控制灌溉條件下稻田水氮運移模擬分析

摘 要：應用HYDRUS-1D模型對控制灌溉條件下的稻田水氮運移情況進行模擬分析。結果表明，淺層土壤中的氮素隨水分運移顯著，施肥后6日內，田間補水能顯著提高銨態氮濃度增幅，之后銨態氮趨于穩定，而硝態氮卻持續活躍。因此，施肥后應盡量控灌減排，并可根據施肥后氮隨時間的變化特點選擇適宜的凈化措施，從而控制農業非點源污染，修復水土環境。

關鍵詞：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，直接影響著農作物的生長水平[1，2]。由于氮肥的施用和農業管理不當，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流失到大氣系統以外，一部分積累在土壤中，使農田土壤的養分盈余不斷提高，導致農田生態系統營養流失量的增加，一部分通過排水、徑流、滲漏等途徑向水體遷移，導致了水體富營養化現象的發生，造成了難以治理的環境污染問題[2]。因此，控制農田氮流失是治理農業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致研究這個問題的復雜性。從預防污染的角度分析，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]。文章根據試驗區的水土特點，通過參數設置，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，為合理制定農田排水方案，探尋切實可行的農業水土環境修復措施提供參考。

1 模擬試驗區概況

試驗區位于浙江省余姚市河姆渡鎮內。氣候條件屬于北亞熱帶季風氣候區，雨量集中在4-6月的梅雨季節和7-9月的臺風季節，形成兩個峰值，年降水量1987～1263mm，年蒸發量900～950mm，年平均濕度80%，干旱指數為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。土壤情況具體見表1和表2。

2 模型計算條件及參數

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。由于氮素的轉化復雜，研究水稻田中氮素運移時，分別研究銨態氮和硝態氮的運移狀況。所定邊界初始條件和模型各參數如下：

模擬土體的下邊界設在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，因此下邊界條件為變壓力水頭；

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

2.2 參數設定

土壤水分參數選用Van Genuchten-Mualem方程進行計算，并且忽略滯后作用。根據試驗區土壤結構和水分特性，利用HYDRUS-1D模型自帶的神經網絡預測功能，求得土壤水分參數初值見表3。

溶質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，溶質運移模型選用平衡模型，溶質運移參數見表4。

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

3 模擬結果分析

3.1 不同土層的土壤水分動態

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，為保持設定的土壤含水量，需要定期對土壤進行灌水，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一定的滯后效應，由圖1還知，40cm土層含水量最大，這是由于該土層為粉砂質粘土，粘粒多，對水分的吸持力大，是土壤理化性質的表現，符合實際情況。

3.2 不同土層的氮素變化動態

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

3.3 不同土層的水氮運移相關性

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

經對比還發現，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 結束語

根據對HYDRUS-1D模擬水稻分蘗期內控制灌溉下的水氮運移結果分析，施肥后淺層土壤中的氮素隨水分運移顯著，即使施肥6d后銨態氮的運移趨于穩定，但硝態氮卻依然保持活躍。為防止土壤中的氮素流失，在種植水稻過程中應控制灌水次數和灌水量，不建立田面水層，使田間保持“只濕不淹”的狀態，不僅可節省灌溉水量，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，選擇適宜的生態減污方法，吸納農田排水中的氮素，對降低農田面源污染有相當重要的意義。

參考文獻

[1]樊向陽，龐鴻賓，齊學斌，等.氮素運移轉化機理研究現狀及展望[C].中國青年農業科學學術年報.北京：中國農業科技出版社，2004：172-176.

[2]王夏暉，劉軍，王益權.不同施肥方式下土壤氮素的運移特征研究[J].土壤通報，2002，33（3）：202-206.

[3]曹志洪.科學施肥與我國糧食安全保障[J].土壤，1998（2）：57-63.

[4]張春倫，朱興明，胡思農.緩釋尿素肥效及氮素利用率研究[J].土壤肥料，1998（6）：17.

[5]肖夢華，俞雙恩，章云龍.控制排水條件下淹水稻田田面及地下水氮濃度變化[J].農業工程學報，2011，27（10）：180-186.

[6]張文淵.水環境中的氮污染特征與影響因素[J].黑龍江環境通報，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：水利工程在農業水土資源中的利用。