李佳蓓 张富仓 段晨骁 ABDELGHANY Ahmed Elsayed,2 杨 玲 李志军

(1.西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室， 陕西杨凌 712100；2.国家研究中心农业生物研究所， 开罗 12622)

0 引言

水资源短缺和肥料利用率低下是限制我国农业可持续发展的重要因素，也是长期以来农业研究的主流方向[1]。微喷灌等水肥一体化技术的应用和保水增肥剂的创新研发作为提高水肥利用效率的阶段性成熟产物，已被农业种植者广泛使用，在此基础上如何更进一步实现已有水、肥的最大化无污染利用，值得深入探索研究。土壤入渗作为农田水循环的一个重要环节[2]，其入渗性能不仅直接反映了土壤涵养水源的能力，也间接影响着土壤水的资源化利用[3]。近年来国内外学者在水肥入渗方面进行了大量研究[4]，特别是对于质地较重的土壤，如何提高土壤入渗性能，使有限的水肥资源入渗并更多保存至土壤，对于提高水肥利用效率和农业可持续发展有着重要意义。

自20世纪60年代开始，磁处理作为一项新型水处理技术，以其可持续且不破化生态环境的灌溉特点受到了国内外学者的广泛关注，特别是近年来，关于磁化水理论和应用技术的相关研究已取得了较大进展[5-7]，研究表明磁处理通过改变液体表面张力、溶氧量、pH值等理化性质[8-10]，进而对土壤入渗性能、水盐肥的运移和保持、土壤结构的改善以及作物的生长发育产生重要影响。KHOSHRAVESH等[11]研究表明磁化水可有效提高粘质土壤的入渗性能和土壤水分分布。张瑞喜等[12]研究表明磁化水可加快盐渍化土壤水分向下运移，磁场强度为300 mT时土壤含水率和盐分淋洗量达到最大。王全九等[10,13-14]研究提出以表面张力相对减少量作为微咸水磁化效果的定量评价标准，且磁化效果与磁场强度和矿化度有关，磁化微咸水灌溉土壤同样具有明显脱盐效果[15-16]，并能有效提高土壤有机碳、氮含量，改善土壤盐基离子的交换特性和离子组成[17]，提高土壤矿质养分有效化程度[18]，增强土壤养分固定能力。除此之外，磁处理灌溉在改善土壤孔隙结构[19]，促进作物种子萌发和生长发育[20-21]，提高作物产量和品质方面也发挥着重要作用[21]。

磁化水作为一项新型水处理技术，目前国内外的研究重点主要集中在磁化水和磁化微咸水对土壤水、盐运移的影响，考虑到我国灌溉与施肥相结合的实际情况，研究水肥同时磁化对氮素运移转化和水肥耦合效应的影响将是一个新的研究方向，特别是对粘质土壤而言，目前尚未见到磁化水肥方面的研究报道。因此，本文拟采用恒定磁场强度300 mT对不同浓度氮肥溶液进行磁化处理，测定不同浓度磁化和未磁化氮肥溶液理化性质，开展土壤一维垂直入渗试验，研究磁化肥水灌溉对土壤入渗特征、模型参数变化以及水氮运移的影响，以期为磁处理技术在农田施肥灌溉模式中的应用提供理论依据和技术指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土样采自西北农林科技大学节水灌溉试验站(108°24′E,34°20′N)耕层土壤(0～30 cm)，待土样风干，碾压、去除杂物，过2 mm筛后混合均匀以备用。采用MS2000型激光粒度分析仪测定土壤颗粒组成，其中黏粒(0

1.2 试验设计

试验于2020年5月在西北农林科技大学旱区节水农业研究院实验室进行，试验选用易溶于水且具有稳定物理化学性质的硝酸钾作为供试肥料，配置质量浓度分别为0 g/L(T0)、0.4 g/L(T1)、0.7 g/L(T2)、1.1 g/L(T3)的硝酸钾溶液，采用一维垂直土柱开展不同浓度氮肥溶液在M1(磁化)和M0(未磁化)条件下的积水入渗试验，积水深度为2 cm，共计8个处理，每个处理5次重复。

1.3 试验装置与方法

试验装置由磁化系统和土壤入渗系统组成。磁化系统由水箱、水泵和磁化器通过管道连接而成。水箱容积为8 L，水泵采用创锐BG600-S/YZ35-13型大流量变频可调速蠕动泵，磁化器采用包头鑫达磁性材料厂生产的CHQ型外置永磁磁铁，以管径9.6 mm的硅胶管连接，通过木块调整管道位置及磁铁NS极间距，确保水流垂直切割磁感线且管道中心处磁场强度为300 mT左右，内壁磁场强度浮动范围小于30 mT，设计流速为0.5 m/s，控制循环回水时间为30 min。土壤入渗系统包括土柱和供水装置，试验土柱为内径6 cm、高50 cm的透明有机玻璃制品，外壁贴有标尺，用于定时记录湿润锋变化情况，距土柱顶端15 cm处每隔5 cm开设取样孔，底部开设通气孔并铺设5 cm厚砾石层，与土层以滤纸隔开，以容重1.35 g/cm3分8层(每层5 cm)装入土柱，层与层之间打毛衔接。试验供水装置为马氏瓶，内径6 cm，高46 cm，外壁贴有标尺，用来记录和控制入渗水量，提供稳定水头高度为2 cm，土柱入渗总高度为31.5 cm。

实验室控制温度为(23±2)℃，电导率和pH值分别采用雷磁DDS-307型电导率仪和雷磁PHSJ-4A型pH计进行测定，溶氧量采用上海泽泉科技股份有限公司生产的光纤测氧仪测定，表面张力系数采用复旦天欣科教有限公司生产的F0-N8T-1型液体表面张力测定仪测定，每组试验重复3次，取其平均值进行分析。入渗试验用秒表计时，按由密及疏的时间间隔分别记录马氏瓶水位和土柱湿润锋深度，计算得相应时间下累积入渗量和湿润锋运移距离。入渗结束后立刻从取样孔进行取样，分别测定不同高度处土壤样品的质量含水率、硝态氮含量和盐分含量。采用干燥法测定土壤含水率，采用德国SEAL公司的AA3型流动分析仪测定土壤硝态氮含量。

1.4 数据分析与处理

采用Microsoft Excel 2010、IBM SPSS Statistics 22、SigmaPlot 14统计分析软件进行数据处理、分析和图形绘制。通过入渗模型对土壤入渗过程进行定量评价，根据前人研究，分别选取Philip、一维代数以及Green-Ampt 3个入渗模型对磁化氮肥溶液入渗过程进行拟合分析[22-24]，评价淡水入渗模型在磁化氮肥溶液入渗条件下的适用性，研究磁化氮肥溶液对各入渗模型参数的影响以及模型互推参数的精确性。

(1)Philip入渗模型，当入渗历时较短且土壤基质势在土壤水分入渗过程占主导时，Philip入渗模型可简化为[22]

I=St0.5

(1)

式中I——累积入渗量，cm

t——入渗时间，min

S——土壤吸渗率，cm/min0.5

(2)一维代数入渗模型，由土壤水分运动方程推理所得，公式为[23]

(2)

式中m——土壤水分特征曲线和非饱和导水率综合形状系数

θr——土壤饱和体积含水率，cm3/cm3

θs——土壤滞留体积含水率，cm3/cm3

Zf——湿润锋运移深度，cm

当供试土壤含水率较小时，可认为θs=θi，式(2)简化为

(3)

式中θi——土壤初始体积含水率，cm3/cm3

利用一维代数入渗模型推求土壤含水率分布公式为

(4)

式中θ——所求任意深度处土壤含水率，cm3/cm3

Z——观测点与土柱表面的垂直距离，cm

(3) Green-Ampt入渗模型，在入渗水头较小、入渗时间较短且仅考虑土壤基质势的情况下Green-Ampt模型可简化为[24]

(5)

式中It——t时刻下的入渗率，cm/min

Ks——饱和导水率，cm/min

Sf——湿润锋处的土壤水吸力，cm

根据水量平衡原理，此时的湿润锋深度为累积入渗量概化湿润峰深度Z′f(cm)，即

(6)

已知，累积入渗量对于时间的导数即是相应时间下土壤水分入渗速率，联立式(5)、(6)可得入渗时间与概化湿润峰深度之间的关系为

(7)

联立式(6)、(7)可得入渗时间与累积入渗量的关系为

(8)

根据短历时入渗特性，联立式(1)、(8)使累积入渗量相等，可得到Philip与Green-Ampt入渗模型互推公式为

S2=2KsSf(θr-θi)

(9)

(10)

2 结果与分析

2.1 磁化对不同浓度氮肥溶液理化性质的影响

由表1可知，氮肥溶液浓度和磁化作用对液体电导率、溶氧量和表面张力系数均有显著影响，二者交互作用对电导率影响显著，其他指标影响均不显著。在本试验条件下，磁化较未磁化氮肥溶液电导率显著降低了4.97%～6.88%，不同浓度氮肥溶液pH值略有减小，但影响并不显著，T0、T1、T2、T3水平氮肥溶液磁化后溶氧量分别显著增加8.51%、8.95%、10.46%和11.05%，表面张力系数分别显著减小12.47%、12.63%、12.69%和13.08%，氮肥溶液磁化后溶氧量增量和表面张力系数减量均与溶液浓度呈正相关关系。

表1 不同浓度氮肥溶液磁化前后理化性质Tab.1 Physicochemical properties of nitrogen fertilizer solution with different concentrations before and after magnetization

2.2 磁化氮肥溶液对土壤入渗特征的影响

由图1可知，各处理湿润锋运移距离均随时间增加呈现前期快后期慢的增大趋势。在入渗200 min时，T1、T2、T3水平磁化前后湿润锋运移距离较T0水平分别增大了6.45%、7.55%、17.95%和7.13%、15.36%、27.23%，说明在相同磁化条件下湿润锋运移距离随溶液浓度的增大而增大。磁化T0、T1、T2、T3水平较未磁化处理土壤湿润锋运移距离分别增大了6.81%、7.49%、14.56%和15.20%，氮肥溶液磁化入渗增大了湿润锋运移距离，且增大幅度与溶液浓度呈正相关关系。在氮肥溶液和磁化处理的交互作用下，达到相同湿润锋高度(31.5 cm时)，M0T0所需时间最长，M1T3所需时间最短。

图1 不同浓度氮肥溶液磁化前后湿润锋运移距离随时间变化曲线Fig.1 Variation curves of wetting front distance with time of nitrogen fertilizer solution with different concentrations before and after magnetization

由图2可知，累积入渗量整体变化规律与湿润锋运移距离相似。相同磁化条件下，累积入渗量随溶液浓度增大而增大。在入渗200 min时，磁化T0、T1、T2、T3水平氮肥溶液累积入渗量较未磁化处理分别增加了13.70%、20.25%、23.81%和23.86%，磁化使土壤水分入渗加快，且加快作用随溶液浓度增大不断增强。相同入渗历时下，各处理累积入渗量从小到大依次为M0T0、M0T1、M1T0、M0T2、M0T3、M1T2、M1T3，磁化高浓度氮肥溶液水分运移最快，在入渗200 min时，与处理M0T0相比，其他各处理累积入渗量增加了14.47%～53.63%。

图2 不同浓度氮肥溶液磁化前后累积入渗量随时间变化曲线Fig.2 Variation curves of cumulative infiltration with time of nitrogen fertilizer solution with different concentrations before and after magnetization

2.3 磁化氮肥溶液入渗模型分析与模型参数比较

表2 3种入渗模型拟合分析结果Tab.2 Analysis results of three models

图3 不同浓度氮肥溶液磁化前后入渗模型参数相对变化率Fig.3 Variations of infiltration model parameter indexes relative to nitrogen fertilizer solution with different concentrations before and after magnetization

利用式(9)对Philip和Green-Ampt入渗模型参数互相推求，结果如表3所示，各处理S、KsSf的拟合值与计算值变化趋势一致，但具体表现有所不同，吸渗率S的计算值显著小于拟合值，相对误差绝对值不大于12%，因此在氮肥溶液或磁场的作用下，已知Green-Ampt模型参数KsSf可对Philip入渗公式的吸渗率S进行推求。各处理间KsSf的计算值显著大于拟合值，未磁化条件下相对误差不大于17%，磁化条件下相对误差最大为30%，氮肥溶液磁化入渗条件下，Philip和 Green-Ampt入渗模型参数互推精度有所降低。

表3 Philip与Green-Ampt入渗公式参数互推结果Tab.3 Extrapolation results of parameters of Philip and Green-Ampt infiltration formulas

2.4 磁化氮肥溶液对土壤水氮运移特征的影响

由图4可知，各处理含水率分布随入渗深度增加而不断减少，在达到相同湿润锋高度时，未磁化氮肥溶液在土层深度15 cm以上含水率分布受溶液浓度影响不大，后随累积入渗量增加，15 cm以下含水率分布随溶液浓度增大而逐渐增大，磁化各浓度含水率分布情况与之相同。不同浓度氮肥溶液磁化后含水率分布存在差异，在剖面深度15 cm处，T0、T1、T2、T3水平磁化较未磁化分别增大了4.64%、6.64%、9.49%和10.15%，在氮肥溶液和磁场的共同作用下，M1T3处理含水率最大，较M0T0增大了13.66%。

图4 不同浓度氮肥溶液磁化前后土壤含水率分布特征Fig.4 Distribution characteristics of soil water content of nitrogen fertilizer solution with different concentrations before and after magnetization

用所求形状系数m反推土壤含水率，其理论值与实测值之间的关系如图5所示。各处理含水率理论值整体均略小于其实测值，对各处理土壤含水率进行平均绝对误差分析可知，未磁化条件下含水率平均绝对误差为0.011 0～0.016 6 cm3/cm3，磁化条件下随氮肥溶液浓度增大平均绝对误差分别为0.015 1、0.018 8、0.027 3、0.024 9 cm3/cm3，误差均大于同浓度未磁化溶液，但一维代数入渗模型仍可很好地描述不同磁场强度下各浓度溶液土壤入渗结束时的土壤含水率分布情况。

图5 不同浓度氮肥溶液磁化前后土壤含水率理论值与实测值Fig.5 Theoretical and measured values of soil water content of nitrogen fertilizer solution with different concentrations before and after magnetization

由图6可知，各处理硝态氮含量分布情况大致相同，在土层深度25 cm以上硝态氮含量基本不变或以缓慢速度略有减小，因此可取其平均值进行差异性分析，结果如图7所示(图中不同小写字母表示处理间差异显著，P<0.05)，并于30 cm湿润锋附近急剧增加，这是由于硝态氮在对流与机械弥散的作用下随水分不断下移，后因含水率在湿润锋附近骤减导致对流作用减弱，上层硝态氮淋洗至此从而出现峰值。各处理硝态氮的具体分布情况有所不同，结合图6、7分析可知，T1、T2、T3水平磁化前后硝态氮平均含量较T0分别增多了11.87、19.81、22.15 mg/kg和7.75、12.70、16.95 mg/kg，相同磁化条件，硝态氮平均含量随氮肥溶液浓度增大呈显著增大趋势(P<0.01)，这是因为硝酸钾氮肥溶液可直接补充土壤硝态氮，溶液浓度越高，留存湿润体内的硝态氮也就越多。T0、T1、T2、T3水平氮肥溶液磁化入渗，土壤硝态氮含量分别提升了385.29%、129.98%、81.51%和66.05%，相同浓度磁化条件下硝态氮含量均大于未磁化条件，磁化作用对氮肥溶液硝态氮平均含量有极显著影响(P<0.01)。

图6 不同浓度氮肥溶液磁化前后土壤含量分布特征Fig.6 Distribution characteristics of soil of fertilizer solution with different concentrations before and after magnetization

图7 不同浓度氮肥溶液磁化前后土壤显著性分析Fig.7 Significant test of soil fertilizer solution with different concentrations before and after magnetization

3 讨论

研究表明氮肥溶液和磁化处理均可以提高入渗结束后土壤的水氮含量，水氮含量随溶液浓度增大而增大。磁化氮肥溶液提高土壤含水率的原因可能是受液体分子磁化后氢键断裂以及范德华力变弱的影响，使原以氢键形式缔合的大型水分子簇变小，与部分离子发生反应的水分子得到释放[39]，从而形成了较多小型缔合水分子簇及单个水分子[28,31]，加强了水分子在相同土壤体积内小空隙的填充作用，并伴之液-固界面接触角的减小，液体分子更易进入土壤微孔[37]，土壤含水率得到提升。受氮肥溶液磁化后理化性质的变化以及磁场对土壤结构改善的影响，一维代数入渗公式在推算磁化氮肥溶液土壤含水率分布时精度有所降低，但整体可较好描述土壤含水率分布情况。氮肥溶液浓度和磁化作用对土壤硝态氮含量的影响呈正相关，但与磁化各浓度溶液入渗指标及含水率分布情况不同的是，清水磁化前后硝态氮含量增幅最大且上层土壤平均硝态氮含量大于土壤本底值，推测可能是因为磁化水酸碱度的降低、溶氧量的增加以及土壤酶活性的增强为土壤微生物反应创造了大量有利条件[34,40]，微生物活性增强[41]，从而导致即使在历时较短的入渗过程也有部分硝化反应发生，提高了土壤硝态氮供给能力，另一方面液体经磁化后电子运动状态的改变使土壤对硝酸根的排斥作用减弱[41-42]，外加磁化水灌溉对土壤结构的改善，有效提高了土壤胶体对养分的固持能力[17-18,43]，从而增大了土壤上层硝态氮含量。此外，氮肥溶液经磁化后硝态氮含量的增加除上述原因外，变小的水分子簇也会携带部分肥液分子对土壤微孔进行填充，从而使硝态氮含量增大。综合可知，磁化氮肥溶液提高了硝态氮在土壤中的供给能力和固持能力。

水肥同时磁化对土壤入渗性能及水氮迁移过程的试验研究结果为农田高效灌溉施肥开辟了新的应用方向，通过科学设置磁化参数将磁化技术与水肥一体化农田节水技术相结合，不仅能够进一步开发资源潜能，提高水肥利用效率，节约成本，提高收益，同时磁化作为践行农业可持续发展的一门新技术，对建设资源节约型、环境友好型农业生产体系具有重要意义。

4 结论

(1)氮肥溶液磁化后电导率和表面张力系数显著减小，溶氧量显著提高，溶氧量和表面张力系数相对变化率随溶液质量浓度增大而增大，pH值略有减小，但影响并不显著。

(3)氮肥溶液和磁化作用均可提高入渗结束后土壤含水率，且在磁化作用下含水率增量随溶液浓度增大而增大，一维代数入渗公式可较好地描述不同磁场强度下各浓度溶液土壤入渗结束时的土壤含水率分布情况。氮肥溶液和磁化作用均可显著提高入渗结束后土壤硝态氮含量，磁化条件下硝态氮含量随溶液浓度增大而增大，这有利于土壤无机氮素的保持。