紅壤丘陵區多點源滴灌硝態氮運移特性研究

裴青寶，余雷，孔瓊菊，陳若男，萬怡國

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

0 引言

【研究意義】近年來，滴灌在各類作物灌溉中廣泛應用，尤其是水肥一體化滴灌技術在灌溉同時又滿足了作物對養分的需求，具備節水、節肥、對地形適應性強以及灌水均勻等諸多優點[1-3]。滴灌系統參數影響水肥運移規律及分布狀況，并決定濕潤體的形狀，進而影響水肥利用效率和灌溉制度的設計。而土壤質地[4-5]、地形條件[6-7]、施肥量[8-10]等也是影響灌水后水分養分分布的重要因素。【研究進展】目前，關于滴灌入滲的數值模擬研究，主要集中在對水分運動的模擬[11-12]，對于溶質遷移的模擬相對較少；近年來Hydrus被越來越多地應用到滴灌水分溶質運移的模擬中；Hanson等[13]采用Hydrus-2D模型模擬了室內條件下4種不同滴灌灌水量和5種不同施氮量的水分運移分布過程，通過模型預測對水肥進行管理，使得產量最大化、并減少對環境的影響。冀榮華等[14]通過Hydrus-3D模型模擬了壓力水頭對土壤入滲的影響，模擬結果表明，壓力水頭與土壤水分擴散率成正相關，土壤濕潤體的范圍隨著壓力水頭的增加而增加。EL-nesr等[15]進行了地下滴灌系統中多點源條件下水分養分運移的數值模擬，采用Hydrus-2D/3D對有植被和裸地下的水分溶質運移做了模擬。

【切入點】江西紅壤丘陵地區多以臍橙為支柱產業，水肥一體化滴灌技術被大規模地應用到該區域臍橙灌溉中，但是由于沒有相應技術支撐，種植戶在臍橙滴灌施肥中比較盲目。【擬解決的關鍵問題】通過研究臍橙滴灌過程中水分養分運移及分布狀況，分析臍橙滴灌關鍵技術適宜參數，以期為該區域臍橙滴灌水肥一體化管理提供科學指導和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

臍橙滴灌水肥一體化試驗在江西省尋烏縣晨光鎮竹背村臍橙種植園內進行，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）。年內降雨時空分配也很不均勻，4—6月多年平均降雨量為767.1 mm，占全年降雨量的46.8%。試驗點選擇在丘陵臍橙種植帶上，長100 m、寬3 m，對試驗點距地表100 cm以內的土壤體積質量質地進行取樣分析，土壤基本物理性質如表1所示。

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

1.2 試驗設計與方法

試驗設計不同的滴頭間距（20、30、40、50 cm）和滴灌流量（0.5、1、2 L/h），共計12個處理，NO3--N質量濃度根據當地農民臍橙施肥習慣確定為651 mg/L。試驗時間為2018年7—8月。滴灌時間設定為5 h，試驗選擇在臍橙果樹根系附近進行，試驗開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，試驗開始前在現場配置NO3--N溶液，并用流量計控制流量。試驗開始后記錄馬氏瓶讀數，間隔時間為10 min。入滲結束后，通過土鉆取樣，取樣深度根據濕潤體范圍確定，當土鉆取至未濕潤土體時結束，用烘干法測定剖面含水率。試驗地土壤初始NO3--N質量濃度為11.28 mg/L。取樣點布置如圖1所示，各剖面分別間隔10 cm取樣至濕潤鋒處。土壤蒸發量用自制微型蒸發器測定[16]，蒸發器埋設在試驗點附近，試驗期間每天20:00測定質量，試驗期間測定得到的土面平均日蒸發強度為3.55 mm/d。

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

1.3 數學模型

1.3.1 水分運動基本方程

滴灌土壤水分運動為三維流動問題。假定入滲土體分為二層，土壤剖面研究區域為100 cm，分層位置為30 cm 處，同一層內各向同性。存在地表蒸發，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象；則三維軸對稱點源水分入滲Richard 方程[17-19]可表示為：

式中：θ為土壤體積含水率（cm3/cm3）；h為土壤負壓水頭（cm）；x、y、z為坐標（z 坐標向下為正）（cm）；t為時間（min）；Kh為非飽和導水率（cm/min）；S為地表蒸發項（cm/min）。

Hydrus-3D模擬時需要非飽和土壤水分特征曲線θh、土壤導水率Kh計算采用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為土壤飽和導水率（cm/min）；l為孔隙連通性參數，大多數土壤取0.5；a、n、m為擬合經驗參數；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，隨水分的運移在同一層內認為做徑向對稱運動，其對流-彌散方程可表示為[15,20]：

式中：C為土壤中NO3--N的質量濃度（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為水動力彌散系數張量的分量；q為土壤水通量的絕對值；DL、DT為溶質的縱向和橫向彌散度（L）；Dw為自由水中的分子擴散系數；τ為溶質的彎曲系數，通常表示土壤體積含水率的函數。

圖2 模型求解區域Fig.2 Model solving regions

1.4 邊界條件和初始條件

1.4.1 邊界條件

模型求解區域為臍橙滴灌從地表至入滲所形成的濕潤范圍內，如圖2所示。Hydrus-3D 不能模擬出水頭的變化過程，根據其可以模擬出邊界條件隨時間的變化，進一步模擬滴灌入滲過程中滴頭下方地表積水區域及水頭的變化。試驗過程中觀測并記錄滴頭下方積水區域隨時間的變化，試驗開始后20 min 時達到飽和區域的50%，飽和區域為滴頭下方表層土壤達到飽和的范圍，為一定值，用RS表示，積水深度為0.35 cm，用游標卡尺通過測量滴頭下方積水深度得到，在灌水后35 min 達到飽和區域的80%、積水深度為0.6 cm，在50 min 后飽和區穩定，積水深度為0.78 cm。試驗過程中滴頭下方積水水頭變化分為2個階段，即：初期變化階段和穩定階段，在模擬過程中積水水頭變化設置按照這2個階段來設置，初期變化階段以入滲開始后20 min 及該時間點的水頭為概化，穩定階段則為第50 min 及相應水頭。模擬考慮蒸發，則上邊界為第二類邊界即水分運動的上邊界條件可以表示為：

本次模擬過程中地表有積水，溶質上邊界條件采用一類邊界條件。

滴灌濕潤體周邊土壤水分運移通量為0，則側邊界屬于第二類邊界條件：

由于地下水埋深較深，可認為下邊界含水率始終不變，等于初始含水率，按第一類邊界條件處理。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為地表蒸發強度（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 質量濃度在研究區域內分布均勻，初始條件可表示為:

式中：h0為初始含水率對應的土壤水勢（cm）；C0為土壤初始NO3--N 質量濃度（mg/L）。

1.4.3 土壤水力參數

土壤水分特性的VG模型參數，分層土壤水分特征曲線采用壓力膜法測定，并將輸入到RETC 軟件進行模擬，對比分析不同方法得到模型參數，最終確定合適的參數見表2。

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

1.4.4 溶質參數

模擬中NO3--N 運移采用標準的一階動力學線性非吸附模型。本次模擬Hydrus-3D 時間權重方案采用隱式，空間權重方案采用伽遼金有限元法，溶質單位為mg/L，模擬中質量濃度脈沖持續時間設定為300 min，彎曲系數取0.5，NO3--N 溶質對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生在可動區，溶質的分子擴散系數Dw取為0.015 cm/min，吸附模型選擇弗洛伊德吸附模型，試驗不考慮硝化反硝化作用[22]。

2 結果與分析

根據試驗取樣點的布置，采用MATLAB軟件繪制不同剖面上各點NO3--N量，形成交匯入滲后NO3--N在土體內分布的三維圖，并用Hydrus-3D對NO3--N在土體中的分布進行模擬。

2.1 多點源滴灌下滴頭間距和滴頭流量對NO3--N 運移分布影響

2.1.1 多點源滴灌不同滴頭間距對NO3--N 分布影響

滴頭流量為1 L/h時多點源滴灌交匯入滲濕潤體內NO3--N分布如圖3所示，由圖3可知，滴頭間距變化對滴灌后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在紅壤內的分布范圍越廣，滴頭間距為50 cm時NO3--N分布范圍最大，滴頭間距為20 cm時分布范圍最小。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，達到651 mg/L。可見多點源滴灌條件下，滴頭間距較小時可供濕潤的土體空間也相應減少。而且試驗所在地上層土壤較疏松，下層土壤緊實，下層土壤入滲率出現降低，水分溶質的向下入滲困難；在滴頭流量不發生變化的情況下，未入滲的水分溶質在滴頭下方出現累積和擴散，增加了地表處的濕潤范圍和NO3--N量。如圖3（a）所示，滴頭間距為20 cm時，表層土體內的NO3--N量較高，地表處濕潤范圍為0～80 cm，濕潤深度為60 cm，距地表40 cm深度處的濕潤范圍為0～30 cm。如圖3（d）所示，當間距為50 cm，間距的加大使得土壤入滲空間增加，濕潤深度為80 cm，距地表30 cm深度處的濕潤范圍為0～60 cm，滴灌過程中在滴頭下方土壤內形成2個質量濃度鋒，NO3--N在土壤內的分布范圍變大，但是2個質量濃度鋒交匯的范圍較小，容易形成部分根系沒有養分供給的施肥空白區。綜合對比4個不同滴頭間距所形成的NO3--N分布圖，當滴頭間距為30 cm時，NO3--N分布范圍以及深度大于間距為20 cm，且質量濃度鋒交匯區域較大，該間距灌溉后有利于作物對NO3--N的吸取。

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

2.1.2 多點源滴灌不同滴頭流量對NO3--N 分布影響

圖4為滴頭間距30cm時，不同流量下NO3--N的分布情況，由圖4可知，間距為30 cm時，3個不同流量的多點源滴灌NO3--N在土體內的遷移分布受流量的影響較大，流量較大時NO3--N分布范圍以及交匯區域均比較廣。滴頭流量對入滲后濕潤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，滴灌過程中隨水分在土壤中遷移，滴頭間距相同時，流量變大水分的濕潤范圍增加，促使NO3--N遷移分布擴大。流量為0.5 L/h時（圖4（a）），滴灌后NO3--N的分布范圍和交匯區域均相對單薄，養分的有效覆蓋范圍較小不利于根系吸收。流量為1 L/h時（圖4（b）），滴灌后NO3--N分布范圍較大，交匯范圍也比較廣，滴灌濕潤體內的NO3--N量較高，能夠在臍橙根系周圍形成一個有效的養分帶。流量為1.5 L/h時（圖4（c）），水分溶質入滲的空間受到限制，當入滲率達到穩定狀態時入滲量減少，地表積水范圍擴大，從而造成地表濕潤范圍增加，水分溶質集聚在表層，不利于作物根系對水分養分吸收。

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 多點源滴灌NO3--N遷移分布數值模擬

采用Hydrus-3D對交匯處以及水平位置90°方向上的NO3--N量進行模擬。以流量為1 L/h，4個不同間距試驗為例，多點源滴灌NO3--N實測值與模擬值如圖5所示。由圖5可見，4個不同間距Hydrus-3D模擬值與實測值平均相對偏差分別為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，而實測值則出現了“突變”，實測值在測定過程中存在土壤的空間差異性，以及通過土鉆取樣的過程中上層水分溶質繼續下滲，改變了該處質量濃度。而Hydrus-2D/3D在模擬過程中假定所有點的水分溶質量為定值，忽略水分溶質的再分布過程。另外，Hydrus-2D/3D通過邊界條件設定的蒸發量是定值，模擬結束后模型認定積水區域消失，蒸發停止，而在實際中地表蒸發繼續進行；積水短時間內存在，影響了模擬的精度。以圖5（b）90°方向的取樣為例，地表20 cm范圍內的實測值均是大于模擬值的，尤其在滴頭下方表層土體內溶質質量濃度較高，受到地表積水的影響該區域實際處于飽和或過飽和狀態，而模型則忽略了該范圍內的土壤水分溶質的實際狀態。以上影響模擬精度的因素需要在后期研究中對模型的參數確定，邊界條件和初始條件的設置等進行修訂，以便于提高模型對該區域溶質遷移的模擬精度。

圖5 不同間距NO3--N運移分布模擬值與實測值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，國內外有關于此的研究還不是很多，而該區域丘陵地區種植的臍橙常存在季節性干旱和因為供水困難造成灌溉水資源短缺影響臍橙產量品質等問題。深入研究紅壤地區滴管水肥運移分布規律的基礎上；分析丘陵地區臍橙滴灌關鍵技術；為臍橙產量品質提升提供技術保障。綜合對比4個不同滴頭間距所形成的NO3--N分布，當滴頭間距為30 cm時，2滴頭間NO3--N質量濃度鋒交匯區域較大，該間距灌溉后有利于作物根系對NO3--N的吸取。間距相同時，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]研究結果一致。NO3--N隨水遷移，很容易造成地表養分富集的現象。研究表明縮小滴頭流量或間距有助于改善濕潤體均勻性[26]，而本研究中流量為0.5 L/h時，濕潤體不僅范圍較小，且入滲時間較長，對提灌而言能源消耗過大；故間距相同時流量為1 L/h較適合于紅壤滴灌。

Hydrus-2D/3D在對室內均值土壤入滲的模擬精度較高[27-28]，對于大田環境，由于受到多種因素的影響致使模擬精度低于室內環境。國內外關于Hydrus-2D/3D對滴灌濕潤鋒推移和含水率變化的數值模擬結果表明，模擬值與實測值相對誤差在10%以內[5,29-30]，特別是在室內試驗條件下Hydrus-2D/3D對NO3--N的運移分布模擬相對誤差在9.5%以內[22]，表明室內條件下Hydrus-2D/3D對土壤水分溶質運移的模擬精度較高。分析認為，室內試驗條件下各層土壤組成均質、各向同性，大田土壤為非均質土壤以及土壤中的生物活動產生的大孔隙等均會影響水分溶質運移[30]，Hydrus-2D/3D模型進行了理想化處理。通過分析認為該模型總體上能夠用于紅壤丘陵區多點源入滲水分溶質運移模擬。

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

4 結論

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