摘要：為探究紅壤區(qū)花生種植地氮素的垂向遷移影響因素及其損失特征，本研究利用HYDRUS-ID模型構(gòu)建適用于紅壤地區(qū)的水氮耦合模型。該模型結(jié)合實(shí)地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和室內(nèi)淋溶實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行率定和驗(yàn)證，并利用校驗(yàn)過(guò)的模型模擬研究區(qū)不同環(huán)境條件下土壤剖面氮素的動(dòng)態(tài)遷移與轉(zhuǎn)化過(guò)程。結(jié)果表明：HYDRUS-ID模型模擬值與實(shí)測(cè)值之間吻合度較高，模型可用于模擬花生地不同深度土壤水氮運(yùn)移過(guò)程。土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮在降雨施肥后迅速升高，隨后下降。施肥量變化主要影響0-40cm土層內(nèi)氮素濃度變化，而改變降雨量影響0-80 cm土層內(nèi)氮素的遷移轉(zhuǎn)化。此外，氮素濃度隨土層深度的增加而減小。模擬結(jié)果顯示，施氮量為225．0 kg·hm-2時(shí)，雨季發(fā)生總降雨量大于173 mm且降雨強(qiáng)度大于11 mm·d-1降雨事件時(shí)，或旱季發(fā)生強(qiáng)降雨事件，即總降雨量大于135 mm且降雨強(qiáng)度大于135 mm·d-1時(shí)，80 cm土層硝態(tài)氮濃度至少上升到1mg·L-1。受紅壤質(zhì)地黏重的影響，深層土壤氮素對(duì)降雨響應(yīng)具有一定的滯后效應(yīng)。隨著施肥量的增加，作物根系對(duì)氮素的吸收通量增大，但氮素吸收量與氮肥施用量的比例卻有所下降；降雨量對(duì)根系吸收氮素的影響相對(duì)較小。在花生生長(zhǎng)季，土壤中的主要氮損失形式為硝態(tài)氮的淋失。模擬分析表明，降雨和施肥均會(huì)影響硝態(tài)氮的淋失量，其中降雨量的增加顯著提高了硝態(tài)氮的浸出量，硝態(tài)氮累積淋失量變化范圍在5.23-42.97 kg·hm-2之間，證明了花生地對(duì)紅壤區(qū)地下水硝酸鹽潛在污染不可忽視。

關(guān)鍵詞：紅壤；銨態(tài)氮；硝態(tài)氮；氮素運(yùn)移；HYDRUS-ID

中圖分類號(hào)：S565.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1672-2043（2024）07-1557-11 doi：10.11654/jaes.2023-1032

南方紅壤區(qū)是我國(guó)重要的土地資源，占全國(guó)耕地的27.8%，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位。為提高作物產(chǎn)量，農(nóng)民往往過(guò)量施用水肥。不合理的氮肥施用不僅加劇了土壤酸化問(wèn)題，還影響了作物品質(zhì)。此外，該地區(qū)降雨季節(jié)分布不均，極端降雨事件頻發(fā)，導(dǎo)致土壤的保水保肥能力下降，從而增加了氮素的淋溶風(fēng)險(xiǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，在雨季大量降水的人滲作用下，紅壤農(nóng)田淺層土壤中的氮素（尤其是硝態(tài)氮）容易滲入地下水，造成地下水中氮素含量過(guò)高。因此，深入研究紅壤區(qū)氮素在土壤中的垂向遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程，定量評(píng)估氮素淋失量，對(duì)提高氮肥利用率和控制地下水污染具有重要意義。

當(dāng)前研究農(nóng)田氮素遷移轉(zhuǎn)化的方法主要包括野外原位監(jiān)測(cè)和模型模擬。盡管田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)于探究氮肥的轉(zhuǎn)化過(guò)程和損失途徑至關(guān)重要，但其全面性存在一定的限制。因此，利用數(shù)值模擬技術(shù)來(lái)研究土壤中水氮的動(dòng)態(tài)變化已成為評(píng)估土壤生態(tài)健康的關(guān)鍵手段。在此背景下，許多研究人員對(duì)不同水肥條件下的土壤水分特性和氮素分布進(jìn)行了研究，取得了豐富的成果。Yi等通過(guò)田間監(jiān)測(cè)和模擬，對(duì)黑河流域典型玉米田的水分平衡進(jìn)行量化，并利用模型提出了優(yōu)化的灌溉方案。Mo等模擬了暴雨、大暴雨和極端暴雨三種降雨情景下氮素滲入地下水的變化情況，發(fā)現(xiàn)隨著降雨強(qiáng)度的增加，尿素態(tài)氮的浸出量大幅上升。Azad等探討氣候變化影響下玉米不同灌溉施肥管理下硝酸鹽向地下水的淋溶規(guī)律，并預(yù)測(cè)硝酸鹽向地下水轉(zhuǎn)移的量和速率。Krevh等研究表明土壤硝酸鹽的淋溶和積累主要受降水條件、土壤性質(zhì)和蒸散作用的影響，因此針對(duì)每種特定的環(huán)境條件優(yōu)化氮肥施用以減少硝酸鹽損失十分重要。

花生作為我國(guó)南方紅壤區(qū)的主要油料經(jīng)濟(jì)作物，種植面積和產(chǎn)量均位居全國(guó)前列。然而，由于耕作管理措施不當(dāng)，花生種植期恰逢雨季，在土壤淋溶作用下氮素易隨降雨深層滲漏進(jìn)入水體導(dǎo)致地下水污染。目前關(guān)于農(nóng)田氮素運(yùn)移的相關(guān)研究主要集中于麥田、玉米地和稻田等土地利用方式上，對(duì)于旱作花生地的氮素運(yùn)移和流失問(wèn)題尚缺乏系統(tǒng)性研究。鑒于此，本研究選取南方紅壤區(qū)的旱作花生地為研究對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)土柱試驗(yàn)和HYDRUS-ID模擬，探討不同環(huán)境條件下旱作花生地土壤氮素遷移轉(zhuǎn)化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)關(guān)系，闡明花生地土壤剖面氮輸移的主要過(guò)程及其影響因素，旨在為制定區(qū)域內(nèi)可持續(xù)的農(nóng)業(yè)氮肥利用管理策略提供參考價(jià)值，并為南方紅壤區(qū)有效控制非點(diǎn)源污染提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)在江西省鷹潭市孫家農(nóng)業(yè)小流域，位于江西省鷹潭市余江縣劉家站（28°12＇N，116°55＇E）。該地區(qū)屬于中亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫17.8℃，年平均潛在蒸發(fā)量1378 mm。年平均降雨量1795 mm，且降水具有明顯的季節(jié)性，4-6月份降雨量約占全年降水量的50%。供試土壤為第四紀(jì)紅色黏土發(fā)育而來(lái)的典型紅壤。流域內(nèi)主要土地利用方式包括花生地、稻田和林地等。本研究所選研究對(duì)象為雨養(yǎng)農(nóng)用地，種植作物以花生為主，種植時(shí)間為4月中旬至8月中旬?；ㄉ诿磕?月進(jìn)行一次性施肥，包括尿素、復(fù)合肥及少量K肥和P肥。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取區(qū)域內(nèi)旱作紅壤作為土壤樣品，按照0-20、20-40、40-80 cm分層，挖出1 m×1 m×0.8 m的正方形深坑，每層取環(huán)刀原狀土樣以測(cè)量容重，并從每個(gè)土層平行采集10個(gè)樣品進(jìn)行混合后于自封袋封存樣品，用于測(cè)定土壤基本理化性質(zhì)和制備土柱。

采集的土壤樣品在經(jīng)過(guò)自然風(fēng)干處理后，清除植物殘?bào)w、根須等雜質(zhì)，并在混勻和研磨后過(guò)2 mm篩，用于測(cè)定土壤背景值和分析土壤基本理化性質(zhì)。本研究采用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重；烘干法測(cè)定土壤含水率；甲種比重計(jì)法測(cè)量土壤機(jī)械組成；重鉻酸鉀容量法—外加熱法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)；土壤中的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮經(jīng)氯化鉀浸提后，分別采用納式試劑—分光光度法和紫外分光光度法進(jìn)行測(cè)定。測(cè)定結(jié)果詳見(jiàn)表1。

模擬淋溶裝置為內(nèi)徑10 cm圓柱形亞克力柱，柱高90 cm。填裝土壤前，先鋪上200目濾布和2cm潔凈石英砂粒，然后在石英砂層上再鋪設(shè)200目尼龍濾布分隔石英砂和土壤界面。根據(jù)野外采集的環(huán)刀原狀土樣所測(cè)定的容重，依次將土壤分層填入亞克力管并壓實(shí)，模擬80 cm原狀土柱，土柱表面同樣鋪設(shè)濾布和石英砂。在土柱側(cè)面20、40、80 cm處設(shè)置3個(gè)取樣口，土柱底部設(shè)置排水口，用于承接淋溶液。

土柱制備完成后，為避免初始背景值的干擾，使用去離子水從上到下濕潤(rùn)土柱，并充分淋洗2d。為模擬研究區(qū)常規(guī)水肥條件下的氮素淋溶情況，對(duì)當(dāng)?shù)鼗ㄉ氐氖┓是闆r進(jìn)行了調(diào)查。調(diào)查結(jié)果顯示，該地區(qū)花生尿素用量通常在150-300 kg·hm-2?；谀昶骄涤炅颗c實(shí)驗(yàn)周期兩因素綜合考慮后設(shè)定土柱模擬條件：（1）率定條件：灌水量350 mm，尿素量200mg；（2）驗(yàn)證條件：灌水量437.5 mm，尿素量250 mg。施肥時(shí)，將稱量好的尿素與土柱表層的石英砂混合均勻后回填至土柱內(nèi)，并通過(guò)馬氏瓶將水加至土壤表面。按一定的時(shí)間間隔（1、2、3、5、8、13、21、30 d）取土柱20、40、80 cm土樣和底部淋溶液，分別測(cè)定銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的濃度。

1.3 HYDRUS-1D模型構(gòu)建與評(píng)價(jià)

1.3.1 基本方程

（1）非飽和水流動(dòng)力學(xué)方程

HYDRUS-1D軟件水流模型的控制方程為改進(jìn)后的Richards方程，其表達(dá)式如下：

式中：θ為土壤體積含水率，cm3·cm-3；t為時(shí)間，d；z為垂向坐標(biāo)，cm，向下為正；h為壓力水頭，cm；K（h）為非飽和滲透系數(shù)，cm·d-1；s表示根系吸水項(xiàng)，cm3·cm-3·d-1。本次模擬運(yùn)用van Genuchten模型來(lái)計(jì)算K（h）的值，表達(dá)式如下：

式中：θ為土壤體積含水率，cm3·3cm-3；θr為土壤殘余含水率，cm3·cm-3：θs為土壤飽和含水率，cm3·cm-3；α為進(jìn)氣值倒數(shù)，cm-1；m為土壤水分特征曲線適線參數(shù)；n為孔徑分布系數(shù)，n＞1，m=1 - 1/n；Ks為飽和導(dǎo)水率，cm·d-1；Se為有效水分含量，無(wú)量綱；l表示孔徑連通系數(shù)，一般取經(jīng)驗(yàn)值0.5。

作物根系吸水量采用Feddes模型來(lái)計(jì)算，表達(dá)式如下：

S（h）=α（h）Sp（5）

Sp=b（x）Tp（6）

式中：S（A）為根系實(shí)際吸水量；h為土壤基質(zhì)勢(shì)；Sp為潛在根系吸水量，d-1；α（A）為水分脅迫反應(yīng)函數(shù)；b（x）為標(biāo)準(zhǔn)化根系吸水分布函數(shù)，cm-1；Tp為作物潛在蒸騰率，cm·d-1。

（2）氮素遷移與轉(zhuǎn)化方程

本實(shí)驗(yàn)以施用尿素來(lái)討論氮素在土壤剖面的轉(zhuǎn)化和垂向運(yùn)移過(guò)程。尿素的一階衰變鏈如圖2。

氮的轉(zhuǎn)化過(guò)程主要包括：尿素的水解作用；有機(jī)氮礦化成銨態(tài)氮；銨態(tài)氮的硝化作用；硝態(tài)氮的反硝化；土壤對(duì)銨態(tài)氮的吸附；作物對(duì)無(wú)機(jī)氮的吸收。礦化被認(rèn)為是零級(jí)反應(yīng)，其余反應(yīng)均為一級(jí)反應(yīng)。

尿素、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的對(duì)流—彌散運(yùn)移方程為：式中：下標(biāo)1，2和3分別表示尿素、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮；θ為體積含水率，cm3·m-3；cw和cs分別為溶質(zhì)在液態(tài)和固態(tài)中的濃度，mg·L-1;ρ為土壤容重；D為溶質(zhì)在土壤層中的擴(kuò)散系數(shù)，cm2·d-1；q為體積水通量，cm2·d-1；μ為一階氮素轉(zhuǎn)化常數(shù)，d-1；μ'為聯(lián)系尿素、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮之間的一階氮素轉(zhuǎn)化常數(shù)，d-1；γ為零階氮素轉(zhuǎn)化常數(shù)，mg·L-1·d-1。銨態(tài)氮為吸附性物質(zhì)，假設(shè)其吸附過(guò)程符合線性等溫吸附，其中吸附方程為：cs，2=Kd·Cw，2，Kd為線性吸附平衡常數(shù)，cm3·g-1。ra，i=S·cw，i，ra，3、Ta，3分別表示作物根系吸收銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的量，mg·L-1·d-1。

1.3.2 邊界條件與初始條件

水分運(yùn)動(dòng)的上邊界條件設(shè)置為有表面積水的大氣邊界條件，最大積水厚度（hmax）為6cm；下邊界條件則設(shè)置為自由排水邊界條件。水分初始條件采用土壤剖面的初始含水量；溶質(zhì)運(yùn)移上邊界條件設(shè)置為濃度通量邊界，下邊界設(shè)置為零濃度梯度邊界。實(shí)驗(yàn)主要考慮的溶質(zhì)為銨態(tài)氮和硝態(tài)氮，土柱實(shí)驗(yàn)不考慮作物根系吸水作用。

1.3.3 參數(shù)確定

土壤水力參數(shù)初始值采用土壤基本物理性質(zhì)（表1）和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)Rosetta模型進(jìn)行測(cè)算，再結(jié)合土柱淋溶實(shí)驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)校驗(yàn)，得出各土層土壤水力參數(shù)率定值，具體結(jié)果詳見(jiàn)表2。

對(duì)于溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)，基于前人研究，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮在土壤水中的擴(kuò)散系數(shù)分別取經(jīng)驗(yàn)值1.52cm2·d-1和1.64 cm2·d-1，銨態(tài)氮吸附系數(shù)取3.5 cm3·g-1。并利用銨態(tài)氮和硝態(tài)氮濃度對(duì)溶質(zhì)傳輸和轉(zhuǎn)化參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，結(jié)果見(jiàn)表3。

1.3.4 模型校驗(yàn)

采用決定系數(shù)（R2）、均方根誤差（RMSE）和平均絕對(duì)誤差（MAE）對(duì)模擬精度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型率定與驗(yàn)證

基于HYDRUS-1D模型對(duì)旱作花生地剖面0-80cm的土壤含水量、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮濃度進(jìn)行模擬計(jì)算，將其模擬值與花生地不同土層的實(shí)測(cè)值進(jìn)行了比較（圖3），并對(duì)模型精度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)，結(jié)果如表4所示。0-80 cm土壤含水率R2、RMSE、MAE的變化范圍分別為0.882-0.985、0.005-0.014、0.004-0.011 cm3·cm-3。整體來(lái)看，不同土層土壤含水率模擬值與實(shí)測(cè)值吻合度較高。各層土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮濃度模擬值與實(shí)測(cè)值之間的R2、RMSE、MAE分別為0.872-0.978、0.018-5.198、0.015-3.600 mg·L-1。除了0-20cm土層個(gè)別實(shí)測(cè)值與模擬值存在偏差外，整個(gè)土層土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮濃度的模擬值與實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)基本接近。因此模型擬合效果較好，可應(yīng)用于模擬紅壤區(qū)花生地土壤氮素遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程。

2.2 模型應(yīng)用

利用校驗(yàn)好的模型參數(shù)對(duì)研究區(qū)2022年花生生長(zhǎng)季水氮運(yùn)移進(jìn)行模擬與分析。上邊界條件設(shè)置為有地表徑流的大氣邊界條件，輸入日降水?dāng)?shù)據(jù)與蒸散發(fā)數(shù)據(jù)，并加入根系吸收模型，其余參數(shù)不作調(diào)整。利用Penman-Monteith公式和花生作物系數(shù)計(jì)算花生潛在蒸散量ETp：

ETp＝Kc·ETo（10）

式中：Ke為花生作物系數(shù)，苗期取0.58，花針期取0.8，結(jié)莢期取1.07，成熟期取0.65；ET0為參考作物潛在蒸散量。

潛在蒸散量ETp可分為潛在土壤蒸發(fā)量（Ep）和Tp兩部分：

Ep=ETp·eK·LAI（11）

Tp=ETp·（1-eK·LAI）（12）

式中：K為消光系數(shù)；LAI為葉面積指數(shù)。

模擬時(shí)間為2022年4月15日至8月12日共120d，0-90 d為雨季，91-120 d為旱季（圖4）。為研究花生生長(zhǎng)期間施肥和降雨對(duì)土壤氮素運(yùn)移的時(shí)空變化規(guī)律及作物氮素吸收情況的影響，設(shè)定了兩種試驗(yàn)?zāi)Ｊ竭M(jìn)行模擬分析：M模式，即氣象站實(shí)際降雨量（總降雨770 mm）下的不同施肥量（M1=112.5 kg·hm-2、M2=225.0 kg·hm-2、M3=337.5 kg·hm-2），氮肥一次性施入；N模式，即常規(guī)施肥條件（225.0 kg·hm-2）下的不同降雨量（N1=385 mm、N2=770 mm、N3=1 155 mm）模式，模擬0-80 cm土壤剖面氮素的變化過(guò)程及作物氮素吸收情況。

2.2.1 不同環(huán)境下土壤氮素濃度變化特征

花生地施用氮肥后，氮肥在表層土壤中經(jīng)水解產(chǎn)生大量銨態(tài)氮。隨后，這些銨態(tài)氮通過(guò)硝化作用轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，導(dǎo)致硝態(tài)氮濃度迅速增加。在降雨作用下表層土壤的氮素通過(guò)水分傳輸遷移到深層土壤。但由于銨態(tài)氮具有較強(qiáng)的吸附性，大部分仍固定在表層土壤中，只有少量銨態(tài)氮能達(dá)到深層土壤。與此同時(shí)，由于硝態(tài)氮與土壤膠粒均帶負(fù)電荷，導(dǎo)致土壤中的硝態(tài)氮易隨水流運(yùn)移，從而引起氮浸出。

圖5顯示了在M模式下花生生長(zhǎng)季土壤剖面中氮素濃度的動(dòng)態(tài)變化情況。結(jié)果表明，施肥量對(duì)0-20 cm土層土壤銨態(tài)氮量和0-40 cm土層土壤硝態(tài)氮量有顯著影響。隨著施肥量的增加，同一土層中氮素濃度的峰值變高，且峰值出現(xiàn)的時(shí)間更早。具體來(lái)看，在0-20 cm土層，M2和M3處理下銨態(tài)氮濃度峰值相較于M1分別提高了3.53%和24.31%，而硝態(tài)氮濃度峰值分別提高了44.51%和89.27%；在20-40 cm土層內(nèi)，M2和M3處理下硝態(tài)氮濃度峰值相較于M1分別提高了5.10%和23.92%。從土壤剖面來(lái)看，氮素隨土層深度的增加而減小，且M3降幅最大。受紅壤質(zhì)地黏重的影響，深層土壤中氮素濃度達(dá)到峰值的時(shí)間較晚。由此可知，0-40 cm土層氮素濃度對(duì)施肥量響應(yīng)更加明顯，且主要表現(xiàn)在施肥初期。

圖6反映了花生生育期內(nèi)不同土層在N模式下土壤氮素變化情況。結(jié)果表明，氮素濃度隨降雨量的增加呈現(xiàn)出顯著的波動(dòng)，0-80 cm不同土層氮素濃度均有不同程度增加。同一土層各處理土壤氮素濃度隨時(shí)間的波動(dòng)趨勢(shì)相似，波動(dòng)幅度隨土層深度增加而降低。在20 cm土層中，N2和N3處理下銨態(tài)氮濃度峰值相較于N1分別提高10.92%和92.44%，而硝態(tài)氮濃度峰值分別提高48.72%和100.20%；在40 cm土層內(nèi)，與N1相比，N2和N3處理下銨態(tài)氮濃度峰值平均分別增加32.77%和42.86%，硝態(tài)氮濃度峰值平均分別增加13.79%和75.10%。在80 cm土壤處，銨態(tài)氮濃度幾乎可以忽略，而硝態(tài)氮濃度受降雨影響仍變化較大，其在N1、N2和N3處理下的最高值分別為0.64、4.22 mg·L-1和7.28 mg·L-1?？傮w而言，降雨量對(duì)0-40 cm土層內(nèi)銨態(tài)氮濃度有一定影響，而0-80 cm土層內(nèi)硝態(tài)氮濃度受降雨量作用變化顯著。

2.2.2 作物氮素吸收規(guī)律

如圖7所示，在M模式下，隨著氮肥施用量的增加，作物根系氮素吸收通量增大，吸氮量與施氮量的比值卻呈下降趨勢(shì)。其中，M1、M2和M3處理下銨態(tài)氮的吸收量占施氮量的比例分別為16.44%、9.71%和7.54%；硝態(tài)氮的吸收量占施氮量的比例分別為64.27%、36.20%和25.77%。相比之下，不同降雨量對(duì)作物根系氮素吸收通量的影響較小。各處理銨態(tài)氮的吸收量占施氮量的比例范圍為8.45%-9.84%；硝態(tài)氮的吸收量占施氮量的比例范圍為33.98%-36.20%。

2.2.3 硝態(tài)氮淋失特征

圖8顯示了不同模式下硝態(tài)氮累積淋失通量隨時(shí)間變化圖。在M模式下，增加氮肥量后硝態(tài)氮的累積淋失量有升高趨勢(shì)但變化較小，相比于M1，M2和M3處理下的硝態(tài)氮淋失量?jī)H分別增加了4.42%和8.93%。而在N模式下，硝態(tài)氮的累積淋失量隨降雨量的增加呈顯著上升趨勢(shì)。N2和N3處理下的淋失量相較于N1分別增加了148.18%和721.61%。這一發(fā)現(xiàn)表明，降雨量對(duì)硝態(tài)氮淋失的影響顯著大于氮肥施用量，降雨量的增加使得土壤硝態(tài)氮的淋失量呈非線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

3 討論

本研究基于土柱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用HYDRUS-1D模型進(jìn)行了旱作花生地水氮運(yùn)移模擬。結(jié)果表明，模型模擬得到的土壤含水率、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮濃度與室內(nèi)試驗(yàn)的實(shí)測(cè)值具有較好的一致性，且土壤含水率的模擬誤差小于土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的誤差，與汪順生等研究結(jié)果一致。這一現(xiàn)象可能源于環(huán)境條件對(duì)土壤氮素含量影響較大，土壤中的微生物活動(dòng)、氧含量以及溫度等因素都會(huì)影響土壤氮素的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程。相關(guān)研究表明，深層土壤水氮模擬效果優(yōu)于淺層，這與本研究模擬結(jié)果類似。可能是由于淺層土壤易受灌溉和施肥等因素影響。總體上看，模型各評(píng)價(jià)指標(biāo)均在可接受范圍內(nèi)，模型可適用于紅壤區(qū)花生地氮素遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的研究。

在本研究中，土壤中氮素濃度隨著施肥量的增加而升高，其中硝態(tài)氮濃度的變化更為顯著。有研究表明，施加氮肥顯著促進(jìn)了硝化作用，且施氮量與土壤硝態(tài)氮含量顯著正相關(guān)，與本文研究結(jié)果一致。然而，施肥量的變化不僅導(dǎo)致土壤中底物質(zhì)量濃度的改變，還會(huì)影響土壤孔隙結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)水能力，導(dǎo)致根系吸收氮素的差異。本研究表明，盡管作物根系氮素吸收通量增大，吸氮量與施氮量的比值卻呈下降趨勢(shì)。可能原因是花生以根瘤固氮為主，其對(duì)氮素積累的貢獻(xiàn)率最高可達(dá)50%，可有效供給花生生育所需要的大部分氮素營(yíng)養(yǎng)。所以過(guò)量施用氮肥不僅導(dǎo)致花生產(chǎn)量增加不顯著，還降低了肥料利用率。

本研究結(jié)果顯示，雨養(yǎng)農(nóng)田土壤氮素的變化特征與降雨量具有明顯相關(guān)性。由于以灌溉為主的農(nóng)田在降雨事件發(fā)生時(shí)，受淹水層緩沖作用后土壤水氮對(duì)降雨并不敏感，所以大部分研究集中在對(duì)灌溉量的探討上，比如許雪婷等對(duì)平原河網(wǎng)區(qū)水稻田的模擬結(jié)果表明，土壤各形態(tài)氮素累積量隨著灌溉量的增加而增加，且硝態(tài)氮較氨氮更易隨土壤水分向土壤深層遷移。而降雨量作為旱作農(nóng)田主要的土壤水分補(bǔ)給，降雨強(qiáng)度影響著土壤表面水分再分配和土壤內(nèi)部向下的人滲水量，進(jìn)而影響氮素的遷移轉(zhuǎn)化。進(jìn)一步研究表明，施氮量為225.0 kg·hm-2時(shí)，在雨季當(dāng)總降雨量大于173 mm且降雨強(qiáng)度大于11 mm·d-1時(shí)，80 cm土層硝態(tài)氮濃度明顯上升，至少達(dá)到1 mg·L-1；在花生生長(zhǎng)季后期，天氣較為干旱，當(dāng)發(fā)生單日強(qiáng)降雨事件，即總降雨量大于135 mm且降雨強(qiáng)度大于135 mm·d-1時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致80 cm土層硝態(tài)氮濃度急速升高，硝態(tài)氮濃度也可達(dá)到1 mg·L-1?？赡苁堑陀陱?qiáng)長(zhǎng)歷時(shí)降雨事件主要補(bǔ)充表層土壤水分，降水大部分被用于作物根系利用和蒸散發(fā)損失；而高雨強(qiáng)短歷時(shí)的降雨事件雨水勢(shì)能大，水壓增強(qiáng)，則會(huì)提高土壤入滲速率，雨水能夠攜帶硝態(tài)氮運(yùn)移到深部土層。這就解釋了高雨強(qiáng)事件能在相對(duì)較少的降雨量下，土壤硝態(tài)氮就能運(yùn)移到80 cm土層。因此，在滿足作物氮需求的前提下，避免在強(qiáng)降雨前施肥，同時(shí)做好農(nóng)田排水工作，降低降雨入滲率，有助于減少氮損失。

本研究發(fā)現(xiàn)，隨著降水量的增加，硝態(tài)氮浸出量顯著增加。先前的研究也指出，強(qiáng)降雨顯著影響農(nóng)業(yè)氮循環(huán)，并加速氮素的淋溶損失。雖然紅壤花生地土壤顆粒級(jí)配較差，孔隙率高，導(dǎo)致土壤氮素對(duì)降雨響應(yīng)具有一定的滯后效應(yīng)，但是本研究結(jié)果證明了花生地對(duì)紅壤區(qū)地下水硝酸鹽的潛在污染不容忽視。為了減少旱作土壤中的氮損失，并降低地下水面臨的潛在污染威脅，應(yīng)在區(qū)域范圍內(nèi)優(yōu)化種植策略，有效控制紅壤丘陵區(qū)的非點(diǎn)源污染。

4 結(jié)論

（1）本研究采用HYDRUS-1D模型構(gòu)建了紅壤區(qū)花生地的水氮?jiǎng)討B(tài)遷移模型，模型具有較高的模擬精度，模型表現(xiàn)出較高的R2（大于0．87），且均方根誤差和平均絕對(duì)誤差均在可接受范圍內(nèi)。因此，模型可用于模擬旱作花生地土壤剖面中氮素的動(dòng)態(tài)遷移與轉(zhuǎn)化。

（2）土壤中氮素的運(yùn)移受到施肥量和降水因素的共同影響。施肥量變化主要影響0-40 cm土層內(nèi)氮素濃度變化，而改變降雨量影響0-80 cm土層內(nèi)氮素的遷移轉(zhuǎn)化。銨態(tài)氮和硝態(tài)氮濃度與施肥量和降雨量均呈正相關(guān)，氮素濃度隨土層深度的增加而逐漸下降。

（3）隨著施肥量的增加，作物根系對(duì)氮素的吸收通量有所增大，但吸氮量與施氮量的比例卻呈下降趨勢(shì)。降雨條件對(duì)根系氮素吸收量的影響相對(duì)較小。

（4）硝態(tài)氮的淋失是花生種植地的主要氮損失方式。模擬分析表明，降雨和施肥都會(huì)影響硝態(tài)氮的淋失量。降雨量的增加加速了氮素向下運(yùn)移，并顯著提高了硝態(tài)氮的浸出量，而施肥量的改變對(duì)硝態(tài)氮累積淋失量的影響較小。因此，在降水量較大且地下水埋藏層較淺的農(nóng)業(yè)種植區(qū)，需要特別關(guān)注硝態(tài)氮淋溶的風(fēng)險(xiǎn)。

（責(zé)任編輯：葉飛）

基金項(xiàng)目：第二次全國(guó)污染源普查項(xiàng)目（2110399）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42107098）；江蘇省研究生科研與實(shí)踐創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目 （SJCX23_0180）