汪顺生，武 闯，柳腾飞，张 昊*，李志利

（1.华北水利水电大学 水利学院，郑州 450046；2.黄河流域水资源高效利用省部共建协同创新中心，郑州 450046；3.山东省农业生态与资源保护总站，济南 250023）

0 引 言

【研究意义】在作物生长过程中，通常可以调控水、肥施用量实现作物高产。高水高肥是传统追求高产的方式[1]，但作物对土壤中水肥吸收存在阈值，当水肥施用量超过一定范围时增加水肥投入，作物产量增加不明显，甚至出现降低趋势[2-3]；过量肥料投入，作物不能及时吸收，导致土壤氮素积累[4-5]。旱田中无机氮主要以硝态氮的形态存在，而硝态氮不易被土壤胶粒吸附的特性决定了其易受灌溉和降雨影响特点。在受到较大降雨量或灌溉量的影响下，硝态氮会被淋溶并逐渐脱离作物根系吸收范围，向深层土壤运动，导致深层土壤氮素积累，甚至污染地下水[6]。所以过量水肥投入不仅造成水肥浪费，还会增加氮素向深层淋溶的风险，进而产生农业面源污染[7-8]。故研究不同水肥条件下田间土壤水氮分布特性对提高作物产量和减少农业面源污染有十分重要意义。【研究进展】近年来，很多学者针对不同水肥条件下土壤水氮分布特性开展研究，取得了大量的研究成果。袁浩等[9]通过探究氮肥基追比对麦田土壤水氮分布及利用的影响发现小麦生育期内氮素追施量越多土壤表层铵态氮与硝态氮量越高，且随土层加深土壤铵态氮与硝态氮量均降低；韩梦雪等[10]通过开展大田试验探究施肥方式和施氮量对枸杞微孔陶瓷根灌土壤水氮分布的影响发现，微孔陶瓷根灌水肥一体化实施减氮处理时会降低土壤硝态氮的量；此外，还有部分学者开展了不同条件下番茄[11]、玉米[12]、棉花[13]、甘蓝[14]等作物生育期内土壤水氮分布特性，发现灌水量较大会引起硝态氮和铵态氮向深层土壤淋溶。此外，追肥量不变的情况下，增加追肥次数能显著降低作物生育期土壤中氮素量峰值和减少氮素向深层土层淋溶的风险[15]。【切入点】以上有关水、氮分布的研究均采用大田试验，大田试验由于试验周期长，工作量大，很难同时进行多组处理的试验。近年来，有学者结合室内试验数据利用HYDRUS 进行土壤水分分布研究[16-18]。不同于室内试验，大田试验的影响因素众多，其中不同地区由于气候和土壤理化性质不同土壤水氮分布规律也不尽相同，因此本文结合前人有关水氮分布试验结论，利用HYDRUS 进行黄河流域冬小麦不同水肥处理下土壤水氮运移模拟研究。【拟解决的关键问题】本文在常规底肥的基础上进行2 次追肥，通过控制灌水下限进行灌水，开展畦灌条件下冬小麦不同水肥处理田间水氮运移试验，并结合HYDRUS-1D 模型分析不同水分控制下限和施氮量对小麦生育期土壤水氮分布的影响，以期为改进施肥灌溉管理和降低农业面源污染提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2020年10月—2021年5月在郑州华北水利水电大学龙子湖校区农业高效用水试验场进行（34.78°N、113.76°E，海拔110 m），试验场地位于华中平原，该气候属暖温带大陆性季风气候，年均气温14.5 ℃、多年平均降水量637.1 mm、平均日照时长6.57 h/d、无霜期220 d。试验场地地势平坦，表层土壤为黏壤土。0～100 cm 土层平均土壤有机质、速效钾、速效磷、全氮、碱解氮质量分数分别为870、104.4、11.8、539、45～60 mg/kg。

表1 试验区0～100 cm 土壤理化性质Table 1 Physical parameters and mechanical composition of 0～100 cm soil in the test area

图1 冬小麦生育期内温度和降雨量Fig.1 Temperature and rainfall during the growing period of winter wheat

1.2 试验设计

试验采用随机区组设计，设置3 种水分控制下限、3 种施氮水平，共9 个处理，每个处理3 次重复，共27个小区。施氮处理3个水平分别为120 kg/hm2（N1）、220 kg/hm2（N2）、320 kg/hm2（N3）。每种施氮水平下设置3 种水分控制下限，分别为60%θf（W1）、70%θf（W2）和80%θf（W3）（θf为田间持水率）。各处理施氮分为底肥和追肥，其中底肥施氮量保持一致，均为67.5 kg/hm2，并按量进行2 次追肥，施肥时间为冬小麦返青期和抽穗期，灌水时以各生育期内计划湿润层土壤水分为标准，当各处理土壤含水率低于设计水分控制下限时进行灌水，冬小麦灌水定额为45 mm。试验水肥处理方案详见表2。小麦种子采用济麦22，田间试验灌溉方式采用常规畦灌，各试验小区长10 m、宽1.5 m，试验小区间设置宽1.5 m 的保护区。

表2 试验水肥处理方案Table 2 Experimental water and fertilizer treatment scheme

1.3 观测项目及方法

1.3.1 气象数据

气象数据由高精度自动气象站（HM-NL08）和国家气象科学数据中心（http://data.cma.cn/）获得。

1.3.2 土壤含水率

在冬小麦生育周年内，采用TRIME 管检测法分别在播前、收获后和关键生育期内每隔5～10 d 测定1次土壤含水率。TRIME 管检测法在试验前期采用烘干法进行率定。各处理土壤含水率测量深度为100 cm，每隔20 cm测量1次（降雨和灌水前、后各加测1次）。

1.3.3 土壤氮素测量方法

硝态氮测量采用紫外线分光光度法[20-21]，铵态氮测量采用靛酚蓝比色法[22]。

2 模型构建与验证

2.1 模型介绍

HYDRUS-1D 模型是一种用来模拟土壤水分运动和溶质运移有限元模型。本次试验模型模拟过程中水分控制方程采用修改过的Richards 方程，溶质运移方程采用对流-弥散方程，植株根系吸水采用Feddes模型计算，土壤水力特性采用V-G 模型计算。

2.2 定解条件

2.2.1 初始条件

模拟时间范围为2021年冬小麦返青期到成熟期（3月1日-5月25日）。土壤含水率、土壤硝态氮量和铵态氮量初始值均为返青期初期（2020年3月1日）实测值。

式中：θ0为土壤初始含水率（cm3/cm3）；c0为初始硝态氮或铵态氮量（mg/cm3）

2.2.2 边界条件

1）上边界条件

考虑到灌溉时的影响上边界条件视为变通量边界条件。上边界条件灌溉时视为通量边界条件，计算式为：

非灌水时期，上边界条件视为大气边界条件，计算式为：

2）下边界条件

研究区内地下水位较深，不影响模型下边界，因此模型下边界条件设置为自由出流边界条件，计算式为：

3）其他边界条件

该模型其他边界均设置为0 通量边界条件，即水分、硝态氮和铵态氮通量均为0。计算式为：

式中：t为时间（d）；K为非饱和导水率（cm/d）；D为水动力弥散系数（cm2/d）；θ为土壤体积含水率（cm3/cm3）；cb为地下水矿化度（mg/cm3）；cm为土壤硝态氮或铵态氮饱和质量浓度（mg/cm3）；ε为蒸散发强度（cm/d）；c为土壤硝态氮或铵态氮质量浓度（mg/cm3）。

2.3 模型参数及验证

2.3.1 参数率定

结合试验区实测土壤物理参数，运用Rosetta 模块进行模型的土壤水力和溶质运移参数率定。作物根系吸水采用Feddes 提出的广义根系吸水模型计算[23]。具体参数见表3、表4和表5。

表3 土壤水分运移参数Table 3 Parameters of soil water transport

表4 溶质运移参数Table 4 Solute transport parameters

表5 作物根部参数Table 5 Parameters of crop root coefficient

2.3.2 模型验证

通过试验实测数据与模型模拟结果对比（图2）可知，土壤含水率、铵态氮量以及硝态氮量的模拟值与实测值具有较好的一致性，各土层含水率、硝态氮和铵态氮量模拟值与实测值的决定系数R2分别为0.915 4、0.887 9、0.843 4，因此，模型率定后的水力参数和溶质运移参数具有较高的可靠性。

图2 试验实测结果与模拟值对比Fig.2 Comparison between measured results and simulated values

误差分析表明（表6），土壤各层含水率模拟值与实测值误差较小，其中均方根误差（RMSE）为0.807，平均绝对误差（MAE）为0.695，F检验P为0.772 7。硝态氮质量浓度模拟值与实测值对比的均方根误差（RMSE）为0.387 1，平均绝对误差（MAE）为0.275 3，F检验P为0.281 9。由于铵态氮分布特性，各土层铵态氮量模拟值与实测值均主要集中在0～0.5 mg/cm3，但二者误差较小，其中均方根误差（RMSE）为0.143 4，平均绝对误差（MAE）为0.042 7，F检验P为0.561 1。

表6 模拟结果与实测值误差分析Table 6 Error analysis of simulation results and measured values

3 模型应用

利用验证过的HYDRUS-1D 模型参数对试验区畦灌冬小麦返青期到成熟期0～100 cm 土层中含水率、硝态氮和铵态氮分布情况进行模拟。

3.1 水分运移模拟

冬小麦返青期到成熟期0～100 cm 土层含水率模拟结果如图3所示。由图3可知，不同水肥处理下不同土层土壤含水率以及生育期灌水次数存在较大差异。

图3 畦灌冬小麦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

相同施氮条件下，随着水分控制下限的提高，冬小麦生育期内灌水次数均增加，与W1处理下冬小麦从返青期到成熟期4 次灌水相比，W2、W3处理下灌水次数分别增加了2、5 次，W2、W3的灌水定额也从W1的180 mm 分别增加到270 mm 和405 mm。不同水肥处理下0～60 cm 土层含水率波动频率和幅度远大于60～100 cm。

相同水分控制下限下，不同施氮量0～100 cm 土壤含水率模拟结果也不尽相同，其中与N1处理下0～100 cm 土层含水率相比，N2、N3处理下0～40 cm 土层含水率峰值分别降低了8.49%和13.81%，40～100 cm土层含水率分别减低2.038%和1.71%，由此可知随施氮量增加0～40 cm 土层土壤含水率表现出降低趋势，40～100 cm 土层土壤含水率变化不明显。

3.2 硝态氮运移模拟

图4为不同水肥处理下冬小麦返青期到成熟期0～100 cm 土壤硝态氮量模拟变化情况。由图4可知，追肥后10 d 左右不同水肥条件下的硝态氮量均达到最大值，随着时间的推移其量逐渐降低，且每次灌水处理后均会导致0～20 cm 硝态氮量大幅降低，而40～100 cm 硝态氮量呈增加趋势。

图4 畦灌冬小麦返青期至成熟期土壤硝态氮变化Fig.4 Variation soil nitrate nitrogen content in winter wheat from green to mature stage under border irrigation

不同水肥处理条件下土壤硝态氮质量浓度变化情况不同。相同水分控制条件下，随着施氮量的增加，0～100 cm 不同土层硝态氮量均有不同程度增加，就追肥后硝态氮量峰值而言，N1、N2、N3处理分别为1.299～1.881、2.45～3.696、3.93～4.46 mg/cm3，与N1处理下相比，N2、N3处理追肥后硝态氮量峰值平均分别增加88.6%～96.5%、137.1%～205.5%。相同施氮量条件下，随着水分控制下限的提高，0～100 cm 土层硝态氮量呈降低趋势，就2 次追肥后0～20 cm 土层硝态氮量峰值而言，W1、W2、W3处理分别为1.598～5.94、1.456～4.751、1.299～2.015 mg/cm3，与W1处理下相比，W2、W3处理追肥后硝态氮量峰值平均分别降低了8.88%～20.02%、18.71%～66.08%。

3.3 铵态氮运移模拟

冬小麦返青期至成熟期土壤铵态氮量模拟结果如图5所示。各处理追肥后4～5 d 铵态氮量均达到最大值，然后逐渐降低并在追肥后15 d 左右回落至初始量附近，说明尿素在本试验条件下7 d 内可以基本完成水解过程，然后在挥发、作物吸收以及硝化反应的共同作用下铵态氮基本在追肥后20 d 内消耗殆尽。

图5 畦灌冬小麦返青期至成熟期土壤铵态氮量变化Fig.5 Variation soil ammonium nitrogen content in winter wheat from green to mature stage under border irrigation

通过对比不同施氮量条件下追肥前后铵态氮量峰值可以发现，随着施氮量的增加，0～60 cm 各土层铵态氮量均得到明显提升，其中0～20 cm 土层铵态氮量增加最为显著。故以0～20 cm 土层为例，N1、N2、N3处理追肥后铵态氮峰值范围分别为 0.7～0.8、1.25～1.36、1.94～2.01 mg/cm3，N2、N3处理施肥后0～20 cm 铵态氮量与N1处理相比分别增加70%～78.57%、177%～151%。同时，在N2处理下，随着水分控制下限的增加，W1、W2、W3处理追肥后0～20 cm 土层铵态氮量峰值分别为1.338、1.331、1.296 mg/cm3。由于铵态氮的吸附性，土壤中铵态氮不易受水分运动的影响，故水分控制下限改变对冬小麦施肥前后铵态氮分布影响不明显。

4 讨 论

运用HYDRUS-1D 对畦灌条件下不同水肥处理冬小麦返青期到成熟期土壤水氮分布进行模拟，通过试验实测数据与模型模拟结果对比发现，各土层含水率、硝态氮和铵态氮量模拟值与实测值的决定系数R2均大于0.84。因此土壤含水率、铵态氮量以及硝态氮量的模型模拟值与田间试验实测值具有较好的一致性，且土壤含水率的模拟效果要优于土壤硝态氮和铵态氮的模拟效果，这与刘秀花等[24]研究结果一致。这是由于溶质运移过程中易受到土壤中温度、水分分布、正负离子以及各种酶活性的影响，运移过程比水分运动更复杂。

土壤水分在土层中分布主要受土壤结构、灌溉方式、灌溉定额和灌溉次数等因素的影响[25-26]。施氮量的增加，会促进土壤表层结构发生变化，而且还会改变土壤基质势，进而会对土壤中水分分布产生影响[27]。本试验通过对比各处理0～100 cm 土层含水率变化发现：随着施氮量的增加，0～40 cm 土层含水率均发生了不同程度降低，40～100 cm 土层土壤含水率无明显变化，其原因可能如下：①在一定施氮量范围内随着施氮量的增加土壤中的基质势增加，导致土壤0～40 cm 土壤中水势增加，促进土壤水分向深层土壤运动；②随着施氮量的增加促进了植物根系生长，增加了植物耗水量，进而导致小麦0～40 cm 土层土壤含水率降低。综合冬小麦返青期到成熟期土壤含水率分布规律来看，与吴现兵等[14]结论一致，水分控制下限的提高，能显著增加返青期到成熟期的灌水次数，灌水主要集中在灌浆期前后。同时灌水后0～60 cm 土层含水率出现明显的增加，而60 cm 以下土层变化不大，说明0～60 cm 土层为活跃层，受降雨、蒸发量以及作物吸收的影响大，这与孙宁霞等[28]结论一致。

追肥后土壤中氮素运动情况受土壤水分分布影响极大，合理的水肥处理可以显著减少土壤中氮素的深层渗漏[29]。有学者认为不同土层土壤中硝态氮量与施氮量成正比，即施氮量的增加能显著提高土壤各层硝态氮量[29-30]；本文研究结果与之略有不同，本文研究发现增加施氮量能显著增加0～60 cm 土层中硝态氮量，但对60～100 cm 土层硝态氮量影响不大，这主要是因为前者是室内试验。未综合考虑作物生长、气候影响。由于本试验分2 次追肥，这与陈琳[31]仅1 次追肥的研究结果相比，追肥后0～60 cm 土层硝态氮量峰值降低明显，同时降低了硝态氮向深层土壤淋溶的风险。

与硝态氮分布不同，铵态氮带正电荷，容易吸附于带负电荷土壤胶粒上，因此铵态氮更不容易受到淋溶的影响[32]。本研究表明，冬小麦返青期到成熟期，随着土壤水分控制下限从60%θf增加到80%θf，0～20 cm 各层土壤中铵态氮量有降低趋势但变化均不大，大于20 cm 土层土壤中铵态氮量几乎无变化，因此在一定范围内提高土壤水分控制下限对铵态氮在0～100 cm 土层中分布影响不大。通过对比施氮量从120 kg/hm2增加到320 kg/hm2冬小麦返青期—成熟期内铵态氮分布规律发现，施氮量的增加能显著提高0～20 cm 土壤中铵态氮量，大于20 cm 土层铵态氮量变化不大。

5 结 论

1）冬小麦返青期到成熟期0～100 cm 土层中含水率、硝态氮和铵态氮量模拟结果和实测数据均有较好的一致性，HYDRUS-1D 模型适用于该区域不同水肥处理下的水、氮运移模拟研究。

2）0～60 cm 土层为土壤含水率活跃层，受灌水和降雨影响敏感。

3）试验区冬小麦返青期到成熟期内，每次追肥后5 d 左右铵态氮量达到最大值，施肥后20 d 左右铵态氮量回落至追肥前水平，随施氮水平的增加0～20 cm 土层铵态氮量明显增加，提高水分控制下限对铵态氮分布影响不明显。

4）硝态氮不仅受施氮量的影响显著，受水分控制下限的影响同样显著。冬小麦返青期到成熟期内硝态氮分布表现规律为：施氮量增加对0～100 cm 土层内硝态氮量有促进作用；水分控制下限的提高会导致表层（0～20 cm）土壤中硝态氮向深层淋溶，但对追肥后硝态氮峰值影响不明显。