運用DRAINMOD_NII 分析排水暗管布置對水稻產(chǎn)量及氮素流失量的影響

王亞妮，耿九飛，劉德高，程華進，王錢超

（1.淮安市水利勘測設(shè)計研究院有限公司,江蘇 淮安 223005；2.寬城滿族自治縣水務(wù)局,河北 承德 067000；3.水發(fā)規(guī)劃設(shè)計有限公司,山東 濟南 250014）

1 概述

為提高作物產(chǎn)量,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大量使用化肥,僅有部分被作物吸收利用,大部分隨農(nóng)田排水進入地表水體,造成嚴重的農(nóng)業(yè)面源污染。以水稻產(chǎn)量為目標,調(diào)控農(nóng)田氮磷流失量已經(jīng)成為近年的主要研究問題[1]。研究水稻田氮素流失的手段,隨著計算機以及數(shù)學模型手段的完善,利用基于物理過程的數(shù)學模型越來越多的成為研究者分析、預測污染物流失規(guī)律的工具[2]。Youssef 已成功地測試了DRAINMODNΠ 氮素運移模型的可行性和實用性,該模型在氮循環(huán)過程中定量計算氮運移數(shù)值。本文從尋求合理的排水暗管布置為落腳點,以提高水稻產(chǎn)量和減少氮素流失為目的,運用DRAINMOD-NΠ 模型進行數(shù)據(jù)分析,為尋求調(diào)控氮素流失方法和減少地表水體污染提供一定的技術(shù)支撐。

2 灌區(qū)介紹

2.1 灌區(qū)概況

竹絡(luò)壩灌區(qū)始建于1957 年,地處江蘇省淮安市北部,位于淮沭河以西,北至總六塘河,南接中運河,西與宿遷市的泗陽縣相鄰,灌區(qū)總面積348.45 km2,耕地32.25 萬畝,設(shè)計灌溉面積32.0 萬畝。骨干排澇河道為躍進河和渠西河兩條,排水入六塘河地涵,大溝7 條,中溝121 條,小溝1464 條。

2.2 水文氣象

灌區(qū)地處北亞熱帶和南暖溫帶交界區(qū)內(nèi),受季風環(huán)流影響,冬季寒冷干燥,夏季高溫多雨,秋季天高氣爽,四季分明,光照充足,雨水充沛,年平均氣溫14.10℃,年均最高氣溫36.5℃,年日照時數(shù)為2233.41 小時,年均無霜期216 天。最大風速為23 m/s,年降水量平均為936.6 mm,年蒸發(fā)量968.8 mm。

2.3 排水系統(tǒng)

灌區(qū)骨干排水系統(tǒng)主要包括中溝、大溝及外河。田間大部分以小溝排水至中溝,小部分稻田采用暗管排水至中溝,再排入大溝,最終匯入外河。本文主要研究排水暗管布置對排水量及氮素流失量的影響。區(qū)域排水系統(tǒng)分布見圖1。

3 模型介紹

DRAINMOD_NII 是較完整的田間氮素運移模型,主要包括水文和水質(zhì)兩部分,其中水質(zhì)部分以氮素循環(huán)及運移和轉(zhuǎn)化為基礎(chǔ)模擬和預測氮素流失情況。氮素運移部分包括大氣沉積物、礦物質(zhì)氮肥的利用、動植物殘留體等有機氮對土壤的改良作用,作物吸收作用、有機碳的分解、氮的礦化及固定、硝化反硝化作用、氨的揮發(fā)作用、地下排水及地表徑流中氮素流失[3]。

3.1 水文計算

模型的水文計算包括水量平衡計算和水量管理計算兩個過程[4],見圖2。

圖2 DRAINMOD_N Ⅱ水平衡

3.1.1 水量平衡計算

（1）Δt 時間的地表水量平衡計算為：

式中：ΔS 為地表水的變化量,cm；P（I）為降雨量和灌溉水量,cm；F 為土壤的入滲量,m；RO 為地表水徑流量,cm。

（2）Δt 時間的土壤水量（地下水量）平衡計算為：

式中：ΔVa為土壤水量變化量,cm；D 為土壤側(cè)向排水量,cm；ET 為作物蒸散發(fā)量,cm；DS 為土壤深層滲漏量,cm；F 為土壤入滲量,cm。

3.1.2 水量管理計算

該模型水量管理計算主要以作物相對產(chǎn)量為控制目標,反應(yīng)土壤水分過多、水分不足及種植延遲的綜合影響,計算公式如下：

式中：RY為作物相對產(chǎn)量,%；Y 為作物實際產(chǎn)量,kg；Y0為理想條件下的最高產(chǎn)量,kg；RYw為水分過多影響的作物相對產(chǎn)量,%；RYd為水分不足影響的作物相對產(chǎn)量,%；RYp為種植延遲影響的作物相對產(chǎn)量,%。

3.2 氮素循環(huán)

該模型氮循環(huán)過程主要包含NHx-N、NO3--N 和ON 三種氮型式。應(yīng)用時根據(jù)實際環(huán)境和條件選擇不同的轉(zhuǎn)化模式。三種模式如下所示：

1）僅考慮硝態(tài)氮,此時硝態(tài)氮為礦化作用的最終產(chǎn)物,且隨地表徑流、地下排水、植物吸收、生物固氮、大氣沉降及施肥等過程均只是硝態(tài)氮。該模式不能模擬銨及銨形式化肥（如尿素和無水氨）。

2）不僅考慮硝態(tài)氮,而且考慮銨態(tài)氮及氨形式氮。由于帶負電荷的土壤顆粒和土壤膠體對帶正電荷的銨鹽有一定的吸附作用,則銨態(tài)氮處于固相和液相的平衡狀態(tài)[5]。

3）考慮氣態(tài)氨,當土壤溶液的pH 值大于輸入值時,銨氮和揮發(fā)性的氨態(tài)氮之間存在一個平衡狀態(tài),此時模型會計算氨揮發(fā)所引起的氮損失。當土壤pH ≤7.5 時,以NH4+-N為主；當土壤pH＞7.5 時,以NH3-N 為主[6]。

DRAINMOD_NII 模型模擬氮素運移原理以多相一維對流彌散反應(yīng)方程為基礎(chǔ)。

4 模型參數(shù)

4.1 氣象數(shù)據(jù)

模型輸入的氣象數(shù)據(jù)由淮陰區(qū)徐溜鎮(zhèn)氣象站收集統(tǒng)計得到。主要包括：日最低氣溫和日最高氣溫,日降雨量,日潛在騰發(fā)量。采用Penman-Monteith 公式計算參照蒸發(fā)量[4]。

4.2 土壤參數(shù)

基于實測土壤顆粒分析數(shù)據(jù),以模型提供的計算方法,推導水分特征曲線[4],計算土壤排水量的給水度和土壤潛水上升通量等參數(shù)。主要參數(shù)見表1。

表1 模型輸入的土壤參數(shù)

4.3 灌溉參數(shù)

本文作物主要以水稻為對象,因此,根據(jù)灌區(qū)水稻的灌溉情況,統(tǒng)計調(diào)查分析模型輸入相關(guān)參數(shù)。模型輸入的灌溉參數(shù)主要包括次灌水量、灌水周期、灌水次數(shù)。

1）次灌水量：以1.9 cm/h 的灌水率從早8∶00 到晚10∶00；

2）灌水周期：分為兩個周期：第一個周期從泡田（6 月10日）至開始曬田（7月14日）,第二個周期曬田結(jié)束（7月20日）到成熟期（10 月10 日）；

3）灌水次數(shù)：間隔4 天灌一次,全生育期共灌水20 次。

4.4 排水參數(shù)

模型輸入排水參數(shù)主要包括地下排水和地表排水。本文地下排水主要為暗管排水,參數(shù)包括暗管的埋深、間距及有效半徑,排水模數(shù)、側(cè)向飽和導水率及土壤不透水層深度；地表排水參數(shù)主要為田面平整度[4]。根據(jù)灌區(qū)實際情況結(jié)合相關(guān)資料由模型率定得到排水參數(shù)見表2。

表2 模型輸入的排水參數(shù)

4.5 作物參數(shù)

模型作物輸入?yún)?shù)為整個生長期內(nèi)水稻有效根深隨時間的變化情況。根據(jù)灌區(qū)水稻種植和收獲日期,結(jié)合模型方法計算不同時間的有效根深系[4],參數(shù)見表3。

表3 模型輸入的作物參數(shù)

4.6 氮素參數(shù)

模型輸入的氮素參數(shù)主要包括施肥參數(shù)和氮素運移參數(shù)。施肥參數(shù)為灌區(qū)實際水稻施肥日期和施肥量,氮素運移轉(zhuǎn)化參數(shù)采用模型計算方法調(diào)整和率定,具體見表4。

表4 模型主要選用的氮素運移參數(shù)

5 模擬結(jié)果

5.1 模擬不同排水暗管布置的水稻產(chǎn)量

運用DRAINMOD_NII 模擬竹絡(luò)壩灌區(qū)不同排水暗管布置（暗管埋深50 cm、70 cm、90 cm、120 cm,暗管間距50 cm、90 cm、120 cm、150 m）的水稻相對產(chǎn)量,見圖3。

圖3 不同排水系統(tǒng)的水稻相對產(chǎn)量

結(jié)果顯示,暗管間距70 m 和90 m 時,埋深70 cm 和90 cm的水稻相對產(chǎn)量較高,其中,間距90 m、埋深90 cm 時,相對產(chǎn)量最高,達到86%。由此可見,排水暗管間距過小或者過大,水稻相對產(chǎn)量均不高,原因是,排水間距小,水勢梯度增大,根據(jù)達西定律,土壤水下滲速度加快,大量水分排入排水管,排出土體,導致單位時間內(nèi)土壤水分缺乏,無法滿足水稻生長所需；排水間距過大,導致水勢梯度減小,土壤水下滲速度減慢,大量土壤水分無法排出土體,單位時間內(nèi)土壤水分過量,導致水稻受澇漬影響,而影響產(chǎn)量。

5.2 模擬不同排水暗管布置的氮素流失量

模擬灌區(qū)不同排水暗管布置（暗管埋深50 cm、70 cm、90 cm、120 cm,暗管間距50 cm、90 cm、120 cm、150 m）的水稻整個生長期內(nèi)NH4-N和NO3-N累積流失量,見圖4～圖5。

圖4 不同排水系統(tǒng)的NH4-N 累積流失量

圖5 不同排水系統(tǒng)NO3-N 累積流失量

結(jié)果顯示,隨暗管間距增大,NH4-N 和NO3-N 累積流失量減小,原因是排水間距增大,排水量減小,隨排水流失的氮素流失量也減少,氮素流失量與排水量變化趨勢基本一致[7]。排水間距50 m、埋深120 cm 的NH4-N 和NO3-N 累積流失量最大,值分別為13.16 kg/hm2、23.16 kg/hm2,埋深為50 cm 的兩種氮素累積流失量均最小,值分別為9.82 kg/hm2、16.19 kg/hm2,比埋深120 cm 各減少了34.01%、43.05%。說明同一排水間距時,埋深越深,氮素累積流失量越大,原因是同一排水間距,埋深越深,排水量越大,隨排水流失的氮素流失量也增大。

6 結(jié)論與討論

本文模擬結(jié)果顯示,暗管間距90 m、埋深90 cm 時,水稻產(chǎn)量最高。隨排水暗管間距增大,NH4-N 和NO3-N 累積流失量均逐漸減小,兩種氮素在同一排水間距時,埋深越深,累積流失量越大,埋深越小,累積流失量越小。因此,合理的排水暗管布置系統(tǒng)不僅可以提高水稻產(chǎn)量,而且有效地降低稻田氮素流失量。

竹絡(luò)壩灌區(qū)現(xiàn)狀排水系統(tǒng)（間距90 m,深度70 cm）下水稻相對產(chǎn)量和氮素流失量適中,說明現(xiàn)有的排水系統(tǒng)布置基本合理,值得推廣使用。