王 勇，张建丰，吴文勇，赵永安，万 发 ，廖人宽

(1.西安理工大学西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地，西安 710048； 2.中国水利水电科学研究院水利研究所，北京 100044;3. 运城市尊村引黄灌溉管理局，山西 运城 044000)

0 引 言

在灌溉作物生产系统中广泛使用表施肥料,目前我国采用地面灌溉方式的面积占98%[1]，畦灌由于简单易行成为最主要的地面灌水方式之一[2]，且撒施和液施是2种最常用的畦灌施肥方式，其中，撒施是指先将肥料撒在地表，然后灌溉，肥料随水运动和下渗到土壤中，达到满足作物对养分的需求方法；而液施是指先将肥料完全溶解，然后注入灌溉水中，达到灌溉施肥目的的方法[3]。黄河流域的气候条件和水资源状况决定了农业发展依赖于灌溉[4]，但由于引黄灌区田间工程设施不完善、畦田规格不合理以及管理粗放等原因导致水资源浪费严重[5]，黄河流域灌区现状平均灌溉水利用系数0.49，低于全国平均水平[6]；同时氮肥的利用效率仅为0.35，由此带来一系列农业管理和环境问题[7]。在地表水流中水流运动是溶质迁移的水力学基础[8]，畦长和入畦单宽流量作为畦灌的基本参数不仅决定着灌水均匀度和水分利用效率[2]，而且对畦灌施肥效果有至关重要的影响[9]。在我国大部分灌区的畦长在30～100 m，入畦单宽流量在1～4 L/(s·m)[2]。而引黄灌区畦灌具有畦长较长、入畦流量大的特点，畦长普遍在150 m以上，甚至有的超过300 m，入畦单宽流量有的达到9.26 L/(s·m)[10,11]。且作为灌溉水源的黄河水中含有大量悬浮颗粒物和营养物质，悬浮颗粒物的存在对水中物质的迁移转化过程影响巨大[12-15]。

有关灌溉施肥下地表水流中氮素迁移分布虽已做了大量研究，但大多选择井水作为灌溉水源且只对其中1～2种氮素的时空变化作了分析，未考虑水质、水力等的作用，以及不同氮素之间迁移转化的影响[16-20]。虽然也有部分学者研究了含氮污染物在高含沙水体中的迁移转化规律，但主要在室内，没有深入研究自然条件下氮素的迁移转化规律[21]。因此，开展表施尿素条件下引黄畦灌灌水流中氮素迁移转化规律的研究具有理论和应用价值。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

田间试验在山西省尊村引黄灌区第五提水站北1 500 m玉米地进行。试验区位于北纬35°03′、东经110°49′,属暖温带大陆性季风气候，多年平均降水量525 mm。地表水资源年均利用量26 177 万m3，其中提引黄河水16 956 万m3，约占65%，黄河水是当地的主要水资源。液施和撒施化肥是两种常见的施肥方法，夏玉米(6月初到10月初)和冬小麦(10月初到次年6月初)连作为主的粮食作物种植模式，试验作物为郑单958玉米。试验区畦田与灌溉施肥基本参数见表1，液施和撒施尿素的施肥量相同。

1.2 田间试验设计

如表1所示，选取施肥方式和地表水流入渗时间作为试验的两个因素，设计4个处理。具体如下：

灌水前，对于撒施，沿畦长方向每隔50 m作为一个施肥单元，化肥分块均匀撒进畦田；液施则根据尿素的溶解度、每亩尿素使用量以及灌水时间、泵的流量来计算注入灌溉水中所需水量，其中灌水和取水时间是根据先前灌水试验和水流推进过程曲线推算求得的。

表1 田间试验设计方案Tab.1 Strategy of field experiment design

注：改水成数指地面灌溉过程中水流推进的距离占整个田面长的比率；施肥成数在撒施中指肥料撒在田面中的面积占整个田面面积的比率，而在液施中指注入肥液的时间占灌水时间的比率。

沿程共布设8个取样点分别为在距畦首出水口1、50、100、150、200、250、300、345 m处，并提前做好标记。

当水流推进到各个取样点时，取开始入渗水样2 500 mL；并开始计时，等30 min，取各个取样点水流到达后入渗30 min的水样2 500 mL。

试验日期为2016年8月4日，水源为黄河水(总氮3.01 mg/L、氨氮0.4 mg/L、硝氮2.45 mg/L),肥料为尿素(含氮率≥46%)。试验区畦田与灌溉施肥基本参数见表2。

表2 畦田与灌溉施肥基本参数Tab.2 Basic parameters of irrigation and fertigation

1.3 测试方法

(1)水流测量。使用超声波明渠流量计(南京宝威仪器仪表有限公司)计量入畦的黄河水流量、秒表计量灌水时间与各个点的水流推进时间。

(2)氮素测量。水样根据《水和废水监测分析方法(第四版)》，先使用0.45 μm的滤膜过滤，然后进行酸化使pH≤2、冷藏[22]，以及使用紫外-可见分光光度计HJ-013测量总氮(TN)、流动分析仪设备(Auto Analyzer Ⅲ,德国Bran+Luebbe)测定氨氮(NH+4-N)与硝氮(NO-3-N)浓度。有机氮和氨氮在水体中都为水相的浓度。

(3)泥沙测量。采用电子天平(上海佑科公司，精度0.01)测定水样中泥沙质量。

1.4 浓度的计算

氮的存在形式包括有机氮(Org-N)和无机氮(Inorg-N)，其在水环境中的转化作用包括氨化作用、硝化作用和反硝化作用，硝化过程中由亚硝态氮(NO-2-N)转化为硝氮(NO-3-N)的速度很快，亚硝态氮很少累积[21]，因此在本文中不考虑亚硝态氮。各个时刻各个测点氮素的浓度为测试的浓度与黄河水中的浓度之差。则具体浓度计算如下：

CTN=COrg-N+CInorg-N

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

式中：CTN为总氮浓度，mg/L；COrg-N为有机氮浓度，mg/L；CInorg-N为无机氮浓度，mg/L；CNH+4-N为氨氮浓度，mg/L；CNO-3-N为硝氮浓度，mg/L。

1.5 空间分布差异评价方法

采用变异系数Cv对不同施肥方式和入渗时间下的地表水流中氮素浓度沿畦长的空间分布差异性进行定量描述。其中Cv≤0.1 为弱变异性，0.1

1.6 相关关系评价方法

使用相关系数r对不同施肥方式和入渗时间下的地表水流中有机氮、氨氮和硝氮浓度之间以及与他们距离、流速、含沙量的相关关系的密切程度进行定量描述[24]。

2 结果与分析

氮素的迁移与转化是一个同时进行的过程，彼此相互联系，相互影响，并不是相互独立的不同方面[18,21,25]。

2.1 氮素的转化

图1和图2分别给出了撒施和液施尿素下不同时间地表水流中的总氮、有机氮、氨氮和硝氮的浓度沿畦长的变化的分布图，从图中可以看出各个测点氨氮和硝氮的浓度较总氮、有机氮的低，经计算无机氮占总氮的比例为14%～30%，有机氮占总氮71%～89%，这说明水中氮素主要以有机氮的形式存在，尿素作为人工合成的有机氮，其水解要经历一个缓慢的过程，同时尿素的水解速率受到有机氮浓度、温度、pH等影响而不同[26]。并且通过计算氨氮主要在0.2～0.8 mg/L，含量较低，这与有机氮通过氨化作用转化为氨氮的时间较短和氨氮极易转化且易溶于水有关[21]；硝氮主要在0.5～5 mg/L，较氨氮浓度较高，这可能与适宜的温度下氨氮迅速转化为硝氮和反硝化速率小于消化速率导致硝氮累积，以及表层土壤中氮素溶解[18]等有关。

图1 撒施不同时刻地表水流中氮素浓度沿畦长变化Fig.1 Variation of nitrogen along the border lengthwise in surface water at different time under scattering urea

图2 液施不同时刻地表水流中氮素浓度沿畦长变化Fig.2 Variation of nitrogen along the border lengthwise in surface water at different time under fertigating urea

表3表明除了液施下有机氮浓度与含沙量沿程正相关，其余都与含沙量负相关，且|r|>0.5为中度或高度相关。由于在撒施条件下各个时间各个测点的氮素的浓度不同，且变化幅度大，难以分析氮素与含沙量之间的关系；而液施各个时间各个测点的总氮浓度基本相同，变化幅度很小，因此，在此主要分析液施条件下氮素浓度与含沙量的关系。由图3(b)可知道含沙量除了局部地区由于水流流速较大带起田面表层土壤外都是沿程递减的[27]，即含沙量越高有机氮含量越高，含沙量对有机氮的转化有抑制作用，这与其他研究者的室内研究结果表明悬浮颗粒物对有机氮的降解有明显的促进作用的矛盾[13,21],可能是由于水流推进过程中尿素在不断进行水解，氮素之间在进行不断转化，以及表层土壤养分随水流迁移累积[18]等有关,表明引黄灌溉施肥下地表水流中氮素沿畦长的迁移转化不仅仅与含沙量有关，是众多因素的作用，如悬浮颗粒物的颗粒组成以及微生物数量等[21]，氨氮、硝氮与含沙量负相关，也说明此问题。

图3 地表水流沿畦长推进速度和含沙量Fig.3 Advancing velocity and sediment content in surface water along the border lengthwise

施肥方式取样时间有机氮氨氮硝氮撒时开始入渗入渗30min-0．53-0．97-0．78-0．97-0．64-0．91液施开始入渗入渗30min0．690．61-0．58-0．79-0．66-0．66

表4 开始时刻氮素浓度变化与流速变化的相关系数Tab.4 Coefficient of correlation between concentrations of nitrogen and velocity in surface water at begin

表5 不同施肥方式下各时刻氮素浓度与距离的相关系数Tab.5 Coefficient of correlation between concentrations of nitrogen in surface water and distance

注：*显著水平0.05，**显著水平0.01。

白美健等在选用硫酸铵作为试验肥料时，认为表层土壤中氮素的溶解是地表水流中氮素的主要来源，但对比图1和图2的可以发现，在相同时刻液施和撒施在总氮不同情况下，氨氮和硝氮的浓度也不同，一般有机氮浓度越高，氨氮和硝氮的浓度也越高，这表明水流中的氨氮、硝氮不仅来来源于土壤，尿素含量也起着重要作用。这可能是由于硫酸铵分解温度较高，而尿素在适宜的温度下完全分解较快[26]，且本次试验的灌溉水源为夏季黄河水，水温和悬浮颗粒物较高。

2.2 氮素与流速、距离和时间的关系

在畦灌地面水流中，溶质的迁移受到时间平均流速、紊流速度变化以及分子扩散等影响[28]。在畦灌过程中水流在田面上流动与土壤下渗是同时进行的，从水力学上看是透水地板上的明渠非恒定流[1]。从表4可以得到在撒施下沿畦长方向氮素浓度变化与流速变化均是正相关，其中总氮和有机氮的相关系数值大于0.5，是中度相关，这是因为尿素水解转化前不带电荷，不易被土粒吸附，很容易随水移动和流失[26]，且有机氮在总氮中所占比率大的原因。然而硝氮为低度相关，氨氮为极低度相关，这是可能是由于氨氮带正电荷，容易被带负电荷的土壤和悬浮物颗粒物吸附，然而，硝氮带负电荷，不与带负电荷的泥沙颗粒结合，极易随水流流失[21]；同时从图1可以看出氮素浓度在畦首的变化比畦尾大，这可能是由于水流在推进过程中开始施推进速度迅速减小，然后逐渐减小。但对于液施，各个氮素的相关系数小于撒施的，且总氮和有机氮与流速为正相关，但相关系数较小，这表明在液施情况下总氮和有机氮浓度变化受流速变化作用较小，而氨氮、硝氮浓度变化与流速变化是负相关，这说明流速变化在其中起的不是主要原因。

从表5可以看出，不同施肥方式下不同时刻氮素浓度除了液施有机氮外其他氮素与畦首距离的相关系数都为正数，且撒施的相关系数普遍高于液施的，撒施的相关系数都大于0.8，与距离为高度相关，这表明撒施情况下，氮素在畦首存在明显的流失，在畦尾存在不断累积，这可能与畦首流速较大，以及尿素随水流失，氨氮主要是通过有机氮转化得到，硝氮通过氨氮转化得到，有关尿素、氨氮和硝氮之间构成是一个链数为三的连续衰减反应[29]；并且30 min时的相关系数大于开始时的，这可能是由于一方面在撒施开始时尿素为颗粒状，相对难以冲刷，尽管尿素易溶解于水且速率快， 30 min时全部溶解，很容易流失；另一方面在开始时由于表层土壤含水率较低，土壤非饱和导水率较大，30 min时土壤非饱和导水率较小，水流的流速大于开始时的。对于液施，总氮与距离的相关系数小于0.3，为极低度相关，可能存在畦尾累积，但不明显，这是由于液施时水泵流量和灌水流量稳定，水流中尿素分布均匀，且尿素的水解要经历一个的过程，沿畦长氨氮、硝氮的所占比率比较稳定且较小所致；而有机氮与距离为负相关，氨氮和硝氮为正相关，相关程度都为中度以上，这主要是由于在田面水流推进过程中尿素在进行不断水解，导致有机氮减少，氨氮和硝氮增加。

从图1可以看出，撒施各测点地表水流中的总氮的浓度随时间在减小，且畦首氮素浓度降低的幅度大于畦尾。

2.3 氮素的时空分布特征

不同施肥方式下各个时刻氮素迁移转化不同直接导致了氮素分布的不同。图1、图2与表5结果显示，撒施的氮素时空变异性大于液施，这表明液施较撒施可以提高地表水流中氮素的时空分布的均匀性，弥补撒施在均匀性方面的不足，但对于不同施肥方法不同时间下不同氮素沿畦长分布的变异强度不同，其中同种施肥方式下的总氮、有机氮的变异系数值相差较小。至于撒施，3个氮素浓度沿畦长在不同时间都是中等变异性，且总氮、有机氮的变异系数都小于氨氮和硝氮，至于在开始时刻总氮、有机氮和硝氮的变异系数都小于氨氮，而在30 min时四氮的变异系数都在0.59～0.69之间，差异不大，但总氮、硝氮变异系数相对于开始时刻增加了30%多，氨氮有所减小。而对于液施，3个氮素浓度沿畦长在不同时间变异等级不同，总氮与有机氮都为弱变异，氨氮和硝氮都为中等变异，但氨氮远远高于硝氮的，在不同时刻总氮、有机氮和硝氮变异系数变化较小，而氨氮的变化较大且同样是开始时刻大于30 min的。这表明不同氮素时空分布具有不同步性，各自的影响因素不同。

表6 不同施肥方式下各时刻氮素浓度沿畦长的变异系数Tab.6 Coefficient of variation of nitrogen in surface water along the border lengthwise

注：a、b表明变量之间的显著性，如果数字后面的字母一致，则差异不显著，否则差异显著。

3 讨 论

对于田间灌溉施肥，相比于有机氮、氨氮和硝氮而言，总氮分布特征直接影响着氮素在土壤中分布的均匀性，作物对氮素的利用率，以及氮素的流失等。

本次试验由于入畦单宽流量大，而畦埂高度不够，限制了水流深度、导致水流在田间运动过程中存在少许漏水，对水流的推进产生一定的影响；在畦灌过程中，水流在田面运动其实时间较短，而由于黄河水含沙率较高，在水样监测前要经历静沉等处理，延长了氮素转化的时间，这可能导致结果中各个测点中氨氮、硝氮的浓度偏高；且本文中氮素浓度都为水相中的，不涉及颗粒相的，有待进一步研究。

在地面灌溉施肥中，水流的运动是肥料迁移转化的水力基础[28]，国内外学者主要基于守恒型Saint-Venant方程描述地表水流运动，Richards方程描述田面水流的入渗和用对流弥散方程来描述溶质的迁移过程[8,30]。联合这些模型能较好地模拟溶质浓度沿程变化，弥补地面灌溉施肥上设计和管理的不足。

4 结 语

通过分析不同施肥方式下地表水流中的氮素迁移转化和时空分布特征，可以得到如下结论。

(1)水流中有机氮占总氮71%～89%，总氮主要以有机氮的形式存在，尿素在的水解需要经历一个过程；地表水流中的无机氮不仅来源于表层土壤，尿素的水解也占有重要的部分；悬浮颗粒物不是引起沿程不同氮素变化的主要原因。

(2)撒施下氮素迁移受流速作用较大，氮素在畦首流失，畦尾累积，总氮、有机氮、氨氮和硝氮与距离的相关系数都大于0.8，为高度相关。液施受流速、距离和时间的影响较小。不同氮素在水流中特性不同导致氮素迁移特征不同。

(3)施肥方式对地表水流中氮素的分布特征有显著影响，撒施的氮素时空变异性大于液施的，不同氮素的时空变异特征不同，液施较撒施可以提高地表水流中氮素的时空分布的均匀性，且撒施30 min时的变异系数比开始大0.38。

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