改良灌溉施肥方式下硝態氮流失的模擬研究

何佳吉 余鐘波 向龍 楊傳國

摘要：土壤硝態氮的淋失是水環境污染的主要來源。以江蘇省宜興市梅林流域硝態氮的淋失為研究對象，運用Hydrus-1D模型模擬了2010-2011年田間水分與硝態氮的遷移過程。結果表明，結合野外實驗觀測數據，Hydrus-1D模型反映了土壤中水分與硝態氮的遷移過程，控制土壤中水分的向下運動以及土壤中硝態氮的濃度可以有效地減少硝態氮的淋失。采用的改良灌溉施肥方案既滿足了農作物對氮素的生長需求同時減少了硝態氮淋失量。

關鍵詞：土壤；硝態氮；淋失；Hydrus-1D模型

中圖分類號：S275；S158 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）08-1779-04

1905年，Warrington[1]提出硝態氮的淋失是影響土壤肥力的一個重要因子，而且硝態氮淋失進入地下水中導致水質惡化，也嚴重地危害了人們的健康[2]。國內外大量研究結果表明農田氮肥的施用是淺層地下水中硝態氮濃度升高的重要來源[3，4]。土壤中硝態氮的含量受到硝化、反硝化、植物吸收、礦化、大氣沉降以及施肥等作用的共同影響。從遷移機制來看，硝態氮離子所帶負電與土壤負電位相排斥，土壤中的硝態氮主要貯存于土壤水分中，其遷移主要由土壤水分的運動和硝態氮濃度梯度決定[5]，所以合理的施肥與灌溉方式可以有效地減少土壤中硝態氮的淋失量[6]。Hydrus-1D模型[7]可以用來模擬飽和-非飽和滲流區水及溶質的遷移運動，考慮了土壤水分運動、溶質遷移以及作物根系吸收等因素。本研究運用Hydrus-1D模型對江蘇省宜興市梅林流域的土壤中水分運動以及硝態氮淋失過程進行了動態模擬分析，揭示氮肥施用與硝態氮淋失之間的關系，分析不同灌溉施肥方式下的土壤水分運動和硝態氮淋失的特征，為改良灌溉施肥方式提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地點概況

梅林流域位于江蘇省宜興市梅林河上游，瀕臨太湖西岸。該區域氣候溫和濕潤，光照充分，年平均溫度15.7 ℃，年平均降雨量1 198 mm。河海大學水文水資源與水利工程國家重點實驗室在梅林流域設置了旱地試驗小區污染物運移監測站。其中，旱地試驗小區面積為42.8 m2，試驗小區內種植毛豆[8]。土壤類型為壤土，根據土壤特性將土層分為3層。該小區附近設有雨量監測站和氣象站測量降雨徑流過程和蒸發過程；下端設置了地表徑流收集池和地下水觀測井，能實時監測降雨徑流量及其濃度、地下水位變幅及其濃度過程。

1.2 試驗設計

土壤含水率采用TDR便攜式土壤含水率儀測定。無雨期時，兩周檢測一次；降雨期時，每天取樣并加測雨前、后的土壤含水率變化。土壤水抽濾器放置于距離土壤表層20 cm處，每兩周采集一次土壤水樣本。采用微氣象學法測定土壤中的氨揮發速率常數、硝化反應以及反硝化反應的一級動力學系數。降雨量、溫度、濕度、輻射等的氣象數據由小型氣象站提供。田間灌溉施肥方式與農業區耕作模式相同。

1.3 數學模型

1.3.1 土壤水運動方程 在忽略土壤水側向和水平運動情況下，土壤水的一維垂向運動由Richards方程[7]可以表示為：

■=■k■-S（x，t） （1）

式（1）中，θ為體積含水量，cm3/cm3；h為水頭，cm；x為土壤深度，cm；S（x，t）為根系吸收率，cm3/（cm3·d）；k為導水率，cm/d；t為時間，d。

1.3.2 作物根系吸水模型 式（1）中S（x，t）表示農作物單位時間從單位土壤中根系吸收率，由Feddes模型[9]計算：

S（x，t）=a（h）b（z）Tp （2）

式（2）中，a（h）（0

1.3.3 作物騰發量公式 Penman-Monteith公式計算[12]得參考作物潛在騰發量（ET0），ET0乘以作物系數即為潛在騰發量（ETp），由實測葉面積指數（LAI）將ETp劃分成作物潛在騰發量（TP）與棵間潛在騰發量（EP），計算公式為：

Tp=（1-e0.438LAI）ETp （3）

Ep=ETp-Tp （4）

Tp、ETp、Ep的單位為cm/d。模型中實際騰發量為潛在騰發量與水分脅迫系數的乘積。本研究對于模型中實際土壤騰發量的計算進行了改進，將實際騰發分為3個騰發[13]，表層土壤含水率大于田間持水量，實際騰發等于潛在騰發；表層土壤含水率介于田間持水量與土壤毛管斷裂含水量之間時，實際土壤騰發量隨著表層土壤含水量線性遞減；土壤含水率小于毛管斷裂含水量時，實際騰發量為0。根據監測站測量數據，田間持水量所對應的土壤含水率為0.32，毛管斷裂水量為田間持水量的65%。

1.3.4 溶質運移方程 考慮施肥類型為尿素，采用傳統的對流擴散方程描述氮素的運移轉化，其CDE（Convection-dispersion equation）方程[7]為：

■=■[θD（θ，q）■]-■+？準-U （5）

？準=（knc2-kdc+MI）θ （6）

D（θ，q）=DLv+DWaebθb （7）

式（5）中：D（θ，q）為對流擴散系數，cm2/d；c為硝態氮濃度，mg/cm3；q為水分通量，cm/d；？準為硝態氮轉化量；U為作物吸收量。式（6）中，c2為銨態氮濃度，mg/cm3；kn為硝化反應動力學系數；kd為反硝化反應動力學系數；MI為礦化固定量。式（7）中，DL為縱向彌散度，cm2/d；v為孔隙水流運動速度，cm/d；DW為純水中硝態氮擴散系數，cm2/d；a、b為經驗參數。θ、t、x含義與（1）式相同。表1為模型中的重要參數。

1.3.5 模型輸入邊界條件與初始條件 模型上邊界以已知大氣與地表徑流邊界為條件，以日為單位輸入降水量、施肥量、騰發量；下邊界在距離地表100 cm處，以自由排水為條件。模型初始條件為距離地表0、5、20、50、100 cm的土壤含水率、硝態氮含量以及銨態氮含量。土層內其他位置的土壤含水率、硝態氮含量以及銨態氮含量通過線性插值的方法求得。模型中假設施入土壤中氮肥在4 d之內全部轉化為為銨態氮，銨態氮通過衰變轉化為硝態氮[14]。

1.4 改良灌溉施肥條件下的土壤硝態氮淋失

改良灌溉制度W1按Wright等[15]提出的方法確定，當土壤虧水量超過有效含水量的40%時進行灌溉，每次灌溉使土壤含水量達到田間持水量，（根據毛豆根系生長以0～35 cm土層計算土壤虧水量、有效含水量與田間持水量），此種灌溉方案既考慮了植物正常生長的需水，同時避免了因大量灌溉導致硝態氮隨土壤水向下遷移。

2 結果與分析

2.1 土壤含水量模擬結果

試驗觀測期為2010年1月1日至12月31日，分別模擬了土壤水分、硝態氮的日變化過程。

表層土壤含水量的線性關系為：

y0=0.933x0+0.014 （8）

式（8）中，x0為表層土壤含水量實測值，y0為土壤表層模型模擬值。

距離地表20 cm土壤含水量的線性關系為：

y20=0.919x20+0.019 （9）

式（9）中，x20為距離地表20 cm土壤含水量實測值，y20為距離地表20 cm模型模擬值。

圖1、圖2分別為表層土壤與距離地表20 cm土壤含水量模擬值與實測值比較圖，Hydrus-1D模型模擬土壤含水量結果較好。

2.2 土壤硝態氮含量模擬結果

表層與距離地表20 cm土壤硝態氮含量模擬值與實測值比較結果見圖3、圖4。圖3、圖4表明Hydrus-1D模型很好地反映土壤水運動與土壤中硝態氮變化。其中，地表硝態氮含量較大，在灌溉施肥期，表層土壤硝態氮含量變化更加顯著。距離地表20 cm土壤硝態氮含量實際值變化較小，一般模擬值大于實際值。圖3、圖4均反映出Hydrus-1D模型適用于模擬試驗小區土壤硝態氮含量淋失。

2.3 土壤硝態氮淋失分析結果

距離地表1 m土壤硝態氮全年滲透量結果見圖5。由圖5可知，全年硝態氮淋失量隨季節變化較為明顯，夏季是土壤硝態氮淋失的主要季節，因為夏季降雨較多，土壤含硝態氮量較多。全年硝態氮淋失量為338.1 kg/hm2，6-8月淋失量為144.3 kg/hm2，占全年淋失量的43%，日淋失量與降雨密切相關，日最大淋失量為最小淋失量的18.9倍。

2.4 改良灌溉施肥方式下硝態氮淋失分析結果

不同灌溉與施肥方式組合與傳統方式硝態氮淋失比較結果見表2。傳統施肥方案（W）為播苗前日灌足底水50 mm，5月中旬灌溉50 mm。傳統施肥方案（N）為3月10日施基肥700 kg/hm2（以尿素形式施肥，下同），作物正常生長。試驗小區的田間持水量0.320 cm3/cm3，有效含水量0.220 cm3/cm3，根據改良灌溉方案，當土壤含水量降至0.232 cm3/cm3時開始灌溉，每次灌溉30.8 mm，7 d內出現兩次或兩次以上土壤含水量低于0.232 cm3/cm3的情況進行一次灌溉。改良施肥方案（N1）考慮土壤肥力，全氮含量為1.4 mg/kg（20 cm土層）的土壤施基肥700 kg/hm2。本試驗小區全氮含量為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）淋失量比傳統灌溉施肥方案氮淋失量減少16.5%。因為研究區灌溉量與降雨量相比較少，故W1+N灌溉施肥方式僅減少硝態氮淋失6.6 kg/hm2。

3 小結

本研究應用改良的灌溉施肥方案可以既保證作物的正常生長，同時也降低了硝態氮的淋失量。硝態氮淋失最嚴重的季節為夏季，隨土壤水向下運動為主要原因，土壤中硝態氮的流失是一個作物-土壤-微生物等綜合作用的結果，進一步研究作物以及微生物對硝態氮吸收、轉化的影響將會為我們提供更加科學的治理硝態氮流失的依據。

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