红壤丘陵区多点源滴灌硝态氮运移特性研究

裴青宝，余雷，孔琼菊，陈若男，万怡国

（1.江西省水利科学研究院，南昌 330099；2.南昌工程学院，南昌 330099； 3.宁波市水利局农村水利管理处，浙江宁波 315000）

0 引言

【研究意义】近年来，滴灌在各类作物灌溉中广泛应用，尤其是水肥一体化滴灌技术在灌溉同时又满足了作物对养分的需求，具备节水、节肥、对地形适应性强以及灌水均匀等诸多优点[1-3]。滴灌系统参数影响水肥运移规律及分布状况，并决定湿润体的形状，进而影响水肥利用效率和灌溉制度的设计。而土壤质地[4-5]、地形条件[6-7]、施肥量[8-10]等也是影响灌水后水分养分分布的重要因素。【研究进展】目前，关于滴灌入渗的数值模拟研究，主要集中在对水分运动的模拟[11-12]，对于溶质迁移的模拟相对较少；近年来Hydrus被越来越多地应用到滴灌水分溶质运移的模拟中；Hanson等[13]采用Hydrus-2D模型模拟了室内条件下4种不同滴灌灌水量和5种不同施氮量的水分运移分布过程，通过模型预测对水肥进行管理，使得产量最大化、并减少对环境的影响。冀荣华等[14]通过Hydrus-3D模型模拟了压力水头对土壤入渗的影响，模拟结果表明，压力水头与土壤水分扩散率成正相关，土壤湿润体的范围随着压力水头的增加而增加。EL-nesr等[15]进行了地下滴灌系统中多点源条件下水分养分运移的数值模拟，采用Hydrus-2D/3D对有植被和裸地下的水分溶质运移做了模拟。

【切入点】江西红壤丘陵地区多以脐橙为支柱产业，水肥一体化滴灌技术被大规模地应用到该区域脐橙灌溉中，但是由于没有相应技术支撑，种植户在脐橙滴灌施肥中比较盲目。【拟解决的关键问题】通过研究脐橙滴灌过程中水分养分运移及分布状况，分析脐橙滴灌关键技术适宜参数，以期为该区域脐橙滴灌水肥一体化管理提供科学指导和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

脐橙滴灌水肥一体化试验在江西省寻乌县晨光镇竹背村脐橙种植园内进行，多年平均降雨量1 639.1 mm。但降雨量年际变化较大，最大年降雨量为2 448.7 mm（1961年），最小年降雨量946.8 mm（1991年）。年内降雨时空分配也很不均匀，4—6月多年平均降雨量为767.1 mm，占全年降雨量的46.8%。试验点选择在丘陵脐橙种植带上，长100 m、宽3 m，对试验点距地表100 cm以内的土壤体积质量质地进行取样分析，土壤基本物理性质如表1所示。

表1 土壤基本物理性质Table1 Basic physical properties of tested soils

1.2 试验设计与方法

试验设计不同的滴头间距（20、30、40、50 cm）和滴灌流量（0.5、1、2 L/h），共计12个处理，NO3--N质量浓度根据当地农民脐橙施肥习惯确定为651 mg/L。试验时间为2018年7—8月。滴灌时间设定为5 h，试验选择在脐橙果树根系附近进行，试验开始后清除地表杂物并使入渗地面保持平整。采用马氏瓶供水，试验开始前在现场配置NO3--N溶液，并用流量计控制流量。试验开始后记录马氏瓶读数，间隔时间为10 min。入渗结束后，通过土钻取样，取样深度根据湿润体范围确定，当土钻取至未湿润土体时结束，用烘干法测定剖面含水率。试验地土壤初始NO3--N质量浓度为11.28 mg/L。取样点布置如图1所示，各剖面分别间隔10 cm取样至湿润锋处。土壤蒸发量用自制微型蒸发器测定[16]，蒸发器埋设在试验点附近，试验期间每天20:00测定质量，试验期间测定得到的土面平均日蒸发强度为3.55 mm/d。

图1 交汇入渗取样点布置Fig.1 Layout of cross-intrusion sampling points

1.3 数学模型

1.3.1 水分运动基本方程

滴灌土壤水分运动为三维流动问题。假定入渗土体分为二层，土壤剖面研究区域为100 cm，分层位置为30 cm 处，同一层内各向同性。存在地表蒸发，土壤初始含水率相同，忽略土壤温度和水分变化引起的滞后现象；则三维轴对称点源水分入渗Richard 方程[17-19]可表示为：

式中：θ为土壤体积含水率（cm3/cm3）；h为土壤负压水头（cm）；x、y、z为坐标（z 坐标向下为正）（cm）；t为时间（min）；Kh为非饱和导水率（cm/min）；S为地表蒸发项（cm/min）。

Hydrus-3D模拟时需要非饱和土壤水分特征曲线θh、土壤导水率Kh计算采用Van Genuchten模型[5,14]：

式中：θs、θr为土壤饱和含水率和残余含水率（cm3/cm3）；Ks为土壤饱和导水率（cm/min）；l为孔隙连通性参数，大多数土壤取0.5；a、n、m为拟合经验参数；Se为有效含水率（饱和度）。

1.3.2 滴灌NO3--N 迁移方程

NO3--N 作为非吸附性离子，随水分的运移在同一层内认为做径向对称运动，其对流-弥散方程可表示为[15,20]：

式中：C为土壤中NO3--N的质量浓度（mg/L）；qr为纵向上的土壤水分通量；qz为横向上的土壤水分通量；Drr、Dzz、Drz为水动力弥散系数张量的分量；q为土壤水通量的绝对值；DL、DT为溶质的纵向和横向弥散度（L）；Dw为自由水中的分子扩散系数；τ为溶质的弯曲系数，通常表示土壤体积含水率的函数。

图2 模型求解区域Fig.2 Model solving regions

1.4 边界条件和初始条件

1.4.1 边界条件

模型求解区域为脐橙滴灌从地表至入渗所形成的湿润范围内，如图2所示。Hydrus-3D 不能模拟出水头的变化过程，根据其可以模拟出边界条件随时间的变化，进一步模拟滴灌入渗过程中滴头下方地表积水区域及水头的变化。试验过程中观测并记录滴头下方积水区域随时间的变化，试验开始后20 min 时达到饱和区域的50%，饱和区域为滴头下方表层土壤达到饱和的范围，为一定值，用RS表示，积水深度为0.35 cm，用游标卡尺通过测量滴头下方积水深度得到，在灌水后35 min 达到饱和区域的80%、积水深度为0.6 cm，在50 min 后饱和区稳定，积水深度为0.78 cm。试验过程中滴头下方积水水头变化分为2个阶段，即：初期变化阶段和稳定阶段，在模拟过程中积水水头变化设置按照这2个阶段来设置，初期变化阶段以入渗开始后20 min 及该时间点的水头为概化，稳定阶段则为第50 min 及相应水头。模拟考虑蒸发，则上边界为第二类边界即水分运动的上边界条件可以表示为：

本次模拟过程中地表有积水，溶质上边界条件采用一类边界条件。

滴灌湿润体周边土壤水分运移通量为0，则侧边界属于第二类边界条件：

由于地下水埋深较深，可认为下边界含水率始终不变，等于初始含水率，按第一类边界条件处理。即

下边界为自由排水边界：

式中：θ0为土壤初始含水率（cm3/cm3）；h为滴头下方积水深度（cm）；es为地表蒸发强度（mm/d）。

1.4.2 初始条件

初始条件假定土壤初始含水率和NO3--N 质量浓度在研究区域内分布均匀，初始条件可表示为:

式中：h0为初始含水率对应的土壤水势（cm）；C0为土壤初始NO3--N 质量浓度（mg/L）。

1.4.3 土壤水力参数

土壤水分特性的VG模型参数，分层土壤水分特征曲线采用压力膜法测定，并将输入到RETC 软件进行模拟，对比分析不同方法得到模型参数，最终确定合适的参数见表2。

表2 分层土壤Van-Genuchten模型参数Table2 Model parameters Van-Genuchten split red soil

1.4.4 溶质参数

模拟中NO3--N 运移采用标准的一阶动力学线性非吸附模型。本次模拟Hydrus-3D 时间权重方案采用隐式，空间权重方案采用伽辽金有限元法，溶质单位为mg/L，模拟中质量浓度脉冲持续时间设定为300 min，弯曲系数取0.5，NO3--N 溶质对流弥散方程中纵向弥散度Dr取0.55，横向弥散度Dz取0.06[21]，平衡吸附为完全物理吸附且均发生在可动区，溶质的分子扩散系数Dw取为0.015 cm/min，吸附模型选择弗洛伊德吸附模型，试验不考虑硝化反硝化作用[22]。

2 结果与分析

根据试验取样点的布置，采用MATLAB软件绘制不同剖面上各点NO3--N量，形成交汇入渗后NO3--N在土体内分布的三维图，并用Hydrus-3D对NO3--N在土体中的分布进行模拟。

2.1 多点源滴灌下滴头间距和滴头流量对NO3--N 运移分布影响

2.1.1 多点源滴灌不同滴头间距对NO3--N 分布影响

滴头流量为1 L/h时多点源滴灌交汇入渗湿润体内NO3--N分布如图3所示，由图3可知，滴头间距变化对滴灌后NO3--N在土壤中的迁移分布有较大的影响，滴头间距越大，滴灌后NO3--N在红壤内的分布范围越广，滴头间距为50 cm时NO3--N分布范围最大，滴头间距为20 cm时分布范围最小。滴头间距越小滴头附近表层土壤的NO3--N量越大，滴头间距为20 cm是表层土壤NO3--N量最大，达到651 mg/L。可见多点源滴灌条件下，滴头间距较小时可供湿润的土体空间也相应减少。而且试验所在地上层土壤较疏松，下层土壤紧实，下层土壤入渗率出现降低，水分溶质的向下入渗困难；在滴头流量不发生变化的情况下，未入渗的水分溶质在滴头下方出现累积和扩散，增加了地表处的湿润范围和NO3--N量。如图3（a）所示，滴头间距为20 cm时，表层土体内的NO3--N量较高，地表处湿润范围为0～80 cm，湿润深度为60 cm，距地表40 cm深度处的湿润范围为0～30 cm。如图3（d）所示，当间距为50 cm，间距的加大使得土壤入渗空间增加，湿润深度为80 cm，距地表30 cm深度处的湿润范围为0～60 cm，滴灌过程中在滴头下方土壤内形成2个质量浓度锋，NO3--N在土壤内的分布范围变大，但是2个质量浓度锋交汇的范围较小，容易形成部分根系没有养分供给的施肥空白区。综合对比4个不同滴头间距所形成的NO3--N分布图，当滴头间距为30 cm时，NO3--N分布范围以及深度大于间距为20 cm，且质量浓度锋交汇区域较大，该间距灌溉后有利于作物对NO3--N的吸取。

图3 流量1L/h 湿润体内NO3--N 分布Fig.3 NO3--N distribution in weting body under dripper discharge of 1 L/h

2.1.2 多点源滴灌不同滴头流量对NO3--N 分布影响

图4为滴头间距30cm时，不同流量下NO3--N的分布情况，由图4可知，间距为30 cm时，3个不同流量的多点源滴灌NO3--N在土体内的迁移分布受流量的影响较大，流量较大时NO3--N分布范围以及交汇区域均比较广。滴头流量对入渗后湿润体的形状和水平和垂直入渗深度有较大的影响[23-24]，NO3--N作为非吸附性的溶质，滴灌过程中随水分在土壤中迁移，滴头间距相同时，流量变大水分的湿润范围增加，促使NO3--N迁移分布扩大。流量为0.5 L/h时（图4（a）），滴灌后NO3--N的分布范围和交汇区域均相对单薄，养分的有效覆盖范围较小不利于根系吸收。流量为1 L/h时（图4（b）），滴灌后NO3--N分布范围较大，交汇范围也比较广，滴灌湿润体内的NO3--N量较高，能够在脐橙根系周围形成一个有效的养分带。流量为1.5 L/h时（图4（c）），水分溶质入渗的空间受到限制，当入渗率达到稳定状态时入渗量减少，地表积水范围扩大，从而造成地表湿润范围增加，水分溶质集聚在表层，不利于作物根系对水分养分吸收。

图4 间距为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 多点源滴灌NO3--N迁移分布数值模拟

采用Hydrus-3D对交汇处以及水平位置90°方向上的NO3--N量进行模拟。以流量为1 L/h，4个不同间距试验为例，多点源滴灌NO3--N实测值与模拟值如图5所示。由图5可见，4个不同间距Hydrus-3D模拟值与实测值平均相对偏差分别为7.97%、8.3%、8.9%、10.8%。在0°方向（图5（a）），滴头下方和距离滴头10 cm处，不同深度NO3--N的模拟值比较光滑，而实测值则出现了“突变”，实测值在测定过程中存在土壤的空间差异性，以及通过土钻取样的过程中上层水分溶质继续下渗，改变了该处质量浓度。而Hydrus-2D/3D在模拟过程中假定所有点的水分溶质量为定值，忽略水分溶质的再分布过程。另外，Hydrus-2D/3D通过边界条件设定的蒸发量是定值，模拟结束后模型认定积水区域消失，蒸发停止，而在实际中地表蒸发继续进行；积水短时间内存在，影响了模拟的精度。以图5（b）90°方向的取样为例，地表20 cm范围内的实测值均是大于模拟值的，尤其在滴头下方表层土体内溶质质量浓度较高，受到地表积水的影响该区域实际处于饱和或过饱和状态，而模型则忽略了该范围内的土壤水分溶质的实际状态。以上影响模拟精度的因素需要在后期研究中对模型的参数确定，边界条件和初始条件的设置等进行修订，以便于提高模型对该区域溶质迁移的模拟精度。

图5 不同间距NO3--N运移分布模拟值与实测值Fig.5 Simulation and measured values of nitrate nitrogen transport distribution with different spacing

3 讨论

南方水资源比较丰沛，国内外有关于此的研究还不是很多，而该区域丘陵地区种植的脐橙常存在季节性干旱和因为供水困难造成灌溉水资源短缺影响脐橙产量品质等问题。深入研究红壤地区滴管水肥运移分布规律的基础上；分析丘陵地区脐橙滴灌关键技术；为脐橙产量品质提升提供技术保障。综合对比4个不同滴头间距所形成的NO3--N分布，当滴头间距为30 cm时，2滴头间NO3--N质量浓度锋交汇区域较大，该间距灌溉后有利于作物根系对NO3--N的吸取。间距相同时，流量越大，入渗效果越差，地表层含水量较高且分布不均，这与唐士劼等[25]研究结果一致。NO3--N随水迁移，很容易造成地表养分富集的现象。研究表明缩小滴头流量或间距有助于改善湿润体均匀性[26]，而本研究中流量为0.5 L/h时，湿润体不仅范围较小，且入渗时间较长，对提灌而言能源消耗过大；故间距相同时流量为1 L/h较适合于红壤滴灌。

Hydrus-2D/3D在对室内均值土壤入渗的模拟精度较高[27-28]，对于大田环境，由于受到多种因素的影响致使模拟精度低于室内环境。国内外关于Hydrus-2D/3D对滴灌湿润锋推移和含水率变化的数值模拟结果表明，模拟值与实测值相对误差在10%以内[5,29-30]，特别是在室内试验条件下Hydrus-2D/3D对NO3--N的运移分布模拟相对误差在9.5%以内[22]，表明室内条件下Hydrus-2D/3D对土壤水分溶质运移的模拟精度较高。分析认为，室内试验条件下各层土壤组成均质、各向同性，大田土壤为非均质土壤以及土壤中的生物活动产生的大孔隙等均会影响水分溶质运移[30]，Hydrus-2D/3D模型进行了理想化处理。通过分析认为该模型总体上能够用于红壤丘陵区多点源入渗水分溶质运移模拟。

本文只讨论了滴头流量间距等参数变化对NO3--N迁移分布的影响，而NO3--N质量浓度变化以及多因素共同作用下，红壤水肥运移分布状况和数值模拟将是下一步的研究重点。

4 结论

1）在红壤区脐橙滴灌最适宜的滴头间距为30 cm时，滴头流量为1 L/h；在该间距和流量下土壤湿润体的分布范围与交汇区域内水分和NO3--N能够满足脐橙根系吸水要求，最大限度地避免了水肥流失和浪费。2）Hydrus-3D对红壤大田条件下多点源滴灌入渗后NO3--N迁移分布的模拟值与实测值的平均相对误差在11%以内，模型能够较好地模拟出红壤地区滴灌水肥一体化灌溉中的养分迁移分布。