改良灌溉施肥方式下硝态氮流失的模拟研究

摘要：土壤硝态氮的淋失是水环境污染的主要来源。以江苏省宜兴市梅林流域硝态氮的淋失为研究对象，运用Hydrus-1D模型模拟了2010-2011年田间水分与硝态氮的迁移过程。结果表明，结合野外实验观测数据，Hydrus-1D模型反映了土壤中水分与硝态氮的迁移过程，控制土壤中水分的向下运动以及土壤中硝态氮的浓度可以有效地减少硝态氮的淋失。采用的改良灌溉施肥方案既满足了农作物对氮素的生长需求同时减少了硝态氮淋失量。

关键词：土壤；硝态氮；淋失；Hydrus-1D模型

中图分类号：S275；S158 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2013）08-1779-04

1905年，Warrington[1]提出硝态氮的淋失是影响土壤肥力的一个重要因子，而且硝态氮淋失进入地下水中导致水质恶化，也严重地危害了人们的健康[2]。国内外大量研究结果表明农田氮肥的施用是浅层地下水中硝态氮浓度升高的重要来源[3，4]。土壤中硝态氮的含量受到硝化、反硝化、植物吸收、矿化、大气沉降以及施肥等作用的共同影响。从迁移机制来看，硝态氮离子所带负电与土壤负电位相排斥，土壤中的硝态氮主要贮存于土壤水分中，其迁移主要由土壤水分的运动和硝态氮浓度梯度决定[5]，所以合理的施肥与灌溉方式可以有效地减少土壤中硝态氮的淋失量[6]。Hydrus-1D模型[7]可以用来模拟饱和-非饱和渗流区水及溶质的迁移运动，考虑了土壤水分运动、溶质迁移以及作物根系吸收等因素。本研究运用Hydrus-1D模型对江苏省宜兴市梅林流域的土壤中水分运动以及硝态氮淋失过程进行了动态模拟分析，揭示氮肥施用与硝态氮淋失之间的关系，分析不同灌溉施肥方式下的土壤水分运动和硝态氮淋失的特征，为改良灌溉施肥方式提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地点概况

梅林流域位于江苏省宜兴市梅林河上游，濒临太湖西岸。该区域气候温和湿润，光照充分，年平均温度15.7 ℃，年平均降雨量1 198 mm。河海大学水文水资源与水利工程国家重点实验室在梅林流域设置了旱地试验小区污染物运移监测站。其中，旱地试验小区面积为42.8 m2，试验小区内种植毛豆[8]。土壤类型为壤土，根据土壤特性将土层分为3层。该小区附近设有雨量监测站和气象站测量降雨径流过程和蒸发过程；下端设置了地表径流收集池和地下水观测井，能实时监测降雨径流量及其浓度、地下水位变幅及其浓度过程。

1.2 试验设计

土壤含水率采用TDR便携式土壤含水率仪测定。无雨期时，两周检测一次；降雨期时，每天取样并加测雨前、后的土壤含水率变化。土壤水抽滤器放置于距离土壤表层20 cm处，每两周采集一次土壤水样本。采用微气象学法测定土壤中的氨挥发速率常数、硝化反应以及反硝化反应的一级动力学系数。降雨量、温度、湿度、辐射等的气象数据由小型气象站提供。田间灌溉施肥方式与农业区耕作模式相同。

1.3 数学模型

1.3.1 土壤水运动方程 在忽略土壤水侧向和水平运动情况下，土壤水的一维垂向运动由Richards方程[7]可以表示为：

■=■k■-S（x，t） （1）

式（1）中，θ为体积含水量，cm3/cm3；h为水头，cm；x为土壤深度，cm；S（x，t）为根系吸收率，cm3/（cm3·d）；k为导水率，cm/d；t为时间，d。

1.3.2 作物根系吸水模型 式（1）中S（x，t）表示农作物单位时间从单位土壤中根系吸收率，由Feddes模型[9]计算：

S（x，t）=a（h）b（z）Tp （2）

式（2）中，a（h）（0

1.3.3 作物腾发量公式 Penman-Monteith公式计算[12]得参考作物潜在腾发量（ET0），ET0乘以作物系数即为潜在腾发量（ETp），由实测叶面积指数（LAI）将ETp划分成作物潜在腾发量（TP）与棵间潜在腾发量（EP），计算公式为：

Tp=（1-e0.438LAI）ETp （3）

Ep=ETp-Tp （4）

Tp、ETp、Ep的单位为cm/d。模型中实际腾发量为潜在腾发量与水分胁迫系数的乘积。本研究对于模型中实际土壤腾发量的计算进行了改进，将实际腾发分为3个腾发[13]，表层土壤含水率大于田间持水量，实际腾发等于潜在腾发；表层土壤含水率介于田间持水量与土壤毛管断裂含水量之间时，实际土壤腾发量随着表层土壤含水量线性递减；土壤含水率小于毛管断裂含水量时，实际腾发量为0。根据监测站测量数据，田间持水量所对应的土壤含水率为0.32，毛管断裂水量为田间持水量的65%。

1.3.4 溶质运移方程 考虑施肥类型为尿素，采用传统的对流扩散方程描述氮素的运移转化，其CDE（Convection-dispersion equation）方程[7]为：

■=■[θD（θ，q）■]-■+？准-U （5）

？准=（knc2-kdc+MI）θ （6）

D（θ，q）=DLv+DWaebθb （7）

式（5）中：D（θ，q）为对流扩散系数，cm2/d；c为硝态氮浓度，mg/cm3；q为水分通量，cm/d；？准为硝态氮转化量；U为作物吸收量。式（6）中，c2为铵态氮浓度，mg/cm3；kn为硝化反应动力学系数；kd为反硝化反应动力学系数；MI为矿化固定量。式（7）中，DL为纵向弥散度，cm2/d；v为孔隙水流运动速度，cm/d；DW为纯水中硝态氮扩散系数，cm2/d；a、b为经验参数。θ、t、x含义与（1）式相同。表1为模型中的重要参数。

1.3.5 模型输入边界条件与初始条件 模型上边界以已知大气与地表径流边界为条件，以日为单位输入降水量、施肥量、腾发量；下边界在距离地表100 cm处，以自由排水为条件。模型初始条件为距离地表0、5、20、50、100 cm的土壤含水率、硝态氮含量以及铵态氮含量。土层内其他位置的土壤含水率、硝态氮含量以及铵态氮含量通过线性插值的方法求得。模型中假设施入土壤中氮肥在4 d之内全部转化为为铵态氮，铵态氮通过衰变转化为硝态氮[14]。

1.4 改良灌溉施肥条件下的土壤硝态氮淋失

改良灌溉制度W1按Wright等[15]提出的方法确定，当土壤亏水量超过有效含水量的40%时进行灌溉，每次灌溉使土壤含水量达到田间持水量，（根据毛豆根系生长以0～35 cm土层计算土壤亏水量、有效含水量与田间持水量），此种灌溉方案既考虑了植物正常生长的需水，同时避免了因大量灌溉导致硝态氮随土壤水向下迁移。

2 结果与分析

2.1 土壤含水量模拟结果

试验观测期为2010年1月1日至12月31日，分别模拟了土壤水分、硝态氮的日变化过程。

表层土壤含水量的线性关系为：

y0=0.933x0+0.014 （8）

式（8）中，x0为表层土壤含水量实测值，y0为土壤表层模型模拟值。

距离地表20 cm土壤含水量的线性关系为：

y20=0.919x20+0.019 （9）

式（9）中，x20为距离地表20 cm土壤含水量实测值，y20为距离地表20 cm模型模拟值。

图1、图2分别为表层土壤与距离地表20 cm土壤含水量模拟值与实测值比较图，Hydrus-1D模型模拟土壤含水量结果较好。

2.2 土壤硝态氮含量模拟结果

表层与距离地表20 cm土壤硝态氮含量模拟值与实测值比较结果见图3、图4。图3、图4表明Hydrus-1D模型很好地反映土壤水运动与土壤中硝态氮变化。其中，地表硝态氮含量较大，在灌溉施肥期，表层土壤硝态氮含量变化更加显著。距离地表20 cm土壤硝态氮含量实际值变化较小，一般模拟值大于实际值。图3、图4均反映出Hydrus-1D模型适用于模拟试验小区土壤硝态氮含量淋失。

2.3 土壤硝态氮淋失分析结果

距离地表1 m土壤硝态氮全年渗透量结果见图5。由图5可知，全年硝态氮淋失量随季节变化较为明显，夏季是土壤硝态氮淋失的主要季节，因为夏季降雨较多，土壤含硝态氮量较多。全年硝态氮淋失量为338.1 kg/hm2，6-8月淋失量为144.3 kg/hm2，占全年淋失量的43%，日淋失量与降雨密切相关，日最大淋失量为最小淋失量的18.9倍。

2.4 改良灌溉施肥方式下硝态氮淋失分析结果

不同灌溉与施肥方式组合与传统方式硝态氮淋失比较结果见表2。传统施肥方案（W）为播苗前日灌足底水50 mm，5月中旬灌溉50 mm。传统施肥方案（N）为3月10日施基肥700 kg/hm2（以尿素形式施肥，下同），作物正常生长。试验小区的田间持水量0.320 cm3/cm3，有效含水量0.220 cm3/cm3，根据改良灌溉方案，当土壤含水量降至0.232 cm3/cm3时开始灌溉，每次灌溉30.8 mm，7 d内出现两次或两次以上土壤含水量低于0.232 cm3/cm3的情况进行一次灌溉。改良施肥方案（N1）考虑土壤肥力，全氮含量为1.4 mg/kg（20 cm土层）的土壤施基肥700 kg/hm2。本试验小区全氮含量为2.62 mg/kg，按照平衡法施基肥400 kg/hm2，追肥100 kg/hm2。改良灌溉施肥方案氮（W1+N1）淋失量比传统灌溉施肥方案氮淋失量减少16.5%。因为研究区灌溉量与降雨量相比较少，故W1+N灌溉施肥方式仅减少硝态氮淋失6.6 kg/hm2。

3 小结

本研究应用改良的灌溉施肥方案可以既保证作物的正常生长，同时也降低了硝态氮的淋失量。硝态氮淋失最严重的季节为夏季，随土壤水向下运动为主要原因，土壤中硝态氮的流失是一个作物-土壤-微生物等综合作用的结果，进一步研究作物以及微生物对硝态氮吸收、转化的影响将会为我们提供更加科学的治理硝态氮流失的依据。

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