摘 要：應(yīng)用HYDRUS-1D模型對控制灌溉條件下的稻田水氮運移情況進(jìn)行模擬分析。結(jié)果表明，淺層土壤中的氮素隨水分運移顯著，施肥后6日內(nèi)，田間補水能顯著提高銨態(tài)氮濃度增幅，之后銨態(tài)氮趨于穩(wěn)定，而硝態(tài)氮卻持續(xù)活躍。因此，施肥后應(yīng)盡量控灌減排，并可根據(jù)施肥后氮隨時間的變化特點選擇適宜的凈化措施，從而控制農(nóng)業(yè)非點源污染，修復(fù)水土環(huán)境。

關(guān)鍵詞：水氮運移；控制灌溉；HYDRUS-1D模型；稻田

氮素是作物生長的必需大量元素之一，直接影響著農(nóng)作物的生長水平[1，2]。由于氮肥的施用和農(nóng)業(yè)管理不當(dāng)，目前我國的氮肥平均利用率僅為30%～50%[3-5]，盈余的氮素除通過氨揮發(fā)流失到大氣系統(tǒng)以外，一部分積累在土壤中，使農(nóng)田土壤的養(yǎng)分盈余不斷提高，導(dǎo)致農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)流失量的增加，一部分通過排水、徑流、滲漏等途徑向水體遷移，導(dǎo)致了水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象的發(fā)生，造成了難以治理的環(huán)境污染問題[2]。因此，控制農(nóng)田氮流失是治理農(nóng)業(yè)面源污染的根本措施之一。

影響氮素向水體遷移的因素很多，各因素之間的相互作用更導(dǎo)致研究這個問題的復(fù)雜性。從預(yù)防污染的角度分析，影響因素可以歸納為三種：施肥的種類、方法和時間；土地利用類型及耕作強度；降雨量及降雨強度[6]。文章根據(jù)試驗區(qū)的水土特點，通過參數(shù)設(shè)置，將上述影響因素融合到HYDRUS-1D模型中，模擬控制灌溉下水稻分蘗期的水氮運移，分析控灌條件下稻田的氮素變化特點，為合理制定農(nóng)田排水方案，探尋切實可行的農(nóng)業(yè)水土環(huán)境修復(fù)措施提供參考。

1 模擬試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于浙江省余姚市河姆渡鎮(zhèn)內(nèi)。氣候條件屬于北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，雨量集中在4-6月的梅雨季節(jié)和7-9月的臺風(fēng)季節(jié)，形成兩個峰值，年降水量1987～1263mm，年蒸發(fā)量900～950mm，年平均濕度80%，干旱指數(shù)為0.72。多年平均溫度16.5℃，年平均日照2061h，日照率47%，無霜期228d。稻田地下水埋深在50cm～150cm范圍內(nèi)。土壤情況具體見表1和表2。

2 模型計算條件及參數(shù)

2.1 初始條件和邊界條件

利用HYDRUS軟件模擬水稻施尿素75kg/hm2后15d內(nèi)的水氮運移，選擇的觀測點分別為土層20cm、40cm和60cm處。由于氮素的轉(zhuǎn)化復(fù)雜，研究水稻田中氮素運移時，分別研究銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的運移狀況。所定邊界初始條件和模型各參數(shù)如下：

模擬土體的下邊界設(shè)在80cm處；

水分運移以土壤含水量為變量，控制灌溉方式下日常田間水分保持在飽和含水量的70%-100%，故水分運移初始條件下田間水分設(shè)為飽和含水量的85%；

水分運移的邊界條件考慮灌水，棵間蒸發(fā)和植株蒸騰，上邊界條件為表層的大氣邊界，由于觀測點土層在稻田地下水位的變動范圍內(nèi)，因此下邊界條件為變壓力水頭；

溶質(zhì)運移的初始條件設(shè)定不考慮土壤中原有氮素含量，故初始濃度為零。溶質(zhì)運移的上、下邊界設(shè)為定通量邊界。

2.2 參數(shù)設(shè)定

土壤水分參數(shù)選用Van Genuchten-Mualem方程進(jìn)行計算，并且忽略滯后作用。根據(jù)試驗區(qū)土壤結(jié)構(gòu)和水分特性，利用HYDRUS-1D模型自帶的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測功能，求得土壤水分參數(shù)初值見表3。

溶質(zhì)運移選用的時間離散方法為Crank-Nicholson有限差分法，空間離散法采用伽遼金有限元法，溶質(zhì)運移模型選用平衡模型，溶質(zhì)運移參數(shù)見表4。

根據(jù)已有經(jīng)驗確定水稻分蘗期根系長度為20cm，通過已知實驗數(shù)據(jù)確定水稻在控制灌溉方式下的棵間蒸發(fā)E=3.83mm/d，植株蒸騰T=0.77mm/d。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 不同土層的土壤水分動態(tài)

控制灌溉條件下，三個土層（20cm、40cm和60cm）體積含水量的變化如圖1所示。土壤含水量變化隨時間變化起伏較大，原因在于控制灌溉方式下，田間沒有建立水層，為保持設(shè)定的土壤含水量，需要定期對土壤進(jìn)行灌水，灌水后體積含水量增加。隨著土層深度的增加，表層水逐步下滲，土壤含水量的峰值會出現(xiàn)一定的滯后效應(yīng)，由圖1還知，40cm土層含水量最大，這是由于該土層為粉砂質(zhì)粘土，粘粒多，對水分的吸持力大，是土壤理化性質(zhì)的表現(xiàn)，符合實際情況。

3.2 不同土層的氮素變化動態(tài)

控制灌溉條件下，三個土層（20cm、40cm和60cm）銨態(tài)氮在土壤溶液中的運移情況如圖2所示，硝態(tài)氮在土壤溶液中的運移情況，如圖3所示。20cm土層的銨態(tài)氮在施肥后6d內(nèi)濃度上升顯著，之后趨于平緩，40cm土層和60cm土層的銨態(tài)氮濃度變化速度明顯下降，尤其是60cm土層，銨態(tài)氮濃度基本不變。這說明土壤中氮素的遷移主要集中在0-40cm土層中。硝態(tài)氮在40cm土層和60cm土層的濃度變化與銨態(tài)氮基本一致，20cm土層中0-6d的硝態(tài)氮濃度變化速度略滯后于銨態(tài)氮，6d后，銨態(tài)氮濃度趨于平穩(wěn)，而硝態(tài)氮濃度則呈上升趨勢，這是由于氮肥施入土壤后，先經(jīng)過礦化作用被礦化為銨態(tài)氮，銨態(tài)氮再經(jīng)硝化作用后形成硝態(tài)氮。而硝態(tài)氮的濃度值高于銨態(tài)氮的濃度值，是由硝態(tài)氮的分子質(zhì)量大于銨態(tài)氮造成的。

3.3 不同土層的水氮運移相關(guān)性

對比土壤含水量（見圖1）和土壤氮素含量（見圖2、圖3）可以發(fā)現(xiàn)，20cm土層中，在銨態(tài)氮的含量尚未趨于穩(wěn)定的0-6d內(nèi)，灌水過程能顯著提高銨態(tài)氮濃度的增幅，這主要是稻田補水?dāng)_動土壤，促進(jìn)土壤表層吸附的銨態(tài)氮釋放而造成的。而灌水對硝態(tài)氮的濃度影響在施肥6d后比較顯著，主要是由于前期銨態(tài)氮尚處于形成期，土壤中硝態(tài)氮含量不高，灌水對硝態(tài)氮的運移影響不大，后期隨著銨態(tài)氮的含量增加硝化反應(yīng)加劇，故后期硝態(tài)氮比銨態(tài)氮更易淋失，這與對施肥后15d時測得的土層底部溶質(zhì)通量（見表5）是吻合的。

經(jīng)對比還發(fā)現(xiàn)，即使40cm土層中的土壤含水大于20cm土層，其氮素含量的變化速度仍要遠(yuǎn)小于20cm土層中氮素含量的變化速度，這說明淺層土壤中的氮素更易隨水分流失。

4 結(jié)束語

根據(jù)對HYDRUS-1D模擬水稻分蘗期內(nèi)控制灌溉下的水氮運移結(jié)果分析，施肥后淺層土壤中的氮素隨水分運移顯著，即使施肥6d后銨態(tài)氮的運移趨于穩(wěn)定，但硝態(tài)氮卻依然保持活躍。為防止土壤中的氮素流失，在種植水稻過程中應(yīng)控制灌水次數(shù)和灌水量，不建立田面水層，使田間保持“只濕不淹”的狀態(tài)，不僅可節(jié)省灌溉水量，更減少了排水量，從而降低水分滲漏和氮素淋失。而針對各階段氮素成分的變化，選擇適宜的生態(tài)減污方法，吸納農(nóng)田排水中的氮素，對降低農(nóng)田面源污染有相當(dāng)重要的意義。

參考文獻(xiàn)

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[6]張文淵.水環(huán)境中的氮污染特征與影響因素[J].黑龍江環(huán)境通報，2000，24（1）：27-28.

作者簡介：金斌斌（1976-），女，浙江嘉興人，博士在讀，講師，主要研究方向：水利工程在農(nóng)業(yè)水土資源中的利用。