改進(jìn)暗管排水條件下氮素分布特性模擬分析

陶 園，許 迪,任賀靜，王少麗

(1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100048；2.國家節(jié)水灌溉北京工程技術(shù)研究中心，北京 100048)

農(nóng)業(yè)面源污染對(duì)于農(nóng)田水環(huán)境具有重要影響，過多的氮磷污染物通過地表徑流直接進(jìn)入水體會(huì)導(dǎo)致地表水體富營養(yǎng)化[1-3]，而入滲的氮磷進(jìn)入含水層會(huì)引起地下水污染物超標(biāo)，很多地區(qū)出現(xiàn)地下水硝酸鹽含量超標(biāo)現(xiàn)象[4-5]。農(nóng)田排水是農(nóng)業(yè)面源污染進(jìn)入水體的主要途徑，選擇合理的農(nóng)田排水技術(shù)，營造良好的農(nóng)田水環(huán)境是發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)的重要步驟。

暗管排水作為具有較大發(fā)展?jié)摿Φ霓r(nóng)田排水方式，其氮素淋失變化規(guī)律尚未有統(tǒng)一的結(jié)論。主要原因在于已有研究大多集中于試驗(yàn)分析，土壤氮素初始背景值存在差別，水流經(jīng)過土壤進(jìn)入暗管排出的過程中，土壤對(duì)氮素有吸附、轉(zhuǎn)化等作用，同時(shí)水流對(duì)土壤中的氮素也具有淋洗的作用，每個(gè)環(huán)節(jié)均影響著暗管排水中的氮素含量[6]。改進(jìn)暗管排水作為一種新型的暗管排水方式，可以有效增大暗管排水流量、加速地表澇水排除以及快速降低地下水位[7-9]。然而不同于常規(guī)暗管排水，改進(jìn)暗管排水設(shè)置了大范圍的反濾體，其可以有效改善土壤的理化性質(zhì)，同時(shí)也會(huì)影響土壤中氮素的遷移、轉(zhuǎn)化和吸附能力，已有試驗(yàn)研究初步表明改進(jìn)暗管排水可以有效減少排水中氨氮濃度，但卻增加硝態(tài)氮濃度[10]。本研究基于田間試驗(yàn)分析，采用率定驗(yàn)證后的HYDRUS模型參數(shù)，考慮長期排水作用下，對(duì)比分析改進(jìn)暗排與常規(guī)暗排作用下排水中的氮素含量以及土壤氮素分布情況，為改進(jìn)暗管排水的推廣應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)布設(shè)

田間試驗(yàn)于2017年在淮北平原新馬橋農(nóng)水綜合試驗(yàn)站(117°22′ E, 33°09′ N)進(jìn)行，設(shè)置了5個(gè)18 m(寬度)×17 m(長度)的試驗(yàn)小區(qū)，包括卵石反濾體改進(jìn)暗排小區(qū)、秸稈反濾體改進(jìn)暗排小區(qū)、分層級(jí)配砂石反濾體改進(jìn)暗排小區(qū)、混合級(jí)配砂石反濾體改進(jìn)暗排小區(qū)以及常規(guī)暗排小區(qū)。為防止不同試驗(yàn)方案間的水流交互影響，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)鋪設(shè)3根暗管，暗管間距6 m，暗管長度17 m。暗管采用直徑75 mm、出廠前預(yù)包土工布的打孔波紋塑料管。考慮到當(dāng)?shù)剞r(nóng)田排水的主要任務(wù)是除澇降漬，且耕地以旱作為主，在滿足降漬設(shè)計(jì)要求的條件下，選擇暗管埋深0.8 m。為便于觀測(cè)以及較小范圍施工，反濾體的選擇寬度為0.4 m、高度為0.5 m，回填表土厚度(耕作層厚度)為0.3 m。所有暗管的排水均經(jīng)由地下管道連接系統(tǒng)流入2個(gè)觀測(cè)井。當(dāng)降雨產(chǎn)生地表積水或地下水埋深小于30 cm時(shí)開展排水試驗(yàn)，每次排水試驗(yàn)通常持續(xù)1 d。根據(jù)地下水位條件，2017年9月6日和12日開展了2次排水試驗(yàn)，并進(jìn)行了全要素監(jiān)測(cè)，主要包括分別于排水開始后60、220、380 min以及70、260、440 min對(duì)排水中氮素濃度進(jìn)行取樣測(cè)量，包括暗管排水流量、排水前后土壤分層含水率、暗管中部氮素含量等。本文主要對(duì)卵石反濾體改進(jìn)暗排和常規(guī)暗排進(jìn)行對(duì)比分析，通過雙環(huán)試驗(yàn)測(cè)定得到卵石和常規(guī)暗排小區(qū)滲透系數(shù)分別為0.916 m·d-1和0.805 m·d-1，土壤氮素背景值詳見率定驗(yàn)證部分。

1.2 數(shù)值模擬

HYDRUS可用于模擬非均質(zhì)不規(guī)則結(jié)構(gòu)，模型采用修正的Richards方程描述二維飽和及非飽和土壤水流運(yùn)動(dòng)，采用VG模型描述土壤水力運(yùn)動(dòng)特性[11]。對(duì)于土壤氮素來說，在模擬過程中主要包括兩個(gè)過程，一是銨態(tài)氮硝化反應(yīng)成為硝態(tài)氮，土壤礦化固持作用以及表層蒸發(fā)作用產(chǎn)生的銨態(tài)氮量變化，二是硝態(tài)氮反硝化形成氮?dú)狻８鶕?jù)氮素循環(huán)過程，得到溶質(zhì)運(yùn)移方程如下：

(1)

(2)

模型外邊界設(shè)置為無流量邊界，考慮到田間試驗(yàn)每次排水僅開啟1 d時(shí)間，為了更好模擬2次排水暗管邊界設(shè)置為變流量邊界，當(dāng)排水時(shí)設(shè)置流量邊界壓力水頭為0 cm，排水關(guān)閉時(shí)邊界設(shè)置為壓力水頭1 000 000 cm，模型上邊界因需考慮日降雨條件所以設(shè)定為大氣邊界。

1.3 模擬情景

基于率定驗(yàn)證后的模型，進(jìn)行模擬情景分析。參考現(xiàn)有土壤氮素水平的均值，取初始土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量分別為5.6 mg·kg-1和8.4 mg·kg-1。考慮到降雨大多發(fā)生在6—9月，因此模擬時(shí)段選擇2017年5月至10月，涵蓋南方旱作的整個(gè)生育期，降雨和蒸發(fā)量見圖1。

2 結(jié)果與分析

2.1 參數(shù)率定和驗(yàn)證

模型尺寸及參數(shù)表達(dá)詳見文獻(xiàn)[7]，通過率定驗(yàn)證得到土壤水力參數(shù)n和l分別為1.8和0.5，土層0～10, 10～30，30～1 000 cm的a值分別為0.01、0.016、0.014 cm-1。卵石對(duì)應(yīng)的水力參數(shù)θr、θs、a、n、l、Ks值分別為0.005 cm3·cm-3、0.42 cm3·cm-3、0.16 cm-1、2.8 cm·min-1、0.5 cm·min-1、4 cm·min-1。不同土層以及反濾體的參數(shù)，氮素在自由水中的擴(kuò)散系數(shù)為1.52 cm2·d-1[12]，土層礦化固持系數(shù)均為0～10、10～20 cm分別取8.6×10-7、5.8×10-7d-1，土壤和反濾體的縱向彌散度(DL)分別為12 cm和30 cm[12-13],橫向彌散度(DT)取DL的1/5，吸附系數(shù)(Kd)、硝化系數(shù)(Kn)和反硝化系數(shù)(Kdn)見表1。可以看到卵石改進(jìn)暗排作用下的土壤硝化系數(shù)要大于常規(guī)暗排作用，得到累計(jì)排水量、土壤含水率、土壤銨態(tài)氮和土壤硝態(tài)氮含量的模擬值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比圖(圖2)。統(tǒng)計(jì)分析得到改進(jìn)暗排作用下累計(jì)排水量、土壤含水率、土壤銨態(tài)氮和土壤硝態(tài)氮含量的相對(duì)誤差普遍小于15%，僅常規(guī)暗排作用下排水中氨氮和土壤硝態(tài)氮指標(biāo)相對(duì)誤差較大(27%)，總體上可認(rèn)為該模型參數(shù)合理。

2.2 情景模擬參數(shù)設(shè)定

基于率定驗(yàn)證后的結(jié)果，假定土壤為均質(zhì)土，土壤和卵石水力特性參數(shù)θr、θs、a、n、l、Ks值分別為0.05 cm3·cm-3、0.44cm3·cm-3、0.014 cm-1、1.8 cm·min-1、0.5 cm·min-1、0.0585 cm·min-1和0.005 cm3·cm-3、0.42 cm3·cm-3、0.16 cm-1、2.8 cm·min-1、0.5 cm·min-1、4 cm·min-1。考慮到情景模擬中為暗管長期作用，與田間試驗(yàn)的邊界條件有所差別，情景模擬時(shí)暗管邊界設(shè)定為滲流邊界。

2.3 排水特性

由于暗管一直處于開啟狀態(tài)，因此一般情況下地下水位位于暗管埋深以下，不發(fā)生大降雨或持續(xù)降雨時(shí)暗管并不產(chǎn)生排水。模擬時(shí)段內(nèi)，單長(本文單長均指代1 cm)常規(guī)暗排與改進(jìn)暗排日主要排水時(shí)段排水情況如圖3所示。2017年9月25日降雨量達(dá)到110 mm,暗管產(chǎn)生單日最大排水量，該日改進(jìn)暗排的排水量約較常規(guī)暗排增大17%，同時(shí)由圖3可以看到9月26日和27日改進(jìn)暗排的排水量較常規(guī)暗排有所減少，間接反映了改進(jìn)暗排快速排除地下水的作用，10月1日和10月11日的兩次降雨條件下也均反映了此規(guī)律。

2.4 氮磷排放效應(yīng)

圖4給出了常規(guī)暗排和改進(jìn)暗排作用下排水中氨氮和硝態(tài)氮濃度。由圖4可以看到改進(jìn)暗排作用下的排水時(shí)間更少，10月1日以及10月11日開始的連續(xù)降雨情況下，改進(jìn)暗排均提前1 d結(jié)束排水，可以看出改進(jìn)暗排較常規(guī)暗排具有更快的排水效率。此外，整個(gè)模擬時(shí)段內(nèi)常規(guī)暗排氨氮和硝態(tài)氮排放量分別為5.29 mg和91 mg,改進(jìn)暗排對(duì)應(yīng)的排放量分別為2.7 mg和106 mg。與常規(guī)暗排相比，改進(jìn)暗排對(duì)于氨氮具有較好的削減作用，可減少氨氮46%，但增加了17%的硝態(tài)氮。從排水濃度來看，硝態(tài)氮濃度較大的情況均出現(xiàn)在開始排水當(dāng)日，主要原因在于降雨會(huì)加快土壤中硝態(tài)氮的運(yùn)移。

圖1 2017年5—10月日降雨量和蒸發(fā)量Fig.1 Rainfall and evaporation in May to October 2017

表1 率定驗(yàn)證的氮素特性參數(shù)

注：(a)常規(guī)-率定期；(b)常規(guī)-驗(yàn)證期；(c)改進(jìn)-率定期；(d)改進(jìn)-驗(yàn)證期。Note: (a)Conventional-calibration;(b)Conventional-verification;(c)Improved-calibration;(d)Improved-verification.圖2 常規(guī)暗排和改進(jìn)暗排作用下土壤及排水中氮素含量實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比Fig.2 Comparison of simulated and observed N in soil and outflow under conventional and improved subsurface drainage

2.5 土壤氮素分布特性

圖5給出了模擬結(jié)束時(shí)兩暗管間不同土層深度的氮素分布，可以看到由于改進(jìn)暗排作用下的土壤硝化作用大于常規(guī)暗排，導(dǎo)致改進(jìn)暗排作用下的土壤銨態(tài)氮含量顯著低于常規(guī)暗管排水作用。長期排水作用下土壤表層銨態(tài)氮含量最大，常規(guī)暗排與改進(jìn)暗排土壤表層銨態(tài)氮差別最大，二者差值達(dá)到5 mg·kg-1，但在40～60 cm土層的銨態(tài)氮含量相差最小，二者僅相差0.3 mg·kg-1。對(duì)于土壤硝態(tài)氮含量來說，30 cm左右土層的土壤硝態(tài)氮含量最小，僅為初始值的10%，表層土壤由于銨態(tài)氮硝化作用的轉(zhuǎn)化使得硝態(tài)氮含量較大，土壤硝態(tài)氮的遷移速率較大，常規(guī)暗排和改進(jìn)暗排長期排水作用下暗管層上部的土壤硝態(tài)氮含量相差不大，該位置土壤硝態(tài)氮含量的主要影響因素為暗管排水，在土層120 cm以下，二者作用下的硝態(tài)氮含量差別逐步明顯，說明此位置土壤硝態(tài)氮的含量主要受到土壤硝化和反硝化作用影響。

圖3 常規(guī)暗排和改進(jìn)暗排作用下暗管排水量變化Fig.3 Discharge under conventional and improved subsurface drainage

圖4 常規(guī)暗排和改進(jìn)暗排作用下排水中氨氮和硝態(tài)氮濃度 and N-N concentration in drainage water under conventional and improved subsurface drainage

圖5 常規(guī)暗排和改進(jìn)暗排作用下土壤銨態(tài)氮及硝態(tài)氮含量分布Fig.5 The distributions of soil and N-N content under conventional and improved subsurface drainage

3 討 論

改進(jìn)暗管排水中硝態(tài)氮含量較常規(guī)暗管排水有所增加，對(duì)于該現(xiàn)象可以從兩個(gè)角度進(jìn)行理解，一方面的確增加了地表水中的硝態(tài)氮量，但另一方面也減少了地下水中的硝態(tài)氮含量，考慮到很多地區(qū)的地下水存在硝態(tài)氮含量過高的嚴(yán)峻威脅[14-15]，此時(shí)可以理解為排出更多的硝態(tài)氮對(duì)于緩解地下硝酸鹽過高具有一定正向作用，通常地下水硝態(tài)氮超標(biāo)難以處理，然而轉(zhuǎn)移至地表后，處理相對(duì)容易，可采用物理、化學(xué)、生物等多種方法[16-17]。

此外，根據(jù)上述分析可以看到模擬結(jié)束時(shí)土壤20～40 cm土層硝態(tài)氮含量最少、40～60 cm銨態(tài)氮含量最少，硝態(tài)氮和銨態(tài)氮作為根系可利用的氮素，對(duì)于植物生長具有重要作用[18]。目前，我國大田作物的主要施肥方式仍為地表施肥，然而由于地表氮素的礦化固持作用，地表土壤氮素含量已明顯高于其他土層，肥料需經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)移至表層以下才可以被下層根系吸收，也導(dǎo)致肥料利用率不高。已有研究表明氮肥深層施用可增加作物深層土壤根系，利于氮素高效吸收以及作物產(chǎn)量提高[19]。若暗管排水與深層施肥相結(jié)合，則對(duì)于作物生長會(huì)起到更加有效的作用，仍有待深入探討，相同土壤背景值條件下土壤和排水中氮素的特性有待進(jìn)一步分析。

4 結(jié) 論

基于率定驗(yàn)證后的HYDRUS模型，通過對(duì)比分析改進(jìn)暗排與常規(guī)暗排長期作用下排水特性、排水中的氮素含量以及土壤氮素分布情況發(fā)現(xiàn)：

1)降雨量越大，改進(jìn)暗排的排水作用越明顯，相比于常規(guī)暗管排水，改進(jìn)暗排具有好的排水能力。

2)長期排水作用下，與常規(guī)暗排相比，改進(jìn)暗排對(duì)于氨氮的削減具有較好作用，可減少氨氮46%，但同時(shí)也增加了17%的硝態(tài)氮。

3)從土壤分布來看，與常規(guī)暗排相比，改進(jìn)暗排作用下土壤銨態(tài)氮含量明顯減少，二者土壤表層銨態(tài)氮差別最大，差值達(dá)到5 mg·kg-1，在40～60 cm土層的銨態(tài)氮含量相差最小，二者僅相差0.3 mg·kg-1，暗管上部的土壤硝態(tài)氮含量差別很小，差值小于1 mg·kg-1。