氮肥溶液磁化灌溉下土壤入滲特征和水氮遷移規律研究

李佳蓓 張富倉 段晨驍 ABDELGHANY Ahmed Elsayed,2 楊 玲 李志軍

(1.西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室， 陜西楊凌 712100；2.國家研究中心農業生物研究所， 開羅 12622)

0 引言

水資源短缺和肥料利用率低下是限制我國農業可持續發展的重要因素，也是長期以來農業研究的主流方向[1]。微噴灌等水肥一體化技術的應用和保水增肥劑的創新研發作為提高水肥利用效率的階段性成熟產物，已被農業種植者廣泛使用，在此基礎上如何更進一步實現已有水、肥的最大化無污染利用，值得深入探索研究。土壤入滲作為農田水循環的一個重要環節[2]，其入滲性能不僅直接反映了土壤涵養水源的能力，也間接影響著土壤水的資源化利用[3]。近年來國內外學者在水肥入滲方面進行了大量研究[4]，特別是對于質地較重的土壤，如何提高土壤入滲性能，使有限的水肥資源入滲并更多保存至土壤，對于提高水肥利用效率和農業可持續發展有著重要意義。

自20世紀60年代開始，磁處理作為一項新型水處理技術，以其可持續且不破化生態環境的灌溉特點受到了國內外學者的廣泛關注，特別是近年來，關于磁化水理論和應用技術的相關研究已取得了較大進展[5-7]，研究表明磁處理通過改變液體表面張力、溶氧量、pH值等理化性質[8-10]，進而對土壤入滲性能、水鹽肥的運移和保持、土壤結構的改善以及作物的生長發育產生重要影響。KHOSHRAVESH等[11]研究表明磁化水可有效提高粘質土壤的入滲性能和土壤水分分布。張瑞喜等[12]研究表明磁化水可加快鹽漬化土壤水分向下運移，磁場強度為300 mT時土壤含水率和鹽分淋洗量達到最大。王全九等[10,13-14]研究提出以表面張力相對減少量作為微咸水磁化效果的定量評價標準，且磁化效果與磁場強度和礦化度有關，磁化微咸水灌溉土壤同樣具有明顯脫鹽效果[15-16]，并能有效提高土壤有機碳、氮含量，改善土壤鹽基離子的交換特性和離子組成[17]，提高土壤礦質養分有效化程度[18]，增強土壤養分固定能力。除此之外，磁處理灌溉在改善土壤孔隙結構[19]，促進作物種子萌發和生長發育[20-21]，提高作物產量和品質方面也發揮著重要作用[21]。

磁化水作為一項新型水處理技術，目前國內外的研究重點主要集中在磁化水和磁化微咸水對土壤水、鹽運移的影響，考慮到我國灌溉與施肥相結合的實際情況，研究水肥同時磁化對氮素運移轉化和水肥耦合效應的影響將是一個新的研究方向，特別是對粘質土壤而言，目前尚未見到磁化水肥方面的研究報道。因此，本文擬采用恒定磁場強度300 mT對不同濃度氮肥溶液進行磁化處理，測定不同濃度磁化和未磁化氮肥溶液理化性質，開展土壤一維垂直入滲試驗，研究磁化肥水灌溉對土壤入滲特征、模型參數變化以及水氮運移的影響，以期為磁處理技術在農田施肥灌溉模式中的應用提供理論依據和技術指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土樣采自西北農林科技大學節水灌溉試驗站(108°24′E,34°20′N)耕層土壤(0～30 cm)，待土樣風干，碾壓、去除雜物，過2 mm篩后混合均勻以備用。采用MS2000型激光粒度分析儀測定土壤顆粒組成，其中黏粒(0

1.2 試驗設計

試驗于2020年5月在西北農林科技大學旱區節水農業研究院實驗室進行，試驗選用易溶于水且具有穩定物理化學性質的硝酸鉀作為供試肥料，配置質量濃度分別為0 g/L(T0)、0.4 g/L(T1)、0.7 g/L(T2)、1.1 g/L(T3)的硝酸鉀溶液，采用一維垂直土柱開展不同濃度氮肥溶液在M1(磁化)和M0(未磁化)條件下的積水入滲試驗，積水深度為2 cm，共計8個處理，每個處理5次重復。

1.3 試驗裝置與方法

試驗裝置由磁化系統和土壤入滲系統組成。磁化系統由水箱、水泵和磁化器通過管道連接而成。水箱容積為8 L，水泵采用創銳BG600-S/YZ35-13型大流量變頻可調速蠕動泵，磁化器采用包頭鑫達磁性材料廠生產的CHQ型外置永磁磁鐵，以管徑9.6 mm的硅膠管連接，通過木塊調整管道位置及磁鐵NS極間距，確保水流垂直切割磁感線且管道中心處磁場強度為300 mT左右，內壁磁場強度浮動范圍小于30 mT，設計流速為0.5 m/s，控制循環回水時間為30 min。土壤入滲系統包括土柱和供水裝置，試驗土柱為內徑6 cm、高50 cm的透明有機玻璃制品，外壁貼有標尺，用于定時記錄濕潤鋒變化情況，距土柱頂端15 cm處每隔5 cm開設取樣孔，底部開設通氣孔并鋪設5 cm厚礫石層，與土層以濾紙隔開，以容重1.35 g/cm3分8層(每層5 cm)裝入土柱，層與層之間打毛銜接。試驗供水裝置為馬氏瓶，內徑6 cm，高46 cm，外壁貼有標尺，用來記錄和控制入滲水量，提供穩定水頭高度為2 cm，土柱入滲總高度為31.5 cm。

實驗室控制溫度為(23±2)℃，電導率和pH值分別采用雷磁DDS-307型電導率儀和雷磁PHSJ-4A型pH計進行測定，溶氧量采用上海澤泉科技股份有限公司生產的光纖測氧儀測定，表面張力系數采用復旦天欣科教有限公司生產的F0-N8T-1型液體表面張力測定儀測定，每組試驗重復3次，取其平均值進行分析。入滲試驗用秒表計時，按由密及疏的時間間隔分別記錄馬氏瓶水位和土柱濕潤鋒深度，計算得相應時間下累積入滲量和濕潤鋒運移距離。入滲結束后立刻從取樣孔進行取樣，分別測定不同高度處土壤樣品的質量含水率、硝態氮含量和鹽分含量。采用干燥法測定土壤含水率，采用德國SEAL公司的AA3型流動分析儀測定土壤硝態氮含量。

1.4 數據分析與處理

采用Microsoft Excel 2010、IBM SPSS Statistics 22、SigmaPlot 14統計分析軟件進行數據處理、分析和圖形繪制。通過入滲模型對土壤入滲過程進行定量評價，根據前人研究，分別選取Philip、一維代數以及Green-Ampt 3個入滲模型對磁化氮肥溶液入滲過程進行擬合分析[22-24]，評價淡水入滲模型在磁化氮肥溶液入滲條件下的適用性，研究磁化氮肥溶液對各入滲模型參數的影響以及模型互推參數的精確性。

(1)Philip入滲模型，當入滲歷時較短且土壤基質勢在土壤水分入滲過程占主導時，Philip入滲模型可簡化為[22]

I=St0.5

(1)

式中I——累積入滲量，cm

t——入滲時間，min

S——土壤吸滲率，cm/min0.5

(2)一維代數入滲模型，由土壤水分運動方程推理所得，公式為[23]

(2)

式中m——土壤水分特征曲線和非飽和導水率綜合形狀系數

θr——土壤飽和體積含水率，cm3/cm3

θs——土壤滯留體積含水率，cm3/cm3

Zf——濕潤鋒運移深度，cm

當供試土壤含水率較小時，可認為θs=θi，式(2)簡化為

(3)

式中θi——土壤初始體積含水率，cm3/cm3

利用一維代數入滲模型推求土壤含水率分布公式為

(4)

式中θ——所求任意深度處土壤含水率，cm3/cm3

Z——觀測點與土柱表面的垂直距離，cm

(3) Green-Ampt入滲模型，在入滲水頭較小、入滲時間較短且僅考慮土壤基質勢的情況下Green-Ampt模型可簡化為[24]

(5)

式中It——t時刻下的入滲率，cm/min

Ks——飽和導水率，cm/min

Sf——濕潤鋒處的土壤水吸力，cm

根據水量平衡原理，此時的濕潤鋒深度為累積入滲量概化濕潤峰深度Z′f(cm)，即

(6)

已知，累積入滲量對于時間的導數即是相應時間下土壤水分入滲速率，聯立式(5)、(6)可得入滲時間與概化濕潤峰深度之間的關系為

(7)

聯立式(6)、(7)可得入滲時間與累積入滲量的關系為

(8)

根據短歷時入滲特性，聯立式(1)、(8)使累積入滲量相等，可得到Philip與Green-Ampt入滲模型互推公式為

S2=2KsSf(θr-θi)

(9)

(10)

2 結果與分析

2.1 磁化對不同濃度氮肥溶液理化性質的影響

由表1可知，氮肥溶液濃度和磁化作用對液體電導率、溶氧量和表面張力系數均有顯著影響，二者交互作用對電導率影響顯著，其他指標影響均不顯著。在本試驗條件下，磁化較未磁化氮肥溶液電導率顯著降低了4.97%～6.88%，不同濃度氮肥溶液pH值略有減小，但影響并不顯著，T0、T1、T2、T3水平氮肥溶液磁化后溶氧量分別顯著增加8.51%、8.95%、10.46%和11.05%，表面張力系數分別顯著減小12.47%、12.63%、12.69%和13.08%，氮肥溶液磁化后溶氧量增量和表面張力系數減量均與溶液濃度呈正相關關系。

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

2.2 磁化氮肥溶液對土壤入滲特征的影響

由圖1可知，各處理濕潤鋒運移距離均隨時間增加呈現前期快后期慢的增大趨勢。在入滲200 min時，T1、T2、T3水平磁化前后濕潤鋒運移距離較T0水平分別增大了6.45%、7.55%、17.95%和7.13%、15.36%、27.23%，說明在相同磁化條件下濕潤鋒運移距離隨溶液濃度的增大而增大。磁化T0、T1、T2、T3水平較未磁化處理土壤濕潤鋒運移距離分別增大了6.81%、7.49%、14.56%和15.20%，氮肥溶液磁化入滲增大了濕潤鋒運移距離，且增大幅度與溶液濃度呈正相關關系。在氮肥溶液和磁化處理的交互作用下，達到相同濕潤鋒高度(31.5 cm時)，M0T0所需時間最長，M1T3所需時間最短。

圖1 不同濃度氮肥溶液磁化前后濕潤鋒運移距離隨時間變化曲線Fig.1 Variation curves of wetting front distance with time of nitrogen fertilizer solution with different concentrations before and after magnetization

由圖2可知，累積入滲量整體變化規律與濕潤鋒運移距離相似。相同磁化條件下，累積入滲量隨溶液濃度增大而增大。在入滲200 min時，磁化T0、T1、T2、T3水平氮肥溶液累積入滲量較未磁化處理分別增加了13.70%、20.25%、23.81%和23.86%，磁化使土壤水分入滲加快，且加快作用隨溶液濃度增大不斷增強。相同入滲歷時下，各處理累積入滲量從小到大依次為M0T0、M0T1、M1T0、M0T2、M0T3、M1T2、M1T3，磁化高濃度氮肥溶液水分運移最快，在入滲200 min時，與處理M0T0相比，其他各處理累積入滲量增加了14.47%～53.63%。

圖2 不同濃度氮肥溶液磁化前后累積入滲量隨時間變化曲線Fig.2 Variation curves of cumulative infiltration with time of nitrogen fertilizer solution with different concentrations before and after magnetization

2.3 磁化氮肥溶液入滲模型分析與模型參數比較

表2 3種入滲模型擬合分析結果Tab.2 Analysis results of three models

圖3 不同濃度氮肥溶液磁化前后入滲模型參數相對變化率Fig.3 Variations of infiltration model parameter indexes relative to nitrogen fertilizer solution with different concentrations before and after magnetization

利用式(9)對Philip和Green-Ampt入滲模型參數互相推求，結果如表3所示，各處理S、KsSf的擬合值與計算值變化趨勢一致，但具體表現有所不同，吸滲率S的計算值顯著小于擬合值，相對誤差絕對值不大于12%，因此在氮肥溶液或磁場的作用下，已知Green-Ampt模型參數KsSf可對Philip入滲公式的吸滲率S進行推求。各處理間KsSf的計算值顯著大于擬合值，未磁化條件下相對誤差不大于17%，磁化條件下相對誤差最大為30%，氮肥溶液磁化入滲條件下，Philip和 Green-Ampt入滲模型參數互推精度有所降低。

表3 Philip與Green-Ampt入滲公式參數互推結果Tab.3 Extrapolation results of parameters of Philip and Green-Ampt infiltration formulas

2.4 磁化氮肥溶液對土壤水氮運移特征的影響

由圖4可知，各處理含水率分布隨入滲深度增加而不斷減少，在達到相同濕潤鋒高度時，未磁化氮肥溶液在土層深度15 cm以上含水率分布受溶液濃度影響不大，后隨累積入滲量增加，15 cm以下含水率分布隨溶液濃度增大而逐漸增大，磁化各濃度含水率分布情況與之相同。不同濃度氮肥溶液磁化后含水率分布存在差異，在剖面深度15 cm處，T0、T1、T2、T3水平磁化較未磁化分別增大了4.64%、6.64%、9.49%和10.15%，在氮肥溶液和磁場的共同作用下，M1T3處理含水率最大，較M0T0增大了13.66%。

圖4 不同濃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

用所求形狀系數m反推土壤含水率，其理論值與實測值之間的關系如圖5所示。各處理含水率理論值整體均略小于其實測值，對各處理土壤含水率進行平均絕對誤差分析可知，未磁化條件下含水率平均絕對誤差為0.011 0～0.016 6 cm3/cm3，磁化條件下隨氮肥溶液濃度增大平均絕對誤差分別為0.015 1、0.018 8、0.027 3、0.024 9 cm3/cm3，誤差均大于同濃度未磁化溶液，但一維代數入滲模型仍可很好地描述不同磁場強度下各濃度溶液土壤入滲結束時的土壤含水率分布情況。

圖5 不同濃度氮肥溶液磁化前后土壤含水率理論值與實測值Fig.5 Theoretical and measured values of soil water content of nitrogen fertilizer solution with different concentrations before and after magnetization

由圖6可知，各處理硝態氮含量分布情況大致相同，在土層深度25 cm以上硝態氮含量基本不變或以緩慢速度略有減小，因此可取其平均值進行差異性分析，結果如圖7所示(圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著，P<0.05)，并于30 cm濕潤鋒附近急劇增加，這是由于硝態氮在對流與機械彌散的作用下隨水分不斷下移，后因含水率在濕潤鋒附近驟減導致對流作用減弱，上層硝態氮淋洗至此從而出現峰值。各處理硝態氮的具體分布情況有所不同，結合圖6、7分析可知，T1、T2、T3水平磁化前后硝態氮平均含量較T0分別增多了11.87、19.81、22.15 mg/kg和7.75、12.70、16.95 mg/kg，相同磁化條件，硝態氮平均含量隨氮肥溶液濃度增大呈顯著增大趨勢(P<0.01)，這是因為硝酸鉀氮肥溶液可直接補充土壤硝態氮，溶液濃度越高，留存濕潤體內的硝態氮也就越多。T0、T1、T2、T3水平氮肥溶液磁化入滲，土壤硝態氮含量分別提升了385.29%、129.98%、81.51%和66.05%，相同濃度磁化條件下硝態氮含量均大于未磁化條件，磁化作用對氮肥溶液硝態氮平均含量有極顯著影響(P<0.01)。

圖6 不同濃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

圖7 不同濃度氮肥溶液磁化前后土壤顯著性分析Fig.7 Significant test of soil fertilizer solution with different concentrations before and after magnetization

3 討論

研究表明氮肥溶液和磁化處理均可以提高入滲結束后土壤的水氮含量，水氮含量隨溶液濃度增大而增大。磁化氮肥溶液提高土壤含水率的原因可能是受液體分子磁化后氫鍵斷裂以及范德華力變弱的影響，使原以氫鍵形式締合的大型水分子簇變小，與部分離子發生反應的水分子得到釋放[39]，從而形成了較多小型締合水分子簇及單個水分子[28,31]，加強了水分子在相同土壤體積內小空隙的填充作用，并伴之液-固界面接觸角的減小，液體分子更易進入土壤微孔[37]，土壤含水率得到提升。受氮肥溶液磁化后理化性質的變化以及磁場對土壤結構改善的影響，一維代數入滲公式在推算磁化氮肥溶液土壤含水率分布時精度有所降低，但整體可較好描述土壤含水率分布情況。氮肥溶液濃度和磁化作用對土壤硝態氮含量的影響呈正相關，但與磁化各濃度溶液入滲指標及含水率分布情況不同的是，清水磁化前后硝態氮含量增幅最大且上層土壤平均硝態氮含量大于土壤本底值，推測可能是因為磁化水酸堿度的降低、溶氧量的增加以及土壤酶活性的增強為土壤微生物反應創造了大量有利條件[34,40]，微生物活性增強[41]，從而導致即使在歷時較短的入滲過程也有部分硝化反應發生，提高了土壤硝態氮供給能力，另一方面液體經磁化后電子運動狀態的改變使土壤對硝酸根的排斥作用減弱[41-42]，外加磁化水灌溉對土壤結構的改善，有效提高了土壤膠體對養分的固持能力[17-18,43]，從而增大了土壤上層硝態氮含量。此外，氮肥溶液經磁化后硝態氮含量的增加除上述原因外，變小的水分子簇也會攜帶部分肥液分子對土壤微孔進行填充，從而使硝態氮含量增大。綜合可知，磁化氮肥溶液提高了硝態氮在土壤中的供給能力和固持能力。

水肥同時磁化對土壤入滲性能及水氮遷移過程的試驗研究結果為農田高效灌溉施肥開辟了新的應用方向，通過科學設置磁化參數將磁化技術與水肥一體化農田節水技術相結合，不僅能夠進一步開發資源潛能，提高水肥利用效率，節約成本，提高收益，同時磁化作為踐行農業可持續發展的一門新技術，對建設資源節約型、環境友好型農業生產體系具有重要意義。

4 結論

(1)氮肥溶液磁化后電導率和表面張力系數顯著減小，溶氧量顯著提高，溶氧量和表面張力系數相對變化率隨溶液質量濃度增大而增大，pH值略有減小，但影響并不顯著。

(3)氮肥溶液和磁化作用均可提高入滲結束后土壤含水率，且在磁化作用下含水率增量隨溶液濃度增大而增大，一維代數入滲公式可較好地描述不同磁場強度下各濃度溶液土壤入滲結束時的土壤含水率分布情況。氮肥溶液和磁化作用均可顯著提高入滲結束后土壤硝態氮含量，磁化條件下硝態氮含量隨溶液濃度增大而增大，這有利于土壤無機氮素的保持。