硝态氮（NO3--N）的运移规律。结果表明：肥液浓度变化对土壤水力特性参数有一定的影响，其中土壤饱和含水率θ、形状系数、饱和导水率K随肥液浓度的增大呈增加趋势，但进气吸力倒数值则呈现减小趋势；采用反演所得参数对沟灌肥液入渗过程进行了模拟，其中不同位置处土壤水分和NO3--N模拟值与实测值相对误差绝对值均值最高分别为6.52%和11.49%，说明反演所得土壤水力特性参数和溶质运移参数是可靠的；土壤初始含水率和肥液浓度对NO3--N分布的影响较显著，其中NO3--N分布范围随着土壤初始含水率和肥液浓度的增大而增大；沟中水深和沟底宽对NO3--N竖直向分布影响较小，但对水平向分布影响较大，其水平向分布范围随着沟中水深和沟底宽的增大而增大。研究结果可为农田沟灌施肥系统的设计与管理提供理论依据。

肥料；灌溉；入渗；数值反演；溶质运移

0 引 言

灌溉施肥是将化肥充分溶解后与灌溉水混合引入田间的施肥技术，与传统（化肥）撒施技术比较，其在一定程度上提高了化肥利用率，降低了养分流失引起的农田土壤生态环境污染风险[1-2]。随着地面灌溉理论体系的不断发展与完善，灌溉施肥技术逐步与畦沟灌等地面灌水技术相结合，并在欧美等发达国家有着较为普遍的应用[3-4]。Zerihun等[5]构建了畦灌施肥地表-土壤水肥运移耦合模型，并结合田间试验对模型求解结果的可靠性进行了验证，为畦灌施肥系统的设计和管理提供了基础；白美健等[6]对畦灌撒施与液施（硫酸铵）土壤中氮素时空分布特征进行了分析，结果表明液施能明显改善灌后土壤氮素空间分布均匀性，更有利于田间尺度的水肥管理；Ebrahimian等[7]模拟了常规沟灌和交替沟灌施肥技术下的土壤水肥运移过程，结果表明交替沟灌施肥可有效减少水肥损失；高剑民等[8]以大田畦灌施肥试验为基础，分析了不同液施模式下土壤水氮空间分布特征，提出了研究区域合理的畦灌施肥技术要素组合；上述研究为地面灌溉施肥技术的推广应用提供了基础，但较少分析不同因素对土壤湿润体中水肥运移特性的影响。针对该问题，部分学者以土壤肥液入渗试验为基础，分析了不同因素对土壤湿润体中水肥（如硝态氮、铵态氮等）运移特性的影响，并建立了考虑氮素影响的土壤累积入渗量、湿润体内含水率、硝态氮（NO3--N）和铵态氮（NH4+-N）分布，以及湿润锋运移距离等多种形式的计算模型[9-12]。采用试验研究方法虽然在一定程度上揭示了土壤水肥运移规律，但费时费力，且研究成果大多在特定的条件下得出，使其研究成果具有一定的局限性。

随着计算机技术的快速发展，数值模拟方法被广泛用于土壤水肥运移特性的研究中，如冯绍元等[13]根据土壤水动力学原理，对一维非饱和土壤中NH4+-N的运移过程进行了模拟，并与实测值进行了比较，结果表明土壤含水率模拟值与实测值相对误差最大为7.1%，NH4+-N含量的相对误差最大为19.5%；李久生等[14]模拟分析了黏壤土和砂壤土滴灌条件下土壤水分和NO3--N运移特性，并采用肥液入渗试验对模拟结果进行了验证，结果表明模拟值与实测值一致性较好；Zerihun等[15-16]建立了畦灌施肥条件下土壤水流与溶质运移数学模型，并通过试验验证，所建模型能够较精确的模拟畦灌条件下土壤剖面水流和溶质运移过程；Doltra等[17]模拟了滴灌施肥条件下土壤中NO3--N运移过程，结果表明土壤NO3--N含量模拟值与实测值相关系数均不低于0.76；脱云飞等[18]对膜孔肥液自由入渗条件下土壤水氮运移转化进行了数值模拟，结果表明模拟值与实测值基本一致；Wang等[19]模拟了不同滴灌均匀度和降雨强度下的土壤水分和NO3--N运移特性，结果表明模拟结果能够较好的反映田间水分和NO3--N运移过程；Tan等[20]模拟了稻田土壤水分、NO3--N和NH4+-N的运移特性，并与实测值进行了对比分析，结果表明两者基本一致；黎会仙等[21]对滴灌条件下土壤水氮运移过程进行了模拟分析，其土壤含水率模拟值与实测值的相对误差变化在10%以内，NH4+-N、NO3--N质量浓度的模拟值与实测值变化范围在20%以内；由此说明数值模拟方法可用于土壤肥液入渗特性研究，且具有较高的模拟精度，但以往研究主要集中在一维入渗和点源入渗方面，较少涉及沟灌二维土壤肥液入渗特性研究。由于沟灌施肥过程中不同位置处的土壤毛管力和重力作用为非线性关系，且受到土壤物理性质和不同灌水施肥技术要素影响，使得各点土壤肥液入渗的水势梯度不同，导致了问题研究的复杂性。基于此，本文以沟灌肥液（硝酸钾，KNO3）入渗试验为基础，采用数值反演方法估算不同肥液浓度条件下的土壤水力特性参数与溶质运移参数，并模拟分析土壤质地、土壤初始含水率、肥液浓度、沟中水深和沟底宽等因素对沟灌肥液入渗过程中NO3--N运移特性，以期为农田沟灌施肥系统的设计与管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区土壤条件

供试土样取自陕西省杨凌区。杨凌区地形从南至北分为3级阶地，其中1级阶地海拔420～430 m，土壤质地（国际制）为砂壤土，2、3级阶地海拔分别为450～485和515～540 m，土壤质地为黏壤土。根据杨凌区地形地貌特征，在1级阶地和3级阶地典型农田采集土样，取土深度为0～60 cm，将采集的土样风干后测定含水率（烘干法）；采用Mastersizer 2000激光粒度仪测定土样颗粒组成，同时测定土壤中NO3--N含量，结果见表1。

表1 供试土壤特性参数

硝酸钾（KNO3）是一种钾氮复合肥，具有物理化学性质稳定，可同时补充作物生长过程中所需的钾和氮等优点，因此在农业生产中被广泛应用，故本文选用KNO3作为供试肥料，将其溶于水中进行沟灌肥液入渗试验，KNO3易溶于水，且为强电解质，在水中能够完全电离，故KNO3溶液中钾离子（K+）和硝酸根（NO3-）的比值为39：62。根据试验结果反演不同肥液浓度条件下的土壤水力特性参数和溶质运移参数，并采用数值模拟方法分析沟灌肥液入渗过程中硝态氮运移特性。已有文献[22-24]研究表明，杨凌区1级阶地和3级阶地土壤容重分别为1.40～1.50 和1.30～1.40 g/cm3，故本文试验过程中对砂壤土和黏壤土各设计3个容重水平，分别为1.40、1.45、1.50 g/cm3和1.30、1.35、1.40 g/cm3。综和考虑前人研究过程中所设置的肥液浓度范围[25-28]，结合文中试验研究目的，KNO3质量浓度设置3个水平，即分别为250、600、900 mg/L；同时选取沟中水深、初始含水率等因素进行沟灌肥液入渗试验（表2）。

表2 沟灌肥液入渗试验设计

注：“*”为土壤水力特性参数和溶质运移参数反演结果验证试验，其余试验用于反演土壤水力特性参数和溶质运移参数。

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.

试验土样为杨凌区砂壤土和黏壤土，风干后过2 mm筛，分层（5 cm）装入土箱，土箱规格为80 cm×5 cm×80 cm（长×宽×高）；在土箱一侧开挖灌水沟，采用北方地区常用的梯形断面，其中底宽20 cm，高15 cm，边坡系数为1；由于灌水沟为轴对称图形，故试验过程中采用1/2断面，即ABCDO区域，具体见图1。采用马氏瓶供水，记录时间和入渗水量，每隔一段时间绘出湿润锋位置。入渗结束后，按照5 cm×5 cm×5 cm采集土样，各测点土样分为两部分，其中一部分土样采用烘干法测定含水率，其余土样风干后测定NO3--N（紫外分光光度计）含量。

图1 灌水沟断面

1.2 数学模型

1.2.1 水分运动控制方程

假设土壤为均质且各向同性的多孔介质，不考虑土壤内部的空气阻力、温度以及蒸发对入渗的影响，其方程为[29]

式中为平面坐标，规定向下为正；为时间，min；()为土壤导水率，cm/min。()采用van Genuchten-Mualem（VG-M）模型进行计算，即