應用DRAINMOD-N II模型對暴雨后稻田排水量和氮素模擬

王 姣， 俞雙恩， 李彧偉， 王 梅， 張逸迪， 高世凱

(1.河海大學 水利水電學院， 江蘇 南京 210098； 2.河海大學 南方地區高效灌排與農業水土環境教育部重點實驗室， 江蘇 南京 210098)

1 材料與方法

1.1 試驗區基本情況

本次試驗于2014年在宿遷市宿城區船行灌區開展。試驗田位于江蘇省宿遷市宿城區西南，介于北緯34°02′～34°13′、東經118°10′～118°40′之間，區內陽光充足、降雨量充沛。灌區內降雨多發生在夏季，多年平均降水量為900.6 mm，平均水面蒸發量856.6 mm，年最大、最小降水量分別為1 647.1及573.9 mm；多年平均日照總時數2 291.6 h，日照百分率為52%。試驗區耕層土壤(0～30 cm)質地為砂壤土，土壤容重1.35 g/cm3，總孔隙度45.32%，pH值7.5，土壤有機質22.31 g/kg、全氮0.9105 g/kg、速效氮0.02746 g/kg、全磷0.31 g/kg，速效磷0.0115 g/kg。

1.2 試驗設計

此次試驗所用水稻為粳稻，按照當地施肥標準來確定施肥量。試驗期間共施肥3次，移栽前1天施基肥、分蘗初期施分蘗肥和拔節孕穗中期施穗肥，施肥量以純氮計算，分別為120、60和60 kg/hm2，共計240 kg/hm2。除此之外，每個試驗田基肥中還需施用磷肥(P2O5)和鉀肥(K2O)各50 kg/hm2。

此次試驗設置常規灌排和控制灌排兩種灌排模式，各設置3個重復組，一共6個試驗小區，小區呈南北方向布置，每個小區的面積均為0.15 hm2。田間小區布置如圖1，兩種灌溉模式下水稻全生育期田間水位如表1。試驗選取2014年最大4次降雨進行模擬，分別發生在7月18日、8月13日、8月28日和9月20日，降雨量分別是105.3、168.5、77.3和60.5 mm。

圖1 試驗小區布置示意圖

2 模型原理和參數確定

2.1 模型原理

DRAINMOD模型是一種基于流程的田間分布式模擬模型。在DRAINMOD的基礎上，DRAINMOD-N Ⅱ模型增加了氮素、碳素循環模塊和有機物模塊，氮素運移需要輸入水均衡結果。該模型采用多相一維對流彌散方程對氮素的運移過程建模，用一階有限差分法近似求解方程[11-12]。多相一維對流彌散方程表達式為：

(1)

式中：θa和θg分別為土壤液相、氣相體積分數；Ca、Cg分別為不同形式氮素液相和氣相的濃度，kg/m3；Cs為某種形式氮素的固相濃度，kg/kg ；ρb為土壤固相干容重，kg/m3；Da為水動力擴散系數，m2/s；dg為分子擴散系數，m2/s；νa為液相的體積通量，m/s；S為源匯項，kg/(m3·s)；S=Sdep+Sfer+Smnl-Supt-Srnf-Sden。Sdep為大氣沉降，Sfer為肥料溶解，Smnl為凈礦化，Supt為植物吸收，Srnf為地表徑流損失，Sden為反硝化作用。

DRAINMOD-N II中氮素循環模塊詳盡地描述了氮素循環和運移過程，其中氮素的轉變過程(硝化、反硝化作用和尿素水解)遵循Michaelis-Menten模型，硝化反應表達式(2)，反硝化反應表達式(3)。

(2)

(3)

2.2 主要參數的設置

表1 兩種灌排模式全生育期田間水位指標

注：表中正值為田面地表水層深度，負值為地下水位距地表的距離，單位：mm； 括號內為淹水時間，單位：d。

表2 試驗小區土壤主要參數資料

2.3 DRAINMOD-N II模型模擬效果的評價參數

引入相對誤差RE、相關系數R和效率系數NS對DRAINMOD-N II模型的模擬效果進行綜合評價。其中相對誤差RE是模擬值和測量值的絕對誤差和測量值之比，絕對值越小，模擬值與測量值越接近，數值越大，模擬值與測量值差值越大；相關系數R表示模擬值與測量值之間接近程度，R∈(0，1)，R越接近于1，表明模擬值和測量值更密切相關，越接近于0，則表明模擬值與測量值的越不相關；效率系數NS表示模型的模擬結果可信度，NS∈(-∞，1)，NS越靠近1，表示模擬結果的可信度越高，越靠近-∞，表示模擬結果越不可信。各評價參數為：

RE=(Ni-Mi)/Mi×100%

(4)

R=

(5)

(6)

表3 各參數調整范圍和率定結果

注：各參數的調整范圍由相關參考文獻[13-15]獲得。

表4 2014年雨前不同土層深度土壤含水率及地下水埋深

表5 DRAINMOD-N II排水設計參數

注：2014年在7月18日、8月13日、8月28日和9月20日，水稻根系深度分別為15、18.5、20.5和22.5 cm。

3 結果與分析

3.1 DRAINMOD-N II模型對暴雨后稻田排水量的模擬

表7顯示了各次暴雨后稻田排水量的測量值與模擬值。可以看出，控制灌排模式不論在實測還是模擬情況下，排水量都比常規灌排模式減少15%～45%，隨著降雨量的不斷增加，減排效果也更加顯著。每次暴雨后不管在常規還是控制灌排模式下，稻田排水量的模擬值與測量值都很接近，其相對誤差絕對值都不超過10%；另外，4次暴雨后稻田總排水量的模擬值與測量值的相對誤差絕對值更小，兩種灌排模式都不超過2%，而相關系數R和模擬效率NS都大于0.95。

綜上所述，DRAINMOD-N II模型對暴雨后稻田排水量的模擬結果較好，通過模型率定得到的土壤側向飽和導水率等參數是合理的，利用該DRAINMOD-N II模型預測未來暴雨后稻田排水量的可行性較高。

表6 2014年DRAINMOD-N II中氮素運移及轉化初始輸入參數

表7 2014年各次暴雨后稻田排水量測量值和模擬值統計

3.2 DRAINMOD-N II模型對暴雨后和濃度的模擬

3.3 DRAINMOD-N II模型對暴雨后和流失負荷模擬

圖2 2014年各次暴雨后稻田排水中和濃度的模擬值與測量值對比

氮素形態日期總觀測值/(kg·hm-2)常規控制總模擬值/(kg·hm-2)常規控制相對誤差RE/%常規控制相關系數/R常規控制效率系數NS常規控制F檢驗P值常規控制t檢驗t值常規控制07-181．110．551．080．53-2．7-3．640．970．970．980．990．480．490．330．49NH+4—N08-131．630．731．660．771．845．480．970．960．970．970．490．48-0．29-0．3508-280．510．230．490．21-3．92-8．700．960．960．950．930．500．470．22-0．2109-020．410．190．380．18-7．32-5．260．950．960．940．980．450．44-0．190．3107-180．810．360．830．352．47-2．780．970．970．980．990．450．500．130．24NO-3—N08-131．330．511．300．49-2．26-3．920．970．980．920．950．480．480．34-0．3008-280．410．180．390．17-4．88-5．560．960．970．950．980．480．42-0．24-0．2909-020．330．120．310．13-6．068．330．950．960．900．950．460．47-0．230．31

注：當F檢驗的P值大于0.05時，表示模擬值與測量值無顯著性差異。

4 結 論

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