沈仕洲,張克強,王 風①,賴睿特,顏 青,楊涵博

(1.農業(yè)部環(huán)境保護科研監(jiān)測所,天津 300191;2.農業(yè)部大理農業(yè)環(huán)境科學觀測實驗站,云南 大理 671000)

農田氮肥普遍增施導致氨揮發(fā)和硝態(tài)氮淋溶等損失量和損失程度呈現(xiàn)加劇狀態(tài),已成為導致地下水資源污染的重要來源[1-2]。土壤剖面殘留較多的氮素易形成垂直向下運移的趨勢[3],并伴隨灌溉和降雨下滲造成硝態(tài)氮淋溶[4]。如何在保護地下水水質和防控農業(yè)面源污染的同時合理進行農田施肥已成為國內外學者研究的熱點[5-6]。目前,國內外計算和評估農田氮素淋溶和氨揮發(fā)的方法主要分為兩種:(1)在農田尺度上多利用田間監(jiān)測試驗結果估算氮素損失[7],但是這種方法需要設置專門的田間試驗小區(qū)進行長期監(jiān)測,過程耗時又復雜,而且僅能測定點上數(shù)據(jù),區(qū)域代表性差,且該方法不便于執(zhí)法部門推廣使用;(2)在流域尺度上的氮素損失量估算基本上是引用國外非點源污染模型,然后根據(jù)國內研究區(qū)的具體狀況對模型參數(shù)進行優(yōu)化,從而模擬出流域的氮素輸出量。模型模擬法也是目前研究的熱點,因為其具有操作簡單、模擬準確和代表性廣等優(yōu)點而成為評估和預測氮素輸出的核心方法。目前,國內用于氮素損失評估的模型有SWAT(soil and water assessment)、AnnAGNPS、ANSWERS和RZWQM(root zone water quality model)[8]。其中,RZWQM 模型耦合了農業(yè)生產(chǎn)管理和環(huán)境影響模塊,成為預測和評估農田氮素淋溶的新工具[9]。目前,薛長亮等[10]運用RZWQM模型對華北平原土壤剖面含水量、硝態(tài)氮含量和作物產(chǎn)量等指標進行率定和驗證后,證實華北地區(qū)可以應用RZWQM模型進行評估和預測工作,在模擬硝態(tài)氮淋溶和氨揮發(fā)過程中該模型模擬結果具有一定的參考價值。但對于管理部門來說,如果以運用RZWQM模型預測得到的面源污染發(fā)生量作為管理和執(zhí)法依據(jù),需要將很多參數(shù)輸入模型中,使用較復雜且需要專業(yè)知識,因此,該模型不適用于管理部門的日常監(jiān)管。目前,國內外鮮有可用于管理執(zhí)法的簡單快捷的面源污染發(fā)生量估算經(jīng)驗方法,因此,筆者在已經(jīng)通過率定驗證的RZQWM模型基礎上,通過建立較易測定獲取的1 m內土體硝態(tài)氮殘留量分別與較難監(jiān)測獲得的土壤硝態(tài)氮淋溶量和土壤氨揮發(fā)量之間的函數(shù)關系,提供了一種科學準確、便捷快速的農田面源污染發(fā)生量估算方法,并利用華北平原10篇相關文獻中的24組施肥量梯度田間試驗實測數(shù)據(jù)對土壤硝態(tài)氮淋溶量函數(shù)準確率進行分析,利用8篇相關文獻中的15組施肥量梯度田間試驗數(shù)據(jù)對土壤氨揮發(fā)量函數(shù)準確率進行分析,為管理部門應用簡單快捷的面源污染發(fā)生量估算方法提供技術支撐。

1 研究方法

1.1 函數(shù)建立的基礎

所應用的函數(shù)是基于RZWQM模型進行回歸分析建立的,RZWQM模型是美國農業(yè)部大平原系統(tǒng)研究所研發(fā)的能夠對土壤根區(qū)水質、土壤養(yǎng)分運移和作物生長進行綜合模擬的模型。RZWQM模型由物理、化學、養(yǎng)分、作物生長、殺蟲劑和管理6個模塊組成。RZWQM模型使用了“日”和“時”兩個時間尺度,以“日”為尺度計算離子、肥料、灌溉水、耕地措施,以及潛在蒸散發(fā)和蒸騰量。水分遷移和營養(yǎng)化學過程則以“時”尺度進行計算,包括土壤水分的再分配、營養(yǎng)鹽的遷移轉化、滲濾、徑流、殺蟲劑淋洗、熱量損耗、實際蒸散量、植物養(yǎng)分吸收過程等;然后計算殺蟲劑遷移轉化過程、碳氮遷移轉化過程和土壤物質平衡過程;最后運行作物生長模塊。RZWQM模型能夠模擬包括作物氮殘留、有機態(tài)礦化、氮素固定、氮素淋溶、氨揮發(fā)、硝化和反硝化等土壤氮轉化的主要過程。該模型可以較好地模擬氮素的遷移轉化,更加方便快捷地獲得氮素淋溶數(shù)值和評估淋溶情況,以及有針對性地實行優(yōu)化施肥措施來削減損失。該模型初始輸入數(shù)據(jù)包括氣象數(shù)據(jù)和土壤基本數(shù)據(jù),其中,氣象數(shù)據(jù)包括模擬期間日降水、日最高溫、日最低溫、風速、相對空氣濕度等,土壤基本數(shù)據(jù)包括土層容重、田間持水量、土壤pH值、土壤含水率以及剖面硝態(tài)氮和銨態(tài)氮初始含量。

1.2 函數(shù)建立的思路

應用基于河北夏玉米-冬小麥長期定位試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證完成的RZWQM模型[10],在對不同施肥量試驗處理土壤剖面含水量、土壤剖面養(yǎng)分遷移轉化以及冬小麥和夏玉米產(chǎn)量與生物量等參數(shù)進行率定與驗證的基礎上,得到適合華北冬小麥-夏玉米系統(tǒng)模型模擬的系列參數(shù),同時也證實RZWQM模型可以用于土壤剖面水分和養(yǎng)分遷移轉化過程的模擬。筆者基于以上模型參數(shù)率定與驗證研究結論,進一步開發(fā)模型的預測功能,即通過設置不同施肥量情景模式,運行模型輸出獲得一系列土壤硝態(tài)氮淋溶量和氨揮發(fā)量數(shù)據(jù),對這些通常難于監(jiān)測的指標進行回歸分析,將各途徑面源污染發(fā)生量與作物收獲后1 m內土壤硝態(tài)氮殘留量進行擬合建立函數(shù)關系,將簡單的易于測定的指標用于反饋估算面源污染發(fā)生量,為管理部門提供簡易可行的監(jiān)管方法。

1.3 驗證文獻數(shù)據(jù)庫的建立

為了對土壤硝態(tài)氮淋溶量函數(shù)和土壤氨揮發(fā)量函數(shù)準確率進行驗證,查詢華北地區(qū)范圍內相關的10篇文獻中24組田間實測數(shù)據(jù)對建立的土壤淋溶量函數(shù)準確率進行分析,并查詢8篇文獻中15組田間實測數(shù)據(jù)對建立的土壤氨揮發(fā)量函數(shù)準確率進行分析,實測數(shù)據(jù)主要包括田間試驗中的施氮量、土壤硝態(tài)氮淋溶量和土壤氨揮發(fā)量。驗證文獻數(shù)據(jù)庫具體信息見表1[11-19，4]和表2[20-27]。

表1相關文獻土壤硝態(tài)氮淋溶量田間試驗實測數(shù)據(jù)

Table1Thedataofsoilnitratenitrogenleachinginthefieldexperiment

來源文獻試驗地點土壤硝態(tài)氮淋溶量或施氮量/(kg·hm-2)處理1處理2處理3處理4[11]河北保定15.3/75(麥季)37.2/150(麥季)43.4/225(麥季)69.6/300(麥季) [12]河北辛集、北京昌平122.4/300(辛集,全年)157.3/300(昌平,全年)320.2/555(昌平,全年)[13]甘肅蘭州98.2/187.5(全年)175.8/375(全年)[14]河北保定37.2/150(全年)66.4/300(全年)[15]河北石家莊21.8/75(全年)54.6/150(全年)[16]河北曲周36.2/139(全年)110.2/240(全年)[17]山東惠民82.3/225(全年)121.7/375(全年)[18]山東龍口42.1/105(全年)52.1/168(全年)88.1/195(全年)99.1/240(全年) [19]陜西楊凌35/196(全年)42/224(全年)[4]河北曲周82.2/450(全年)

表2 相關文獻土壤氨揮發(fā)量田間試驗實測數(shù)據(jù)

2 結果與分析

2.1 1 m內土壤硝態(tài)氮殘留量分別與硝態(tài)氮淋溶量和土壤氨揮發(fā)量間的函數(shù)關系

根據(jù)已完成率定和驗證的RZWQM模型參數(shù),運用RZWQM模型模擬不同作物生長季施氮量與土壤硝態(tài)氮淋溶量、氨揮發(fā)量和1 m內土壤硝態(tài)氮殘留量等一系列對應數(shù)據(jù)。對較容易采集測定的作物收獲期1 m內土壤硝態(tài)氮殘留量分別與生育期土壤硝態(tài)氮淋溶量和土壤氨揮發(fā)量進行回歸分析發(fā)現(xiàn),作物收獲期1 m內土壤硝態(tài)氮殘留量分別與土壤硝態(tài)氮淋溶量和土壤氨揮發(fā)量均呈線性正相關關系(圖1),且均達顯著水平(P<0.05)。其中,冬小麥-夏玉米輪作周期土壤硝態(tài)氮淋溶量與1 m內土壤硝態(tài)氮殘留量,以及土壤氨揮發(fā)量與1 m內土壤硝態(tài)氮殘留量函數(shù)關系分別為Y1=0.302 5X1+18.458(R2=0.968 2,n=13)和Y2=0.379 1X1+13.471(R2=0.943 3,n=13)。其中,Y1為輪作周期土壤硝態(tài)氮淋溶量,kg·hm-2;X1為輪作周期玉米收獲后硝態(tài)氮殘留量,kg·hm-2;Y2為輪作周期土壤氨揮發(fā)量,kg·hm-2。小麥種植季土壤硝態(tài)氮淋溶量與1 m內土壤硝態(tài)氮殘留量,以及土壤氨揮發(fā)量與1 m內土壤硝態(tài)氮殘留量函數(shù)關系分別為Y3=0.110 1X2+5.376 9(R2=0.946 2,n=10)和Y4=0.139 3X2+2.814 4(R2=0.924 4,n=10),其中,Y3為麥季硝態(tài)氮淋溶量,kg·hm-2;X2為麥季收獲后1 m內土壤硝態(tài)氮殘留量,kg·hm-2;Y4為麥季土壤氨揮發(fā)量,kg·hm-2。由此可知,通過采集測定作物收獲后土壤剖面硝態(tài)氮殘留量,則可快速計算得到土壤硝態(tài)氮淋溶量和土壤氨揮發(fā)量。

圖1 應用RZWMQ模型預測得到的土壤硝態(tài)氮淋溶量和氨揮發(fā)損失特征

2.2 硝態(tài)氮淋溶量函數(shù)關系準確率分析

利用表3中的文獻數(shù)據(jù)對3.1節(jié)中確定的1 m內土壤硝態(tài)氮殘留量與硝態(tài)氮淋溶量函數(shù)關系準確率進行驗證可以得出,函數(shù)準確率變化范圍為39%～94%,平均準確率為70.9%。準確率在較大范圍內變動,準確率因試驗地點變化而變化,總體趨勢表現(xiàn)為試驗地點越接近河北石家莊,函數(shù)準確率越高,河北石家莊試驗點平均準確率高達90.5%,河北保定、河北曲周、山東惠民等鄰近試驗點驗證準確率也均在68.0%以上。而距河北石家莊越遠的試驗點,其函數(shù)準確率越低,如蘭州、昌平等試驗點準確率均低于55%。

2.3 氨揮發(fā)量函數(shù)關系的準確率分析

利用表4中的文獻數(shù)據(jù)對3.1節(jié)中確定的1 m內土壤硝態(tài)氮殘留量與土壤氨揮發(fā)量函數(shù)關系準確率進行分析可以得出,函數(shù)準確率變化范圍為34%～97%,平均準確率為71.2%。與1 m內土壤硝態(tài)氮殘留量和硝態(tài)氮淋溶量函數(shù)準確率相同,1 m內土壤硝態(tài)氮殘留量與氨揮發(fā)量函數(shù)準確率因試驗地點變化而變化,總體趨勢表現(xiàn)為試驗地點越接近河北石家莊,函數(shù)準確率就越高,試驗地點為河北保定的函數(shù)平均準確率高達90.0%,河北欒城、河北曲周等鄰近試驗點驗證準確率也均在70.0%以上。而距河北石家莊越遠、輪作模式差異越大的試驗點,其函數(shù)準確率就越低,如湖北南湖稻麥輪作試驗點函數(shù)平均準確率低于60%。

3 討論

在中國華北地區(qū)甚至全國范圍內施肥量過大導致地下水污染情況已經(jīng)屢見不鮮,歐洲共同體委員會(Commission of the European Community,CEC)已經(jīng)指明農田的“最佳施肥量”對作物穩(wěn)產(chǎn)和氮素損失關系的重要性[28-30],所以華北地區(qū)合理的施肥量對保證作物穩(wěn)產(chǎn)并減少氮損失尤為重要。目前,已有大量關于施肥量與氮素損失量之間關系的研究,但在這些研究中對氮素損失的監(jiān)測都較為復雜,對施肥量的記錄也需準確,因此很難用于管理部門的日常管理和執(zhí)法中。筆者基于RZWQM模型提出了華北平原農業(yè)面源污染量簡易函數(shù)關系,以1 m內土壤硝態(tài)氮殘留量作為簡易監(jiān)測指標,通過1 m 內土壤硝態(tài)氮殘留量計算硝態(tài)氮淋溶量和氨揮發(fā)量。

表3硝態(tài)氮淋溶量函數(shù)關系準確率驗證

Table3Accuracyverificationofnitratenitrogenleachingfunction

來源文獻試驗地點淋溶量/施氮量/(kg·hm-2)模擬結果/(kg·hm-2)準確率/%平均準確率/% [11]河北保定15.3/75(麥季)12.1/757968.8 37.2/150(麥季)22.48/1506043.4/225(麥季)32.3/2257469.6/300(麥季)43.04/30062[12]河北辛集、北京昌平122.4/300(辛集,全年)75.85/3006249.7 157.3/300(昌平,全年)75.85/30048320.2/555(昌平,全年)123.96/55539[13]甘肅蘭州98.2/187.5(全年)52/187.55352.0 175.8/375(全年)90/37551[14]河北保定37.2/150(全年)47.33/1507983.5 66.4/300(全年)75.85/30088[15]河北石家莊21.8/75(全年)23.2/759490.5 54.6/150(全年)47.33/15087[16]河北曲周36.2/139(全年)44/1398269.5 110.2/240(全年)63/24057[17]山東惠民82.3/225(全年)60/2257373.5 121.7/375(全年)90/37574[18]山東龍口42.1/105(全年)30.2/1057274.2 52.1/168(全年)48.9/1689488.1/195(全年)57/1956599.1/240(全年)65/24066[19]陜西楊凌35/196(全年)57/1966165.5 42/224(全年)60/22470[4]河北曲周82.2/450(全年)100.68/4508282.0

表4氨揮發(fā)量函數(shù)關系準確率驗證

Table4Accuracyverificationofammoniavolatilizationfunction

來源文獻試驗地點揮發(fā)量/施氮量/(kg·hm-2)模擬結果/(kg·hm-2)準確率/%平均準確率/% [20]山東泰安10.31/60(玉米季)5/604840.0 14.62/240(玉米季)38/2403827.03/480(玉米季)80/48034[21]河北保定80/300(全年)88.75/3009090.0 [22]河北衡水24.92/300(麥季)49.66/3005059.5 27.8/240(玉米季)40.32/24069[23]湖北南湖17.05/225(麥季)30/2255759.5 13.03/157(麥季)21/15762[24]北京海淀45.1/300(麥季)39.24/3008774.5 80/300(玉米季)49.66/30062[25]河北欒城60.1/400(全年)69.13/4008787.0 [26]河北曲周30/180(玉米季)23/1807777.0 [27]北京海淀22/120(全年)15/1206882.3 33/240(全年)40.32/2408264.5/360(全年)62.5/36097

同時,筆者運用近年區(qū)域內相關研究文獻數(shù)據(jù)對函數(shù)進行驗證,結果表明該函數(shù)關系平均準確率在70%左右,且應用區(qū)域地理位置越接近函數(shù)率定所采用數(shù)據(jù)的來源區(qū)域,則準確率越高,這主要是因為建立該函數(shù)基礎的RZWQM模型主要是運用河北石家莊大河試驗站的長期定位試驗數(shù)據(jù)進行模型參數(shù)率定驗證得到的,越接近該試驗點的地區(qū),其土壤、氣象等條件也越相似,因而函數(shù)準確率就越高?？傮w來看,在華北平原冬小麥-夏玉米輪作體系中此面源污染估算方法簡便直接,并且節(jié)約時間和成本。此外,雖然與傳統(tǒng)方法相比該方法準確率有一定降低,但是在整個區(qū)域的平均準確率可達70%,能滿足管理部門監(jiān)管的需要。

目前,此函數(shù)關系僅僅是基于河北石家莊大河試驗站長期定位試驗數(shù)據(jù)提出的,函數(shù)關系中僅涉及1 m內土壤硝態(tài)氮殘留量一個因素,在今后的應用中,可對函數(shù)關系做進一步改進,即基于各自區(qū)域的田間試驗數(shù)據(jù),運用RZWQM模型得到針對區(qū)域的函數(shù)關系,同時可在函數(shù)中增加降雨量、土壤pH等對氮素淋溶和氨揮發(fā)影響較大的因素作為變量,提高函數(shù)的準確性。

4 結論

基于經(jīng)過華北平原相關長期定位試驗數(shù)據(jù)率定驗證的RZWQM模型,提出以華北平原冬小麥-夏玉米輪作農田1 m內土壤硝態(tài)氮殘留量作為簡易監(jiān)測指標,獲取農田硝態(tài)氮淋溶量和氨揮發(fā)量的函數(shù)關系,得出以下結論:

(1)華北平原冬小麥-夏玉米輪作農田淋溶損失估算:全年硝態(tài)氮淋溶量由玉米收獲后硝態(tài)氮殘留量與0.302 5的乘積再與18.458相加得到,麥季硝態(tài)氮淋溶量由小麥收獲后硝態(tài)氮殘留量與0.110 1 的乘積再與5.376 9相加得到,玉米季硝態(tài)氮淋溶量為全年硝態(tài)氮淋溶量與麥季硝態(tài)氮淋溶量的差值。

(2)華北平原冬小麥-夏玉米輪作農田氨揮發(fā)損失估算:全年氨揮發(fā)量由玉米收獲后硝態(tài)氮殘留量與0.379 1的乘積再與13.47 1相加得到,麥季氨揮發(fā)量由小麥收獲后硝態(tài)氮殘留量與0.139 3的乘積再與2.814 4相加得到,玉米季氨揮發(fā)量為全年氨揮發(fā)量與麥季氨揮發(fā)量的差值。