坑灌下水氮移转研究进展
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0 引 言
蓄水坑灌法［1］是在果树树干周围挖若干个小蓄水坑（坑深60～80cm），灌溉时，将肥液储存在蓄水坑内，通过蓄水坑侧壁直接将水分和养分输送到果树根系周围的一种节水灌溉方法，该方法最大的特点是将节水灌溉与水土保持有机结合在一起，与地面灌溉相比较，蓄水坑灌法具有节水、保水、保肥、减少氨挥发、有效防止水土流失的作用，且成本低廉、技术简单，易于为果农掌握。因此，在我国北方山丘果林地区具有广阔的应用前景。
1 蓄水坑灌条件下土壤水分入渗特性
1．1 变水头入渗对土壤入渗参数的影响
利用蓄水坑灌法进行灌溉时，由于坑内水位较高，其水分的入渗过程是一个变水头入渗的过程，因此在蓄水坑灌的研究中，变水头入渗就成为解决蓄水坑灌入渗的一个关键问题。马娟娟［2，3］系统地进行了入渗水头对入渗参数的影响研究，结果表明：土壤入渗率随时间的变化符合Kostiakov入渗模型，入渗水头对入渗系数k有较为显著的影响，但随着入渗水头的增加，入渗系数并不是一直呈增大趋势，而是在土壤中压力势和容重增大的双重作用下，表现出相对平稳与显著性变化的交替变化趋势。
1．2 湿润锋形状
在蓄水坑灌条件下，由于蓄水坑较深，为了减少水分的深层渗漏，蓄水坑底做成不透水形式，水分通过蓄水坑侧壁入渗。因此在入渗初期，土壤水分入渗的驱动力主要是土壤基质势，水平方向入渗速度大于垂直方向，水平湿润锋推进距离明显大于垂直方向湿润锋推进距离，随着入渗时间的延长，由于重力势力梯度成为土壤水分运动的主要驱动力，表现出水平湿润锋推进速度逐渐减小，垂直方向湿润锋开始明显增大，湿润体呈近似“半椭圆状”［4，5］。马娟娟［4］的研究表明，水平湿润锋和垂直湿润锋与入渗时间满足函数关系，当蓄水坑半径为16cm，坑深为60cm，灌水量为6L时，土壤湿润峰推进距离L可用入渗时间t的函数来描述。当t＜10h时，土壤湿润锋推进距离L与时间t之间呈对数函数关系变化，并呈显著相关，可用式（1）和式（2）来描述：当10h＜t＜99h时，土壤湿润锋推进距离L与时间t的关系呈线性变化，可用式（3）和式（4）来描述：
1．3 土壤水分分布及再分布特性
李京玲［5］进行了室内蓄水单坑土壤水分入渗试验研究，认为当蓄水坑深为40cm、灌水量为6L条件下，在垂直剖面上，地表附近土壤含水率较低，土壤含水率分布呈现低－高－低的分布趋势，最大含水率出现在蓄水坑底附近；在水平方向，随着水平距离的增大，土壤含水率逐渐减小；当灌水结束后，水分进入再分布阶段，随着再分布时间的延长，水分在水平方向和垂直方向继续运移，但水分再分布的速率变缓，再分布7d后，湿润体内土壤含水率还保持在较高水平。栗岩峰［6］对室内蓄水多坑入渗条件下土壤水分分布特性进行了研究，结果表明：在自由入渗阶段，其入渗特性与单坑入渗相同，当水分入渗进入干扰入渗阶段后，在相邻两侧土水势的作用下，含水率高的一侧水分会继续向相邻的一侧移动，直至出现两侧含水率相等，即零通量面出现，土壤水分分布更加均匀。郭向红［7］进行了田间蓄水坑灌土壤水分分布的试验研究，认为当蓄水坑深为60cm时，灌水定额为52．8mm时，土壤水分主要分布在中深层，即地表以下20～140cm范围内，而表层0～20cm范围内土壤含水率较小，含水率的最大值出现在蓄水坑坑底80cm附近，这与室内土壤水分分布特性一致。而与普通地面灌溉相比，地面灌溉条件下的土壤含水率主要分布在地表以下0～80cm范围内，且随着土层深度的增大，土壤含水率逐渐减小。
1．4 土壤水分蒸发蒸腾特性
与传统地面灌溉地表附近土壤含水率较高相比，蓄水坑灌条件下地表附近土壤水分含量较低，土壤水分主要分布在土壤的中深层，土壤水分的分布特性决定了其土壤水分蒸发也存在明显的差异，因此国内许多学者开展了关于蓄水坑灌条件下土壤水分蒸发特性的研究，为揭示中深层灌溉条件下土壤蒸发规律奠定基础。室内土柱蒸发试验的研究表明，光照强度和湿润峰的埋深深度对土壤蒸发强度都有显著的影响，土壤平均蒸发强度随着光照强度的增大而增大，土壤累积蒸发量随着湿润峰的增加而增加［8，9］；郭向红［7］进行了田间蓄水坑灌蒸发蒸腾特性的研究，认为田间蒸发主要包括棵间蒸发和坑壁蒸发两部分，棵间地表蒸发强度明显受土壤含水率的影响，它们之间可用线性关系进行描述；对于坑壁蒸发而言，在相同含水率的条件下，坑壁蒸发强度远小于棵间地表蒸发强度。与地面灌溉相比较，蓄水坑灌棵间蒸发量仅为地面灌溉棵间蒸发量的52％，远小于地面灌溉棵间蒸发量。
1．5 湿润体范围的影响因素
影响蓄水坑灌土壤湿润体范围的因素主要有：灌水量、蓄水坑半径、蓄水坑深、初始含水率等因素。灌水量越大，湿润锋推进距离越远，湿润体范围越大；蓄水坑半径径越大，在相同时间内水平湿润锋推进的距离越大，而垂直湿润锋推进距离则越小；蓄水坑深越大，在相同时间内水平湿润锋推进距离越小，垂直湿润锋推进距离越大；土壤初始含水率越大，水平湿润锋和垂直湿润锋推进距离都增大。湿润锋推进距离与其影响因子之间可采用多元幂函数表征［7］。
2 蓄水坑灌条件下土壤氮素分布特性
氮素作为作物生长所需要的一种宏量元素，在化肥的施用中，得到了广泛的使用。然而我国当季作物氮肥利用率较低，仅为30％～35％。这种化肥的高投入和低下的氮肥利用率不仅造成了经济的直接损失，而且农田氮素的大量流失还将引起一系列的环境问题，如地表水体富营养化、地下水污染，大气中氮氧化物的排放等。为了提高农田土壤氮素利用率，减少农田氮素损失，国内外进行了大量关于氮肥的不合理施用及对环境影响的研究。有关蓄水坑灌条件下土壤氮素迁移转化方面的研究，目前主要研究主要集中在土壤氮素的分布特性方面。蓄水坑灌灌施尿素条件下，土壤硝态氮含量随着径向距离的增大而增大，并在湿润锋处累积，出现峰值，在垂直方向上，土壤硝态氮含量呈现“高－低－高”的分布趋势，这主要是由于蓄水坑附近硝态氮的淋洗所致，土壤中硝态氮运移的主要机制是对流作用；土壤铵态氮含量随径向距离的增大而逐渐减小，在垂直方向上，土壤铵态氮含量呈现“低－高－低”的分布趋势，最大值出现在蓄水坑附近，这主要是由于土壤对铵态氮的吸附作用，土壤中铵态氮运移的主要机制是扩散作用［10－12］。
3 蓄水坑灌条件下土壤水氮运移的数值模拟研究
3．1 单坑土壤水氮运移的数值模拟
在入渗初期，相邻两蓄水单坑的土壤湿润体尚未连在一起，此时的入渗为蓄水单坑土壤水分入渗。蓄水坑灌单坑土壤水分运动可采用柱坐标下二维的Richards方程，根据蓄水单坑土壤水分运动及坑内水位变化的特点，栗岩峰［13］、郭文华［14］、马娟娟［15］建立了蓄水单坑土壤水分运动的数学模型，并采用有限差分法进行了求解，利用入渗水头与入渗参数的关系给出了坑内水位随时间变化的关系式，然而入渗参数易受土壤性质的51蓄水坑灌条件下土壤水氮运移的研究进展
李京玲 孙西欢 马娟娟 等影响，如土壤质地、土壤容重、土壤初始含水率等因素，因此不便推广应用；郭向红［16］利用水量平衡原理给出了坑内水位随时间变化的关系式，较好地模拟了坑内水位变化这一过程。由于蓄水坑边界的复杂性，因此在利用有限差分法求解时经常会遇到数值弥散和数值震荡，李京玲［5，17］利用有限体积法对蓄水坑灌单坑土壤水分运动进行了求解，并利用室内实测数据进行了验证，计算的相对误差较小，取得了满意的效果。蓄水坑灌单坑土壤氮素迁移转化采用对流－弥散方程来描述，在氮素的转化过程中，考虑了尿素水解、硝化、反硝化和铵态氮的吸附作用，忽略了氨挥发、有机质的矿化和铵的固定。李京玲［18］建立了蓄水坑灌单坑土壤氮素迁移转化的数学模型，采用有限体积法进行了求解，并对模型的有效性进行了分析，发现计算值与模拟值之间的相对误差、均方根误差较小，决定系数和建模效率较高，该模型可用于模拟蓄水坑灌单坑室内土壤水氮运移的动态变化。
3．2 蓄水坑灌条件下多坑土壤水氮运移的数值模拟
当灌水定额超过一定值后，相临两蓄水坑的湿润土体衔接起来时，此后，属于干扰入渗阶段，即形成蓄水多坑入渗。周青云［19］、马娟娟［20］建立了蓄水多坑土壤水分运动的数学模型，并采用ADI交替隐式差分格式进行求解，但所建数学模型没有考虑降雨和作物根系吸水；郭向红［21］建立了降雨灌溉蒸发条件下苹果园土壤水分运动的数学模型，并利用田间土壤水分试验进行了验证。
4 研究展望
综上所述，目前关于蓄水坑灌法的研究主要集中在国内，尚未见到国外的相关报道。而国内对蓄水坑灌法的研究主要集中在变水头入渗、土壤水分分布特性及其影响因素、土壤氮素分布特性、土壤水分蒸发蒸腾及数值模拟等研究领域，并取得了许多重要成果。但这些研究大部分集中在土壤水分上，对施肥条件下蓄水坑灌的研究较少，而研究内容又大多停留在土壤中氮素分布规律的定性分析层面上，缺乏对蓄水坑灌条件下土壤氮素转化过程中硝化－反硝化损失、氨挥发损失、硝态氮淋失等方面的定量研究。此外，目前对灌施条件下蓄水坑灌法的研究存在内容上的不完整性及研究程度上的不深入性，鉴于此，今后对蓄水坑灌可以从以下几个方面进行深入研究。
（1）氮素在土壤中的转化是一个过程，需要一定的时间才能反映其迁移转化的规律，目前对土壤中氮素转化的研究大多只停留在7d以内，今后应延长监测时间，进而探讨氮素在土壤中迁移转化的规律。
（2）进行蓄水坑灌灌施多因素交互作用的影响研究。
（3）积极开展灌施条件下蓄水坑灌土壤氮素损失的研究，如硝化、反硝化、氨挥发及硝态氮淋溶损失的研究，以期为合理施用氮肥，减少土壤氮素损失和保护生态环境提供理论依据。
（4）开展田间蓄水坑灌灌施试验，考虑多种因素，分析不同灌溉施肥处理对果树生长、养分吸收和产量的影响，寻求合理的调控措施来提高氮肥的利用率，防止环境污染。
（5）考虑根系吸收，氮矿化、吸附、氮淋失、硝化和反硝化等作用，建立蓄水多坑三维土壤水氮运移数学模型，进行水氮运移的数值模拟，优化确定蓄水坑灌施水施氮的合理调控模式，并用试验结果进行验证。