何佳吉 余鐘波 向龍 楊傳國(guó)

摘要：土壤硝態(tài)氮的淋失是水環(huán)境污染的主要來(lái)源。以江蘇省宜興市梅林流域硝態(tài)氮的淋失為研究對(duì)象，運(yùn)用Hydrus-1D模型模擬了2010-2011年田間水分與硝態(tài)氮的遷移過(guò)程。結(jié)果表明，結(jié)合野外實(shí)驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)，Hydrus-1D模型反映了土壤中水分與硝態(tài)氮的遷移過(guò)程，控制土壤中水分的向下運(yùn)動(dòng)以及土壤中硝態(tài)氮的濃度可以有效地減少硝態(tài)氮的淋失。采用的改良灌溉施肥方案既滿(mǎn)足了農(nóng)作物對(duì)氮素的生長(zhǎng)需求同時(shí)減少了硝態(tài)氮淋失量。

關(guān)鍵詞：土壤；硝態(tài)氮；淋失；Hydrus-1D模型

中圖分類(lèi)號(hào)：S275；S158 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）08-1779-04

1905年，Warrington[1]提出硝態(tài)氮的淋失是影響土壤肥力的一個(gè)重要因子，而且硝態(tài)氮淋失進(jìn)入地下水中導(dǎo)致水質(zhì)惡化，也嚴(yán)重地危害了人們的健康[2]。國(guó)內(nèi)外大量研究結(jié)果表明農(nóng)田氮肥的施用是淺層地下水中硝態(tài)氮濃度升高的重要來(lái)源[3，4]。土壤中硝態(tài)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(jī)制來(lái)看，硝態(tài)氮離子所帶負(fù)電與土壤負(fù)電位相排斥，土壤中的硝態(tài)氮主要貯存于土壤水分中，其遷移主要由土壤水分的運(yùn)動(dòng)和硝態(tài)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(tài)氮的淋失量[6]。Hydrus-1D模型[7]可以用來(lái)模擬飽和-非飽和滲流區(qū)水及溶質(zhì)的遷移運(yùn)動(dòng)，考慮了土壤水分運(yùn)動(dòng)、溶質(zhì)遷移以及作物根系吸收等因素。本研究運(yùn)用Hydrus-1D模型對(duì)江蘇省宜興市梅林流域的土壤中水分運(yùn)動(dòng)以及硝態(tài)氮淋失過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬分析，揭示氮肥施用與硝態(tài)氮淋失之間的關(guān)系，分析不同灌溉施肥方式下的土壤水分運(yùn)動(dòng)和硝態(tài)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(yàn)地點(diǎn)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(qū)域氣候溫和濕潤(rùn)，光照充分，年平均溫度15.7 ℃，年平均降雨量1 198 mm。河海大學(xué)水文水資源與水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在梅林流域設(shè)置了旱地試驗(yàn)小區(qū)污染物運(yùn)移監(jiān)測(cè)站。其中，旱地試驗(yàn)小區(qū)面積為42.8 m2，試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)種植毛豆[8]。土壤類(lèi)型為壤土，根據(jù)土壤特性將土層分為3層。該小區(qū)附近設(shè)有雨量監(jiān)測(cè)站和氣象站測(cè)量降雨徑流過(guò)程和蒸發(fā)過(guò)程；下端設(shè)置了地表徑流收集池和地下水觀測(cè)井，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)降雨徑流量及其濃度、地下水位變幅及其濃度過(guò)程。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

土壤含水率采用TDR便攜式土壤含水率儀測(cè)定。無(wú)雨期時(shí)，兩周檢測(cè)一次；降雨期時(shí)，每天取樣并加測(cè)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?jī)芍懿杉淮瓮寥浪畼颖?。采用微氣象學(xué)法測(cè)定土壤中的氨揮發(fā)速率常數(shù)、硝化反應(yīng)以及反硝化反應(yīng)的一級(jí)動(dòng)力學(xué)系數(shù)。降雨量、溫度、濕度、輻射等的氣象數(shù)據(jù)由小型氣象站提供。田間灌溉施肥方式與農(nóng)業(yè)區(qū)耕作模式相同。

1.3 數(shù)學(xué)模型

1.3.1 土壤水運(yùn)動(dòng)方程 在忽略土壤水側(cè)向和水平運(yùn)動(dòng)情況下，土壤水的一維垂向運(yùn)動(dòng)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(dǎo)水率，cm/d；t為時(shí)間，d。

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

S（x，t）=a（h）b（z）Tp （2）

式（2）中，a（h）（0

1.3.3 作物騰發(fā)量公式 Penman-Monteith公式計(jì)算[12]得參考作物潛在騰發(fā)量（ET0），ET0乘以作物系數(shù)即為潛在騰發(fā)量（ETp），由實(shí)測(cè)葉面積指數(shù)（LAI）將ETp劃分成作物潛在騰發(fā)量（TP）與棵間潛在騰發(fā)量（EP），計(jì)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(shí)際騰發(fā)量為潛在騰發(fā)量與水分脅迫系數(shù)的乘積。本研究對(duì)于模型中實(shí)際土壤騰發(fā)量的計(jì)算進(jìn)行了改進(jìn)，將實(shí)際騰發(fā)分為3個(gè)騰發(fā)[13]，表層土壤含水率大于田間持水量，實(shí)際騰發(fā)等于潛在騰發(fā)；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(shí)，實(shí)際土壤騰發(fā)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(shí)，實(shí)際騰發(fā)量為0。根據(jù)監(jiān)測(cè)站測(cè)量數(shù)據(jù)，田間持水量所對(duì)應(yīng)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(zhì)運(yùn)移方程 考慮施肥類(lèi)型為尿素，采用傳統(tǒng)的對(duì)流擴(kuò)散方程描述氮素的運(yùn)移轉(zhuǎn)化，其CDE（Convection-dispersion equation）方程[7]為：

■=■[θD（θ，q）■]-■+？準(zhǔn)-U （5）

？準(zhǔn)=（knc2-kdc+MI）θ （6）

D（θ，q）=DLv+DWaebθb （7）

式（5）中：D（θ，q）為對(duì)流擴(kuò)散系數(shù)，cm2/d；c為硝態(tài)氮濃度，mg/cm3；q為水分通量，cm/d；？準(zhǔn)為硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化量；U為作物吸收量。式（6）中，c2為銨態(tài)氮濃度，mg/cm3；kn為硝化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)系數(shù)；kd為反硝化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)系數(shù)；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(yùn)動(dòng)速度，cm/d；DW為純水中硝態(tài)氮擴(kuò)散系數(shù)，cm2/d；a、b為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。θ、t、x含義與（1）式相同。表1為模型中的重要參數(shù)。

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(fā)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(tài)氮含量以及銨態(tài)氮含量。土層內(nèi)其他位置的土壤含水率、硝態(tài)氮含量以及銨態(tài)氮含量通過(guò)線性插值的方法求得。模型中假設(shè)施入土壤中氮肥在4 d之內(nèi)全部轉(zhuǎn)化為為銨態(tài)氮，銨態(tài)氮通過(guò)衰變轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮[14]。

1.4 改良灌溉施肥條件下的土壤硝態(tài)氮淋失

改良灌溉制度W1按Wright等[15]提出的方法確定，當(dāng)土壤虧水量超過(guò)有效含水量的40%時(shí)進(jìn)行灌溉，每次灌溉使土壤含水量達(dá)到田間持水量，（根據(jù)毛豆根系生長(zhǎng)以0～35 cm土層計(jì)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(zhǎng)的需水，同時(shí)避免了因大量灌溉導(dǎo)致硝態(tài)氮隨土壤水向下遷移。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤含水量模擬結(jié)果

試驗(yàn)觀測(cè)期為2010年1月1日至12月31日，分別模擬了土壤水分、硝態(tài)氮的日變化過(guò)程。

表層土壤含水量的線性關(guān)系為：

y0=0.933x0+0.014 （8）

式（8）中，x0為表層土壤含水量實(shí)測(cè)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(guān)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(shí)測(cè)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(shí)測(cè)值比較圖，Hydrus-1D模型模擬土壤含水量結(jié)果較好。

2.2 土壤硝態(tài)氮含量模擬結(jié)果

表層與距離地表20 cm土壤硝態(tài)氮含量模擬值與實(shí)測(cè)值比較結(jié)果見(jiàn)圖3、圖4。圖3、圖4表明Hydrus-1D模型很好地反映土壤水運(yùn)動(dòng)與土壤中硝態(tài)氮變化。其中，地表硝態(tài)氮含量較大，在灌溉施肥期，表層土壤硝態(tài)氮含量變化更加顯著。距離地表20 cm土壤硝態(tài)氮含量實(shí)際值變化較小，一般模擬值大于實(shí)際值。圖3、圖4均反映出Hydrus-1D模型適用于模擬試驗(yàn)小區(qū)土壤硝態(tài)氮含量淋失。

2.3 土壤硝態(tài)氮淋失分析結(jié)果

距離地表1 m土壤硝態(tài)氮全年滲透量結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖5可知，全年硝態(tài)氮淋失量隨季節(jié)變化較為明顯，夏季是土壤硝態(tài)氮淋失的主要季節(jié)，因?yàn)橄募窘涤贻^多，土壤含硝態(tài)氮量較多。全年硝態(tài)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(guān)，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(tài)氮淋失分析結(jié)果

不同灌溉與施肥方式組合與傳統(tǒng)方式硝態(tài)氮淋失比較結(jié)果見(jiàn)表2。傳統(tǒng)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(tǒng)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(zhǎng)。試驗(yàn)小區(qū)的田間持水量0.320 cm3/cm3，有效含水量0.220 cm3/cm3，根據(jù)改良灌溉方案，當(dāng)土壤含水量降至0.232 cm3/cm3時(shí)開(kāi)始灌溉，每次灌溉30.8 mm，7 d內(nèi)出現(xiàn)兩次或兩次以上土壤含水量低于0.232 cm3/cm3的情況進(jìn)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(yàn)小區(qū)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(tǒng)灌溉施肥方案氮淋失量減少16.5%。因?yàn)檠芯繀^(qū)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(tài)氮淋失6.6 kg/hm2。

3 小結(jié)

本研究應(yīng)用改良的灌溉施肥方案可以既保證作物的正常生長(zhǎng)，同時(shí)也降低了硝態(tài)氮的淋失量。硝態(tài)氮淋失最嚴(yán)重的季節(jié)為夏季，隨土壤水向下運(yùn)動(dòng)為主要原因，土壤中硝態(tài)氮的流失是一個(gè)作物-土壤-微生物等綜合作用的結(jié)果，進(jìn)一步研究作物以及微生物對(duì)硝態(tài)氮吸收、轉(zhuǎn)化的影響將會(huì)為我們提供更加科學(xué)的治理硝態(tài)氮流失的依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] WARRINGTON R. Transactions of the Highland and Agricultural Society of Scotland[M]. Montana：Nabu Press，1905.1-35.

[2] FANG Q X， YU Q， WANG E L， et al. Soil nitrate accumulation， leaching and crop nitrogen use as influenced by fertilization and irrigation in an intensive wheat-maize double cropping system in the North Plain[J]. Plant Soil，2006，284（1）：335-350.

[3] SIEVERS D M， FULHAGE C D. Survey of rural wells in Missouri for pesticides and nitrate[J]. Ground Water Monit Rev，1992，12（4）：142-150.

[4] 李保國(guó)，白由路，胡克林，等. 黃淮海平原淺層地下水中NO3-N含量的空間變異與分布特征[J].中國(guó)工程科學(xué)，2001，3（4）：42-55

[5] 陳曉民.土壤環(huán)境中硝態(tài)氮運(yùn)移的特點(diǎn)、模型描述及其在太湖地區(qū)烏柵土上的應(yīng)用研究[D].南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2000.

[6] 畢經(jīng)偉，張偉寶，陳效民，等.應(yīng)用HYDRUS-1D模型模擬農(nóng)田土壤水滲漏及硝態(tài)氮淋失特征[J].農(nóng)村生態(tài)環(huán)境，2004，20（2）：28-32.

[7] SIMUNEK J M， SEJINA T， VAN G M T. The HYDRUS-1D software package for simulating the one-dimensional movement of water， heat， and multiple solutes in variably-saturated media[M].California：School of Miners Publishers， 1998.

[8] 王興平.小流域不同土地利用類(lèi)型農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染研究[D].南京：河海大學(xué)，2010.

[9] FEDDES R A， BRESLER E， NEUMAN S P. Field test of a modified numerical model for water uptake by root system[J]. Water Resources Research，1974，10（6）：1199-1206.

[10] VAN G M T. A numerical model for water and solute movement in and below the root zone[D]. California： Salinity laboratory， DSDA，ARS，Riverside，1987.

[11] TAYLOR H M，JORDAN W R，SINCLAIR T R. Limitations to efficient water use in crop production[M]. Madison：American Society of Agronomy，1983.73-85.

[12] CHILDS S W， HANKS R. Model of soil salinity effects on crop growth[J]. Soil Sci Soc Am，1975，39（4）：617-622.

[13] 芮孝芳. 水文學(xué)原理[M]. 北京：中國(guó)水利水電出版社，2004. 65-122.

[14] 董 燕，王正銀.尿素在土壤中的轉(zhuǎn)化與植物利用效率[J].磷肥與復(fù)肥，2005，20（2）：76-78.

[15] WRIGHT J， BERGSRUD F. Irrigation Scheduling：Checkbook Method[M]. Minnesota：Communication and Educational Technology Services，2002.