改進暗管排水條件下氮素分布特性模擬分析

陶 園，許 迪,任賀靜，王少麗

(1.中國水利水電科學研究院，北京 100048；2.國家節水灌溉北京工程技術研究中心，北京 100048)

農業面源污染對于農田水環境具有重要影響，過多的氮磷污染物通過地表徑流直接進入水體會導致地表水體富營養化[1-3]，而入滲的氮磷進入含水層會引起地下水污染物超標，很多地區出現地下水硝酸鹽含量超標現象[4-5]。農田排水是農業面源污染進入水體的主要途徑，選擇合理的農田排水技術，營造良好的農田水環境是發展生態農業的重要步驟。

暗管排水作為具有較大發展潛力的農田排水方式，其氮素淋失變化規律尚未有統一的結論。主要原因在于已有研究大多集中于試驗分析，土壤氮素初始背景值存在差別，水流經過土壤進入暗管排出的過程中，土壤對氮素有吸附、轉化等作用，同時水流對土壤中的氮素也具有淋洗的作用，每個環節均影響著暗管排水中的氮素含量[6]。改進暗管排水作為一種新型的暗管排水方式，可以有效增大暗管排水流量、加速地表澇水排除以及快速降低地下水位[7-9]。然而不同于常規暗管排水，改進暗管排水設置了大范圍的反濾體，其可以有效改善土壤的理化性質，同時也會影響土壤中氮素的遷移、轉化和吸附能力，已有試驗研究初步表明改進暗管排水可以有效減少排水中氨氮濃度，但卻增加硝態氮濃度[10]。本研究基于田間試驗分析，采用率定驗證后的HYDRUS模型參數，考慮長期排水作用下，對比分析改進暗排與常規暗排作用下排水中的氮素含量以及土壤氮素分布情況，為改進暗管排水的推廣應用提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗布設

田間試驗于2017年在淮北平原新馬橋農水綜合試驗站(117°22′ E, 33°09′ N)進行，設置了5個18 m(寬度)×17 m(長度)的試驗小區，包括卵石反濾體改進暗排小區、秸稈反濾體改進暗排小區、分層級配砂石反濾體改進暗排小區、混合級配砂石反濾體改進暗排小區以及常規暗排小區。為防止不同試驗方案間的水流交互影響，每個試驗小區鋪設3根暗管，暗管間距6 m，暗管長度17 m。暗管采用直徑75 mm、出廠前預包土工布的打孔波紋塑料管。考慮到當地農田排水的主要任務是除澇降漬，且耕地以旱作為主，在滿足降漬設計要求的條件下，選擇暗管埋深0.8 m。為便于觀測以及較小范圍施工，反濾體的選擇寬度為0.4 m、高度為0.5 m，回填表土厚度(耕作層厚度)為0.3 m。所有暗管的排水均經由地下管道連接系統流入2個觀測井。當降雨產生地表積水或地下水埋深小于30 cm時開展排水試驗，每次排水試驗通常持續1 d。根據地下水位條件，2017年9月6日和12日開展了2次排水試驗，并進行了全要素監測，主要包括分別于排水開始后60、220、380 min以及70、260、440 min對排水中氮素濃度進行取樣測量，包括暗管排水流量、排水前后土壤分層含水率、暗管中部氮素含量等。本文主要對卵石反濾體改進暗排和常規暗排進行對比分析，通過雙環試驗測定得到卵石和常規暗排小區滲透系數分別為0.916 m·d-1和0.805 m·d-1，土壤氮素背景值詳見率定驗證部分。

1.2 數值模擬

HYDRUS可用于模擬非均質不規則結構，模型采用修正的Richards方程描述二維飽和及非飽和土壤水流運動，采用VG模型描述土壤水力運動特性[11]。對于土壤氮素來說，在模擬過程中主要包括兩個過程，一是銨態氮硝化反應成為硝態氮，土壤礦化固持作用以及表層蒸發作用產生的銨態氮量變化，二是硝態氮反硝化形成氮氣。根據氮素循環過程，得到溶質運移方程如下：

(1)

(2)

模型外邊界設置為無流量邊界，考慮到田間試驗每次排水僅開啟1 d時間，為了更好模擬2次排水暗管邊界設置為變流量邊界，當排水時設置流量邊界壓力水頭為0 cm，排水關閉時邊界設置為壓力水頭1 000 000 cm，模型上邊界因需考慮日降雨條件所以設定為大氣邊界。

1.3 模擬情景

基于率定驗證后的模型，進行模擬情景分析。參考現有土壤氮素水平的均值，取初始土壤銨態氮和硝態氮含量分別為5.6 mg·kg-1和8.4 mg·kg-1。考慮到降雨大多發生在6—9月，因此模擬時段選擇2017年5月至10月，涵蓋南方旱作的整個生育期，降雨和蒸發量見圖1。

2 結果與分析

2.1 參數率定和驗證

模型尺寸及參數表達詳見文獻[7]，通過率定驗證得到土壤水力參數n和l分別為1.8和0.5，土層0～10, 10～30，30～1 000 cm的a值分別為0.01、0.016、0.014 cm-1。卵石對應的水力參數θr、θs、a、n、l、Ks值分別為0.005 cm3·cm-3、0.42 cm3·cm-3、0.16 cm-1、2.8 cm·min-1、0.5 cm·min-1、4 cm·min-1。不同土層以及反濾體的參數，氮素在自由水中的擴散系數為1.52 cm2·d-1[12]，土層礦化固持系數均為0～10、10～20 cm分別取8.6×10-7、5.8×10-7d-1，土壤和反濾體的縱向彌散度(DL)分別為12 cm和30 cm[12-13],橫向彌散度(DT)取DL的1/5，吸附系數(Kd)、硝化系數(Kn)和反硝化系數(Kdn)見表1。可以看到卵石改進暗排作用下的土壤硝化系數要大于常規暗排作用，得到累計排水量、土壤含水率、土壤銨態氮和土壤硝態氮含量的模擬值與實測值的對比圖(圖2)。統計分析得到改進暗排作用下累計排水量、土壤含水率、土壤銨態氮和土壤硝態氮含量的相對誤差普遍小于15%，僅常規暗排作用下排水中氨氮和土壤硝態氮指標相對誤差較大(27%)，總體上可認為該模型參數合理。

2.2 情景模擬參數設定

基于率定驗證后的結果，假定土壤為均質土，土壤和卵石水力特性參數θr、θs、a、n、l、Ks值分別為0.05 cm3·cm-3、0.44cm3·cm-3、0.014 cm-1、1.8 cm·min-1、0.5 cm·min-1、0.0585 cm·min-1和0.005 cm3·cm-3、0.42 cm3·cm-3、0.16 cm-1、2.8 cm·min-1、0.5 cm·min-1、4 cm·min-1。考慮到情景模擬中為暗管長期作用，與田間試驗的邊界條件有所差別，情景模擬時暗管邊界設定為滲流邊界。

2.3 排水特性

由于暗管一直處于開啟狀態，因此一般情況下地下水位位于暗管埋深以下，不發生大降雨或持續降雨時暗管并不產生排水。模擬時段內，單長(本文單長均指代1 cm)常規暗排與改進暗排日主要排水時段排水情況如圖3所示。2017年9月25日降雨量達到110 mm,暗管產生單日最大排水量，該日改進暗排的排水量約較常規暗排增大17%，同時由圖3可以看到9月26日和27日改進暗排的排水量較常規暗排有所減少，間接反映了改進暗排快速排除地下水的作用，10月1日和10月11日的兩次降雨條件下也均反映了此規律。

2.4 氮磷排放效應

圖4給出了常規暗排和改進暗排作用下排水中氨氮和硝態氮濃度。由圖4可以看到改進暗排作用下的排水時間更少，10月1日以及10月11日開始的連續降雨情況下，改進暗排均提前1 d結束排水，可以看出改進暗排較常規暗排具有更快的排水效率。此外，整個模擬時段內常規暗排氨氮和硝態氮排放量分別為5.29 mg和91 mg,改進暗排對應的排放量分別為2.7 mg和106 mg。與常規暗排相比，改進暗排對于氨氮具有較好的削減作用，可減少氨氮46%，但增加了17%的硝態氮。從排水濃度來看，硝態氮濃度較大的情況均出現在開始排水當日，主要原因在于降雨會加快土壤中硝態氮的運移。

圖1 2017年5—10月日降雨量和蒸發量Fig.1 Rainfall and evaporation in May to October 2017

表1 率定驗證的氮素特性參數

注：(a)常規-率定期；(b)常規-驗證期；(c)改進-率定期；(d)改進-驗證期。Note: (a)Conventional-calibration;(b)Conventional-verification;(c)Improved-calibration;(d)Improved-verification.圖2 常規暗排和改進暗排作用下土壤及排水中氮素含量實測值與模擬值對比Fig.2 Comparison of simulated and observed N in soil and outflow under conventional and improved subsurface drainage

2.5 土壤氮素分布特性

圖5給出了模擬結束時兩暗管間不同土層深度的氮素分布，可以看到由于改進暗排作用下的土壤硝化作用大于常規暗排，導致改進暗排作用下的土壤銨態氮含量顯著低于常規暗管排水作用。長期排水作用下土壤表層銨態氮含量最大，常規暗排與改進暗排土壤表層銨態氮差別最大，二者差值達到5 mg·kg-1，但在40～60 cm土層的銨態氮含量相差最小，二者僅相差0.3 mg·kg-1。對于土壤硝態氮含量來說，30 cm左右土層的土壤硝態氮含量最小，僅為初始值的10%，表層土壤由于銨態氮硝化作用的轉化使得硝態氮含量較大，土壤硝態氮的遷移速率較大，常規暗排和改進暗排長期排水作用下暗管層上部的土壤硝態氮含量相差不大，該位置土壤硝態氮含量的主要影響因素為暗管排水，在土層120 cm以下，二者作用下的硝態氮含量差別逐步明顯，說明此位置土壤硝態氮的含量主要受到土壤硝化和反硝化作用影響。

圖3 常規暗排和改進暗排作用下暗管排水量變化Fig.3 Discharge under conventional and improved subsurface drainage

圖4 常規暗排和改進暗排作用下排水中氨氮和硝態氮濃度 and N-N concentration in drainage water under conventional and improved subsurface drainage

圖5 常規暗排和改進暗排作用下土壤銨態氮及硝態氮含量分布Fig.5 The distributions of soil and N-N content under conventional and improved subsurface drainage

3 討 論

改進暗管排水中硝態氮含量較常規暗管排水有所增加，對于該現象可以從兩個角度進行理解，一方面的確增加了地表水中的硝態氮量，但另一方面也減少了地下水中的硝態氮含量，考慮到很多地區的地下水存在硝態氮含量過高的嚴峻威脅[14-15]，此時可以理解為排出更多的硝態氮對于緩解地下硝酸鹽過高具有一定正向作用，通常地下水硝態氮超標難以處理，然而轉移至地表后，處理相對容易，可采用物理、化學、生物等多種方法[16-17]。

此外，根據上述分析可以看到模擬結束時土壤20～40 cm土層硝態氮含量最少、40～60 cm銨態氮含量最少，硝態氮和銨態氮作為根系可利用的氮素，對于植物生長具有重要作用[18]。目前，我國大田作物的主要施肥方式仍為地表施肥，然而由于地表氮素的礦化固持作用，地表土壤氮素含量已明顯高于其他土層，肥料需經過一段時間運移至表層以下才可以被下層根系吸收，也導致肥料利用率不高。已有研究表明氮肥深層施用可增加作物深層土壤根系，利于氮素高效吸收以及作物產量提高[19]。若暗管排水與深層施肥相結合，則對于作物生長會起到更加有效的作用，仍有待深入探討，相同土壤背景值條件下土壤和排水中氮素的特性有待進一步分析。

4 結 論

基于率定驗證后的HYDRUS模型，通過對比分析改進暗排與常規暗排長期作用下排水特性、排水中的氮素含量以及土壤氮素分布情況發現：

1)降雨量越大，改進暗排的排水作用越明顯，相比于常規暗管排水，改進暗排具有好的排水能力。

2)長期排水作用下，與常規暗排相比，改進暗排對于氨氮的削減具有較好作用，可減少氨氮46%，但同時也增加了17%的硝態氮。

3)從土壤分布來看，與常規暗排相比，改進暗排作用下土壤銨態氮含量明顯減少，二者土壤表層銨態氮差別最大，差值達到5 mg·kg-1，在40～60 cm土層的銨態氮含量相差最小，二者僅相差0.3 mg·kg-1，暗管上部的土壤硝態氮含量差別很小，差值小于1 mg·kg-1。