汪順生，武 闖，柳騰飛，張 昊*，李志利

（1.華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院，鄭州 450046；2.黃河流域水資源高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，鄭州 450046；3.山東省農(nóng)業(yè)生態(tài)與資源保護(hù)總站，濟(jì)南 250023）

0 引 言

【研究意義】在作物生長過程中，通?？梢哉{(diào)控水、肥施用量實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)。高水高肥是傳統(tǒng)追求高產(chǎn)的方式[1]，但作物對土壤中水肥吸收存在閾值，當(dāng)水肥施用量超過一定范圍時(shí)增加水肥投入，作物產(chǎn)量增加不明顯，甚至出現(xiàn)降低趨勢[2-3]；過量肥料投入，作物不能及時(shí)吸收，導(dǎo)致土壤氮素積累[4-5]。旱田中無機(jī)氮主要以硝態(tài)氮的形態(tài)存在，而硝態(tài)氮不易被土壤膠粒吸附的特性決定了其易受灌溉和降雨影響特點(diǎn)。在受到較大降雨量或灌溉量的影響下，硝態(tài)氮會被淋溶并逐漸脫離作物根系吸收范圍，向深層土壤運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致深層土壤氮素積累，甚至污染地下水[6]。所以過量水肥投入不僅造成水肥浪費(fèi)，還會增加氮素向深層淋溶的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而產(chǎn)生農(nóng)業(yè)面源污染[7-8]。故研究不同水肥條件下田間土壤水氮分布特性對提高作物產(chǎn)量和減少農(nóng)業(yè)面源污染有十分重要意義?！狙芯窟M(jìn)展】近年來，很多學(xué)者針對不同水肥條件下土壤水氮分布特性開展研究，取得了大量的研究成果。袁浩等[9]通過探究氮肥基追比對麥田土壤水氮分布及利用的影響發(fā)現(xiàn)小麥生育期內(nèi)氮素追施量越多土壤表層銨態(tài)氮與硝態(tài)氮量越高，且隨土層加深土壤銨態(tài)氮與硝態(tài)氮量均降低；韓夢雪等[10]通過開展大田試驗(yàn)探究施肥方式和施氮量對枸杞微孔陶瓷根灌土壤水氮分布的影響發(fā)現(xiàn)，微孔陶瓷根灌水肥一體化實(shí)施減氮處理時(shí)會降低土壤硝態(tài)氮的量；此外，還有部分學(xué)者開展了不同條件下番茄[11]、玉米[12]、棉花[13]、甘藍(lán)[14]等作物生育期內(nèi)土壤水氮分布特性，發(fā)現(xiàn)灌水量較大會引起硝態(tài)氮和銨態(tài)氮向深層土壤淋溶。此外，追肥量不變的情況下，增加追肥次數(shù)能顯著降低作物生育期土壤中氮素量峰值和減少氮素向深層土層淋溶的風(fēng)險(xiǎn)[15]。【切入點(diǎn)】以上有關(guān)水、氮分布的研究均采用大田試驗(yàn)，大田試驗(yàn)由于試驗(yàn)周期長，工作量大，很難同時(shí)進(jìn)行多組處理的試驗(yàn)。近年來，有學(xué)者結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用HYDRUS 進(jìn)行土壤水分分布研究[16-18]。不同于室內(nèi)試驗(yàn)，大田試驗(yàn)的影響因素眾多，其中不同地區(qū)由于氣候和土壤理化性質(zhì)不同土壤水氮分布規(guī)律也不盡相同，因此本文結(jié)合前人有關(guān)水氮分布試驗(yàn)結(jié)論，利用HYDRUS 進(jìn)行黃河流域冬小麥不同水肥處理下土壤水氮運(yùn)移模擬研究?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本文在常規(guī)底肥的基礎(chǔ)上進(jìn)行2 次追肥，通過控制灌水下限進(jìn)行灌水，開展畦灌條件下冬小麥不同水肥處理田間水氮運(yùn)移試驗(yàn)，并結(jié)合HYDRUS-1D 模型分析不同水分控制下限和施氮量對小麥生育期土壤水氮分布的影響，以期為改進(jìn)施肥灌溉管理和降低農(nóng)業(yè)面源污染提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2020年10月—2021年5月在鄭州華北水利水電大學(xué)龍子湖校區(qū)農(nóng)業(yè)高效用水試驗(yàn)場進(jìn)行（34.78°N、113.76°E，海拔110 m），試驗(yàn)場地位于華中平原，該氣候?qū)倥瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，年均氣溫14.5 ℃、多年平均降水量637.1 mm、平均日照時(shí)長6.57 h/d、無霜期220 d。試驗(yàn)場地地勢平坦，表層土壤為黏壤土。0～100 cm 土層平均土壤有機(jī)質(zhì)、速效鉀、速效磷、全氮、堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為870、104.4、11.8、539、45～60 mg/kg。

表1 試驗(yàn)區(qū)0～100 cm 土壤理化性質(zhì)Table 1 Physical parameters and mechanical composition of 0～100 cm soil in the test area

圖1 冬小麥生育期內(nèi)溫度和降雨量Fig.1 Temperature and rainfall during the growing period of winter wheat

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)置3 種水分控制下限、3 種施氮水平，共9 個(gè)處理，每個(gè)處理3 次重復(fù)，共27個(gè)小區(qū)。施氮處理3個(gè)水平分別為120 kg/hm2（N1）、220 kg/hm2（N2）、320 kg/hm2（N3）。每種施氮水平下設(shè)置3 種水分控制下限，分別為60%θf（W1）、70%θf（W2）和80%θf（W3）（θf為田間持水率）。各處理施氮分為底肥和追肥，其中底肥施氮量保持一致，均為67.5 kg/hm2，并按量進(jìn)行2 次追肥，施肥時(shí)間為冬小麥返青期和抽穗期，灌水時(shí)以各生育期內(nèi)計(jì)劃濕潤層土壤水分為標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)各處理土壤含水率低于設(shè)計(jì)水分控制下限時(shí)進(jìn)行灌水，冬小麥灌水定額為45 mm。試驗(yàn)水肥處理方案詳見表2。小麥種子采用濟(jì)麥22，田間試驗(yàn)灌溉方式采用常規(guī)畦灌，各試驗(yàn)小區(qū)長10 m、寬1.5 m，試驗(yàn)小區(qū)間設(shè)置寬1.5 m 的保護(hù)區(qū)。

表2 試驗(yàn)水肥處理方案Table 2 Experimental water and fertilizer treatment scheme

1.3 觀測項(xiàng)目及方法

1.3.1 氣象數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)由高精度自動(dòng)氣象站（HM-NL08）和國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://data.cma.cn/）獲得。

1.3.2 土壤含水率

在冬小麥生育周年內(nèi)，采用TRIME 管檢測法分別在播前、收獲后和關(guān)鍵生育期內(nèi)每隔5～10 d 測定1次土壤含水率。TRIME 管檢測法在試驗(yàn)前期采用烘干法進(jìn)行率定。各處理土壤含水率測量深度為100 cm，每隔20 cm測量1次（降雨和灌水前、后各加測1次）。

1.3.3 土壤氮素測量方法

硝態(tài)氮測量采用紫外線分光光度法[20-21]，銨態(tài)氮測量采用靛酚藍(lán)比色法[22]。

2 模型構(gòu)建與驗(yàn)證

2.1 模型介紹

HYDRUS-1D 模型是一種用來模擬土壤水分運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)運(yùn)移有限元模型。本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ湍M過程中水分控制方程采用修改過的Richards 方程，溶質(zhì)運(yùn)移方程采用對流-彌散方程，植株根系吸水采用Feddes模型計(jì)算，土壤水力特性采用V-G 模型計(jì)算。

2.2 定解條件

2.2.1 初始條件

模擬時(shí)間范圍為2021年冬小麥返青期到成熟期（3月1日-5月25日）。土壤含水率、土壤硝態(tài)氮量和銨態(tài)氮量初始值均為返青期初期（2020年3月1日）實(shí)測值。

式中：θ0為土壤初始含水率（cm3/cm3）；c0為初始硝態(tài)氮或銨態(tài)氮量（mg/cm3）

2.2.2 邊界條件

1）上邊界條件

考慮到灌溉時(shí)的影響上邊界條件視為變通量邊界條件。上邊界條件灌溉時(shí)視為通量邊界條件，計(jì)算式為：

非灌水時(shí)期，上邊界條件視為大氣邊界條件，計(jì)算式為：

2）下邊界條件

研究區(qū)內(nèi)地下水位較深，不影響模型下邊界，因此模型下邊界條件設(shè)置為自由出流邊界條件，計(jì)算式為：

3）其他邊界條件

該模型其他邊界均設(shè)置為0 通量邊界條件，即水分、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮通量均為0。計(jì)算式為：

式中：t為時(shí)間（d）；K為非飽和導(dǎo)水率（cm/d）；D為水動(dòng)力彌散系數(shù)（cm2/d）；θ為土壤體積含水率（cm3/cm3）；cb為地下水礦化度（mg/cm3）；cm為土壤硝態(tài)氮或銨態(tài)氮飽和質(zhì)量濃度（mg/cm3）；ε為蒸散發(fā)強(qiáng)度（cm/d）；c為土壤硝態(tài)氮或銨態(tài)氮質(zhì)量濃度（mg/cm3）。

2.3 模型參數(shù)及驗(yàn)證

2.3.1 參數(shù)率定

結(jié)合試驗(yàn)區(qū)實(shí)測土壤物理參數(shù)，運(yùn)用Rosetta 模塊進(jìn)行模型的土壤水力和溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)率定。作物根系吸水采用Feddes 提出的廣義根系吸水模型計(jì)算[23]。具體參數(shù)見表3、表4和表5。

表3 土壤水分運(yùn)移參數(shù)Table 3 Parameters of soil water transport

表4 溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)Table 4 Solute transport parameters

表5 作物根部參數(shù)Table 5 Parameters of crop root coefficient

2.3.2 模型驗(yàn)證

通過試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)與模型模擬結(jié)果對比（圖2）可知，土壤含水率、銨態(tài)氮量以及硝態(tài)氮量的模擬值與實(shí)測值具有較好的一致性，各土層含水率、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮量模擬值與實(shí)測值的決定系數(shù)R2分別為0.915 4、0.887 9、0.843 4，因此，模型率定后的水力參數(shù)和溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)具有較高的可靠性。

圖2 試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果與模擬值對比Fig.2 Comparison between measured results and simulated values

誤差分析表明（表6），土壤各層含水率模擬值與實(shí)測值誤差較小，其中均方根誤差（RMSE）為0.807，平均絕對誤差（MAE）為0.695，F(xiàn)檢驗(yàn)P為0.772 7。硝態(tài)氮質(zhì)量濃度模擬值與實(shí)測值對比的均方根誤差（RMSE）為0.387 1，平均絕對誤差（MAE）為0.275 3，F(xiàn)檢驗(yàn)P為0.281 9。由于銨態(tài)氮分布特性，各土層銨態(tài)氮量模擬值與實(shí)測值均主要集中在0～0.5 mg/cm3，但二者誤差較小，其中均方根誤差（RMSE）為0.143 4，平均絕對誤差（MAE）為0.042 7，F(xiàn)檢驗(yàn)P為0.561 1。

表6 模擬結(jié)果與實(shí)測值誤差分析Table 6 Error analysis of simulation results and measured values

3 模型應(yīng)用

利用驗(yàn)證過的HYDRUS-1D 模型參數(shù)對試驗(yàn)區(qū)畦灌冬小麥返青期到成熟期0～100 cm 土層中含水率、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮分布情況進(jìn)行模擬。

3.1 水分運(yùn)移模擬

冬小麥返青期到成熟期0～100 cm 土層含水率模擬結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，不同水肥處理下不同土層土壤含水率以及生育期灌水次數(shù)存在較大差異。

圖3 畦灌冬小麥返青期至成熟期土壤含水率Fig.3 Soil moisture content from green to mature stage of winter wheat under border irrigation

相同施氮條件下，隨著水分控制下限的提高，冬小麥生育期內(nèi)灌水次數(shù)均增加，與W1處理下冬小麥從返青期到成熟期4 次灌水相比，W2、W3處理下灌水次數(shù)分別增加了2、5 次，W2、W3的灌水定額也從W1的180 mm 分別增加到270 mm 和405 mm。不同水肥處理下0～60 cm 土層含水率波動(dòng)頻率和幅度遠(yuǎn)大于60～100 cm。

相同水分控制下限下，不同施氮量0～100 cm 土壤含水率模擬結(jié)果也不盡相同，其中與N1處理下0～100 cm 土層含水率相比，N2、N3處理下0～40 cm 土層含水率峰值分別降低了8.49%和13.81%，40～100 cm土層含水率分別減低2.038%和1.71%，由此可知隨施氮量增加0～40 cm 土層土壤含水率表現(xiàn)出降低趨勢，40～100 cm 土層土壤含水率變化不明顯。

3.2 硝態(tài)氮運(yùn)移模擬

圖4為不同水肥處理下冬小麥返青期到成熟期0～100 cm 土壤硝態(tài)氮量模擬變化情況。由圖4可知，追肥后10 d 左右不同水肥條件下的硝態(tài)氮量均達(dá)到最大值，隨著時(shí)間的推移其量逐漸降低，且每次灌水處理后均會導(dǎo)致0～20 cm 硝態(tài)氮量大幅降低，而40～100 cm 硝態(tài)氮量呈增加趨勢。

圖4 畦灌冬小麥返青期至成熟期土壤硝態(tài)氮變化Fig.4 Variation soil nitrate nitrogen content in winter wheat from green to mature stage under border irrigation

不同水肥處理?xiàng)l件下土壤硝態(tài)氮質(zhì)量濃度變化情況不同。相同水分控制條件下，隨著施氮量的增加，0～100 cm 不同土層硝態(tài)氮量均有不同程度增加，就追肥后硝態(tài)氮量峰值而言，N1、N2、N3處理分別為1.299～1.881、2.45～3.696、3.93～4.46 mg/cm3，與N1處理下相比，N2、N3處理追肥后硝態(tài)氮量峰值平均分別增加88.6%～96.5%、137.1%～205.5%。相同施氮量條件下，隨著水分控制下限的提高，0～100 cm 土層硝態(tài)氮量呈降低趨勢，就2 次追肥后0～20 cm 土層硝態(tài)氮量峰值而言，W1、W2、W3處理分別為1.598～5.94、1.456～4.751、1.299～2.015 mg/cm3，與W1處理下相比，W2、W3處理追肥后硝態(tài)氮量峰值平均分別降低了8.88%～20.02%、18.71%～66.08%。

3.3 銨態(tài)氮運(yùn)移模擬

冬小麥返青期至成熟期土壤銨態(tài)氮量模擬結(jié)果如圖5所示。各處理追肥后4～5 d 銨態(tài)氮量均達(dá)到最大值，然后逐漸降低并在追肥后15 d 左右回落至初始量附近，說明尿素在本試驗(yàn)條件下7 d 內(nèi)可以基本完成水解過程，然后在揮發(fā)、作物吸收以及硝化反應(yīng)的共同作用下銨態(tài)氮基本在追肥后20 d 內(nèi)消耗殆盡。

圖5 畦灌冬小麥返青期至成熟期土壤銨態(tài)氮量變化Fig.5 Variation soil ammonium nitrogen content in winter wheat from green to mature stage under border irrigation

通過對比不同施氮量條件下追肥前后銨態(tài)氮量峰值可以發(fā)現(xiàn)，隨著施氮量的增加，0～60 cm 各土層銨態(tài)氮量均得到明顯提升，其中0～20 cm 土層銨態(tài)氮量增加最為顯著。故以0～20 cm 土層為例，N1、N2、N3處理追肥后銨態(tài)氮峰值范圍分別為 0.7～0.8、1.25～1.36、1.94～2.01 mg/cm3，N2、N3處理施肥后0～20 cm 銨態(tài)氮量與N1處理相比分別增加70%～78.57%、177%～151%。同時(shí)，在N2處理下，隨著水分控制下限的增加，W1、W2、W3處理追肥后0～20 cm 土層銨態(tài)氮量峰值分別為1.338、1.331、1.296 mg/cm3。由于銨態(tài)氮的吸附性，土壤中銨態(tài)氮不易受水分運(yùn)動(dòng)的影響，故水分控制下限改變對冬小麥?zhǔn)┓是昂箐@態(tài)氮分布影響不明顯。

4 討 論

運(yùn)用HYDRUS-1D 對畦灌條件下不同水肥處理冬小麥返青期到成熟期土壤水氮分布進(jìn)行模擬，通過試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)與模型模擬結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，各土層含水率、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮量模擬值與實(shí)測值的決定系數(shù)R2均大于0.84。因此土壤含水率、銨態(tài)氮量以及硝態(tài)氮量的模型模擬值與田間試驗(yàn)實(shí)測值具有較好的一致性，且土壤含水率的模擬效果要優(yōu)于土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的模擬效果，這與劉秀花等[24]研究結(jié)果一致。這是由于溶質(zhì)運(yùn)移過程中易受到土壤中溫度、水分分布、正負(fù)離子以及各種酶活性的影響，運(yùn)移過程比水分運(yùn)動(dòng)更復(fù)雜。

土壤水分在土層中分布主要受土壤結(jié)構(gòu)、灌溉方式、灌溉定額和灌溉次數(shù)等因素的影響[25-26]。施氮量的增加，會促進(jìn)土壤表層結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，而且還會改變土壤基質(zhì)勢，進(jìn)而會對土壤中水分分布產(chǎn)生影響[27]。本試驗(yàn)通過對比各處理0～100 cm 土層含水率變化發(fā)現(xiàn)：隨著施氮量的增加，0～40 cm 土層含水率均發(fā)生了不同程度降低，40～100 cm 土層土壤含水率無明顯變化，其原因可能如下：①在一定施氮量范圍內(nèi)隨著施氮量的增加土壤中的基質(zhì)勢增加，導(dǎo)致土壤0～40 cm 土壤中水勢增加，促進(jìn)土壤水分向深層土壤運(yùn)動(dòng)；②隨著施氮量的增加促進(jìn)了植物根系生長，增加了植物耗水量，進(jìn)而導(dǎo)致小麥0～40 cm 土層土壤含水率降低。綜合冬小麥返青期到成熟期土壤含水率分布規(guī)律來看，與吳現(xiàn)兵等[14]結(jié)論一致，水分控制下限的提高，能顯著增加返青期到成熟期的灌水次數(shù)，灌水主要集中在灌漿期前后。同時(shí)灌水后0～60 cm 土層含水率出現(xiàn)明顯的增加，而60 cm 以下土層變化不大，說明0～60 cm 土層為活躍層，受降雨、蒸發(fā)量以及作物吸收的影響大，這與孫寧霞等[28]結(jié)論一致。

追肥后土壤中氮素運(yùn)動(dòng)情況受土壤水分分布影響極大，合理的水肥處理可以顯著減少土壤中氮素的深層滲漏[29]。有學(xué)者認(rèn)為不同土層土壤中硝態(tài)氮量與施氮量成正比，即施氮量的增加能顯著提高土壤各層硝態(tài)氮量[29-30]；本文研究結(jié)果與之略有不同，本文研究發(fā)現(xiàn)增加施氮量能顯著增加0～60 cm 土層中硝態(tài)氮量，但對60～100 cm 土層硝態(tài)氮量影響不大，這主要是因?yàn)榍罢呤鞘覂?nèi)試驗(yàn)。未綜合考慮作物生長、氣候影響。由于本試驗(yàn)分2 次追肥，這與陳琳[31]僅1 次追肥的研究結(jié)果相比，追肥后0～60 cm 土層硝態(tài)氮量峰值降低明顯，同時(shí)降低了硝態(tài)氮向深層土壤淋溶的風(fēng)險(xiǎn)。

與硝態(tài)氮分布不同，銨態(tài)氮帶正電荷，容易吸附于帶負(fù)電荷土壤膠粒上，因此銨態(tài)氮更不容易受到淋溶的影響[32]。本研究表明，冬小麥返青期到成熟期，隨著土壤水分控制下限從60%θf增加到80%θf，0～20 cm 各層土壤中銨態(tài)氮量有降低趨勢但變化均不大，大于20 cm 土層土壤中銨態(tài)氮量幾乎無變化，因此在一定范圍內(nèi)提高土壤水分控制下限對銨態(tài)氮在0～100 cm 土層中分布影響不大。通過對比施氮量從120 kg/hm2增加到320 kg/hm2冬小麥返青期—成熟期內(nèi)銨態(tài)氮分布規(guī)律發(fā)現(xiàn)，施氮量的增加能顯著提高0～20 cm 土壤中銨態(tài)氮量，大于20 cm 土層銨態(tài)氮量變化不大。

5 結(jié) 論

1）冬小麥返青期到成熟期0～100 cm 土層中含水率、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮量模擬結(jié)果和實(shí)測數(shù)據(jù)均有較好的一致性，HYDRUS-1D 模型適用于該區(qū)域不同水肥處理下的水、氮運(yùn)移模擬研究。

2）0～60 cm 土層為土壤含水率活躍層，受灌水和降雨影響敏感。

3）試驗(yàn)區(qū)冬小麥返青期到成熟期內(nèi)，每次追肥后5 d 左右銨態(tài)氮量達(dá)到最大值，施肥后20 d 左右銨態(tài)氮量回落至追肥前水平，隨施氮水平的增加0～20 cm 土層銨態(tài)氮量明顯增加，提高水分控制下限對銨態(tài)氮分布影響不明顯。

4）硝態(tài)氮不僅受施氮量的影響顯著，受水分控制下限的影響同樣顯著。冬小麥返青期到成熟期內(nèi)硝態(tài)氮分布表現(xiàn)規(guī)律為：施氮量增加對0～100 cm 土層內(nèi)硝態(tài)氮量有促進(jìn)作用；水分控制下限的提高會導(dǎo)致表層（0～20 cm）土壤中硝態(tài)氮向深層淋溶，但對追肥后硝態(tài)氮峰值影響不明顯。