畦灌技術參數(shù)對灌溉施肥性能影響研究進展

張 凱，白美健，張雪萍，章少輝，史 源

（1.中國水利水電科學研究院 流域水循環(huán)模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038；2.水利部數(shù)字孿生流域重點實驗室，北京 100038；3.北京中水科工程集團有限公司，北京 100038）

畦灌是目前應用最廣泛的田間灌水方法，具有成本低廉、田間工程簡單和易于實施的優(yōu)點，但存在田間管理粗放、灌水施肥性能普遍偏低的缺點，優(yōu)化畦灌技術參數(shù)，提高灌溉施肥管理水平具有較大潛力［1－2］。國內外學者通過分析不同畦灌技術參數(shù)組合下地表水流、土壤肥料的時空分布規(guī)律，基于不同評價指標優(yōu)化畦灌技術參數(shù)，為畦灌水肥高效利用提供理論基礎［3－5］。

針對如何提高畦灌施肥性能研究主要有兩方面：一是開展一種或多種畦灌技術參數(shù)組合的田間試驗，通過分析田間試測數(shù)據，探索畦灌技術參數(shù)對施肥性能的響應規(guī)律，獲得畦灌技術參數(shù)適宜閾值，其優(yōu)點是結論較準確、可直接指導生產實踐，缺點是試驗周期較長、忽略了次要因素的影響［6－8］；二是利用現(xiàn)有模擬軟件或改進模擬模型對不同畦灌技術參數(shù)組合進行數(shù)值模擬，獲得具有較高灌溉施肥性能的畦灌技術參數(shù)組合，其優(yōu)點是考慮因素較全面、試驗重復性高、模擬歷時較短，缺點是模型算法難以建立且模擬結果有待試驗驗證［9－11］。本文將對近年來畦灌水肥研究成果進行綜述分析，以期為進一步開展畦灌技術參數(shù)對灌溉施肥性能的影響研究提供參考。

1 施肥性能評價指標

地面灌溉施肥過程中，肥料隨水流沿畦田長度和寬度方向推進，同時向土壤入滲，由于田面各點受水時間存在差異，因此導致田面各點的施肥分布不均。如何科學合理地評價畦灌施肥性能，是優(yōu)化畦灌技術參數(shù)組合、改善田間灌溉施肥管理措施的基礎。國內外學者經過長期研究，基于不同評價目的提出了灌溉施肥性能評價指標［12］，目前常用的施肥評價指標為施肥均勻度和施肥效率。

1.1 施肥均勻度

施肥均勻度是較為常用的施肥性能評價指標，用于整體度量畦田內各點處的實際施肥量偏離平均施肥量的程度［13］。計算公式為

其中

式中：UCCN為施肥均勻度，%；Nav為畦田內平均施肥量，g／m；J為取樣點數(shù)量；為畦田內取樣點j實際施肥量與平均施肥量間的偏差；L為畦長，m；N為實際施肥量，g／m；x為沿畦長坐標，m。

圖1展示了整個畦田內實際施肥量與平均施肥量間的平均偏差，即式（1）中，因此UCCN為實際施肥量與平均施肥量間的平均偏差程度。

圖1 畦田各點處的實際施肥量與平均施肥量分布的比較

無論撒施或液施，畦田前部受水時間均大于畦田尾部，畦田內存在局部畦段高于或低于整個畦內平均施肥量的情況，通常采用DUHN、DUQN兩個指標度量局部畦段與整個畦內平均施肥量間的偏差程度：

式中：Navh、Navq分別為整個畦長具有最低值的1／2、1／4畦段土壤有效根系層的平均施肥增量，g／m。

1.2 施肥效率

施肥效率的定義在國內還沒有形成統(tǒng)一的認識。傳統(tǒng)的氮肥利用率（NUE）是指作物吸收的肥料氮量占所施肥料總氮量的百分比，反映肥料中氮被被植物吸收利用的程度，被稱做肥料吸收利用率或回收率（RE），但不包括氮肥的損失和殘留在土壤中的氮肥部分，僅局限于氮肥施入后的當季利用率，不包括其對后季作物的效益［14］。

式中：Nrecycle為氮的回收率，%；Nresidual為收獲后的根區(qū)殘留氮量，kg／hm2；Ninitial為初 始根 區(qū)含 氮量，kg／hm2；Nuptake為作物吸氮量，kg／hm2；Ncontrol為對照處理即未施肥處理的作物吸氮量，kg／hm2；Napplied為作物施氮量，kg／hm2。

從農學的角度來看，國內外評價作物氮肥利用率的指標有吸收效率和生產效率。肥料的生產效率考慮氮肥吸收后的物質生產效率及向經濟器官（如果實）的分配情況，如氮肥利用效率FUE指作物產量與施氮量的比值［15］。

式中：FUE為氮肥利用效率，%；Y為作物產量，kg／hm2。

對于畦灌技術參數(shù)及施肥方式對土壤中氮素分布的影響（即分析灌溉施肥后土壤中水氮分布，而不是氮肥施入后各種狀態(tài)之間的轉換及作物吸收對氮素轉化分布的影響），普遍采用Zerihun等［13］提出的氮肥施用效率，即有效施肥量（及儲存在作物有效根區(qū)的氮量）和總施氮量的比值。

式中：EaN為氮肥施用效率，%；NT為總施肥量，g／m；為畦段內作物有效根系層內的肥料增量之和，g／m；Nrz為作物有效根系層內的肥料增量，g／m。

2 畦灌技術參數(shù)對灌溉施肥性能的影響

畦灌灌溉施肥過程中，土壤質地、施肥方式、施肥時機、入畦流量和改口成數(shù)等技術參數(shù)顯著影響施肥均勻度和施肥效率［3－8］，通常選取一種或幾種參數(shù)的組合設置相關試驗開展研究。

2.1 土壤質地對灌溉施肥性能的影響

與土壤質地有關的參數(shù)包括糙率系數(shù)以及土壤入滲等，不同的土壤類型、耕作方式以及秸稈還田等均能影響土壤質地，不同的土壤質地通過影響灌水均勻度、灌水效率進而對施肥均勻度、施肥效率產生顯著影響［16－17］。

目前，我國農田耕作方式主要有翻耕、淺耕、旋耕和深松耕等，長期的傳統(tǒng)耕作壓實了底土層，導致土壤容重偏大，對土壤水分和肥料分布有一定影響，與傳統(tǒng)耕作相比，深松耕可使0～50 cm土層土壤容重降低0.14 g／cm3，土壤孔隙度提高10%～20%，耕作方式對土壤容重、孔隙度以及土壤入滲能力的影響程度還與土壤類型有關［18－21］。深松耕可有效促進水分入滲，提升土壤對水分和肥料的儲蓄能力，但隨著作物生長發(fā)育進程的推進，耕作方式對土壤入滲能力的改善效應呈逐步減弱趨勢［22］。

秸稈還田可降低土壤容重、提高土壤孔隙度、促進大團聚體形成，有效改善土壤理化性質，影響灌溉施肥性能［23］。有研究表明，秸稈還田可有效提高土壤的保水能力，在土壤水入滲階段，秸稈造成土壤中毛管孔隙斷頭萎縮，導致秸稈隔層表現(xiàn)出阻水減滲效果，即“毛細阻滯”現(xiàn)象［24－25］；土壤水分飽和后，秸稈膨脹占據土壤孔隙，使水分在土壤的蓄積時間延長、土壤保水性提高、持水力增強［26］；針對不同土壤類型及耕作方式，采用適宜的秸稈還田量、秸稈埋深和長度，可顯著提高土壤對水分和肥料的儲蓄能力［27－28］。

2.2 施肥方式對灌溉施肥性能的影響

常見的施肥方式主要有撒施和液施。人工撒施是一種傳統(tǒng)的施肥方式，操作簡單、便捷且不需要安裝設備，目前仍廣泛應用［4］。但是，人工撒施存在明顯的缺點，一方面是難以做到均勻撒施；另一方面是地面灌溉水流易對固體肥料產生沖刷，引起畦尾水流溶質濃度增大的“后翹”現(xiàn)象，導致肥料在田面的分布不均、利用率降低［8，29］。為提高撒施施肥均勻度，相關學者探索了由畦首至畦尾的變量撒施方式，章少輝［10］首次提出了非均勻撒施方式，定義了撒施非均勻系數(shù)USN，利用自建數(shù)值模擬系統(tǒng)選擇撒施非均勻系數(shù)、畦長、土壤質地、入畦單寬流量和畦面微地形5個技術參數(shù)進行模擬，獲得了具有較高施肥均勻度的畦灌技術參數(shù)組合，并通過田間試驗進行了驗證［30］。巫紓予等［31］提出了沿畦長方向逐漸遞減的變量撒施方式，對比了直線遞減型、拋物線遞減型和均勻分布型施肥方案，結果表明直線遞減型施肥方式具有較高施肥均勻度。張仙［32］提出了非滿成施肥的概念，對比了只撒施至畦田前段的非滿成撒施與均勻撒施方案，結果表明合理的非滿成撒施具有較高的施肥均勻度。

液施是將化肥充分溶解后與灌溉水混合輸入田間的施肥方式，可有效提高化肥利用效率，避免因氮素流失而引起的農田水土環(huán)境污染，成為提高水肥利用率的有效措施［6，8］，在以色列、歐美等國家得到大面積推廣應用［33］。

2.3 施肥時機對灌溉施肥性能的影響

由于施肥時機和入畦流量對液施方式下土壤水氮時空分布和施肥均勻度影響顯著，其田間試驗主要針對這兩個因素展開［34］，鑒于氮素在土壤中的各種形態(tài)轉化提高了測量成本，液施試驗研究常以溴化物來模擬氮素轉移。Abbasi等［35］用Br－模擬硝態(tài)氮分布，開展了施肥時機（全程施肥、灌溉前半程施肥和灌溉后半程施肥）對施肥均勻度的影響研究，結果表明全程施肥、灌溉后半程施肥比灌溉前半程施肥具有相對較高的施肥均勻度。Adamsen等［36］在砂土條件下用Br－模擬硝態(tài)氮分布，開展了施肥時機（前半段、中段、后半段和全程施肥）對施肥均勻度的影響研究，結果表明前半段、全程施肥能獲得較高的施肥均勻度。Playán等［37］開展了施肥時機、入畦流量（3.36、4.94、7.82 L／（s·m））和灌水時間對施肥均勻度的影響研究，結果表明較大入畦流量下在灌溉中期施肥可獲得較高施肥和灌水均勻度，并指出在整個灌水過程中以恒定速率施肥能獲得較高施肥均勻度。陳新國［5］開展了施肥時機（全程施肥、灌溉至畦長33%液施和灌溉至畦長66%液施）和入畦單寬流量（2、4、6 L／（s·m））對施肥均勻度的影響研究，結果表明隨入畦流量增大土壤水分沿畦長分布均勻度提高，單寬流量為4 L／（s·m）時灌溉至畦長33%處具有較高的施肥均勻性。梁艷萍等［38］選取施肥時機（全程施肥、后半程施肥）和入畦流量（2、4 L／（s·m））開展了冬小麥施用尿素田間試驗，結果表明入畦單寬流量為4 L／（s·m）、灌溉全程均勻施肥的方式可在冬小麥返青水和揚花水灌后2 d作物有效根系層內形成相對較高的土壤水氮空間分布均勻度。

2.4 改口成數(shù)對灌溉施肥性能的影響

改口成數(shù)（亦稱改水成數(shù)）為畦灌中停止灌溉時水流推進距離與畦田長度的比值。基于改口成數(shù)的定義，田間試驗通常與入畦流量或畦田長度進行組合設計。胡雅［7］選擇畦長（80、120、240 m）和改口成數(shù)（7、8、9成）開展了冬小麥生長期撒施氮肥田間試驗，結果表明隨畦長增大硝態(tài)氮均勻度降低，灌水均勻度隨改口成數(shù)增大而降低，合理的畦長和改口成數(shù)能夠降低灌水本身造成的氮素損失，推薦7成改口成數(shù)和80 m畦長的組合。白美健等［39］為尋求畦灌最優(yōu)關口時間，分析了不同入畦流量、平整精度、畦長和坡度共計106 176個組合，結果表明，當畦長大于70 m，田面坡度小于0.1%時，改口成數(shù)最優(yōu)取值在0.80～1.00之間；當坡面坡度大于0.1%時，改口成數(shù)最優(yōu)取值在0.75～0.95之間。

3 畦灌技術參數(shù)組合對灌溉施肥性能的影響

畦灌不同技術參數(shù)對施肥性能影響存在交互作用，為便于實際應用仍需采用數(shù)值模擬手段進行畦灌技術參數(shù)優(yōu)化組合設計。畦灌施肥地表溶質運移模型的研究始于20世紀中期，由于畦灌過程地表水屬于淺水范疇，化肥溶液沿垂向的濃度變化不明顯，借助構建淺水流控制方程中的假設條件，研究者通過對對流速度與溶質濃度沿垂向積分平均，由最初描述水流中溶質對流擴散運動混合理論逐漸確立了畦灌施肥對流－彌散控制方程（ADE）［40］，Zerihun等［33］通過考慮畦灌入滲過程，得到了如下一維表達式：

式中：C為地表溶質濃度，g／m3；i為入滲率，m／min；Dx為縱向彌散系數(shù)，m2／min；h為水流深度，m；q為單寬流量，m2／min；t為時間，min。

通過耦合地面灌溉水流運動模型、飽和－非飽和帶水分運移模型和地面灌溉溶質運移模型，相關學者構建了畦灌溶質運移模型。隨著Karpic?Crockett方法、Crank?Nicholson有限差分格式、分裂算子方法、三次樣條插值特征法等多種方法逐步應用到模型求解，畦灌溶質運移模型運行的穩(wěn)定性和求解的準確性得到了較大提高［41－42］。Abbasi等［35］采用零慣量模型和對流－彌散溶質運移方程構建了一維地表施肥模型，由于畦灌和溝灌符合一維地表水流和溶質運移的假設，因此該模型應用于封閉畦灌和溝灌具有良好效果；Ebrahimian等［43］將該模型應用于交替溝灌模擬情景也取得了良好的效果。Strelkoff等［44］通過將一維零慣量模型與SRFR地表灌溉模擬模型耦合開發(fā)了地表施肥模型，該模型假設非反應性化學物質通過水流運移，且不考慮物質的混合、分散或化學擴散，其模擬結果與Perea?Estrada［45］采用對流－彌散模型進行滲透肥料分配模擬的結果一致。毛威［46］提出了3種保證質量守恒的區(qū)域尺度飽和－非飽和水分及溶質運移耦合方案，根據兼顧迭代效率與計算精度的耦合方案開發(fā)了區(qū)域尺度飽和－非飽和溶質運移模型，并進行了驗證。Zhu等［47］構建了完全耦合的擬三維飽和－非飽和水分及溶質運移模型，該模型采用一維Richards方程描述非飽和帶水分運動，將三維流速場分解為水平向二維運動和垂向一維運動，該方法收斂性較強、質量可控、結果良好，但編程及求解過程復雜，難以應用。Zhang等［48］為了較好地模擬地表水流動和溶質運移，耦合了一維全水動力學模型和帶有深度平均溶質濃度的對流－彌散溶質運移方程，該模型在模擬不同施肥時機的重復施肥試驗中具有較好的效果，在此基礎上Xu等［49］耦合了二維全水動力學模型和對流－彌散溶質運移方程，該模型在寬畦或稻田中也有較好的應用效果。

Abbasi等［35］通過地表施肥模擬模型對畦灌技術參數(shù)進行了敏感性分析，結果表明灌溉流量、土壤入滲參數(shù)和施肥時機對肥料分布均勻度的影響較大，而肥料溶液濃度和分散系數(shù)對肥料分布均勻度的影響較小。Playán等［37］的研究表明，施肥時機和灌溉流量是影響肥料分布均勻度的關鍵變量，施肥時間短會導致肥料分布均勻度低。Ebrahimian等［11］通過耦合一維零慣量模型和二維對流－彌散溶質運移方程，以玉米生長季硝態(tài)氮損失量為目標函數(shù)，對灌溉流量、灌溉時間、施肥時機和施肥時長4個變量進行優(yōu)化，結果表明僅通過優(yōu)化施肥開始時間和持續(xù)時間，就可以減少50%的硝酸鹽損失。許迪等［50］利用構建的畦灌撒施與液施溶質運移模型，通過設置不同畦長、土壤質地、畦面微地形和入畦單寬流量等畦灌技術參數(shù)組合方案，以施肥均勻度和施肥效率為評價指標，探討了適宜的畦灌施肥技術參數(shù)組合（見表 1）。

表1 不同畦灌施肥技術參數(shù)組合及其施肥性能

4 結論和展望

畦灌技術參數(shù)對肥料溶質運移、分布和淋失有顯著影響，人工撒施時采用沿畦長方向逐漸遞減的變量撒施方式或非滿成施肥方式，可以顯著提高施肥均勻度。灌溉施肥時采用全程均勻施肥或灌溉后半程施肥，有利于提高施肥均勻度。合理的畦長、田面坡度和改口成數(shù)組合能夠降低灌溉本身造成的肥料淋失，提高施肥性能。相關學者構建了適應不同應用場景的畦灌溶質運移模擬模型，基于模型的運行穩(wěn)定性、準確性和計算效率進行了改進，通過數(shù)值模擬探討了適宜的畦灌施肥技術參數(shù)組合。畦灌條件下肥料運移分布過程十分復雜，盡管相關學者從性能指標、田間試驗和數(shù)值模擬等方面開展了大量的研究工作，筆者認為以下問題尚需開展進一步研究。

（1）目前，畦灌溶質運移相關模型的研究一般都采用保守型溶質溴離子進行驗證，利用溴離子作為示蹤劑模擬氮素運動狀況和時空變化分布趨勢雖然較為準確，但缺乏氮素的轉化過程，與實際施用氮肥產生的效果相比仍有差異。陸垂裕等［51］研究了不同類型氮素在二維飽和－非飽和土壤中運動及轉化的數(shù)學模型，概化和簡化了氮素集合體劃分，給出了氮素轉化、對流、彌散、揮發(fā)、作物吸收、深層滲漏和礦化等轉化運移方式和控制方程。對于不同溶解度或氮素形態(tài)的肥料，應當有區(qū)別地構建相應的溶質運移模型，提高模型的適用性。

（2）我國北方部分地區(qū)存在季節(jié)性凍融期，冬小麥在冬灌時施底肥后需經歷凍融期，凍融情況下土壤水分的遷移、土壤水與地下水的交互作用受多種勢能影響，溶質亦存在遷移轉化過程，部分地區(qū)還會經歷反復凍融，整體運動過程非常復雜。相關研究目前未見報道，需要進一步開展研究。

（3）目前，田間試驗和數(shù)值模擬幾乎均為針對單季作物優(yōu)化施肥均勻度、施肥效率、作物產量等指標進行的，對于涉及多季作物施肥性能的田間試驗和數(shù)值模擬未見報道。如我國北方冬小麥－夏玉米輪作區(qū)，在夏玉米生長期間，灌溉或降水量較小且分布不集中，當季施肥除了被作物吸收外大部分殘留在30～60 cm土層，部分殘留肥料會被下季冬小麥吸收。因此，構建適用于多季作物的溶質運移模型，從農業(yè)、環(huán)境和經濟的角度分析多季作物的畦灌技術參數(shù)優(yōu)化組合是未來尚需開展研究的方向。