滴灌施肥灌溉条件下土壤水氮运移的研究进展

预测了硝态氮( 从尿素转化而来)的淋溶 并用线性吸附等温线成功地描述了铵态氮的吸附现象O
Bresler ( 1975) 给出了滴灌点源溶质和水分同时运移的多维问题的模拟模型 并应用 ADI 法对溶质
在非饱和多孔介质中的二维对流扩散方程进行了求解O 但他们的研究没有考虑溶质的不同形态的转化
及其与土壤之间的作用O
ClOthier 等( 1988) 忽ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ重力项的影响和流管之间的横向物质交换 提出一个近似理论 描述惰性示
踪剂及反应性溶质在非饱和土壤中的多维运移
并将其应用于描述
N
~
+ 4
和
N0
3
的非稳定~
非饱和一
维运移过程O ClOthier 和 Sauer ( 1988) 将上述近似理论应用于地表点源施尿素时的更复杂情况 较好地
1 滴灌条件下水分运动研究
1. 1 解析解 滴灌条件下土壤中的水分运动为三维流动问题, 入渗过程符合达西定律和质量守恒定律, 通常用
Richards' 方程来描述( Coelho 和 Or , 1997) O 许多学者对 Richards' 方程的解析解进行了研究( 如 Philip , 1968; Wooding, 1968; Raats, 1971; Ben-
Ben-Asher 等( 1986) 忽略 重力项 的影 响, 提 出 了有 效 半球 模型, 求 解地 表点源 向均质\ 各 向 同 性 且 初始含水率均匀的土壤入渗的问题, 给出了球坐标下的湿润半径 R( t) 的表达式, 并用实测资料( Roth, 1974; Taghavi 等, 1984; Clothier 和 Scotter , 1982; Bar Yosef 和 Sheikholslami, 1976) 对 模 型 进 行 了 检 验O 结果表明, 有效半球模型与小流量范围的实测结果吻合较好, 但与较大流量长时间滴灌的实测结果 偏离较多O 有效半球模型形式简单, 运用方便, 并包含了蒸发和作物蒸腾的影响, 但由于忽略了重力项的 影响, 没有考虑灌水器周围饱和区随时间增大的事实, 因此不可避免的会产生一些误差O
Healy 和 Warrick( 1988) 提出了一种点源滴灌水分运动的通用数值解法, 李光永( 1995) 用图的形式 给出了与 Healy 和 Warrick( 1988) 类似的结果,
雷 廷武( 1988) 用有限元法对 SPAC 系统中单个滴头时水分运动的三维轴对称问 题进行 了研究 求 解过程中将边界处理为随时间变化的可移动边界 并将其应用于 SPAC 系统中 取得较好的结果, 1. 3 试验研究
摘 要; 对滴灌施肥灌溉条件下水分和养分运移的研究进展进行了总结O 许多研究表明, 滴灌施肥灌溉条件 下土壤水\ 氮的运移和分布主要受土壤特性\ 灌水器流量\ 肥液浓度及灌水量的影响, 而灌水器周围饱和区半 径的确定是影响土壤水分和氮素运移模拟精度的关键因素O 关于滴灌施肥灌溉条件下氮素运移的研究较少, 尤其在施肥灌溉系统运行参数对氮素运移\ 转化\ 分布影响的研究方面更为薄弱, 在今后的研究中应予以加 强O 关 键 词; 滴灌; 施肥灌溉; 氮素运移 中图分类号; S152. 7 文献标识码; B
基 础 上 建 立 了 C~AIN IR 模 型 用 来 模 拟 淹 灌 和 滴 灌 条 件 下 水 分 和 溶 质 的 运 动O 指 出 滴 灌 条 件 下
N0
3
的损失比淹灌条件下小O
BristOW 等( 2OOO) 应用 Simunek 等提出的计算机模型 ~YDRUS 2D 模 拟地下 滴灌 点源水 分溶质
王全九等( 2000) 对膜下滴灌盐碱地水盐运移特征进行了室内试验研究 指出土壤表面积水的形成 必然造成表面入渗边界的扩大 而在灌水定额一定时 垂直距离必然减小 土壤盐分的运移较土壤水分
的运移受表面积水形状的影响更明显 因而土壤含盐率的等值线分布形状不象湿润体形状那样规则,他 们的研究还指出滴头流量的增加利于水平压盐 而不利于垂直向下压盐 因此利用膜下滴灌开发盐碱地
2002 年 6 月
灌溉排水
Irrigation and Drainage
文章编号; 1000 646X( 2002) 02 0075 05
第 21 卷第 2 期
滴灌施肥灌溉条件下土壤水氮
运移的研究进展
张建君1, 李久生2, 任 理3
( 1. 中国农业科学院 农业气象研究所, 北京 100081; 2. 国家节水灌溉北京工程技术研究中心, 北京 100044; 3. 中国农业大学, 北京 100083)
Riga 和 Charpentier ( 1999) 利用 VanclOOster 等 ( 1994) 提 出 的 一 维 确 定 性 模 型 ( WAVE) 模 拟 苹 果
树滴灌条件下土壤 植物系统中物质能量的传输和氮素的转化 以研究氮素的最优施入方式 减少氮素
的损失O
Zhang( 1997) 在 Simunek 和 van genuchtOn( 1994) 的 描 述 水 分 和 溶 质 运 动 的 模 型 C~AIN 2D 的
的变化 指出在灌水初期 0( t) 随时间的增长而迅速增大 达到一定时间后 0( t) 趋于稳定9对同一土壤 而言 0( t) 随滴头流量的增大而增大, Bresler 等( 1971) 进行了室内及田间试验 并将试验结果与 Brandt 等的数学模型进行了比较 取得了满意的结果, Brandt 等提出的瞬态流数值模型及其解法虽然存在某 些不足 如质量不守恒 不能处理层状土壤等 但为滴灌三维土壤水分运动的模拟和 SPAC 系统的 研究 奠定了基础, 刘晓英等( 1990) 对 Brandt 等的模型进行了数值计算和试验验证,
地表点源的 通量边界 稳定入渗 半无限介质
Lockington 等( 1984)
点源的非 稳定扩散
通量边界 半无限介质
Philip ( 1985)
球形孔穴入渗 压力边界 的稳定吸收 半无限介质
K( h) = KSeOh K( h) = KSeOh D( 6) = D16n K( h) = KSeOh
Asher, 1978) O 他们应用 Gardner( 1958) 提出的非饱和水力传导度的指数形式使 Richards' 方程线性化O Lockington 等( 1984) 忽略重力项的影响, 从表征点源的球坐标出发, 假设扩散度是土壤含水率的
指数函数, 利用优化方法推导了非稳定入渗条件下饱和区半径和湿润锋位置的解析表达式O 但由于表达 式过于繁琐, 实际应用十分困难O
明 在根区土壤重量含水量为 5% N 的浓度为 14O 4O ppm N 的吸收率为 1OO mgplang-1day-1的情况
下产量最高 约为 11O t/ hm-2O Feigin 等( 1982) 对粗质地土壤中生长的芹菜进行了滴灌施肥灌溉试验
试验使用硫酸铵~ 缓释肥和硝酸铵 研究结果表明 氮的吸收量随硝酸铵施用量的增加而增加 而随灌水
结果进行了对比, 由于各种理论采用了不同的假设条件 其预测值之间差别较大,
表 1 确定滴灌条件下饱和区半径的 4 种理论
1. 2 数值解
作者
理论
边界条件 水力特性参数
数学方法
由于解析解的推导大都采用了各种假
Wooding 圆形浅水洼 压力边界 ( 1968) 的稳定入渗 半无限介质
Raats ( 1971)
变量为 Z 的线性 设 这就使解析解的应用受到很大的限制
化及近似处理
变量为 Z 的 许多学者进行了数值解的研究, Brandt 等 线性化 ( 1971) 较早提出了适用于点源的柱状流模
优化技术 型( cylindrical flow model) 和 适 用 于 线 源
变量为 Z 的 线性化
的 平 面 流 模 型 ( plane flow model) 的 数 值 解法, 他们分析了饱和区半径 0( t) 随时间
国内外许多学者对滴灌条件下水分运动问题进行了试验研究, Goldberg 等( 1976) 和付琳( 1983) 等 指出 滴灌条件下滴头浸润范围主要受土壤特性~ 滴头流量和灌水量的影响 相同土壤质地 灌水量相同 时 垂直方向湿润距离随着滴头流量的增加而减小 而水平方向湿润距离则随之增加9滴头流量和灌水 量相同 偏砂性土壤水平方向湿润距离小于垂直方向湿润距离9质地较细土壤水平方向和垂直方向湿润 距离相近9同一质地的土壤 相同滴头流量下 灌水量越大 湿润范围越大,
时滴头流量不宜过大,
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2 滴灌条件下土壤中氮素动态的研究进展
2. 1 数学模型研究 滴灌施肥条件下 溶质通过对流和水动力弥散作用在土壤中运动 溶质在土壤中的运动为三维问
题 通常用对流弥散方程( CDE) 来描述O 由于对流弥散方程求解困难 因此有关研究多集中在近似解析
解方面( Bear 1972) O
尽管滴灌施肥灌溉已经成为人们所接受的有效的施肥灌溉方式 但关于滴灌施肥条件下水分和溶
质运动分布的试验数据仍然很少( ClOthier 和 Sauer 1988) O
Bar -YOsef
和
SheikhOlslami( 1976) 对滴灌条件下粘土和砂土中水分~
N0
3
和
P
的分布进行了试验
研究
结果表明
粘土中
的运动 从而评价土壤特性和灌溉策略对灌溉施肥效率的影响 得出( D砂土中 水分和溶质容易从滴头
向下运动 而且当滴头埋置较深时 水分和溶质很难向上运动湿润表层土壤; @对不同系统改变施肥灌
溉方式 即在灌水周期的最初施入溶质 可以使养分处于更接近滴头及滴头以上的位置 避免产生淋溶
损失O 在他们的模拟研究中没有考虑不同形态的氮之间的转化O 2. 2 试验研究
量的变化不大O
EdWards 等( 1982) 以 N~4N0 3 为肥料进行滴灌施肥试验 指出 N~4N0 3 的施入导致根系附近土壤
p~ 值减小 A1 的溶性增加 使作物根系生长受到限制 影响了根系对水分和养分的吸收O
Miller 等( 198O) ~ KWOng 和 Deville( 1994) ~ Bharambe 等( 1997) 对滴灌 施肥灌 溉条 件 下 不 同 作 物
Jury 和 Earl( 1977) 对裸地和有作物的土壤单个滴头条件下灌水频率对土壤水分的运动的影响进 行了研究 结果指出 在相同的灌水量和滴头流量条件下 灌水频率为 1 周时水分横向运动比灌水频率 为 1 d 时大 1 次长时间灌水比少量多次灌水滴头附近形成的积水区域大9灌水频率为 1 d 时 灌水期间 根系吸收了大部分灌溉水 而灌水频率为 1 周时 灌水期间根系只吸收灌溉水的一部分 余下的水分则 向下运动, 作者对灌水期间的蒸发损失进行了计算 指出灌水频率为 1 周的蒸发损失比灌水频率为 1 d 时蒸发损失少 40 , 土壤饱和导水率不大 滴头间距大时 灌水频率为 1 周比更频繁的灌水有利于作物 高产,
灌水器周围形成的饱和区对水分运动有明显影响O 无论采用何种模型, 饱和区半径的确定方法都直
收稿日期; 2002 03 18 基金项目; 国家自然科学基金资助项目( 59979027)
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接影响着模拟的精度, Revol 等( 1996) 将确定饱和区半径的 4 种理论进行了比较( 表 1) 并与田间试验
Taghavi 等( 1984) 对点源条件下土壤水分运动进行了研究 用 Galerkin 有限元法进行模拟 并将模 拟结果与实测值进行比较, 他们假设地表饱和区半径是滴头流量的函数 而与时间无关, 结果指出 预 测的湿润锋与实测值在水平方向吻合很好 但当时间较长时 在垂直方向与实测值偏离较大, 水量平衡 校核后发现湿润土体内水量的增加比实际进入土体的水量多 0. 1 0. 3 , 为了探求引起水量不平衡 的原因 他们还分析了饱和区半径对水分运动的影响, 结果指出 饱和区半径的增大使湿润锋的前进加 快,
在灌水结束后
湿润体边缘有
N0
3
的累积
而湿润体内部
N0
3
浓度小于灌溉
水中的浓度
这是反硝化作用的结果O
砂土中也存在类似现象
不同的是
土壤溶液中的
N0
3
的浓度没
有明显小于灌溉水中的浓度 这主要是因为砂土中有机质很少 因此反硝化过程几乎没有发生O
Bar -YOsef ( 1977) 对滴灌条件下砂土中种植的西红柿的水分和养分的运动进行了田间试验 结果表