表施尿素下引黃畦灌水流中氮素遷移轉化規律試驗研究

王 勇，張建豐，吳文勇，趙永安，萬 發 ，廖人寬

(1.西安理工大學西北旱區生態水利工程國家重點實驗室培育基地，西安 710048； 2.中國水利水電科學研究院水利研究所，北京 100044;3. 運城市尊村引黃灌溉管理局，山西 運城 044000)

0 引 言

在灌溉作物生產系統中廣泛使用表施肥料,目前我國采用地面灌溉方式的面積占98%[1]，畦灌由于簡單易行成為最主要的地面灌水方式之一[2]，且撒施和液施是2種最常用的畦灌施肥方式，其中，撒施是指先將肥料撒在地表，然后灌溉，肥料隨水運動和下滲到土壤中，達到滿足作物對養分的需求方法；而液施是指先將肥料完全溶解，然后注入灌溉水中，達到灌溉施肥目的的方法[3]。黃河流域的氣候條件和水資源狀況決定了農業發展依賴于灌溉[4]，但由于引黃灌區田間工程設施不完善、畦田規格不合理以及管理粗放等原因導致水資源浪費嚴重[5]，黃河流域灌區現狀平均灌溉水利用系數0.49，低于全國平均水平[6]；同時氮肥的利用效率僅為0.35，由此帶來一系列農業管理和環境問題[7]。在地表水流中水流運動是溶質遷移的水力學基礎[8]，畦長和入畦單寬流量作為畦灌的基本參數不僅決定著灌水均勻度和水分利用效率[2]，而且對畦灌施肥效果有至關重要的影響[9]。在我國大部分灌區的畦長在30～100 m，入畦單寬流量在1～4 L/(s·m)[2]。而引黃灌區畦灌具有畦長較長、入畦流量大的特點，畦長普遍在150 m以上，甚至有的超過300 m，入畦單寬流量有的達到9.26 L/(s·m)[10,11]。且作為灌溉水源的黃河水中含有大量懸浮顆粒物和營養物質，懸浮顆粒物的存在對水中物質的遷移轉化過程影響巨大[12-15]。

有關灌溉施肥下地表水流中氮素遷移分布雖已做了大量研究，但大多選擇井水作為灌溉水源且只對其中1～2種氮素的時空變化作了分析，未考慮水質、水力等的作用，以及不同氮素之間遷移轉化的影響[16-20]。雖然也有部分學者研究了含氮污染物在高含沙水體中的遷移轉化規律，但主要在室內，沒有深入研究自然條件下氮素的遷移轉化規律[21]。因此，開展表施尿素條件下引黃畦灌灌水流中氮素遷移轉化規律的研究具有理論和應用價值。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

田間試驗在山西省尊村引黃灌區第五提水站北1 500 m玉米地進行。試驗區位于北緯35°03′、東經110°49′,屬暖溫帶大陸性季風氣候，多年平均降水量525 mm。地表水資源年均利用量26 177 萬m3，其中提引黃河水16 956 萬m3，約占65%，黃河水是當地的主要水資源。液施和撒施化肥是兩種常見的施肥方法，夏玉米(6月初到10月初)和冬小麥(10月初到次年6月初)連作為主的糧食作物種植模式，試驗作物為鄭單958玉米。試驗區畦田與灌溉施肥基本參數見表1，液施和撒施尿素的施肥量相同。

1.2 田間試驗設計

如表1所示，選取施肥方式和地表水流入滲時間作為試驗的兩個因素，設計4個處理。具體如下：

灌水前，對于撒施，沿畦長方向每隔50 m作為一個施肥單元，化肥分塊均勻撒進畦田；液施則根據尿素的溶解度、每畝尿素使用量以及灌水時間、泵的流量來計算注入灌溉水中所需水量，其中灌水和取水時間是根據先前灌水試驗和水流推進過程曲線推算求得的。

表1 田間試驗設計方案Tab.1 Strategy of field experiment design

注：改水成數指地面灌溉過程中水流推進的距離占整個田面長的比率；施肥成數在撒施中指肥料撒在田面中的面積占整個田面面積的比率，而在液施中指注入肥液的時間占灌水時間的比率。

沿程共布設8個取樣點分別為在距畦首出水口1、50、100、150、200、250、300、345 m處，并提前做好標記。

當水流推進到各個取樣點時，取開始入滲水樣2 500 mL；并開始計時，等30 min，取各個取樣點水流到達后入滲30 min的水樣2 500 mL。

試驗日期為2016年8月4日，水源為黃河水(總氮3.01 mg/L、氨氮0.4 mg/L、硝氮2.45 mg/L),肥料為尿素(含氮率≥46%)。試驗區畦田與灌溉施肥基本參數見表2。

表2 畦田與灌溉施肥基本參數Tab.2 Basic parameters of irrigation and fertigation

1.3 測試方法

(1)水流測量。使用超聲波明渠流量計(南京寶威儀器儀表有限公司)計量入畦的黃河水流量、秒表計量灌水時間與各個點的水流推進時間。

(2)氮素測量。水樣根據《水和廢水監測分析方法(第四版)》，先使用0.45 μm的濾膜過濾，然后進行酸化使pH≤2、冷藏[22]，以及使用紫外-可見分光光度計HJ-013測量總氮(TN)、流動分析儀設備(Auto Analyzer Ⅲ,德國Bran+Luebbe)測定氨氮(NH+4-N)與硝氮(NO-3-N)濃度。有機氮和氨氮在水體中都為水相的濃度。

(3)泥沙測量。采用電子天平(上海佑科公司，精度0.01)測定水樣中泥沙質量。

1.4 濃度的計算

氮的存在形式包括有機氮(Org-N)和無機氮(Inorg-N)，其在水環境中的轉化作用包括氨化作用、硝化作用和反硝化作用，硝化過程中由亞硝態氮(NO-2-N)轉化為硝氮(NO-3-N)的速度很快，亞硝態氮很少累積[21]，因此在本文中不考慮亞硝態氮。各個時刻各個測點氮素的濃度為測試的濃度與黃河水中的濃度之差。則具體濃度計算如下：

CTN=COrg-N+CInorg-N

CInorg-N=CNH+4-N+CNO-3-N

式中：CTN為總氮濃度，mg/L；COrg-N為有機氮濃度，mg/L；CInorg-N為無機氮濃度，mg/L；CNH+4-N為氨氮濃度，mg/L；CNO-3-N為硝氮濃度，mg/L。

1.5 空間分布差異評價方法

采用變異系數Cv對不同施肥方式和入滲時間下的地表水流中氮素濃度沿畦長的空間分布差異性進行定量描述。其中Cv≤0.1 為弱變異性，0.1

1.6 相關關系評價方法

使用相關系數r對不同施肥方式和入滲時間下的地表水流中有機氮、氨氮和硝氮濃度之間以及與他們距離、流速、含沙量的相關關系的密切程度進行定量描述[24]。

2 結果與分析

氮素的遷移與轉化是一個同時進行的過程，彼此相互聯系，相互影響，并不是相互獨立的不同方面[18,21,25]。

2.1 氮素的轉化

圖1和圖2分別給出了撒施和液施尿素下不同時間地表水流中的總氮、有機氮、氨氮和硝氮的濃度沿畦長的變化的分布圖，從圖中可以看出各個測點氨氮和硝氮的濃度較總氮、有機氮的低，經計算無機氮占總氮的比例為14%～30%，有機氮占總氮71%～89%，這說明水中氮素主要以有機氮的形式存在，尿素作為人工合成的有機氮，其水解要經歷一個緩慢的過程，同時尿素的水解速率受到有機氮濃度、溫度、pH等影響而不同[26]。并且通過計算氨氮主要在0.2～0.8 mg/L，含量較低，這與有機氮通過氨化作用轉化為氨氮的時間較短和氨氮極易轉化且易溶于水有關[21]；硝氮主要在0.5～5 mg/L，較氨氮濃度較高，這可能與適宜的溫度下氨氮迅速轉化為硝氮和反硝化速率小于消化速率導致硝氮累積，以及表層土壤中氮素溶解[18]等有關。

圖1 撒施不同時刻地表水流中氮素濃度沿畦長變化Fig.1 Variation of nitrogen along the border lengthwise in surface water at different time under scattering urea

圖2 液施不同時刻地表水流中氮素濃度沿畦長變化Fig.2 Variation of nitrogen along the border lengthwise in surface water at different time under fertigating urea

表3表明除了液施下有機氮濃度與含沙量沿程正相關，其余都與含沙量負相關，且|r|>0.5為中度或高度相關。由于在撒施條件下各個時間各個測點的氮素的濃度不同，且變化幅度大，難以分析氮素與含沙量之間的關系；而液施各個時間各個測點的總氮濃度基本相同，變化幅度很小，因此，在此主要分析液施條件下氮素濃度與含沙量的關系。由圖3(b)可知道含沙量除了局部地區由于水流流速較大帶起田面表層土壤外都是沿程遞減的[27]，即含沙量越高有機氮含量越高，含沙量對有機氮的轉化有抑制作用，這與其他研究者的室內研究結果表明懸浮顆粒物對有機氮的降解有明顯的促進作用的矛盾[13,21],可能是由于水流推進過程中尿素在不斷進行水解，氮素之間在進行不斷轉化，以及表層土壤養分隨水流遷移累積[18]等有關,表明引黃灌溉施肥下地表水流中氮素沿畦長的遷移轉化不僅僅與含沙量有關，是眾多因素的作用，如懸浮顆粒物的顆粒組成以及微生物數量等[21]，氨氮、硝氮與含沙量負相關，也說明此問題。

圖3 地表水流沿畦長推進速度和含沙量Fig.3 Advancing velocity and sediment content in surface water along the border lengthwise

施肥方式取樣時間有機氮氨氮硝氮撒時開始入滲入滲30min-0．53-0．97-0．78-0．97-0．64-0．91液施開始入滲入滲30min0．690．61-0．58-0．79-0．66-0．66

表4 開始時刻氮素濃度變化與流速變化的相關系數Tab.4 Coefficient of correlation between concentrations of nitrogen and velocity in surface water at begin

表5 不同施肥方式下各時刻氮素濃度與距離的相關系數Tab.5 Coefficient of correlation between concentrations of nitrogen in surface water and distance

注：*顯著水平0.05，**顯著水平0.01。

白美健等在選用硫酸銨作為試驗肥料時，認為表層土壤中氮素的溶解是地表水流中氮素的主要來源，但對比圖1和圖2的可以發現，在相同時刻液施和撒施在總氮不同情況下，氨氮和硝氮的濃度也不同，一般有機氮濃度越高，氨氮和硝氮的濃度也越高，這表明水流中的氨氮、硝氮不僅來來源于土壤，尿素含量也起著重要作用。這可能是由于硫酸銨分解溫度較高，而尿素在適宜的溫度下完全分解較快[26]，且本次試驗的灌溉水源為夏季黃河水，水溫和懸浮顆粒物較高。

2.2 氮素與流速、距離和時間的關系

在畦灌地面水流中，溶質的遷移受到時間平均流速、紊流速度變化以及分子擴散等影響[28]。在畦灌過程中水流在田面上流動與土壤下滲是同時進行的，從水力學上看是透水地板上的明渠非恒定流[1]。從表4可以得到在撒施下沿畦長方向氮素濃度變化與流速變化均是正相關，其中總氮和有機氮的相關系數值大于0.5，是中度相關，這是因為尿素水解轉化前不帶電荷，不易被土粒吸附，很容易隨水移動和流失[26]，且有機氮在總氮中所占比率大的原因。然而硝氮為低度相關，氨氮為極低度相關，這是可能是由于氨氮帶正電荷，容易被帶負電荷的土壤和懸浮物顆粒物吸附，然而，硝氮帶負電荷，不與帶負電荷的泥沙顆粒結合，極易隨水流流失[21]；同時從圖1可以看出氮素濃度在畦首的變化比畦尾大，這可能是由于水流在推進過程中開始施推進速度迅速減小，然后逐漸減小。但對于液施，各個氮素的相關系數小于撒施的，且總氮和有機氮與流速為正相關，但相關系數較小，這表明在液施情況下總氮和有機氮濃度變化受流速變化作用較小，而氨氮、硝氮濃度變化與流速變化是負相關，這說明流速變化在其中起的不是主要原因。

從表5可以看出，不同施肥方式下不同時刻氮素濃度除了液施有機氮外其他氮素與畦首距離的相關系數都為正數，且撒施的相關系數普遍高于液施的，撒施的相關系數都大于0.8，與距離為高度相關，這表明撒施情況下，氮素在畦首存在明顯的流失，在畦尾存在不斷累積，這可能與畦首流速較大，以及尿素隨水流失，氨氮主要是通過有機氮轉化得到，硝氮通過氨氮轉化得到，有關尿素、氨氮和硝氮之間構成是一個鏈數為三的連續衰減反應[29]；并且30 min時的相關系數大于開始時的，這可能是由于一方面在撒施開始時尿素為顆粒狀，相對難以沖刷，盡管尿素易溶解于水且速率快， 30 min時全部溶解，很容易流失；另一方面在開始時由于表層土壤含水率較低，土壤非飽和導水率較大，30 min時土壤非飽和導水率較小，水流的流速大于開始時的。對于液施，總氮與距離的相關系數小于0.3，為極低度相關，可能存在畦尾累積，但不明顯，這是由于液施時水泵流量和灌水流量穩定，水流中尿素分布均勻，且尿素的水解要經歷一個的過程，沿畦長氨氮、硝氮的所占比率比較穩定且較小所致；而有機氮與距離為負相關，氨氮和硝氮為正相關，相關程度都為中度以上，這主要是由于在田面水流推進過程中尿素在進行不斷水解，導致有機氮減少，氨氮和硝氮增加。

從圖1可以看出，撒施各測點地表水流中的總氮的濃度隨時間在減小，且畦首氮素濃度降低的幅度大于畦尾。

2.3 氮素的時空分布特征

不同施肥方式下各個時刻氮素遷移轉化不同直接導致了氮素分布的不同。圖1、圖2與表5結果顯示，撒施的氮素時空變異性大于液施，這表明液施較撒施可以提高地表水流中氮素的時空分布的均勻性，彌補撒施在均勻性方面的不足，但對于不同施肥方法不同時間下不同氮素沿畦長分布的變異強度不同，其中同種施肥方式下的總氮、有機氮的變異系數值相差較小。至于撒施，3個氮素濃度沿畦長在不同時間都是中等變異性，且總氮、有機氮的變異系數都小于氨氮和硝氮，至于在開始時刻總氮、有機氮和硝氮的變異系數都小于氨氮，而在30 min時四氮的變異系數都在0.59～0.69之間，差異不大，但總氮、硝氮變異系數相對于開始時刻增加了30%多，氨氮有所減小。而對于液施，3個氮素濃度沿畦長在不同時間變異等級不同，總氮與有機氮都為弱變異，氨氮和硝氮都為中等變異，但氨氮遠遠高于硝氮的，在不同時刻總氮、有機氮和硝氮變異系數變化較小，而氨氮的變化較大且同樣是開始時刻大于30 min的。這表明不同氮素時空分布具有不同步性，各自的影響因素不同。

表6 不同施肥方式下各時刻氮素濃度沿畦長的變異系數Tab.6 Coefficient of variation of nitrogen in surface water along the border lengthwise

注：a、b表明變量之間的顯著性，如果數字后面的字母一致，則差異不顯著，否則差異顯著。

3 討 論

對于田間灌溉施肥，相比于有機氮、氨氮和硝氮而言，總氮分布特征直接影響著氮素在土壤中分布的均勻性，作物對氮素的利用率，以及氮素的流失等。

本次試驗由于入畦單寬流量大，而畦埂高度不夠，限制了水流深度、導致水流在田間運動過程中存在少許漏水，對水流的推進產生一定的影響；在畦灌過程中，水流在田面運動其實時間較短，而由于黃河水含沙率較高，在水樣監測前要經歷靜沉等處理，延長了氮素轉化的時間，這可能導致結果中各個測點中氨氮、硝氮的濃度偏高；且本文中氮素濃度都為水相中的，不涉及顆粒相的，有待進一步研究。

在地面灌溉施肥中，水流的運動是肥料遷移轉化的水力基礎[28]，國內外學者主要基于守恒型Saint-Venant方程描述地表水流運動，Richards方程描述田面水流的入滲和用對流彌散方程來描述溶質的遷移過程[8,30]。聯合這些模型能較好地模擬溶質濃度沿程變化，彌補地面灌溉施肥上設計和管理的不足。

4 結 語

通過分析不同施肥方式下地表水流中的氮素遷移轉化和時空分布特征，可以得到如下結論。

(1)水流中有機氮占總氮71%～89%，總氮主要以有機氮的形式存在，尿素在的水解需要經歷一個過程；地表水流中的無機氮不僅來源于表層土壤，尿素的水解也占有重要的部分；懸浮顆粒物不是引起沿程不同氮素變化的主要原因。

(2)撒施下氮素遷移受流速作用較大，氮素在畦首流失，畦尾累積，總氮、有機氮、氨氮和硝氮與距離的相關系數都大于0.8，為高度相關。液施受流速、距離和時間的影響較小。不同氮素在水流中特性不同導致氮素遷移特征不同。

(3)施肥方式對地表水流中氮素的分布特征有顯著影響，撒施的氮素時空變異性大于液施的，不同氮素的時空變異特征不同，液施較撒施可以提高地表水流中氮素的時空分布的均勻性，且撒施30 min時的變異系數比開始大0.38。

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