運用DRAINMOD_NII 分析排水暗管布置對水稻產量及氮素流失量的影響

王亞妮，耿九飛，劉德高，程華進，王錢超

（1.淮安市水利勘測設計研究院有限公司,江蘇 淮安 223005；2.寬城滿族自治縣水務局,河北 承德 067000；3.水發規劃設計有限公司,山東 濟南 250014）

1 概述

為提高作物產量,農業生產中大量使用化肥,僅有部分被作物吸收利用,大部分隨農田排水進入地表水體,造成嚴重的農業面源污染。以水稻產量為目標,調控農田氮磷流失量已經成為近年的主要研究問題[1]。研究水稻田氮素流失的手段,隨著計算機以及數學模型手段的完善,利用基于物理過程的數學模型越來越多的成為研究者分析、預測污染物流失規律的工具[2]。Youssef 已成功地測試了DRAINMODNΠ 氮素運移模型的可行性和實用性,該模型在氮循環過程中定量計算氮運移數值。本文從尋求合理的排水暗管布置為落腳點,以提高水稻產量和減少氮素流失為目的,運用DRAINMOD-NΠ 模型進行數據分析,為尋求調控氮素流失方法和減少地表水體污染提供一定的技術支撐。

2 灌區介紹

2.1 灌區概況

竹絡壩灌區始建于1957 年,地處江蘇省淮安市北部,位于淮沭河以西,北至總六塘河,南接中運河,西與宿遷市的泗陽縣相鄰,灌區總面積348.45 km2,耕地32.25 萬畝,設計灌溉面積32.0 萬畝。骨干排澇河道為躍進河和渠西河兩條,排水入六塘河地涵,大溝7 條,中溝121 條,小溝1464 條。

2.2 水文氣象

灌區地處北亞熱帶和南暖溫帶交界區內,受季風環流影響,冬季寒冷干燥,夏季高溫多雨,秋季天高氣爽,四季分明,光照充足,雨水充沛,年平均氣溫14.10℃,年均最高氣溫36.5℃,年日照時數為2233.41 小時,年均無霜期216 天。最大風速為23 m/s,年降水量平均為936.6 mm,年蒸發量968.8 mm。

2.3 排水系統

灌區骨干排水系統主要包括中溝、大溝及外河。田間大部分以小溝排水至中溝,小部分稻田采用暗管排水至中溝,再排入大溝,最終匯入外河。本文主要研究排水暗管布置對排水量及氮素流失量的影響。區域排水系統分布見圖1。

3 模型介紹

DRAINMOD_NII 是較完整的田間氮素運移模型,主要包括水文和水質兩部分,其中水質部分以氮素循環及運移和轉化為基礎模擬和預測氮素流失情況。氮素運移部分包括大氣沉積物、礦物質氮肥的利用、動植物殘留體等有機氮對土壤的改良作用,作物吸收作用、有機碳的分解、氮的礦化及固定、硝化反硝化作用、氨的揮發作用、地下排水及地表徑流中氮素流失[3]。

3.1 水文計算

模型的水文計算包括水量平衡計算和水量管理計算兩個過程[4],見圖2。

圖2 DRAINMOD_N Ⅱ水平衡

3.1.1 水量平衡計算

（1）Δt 時間的地表水量平衡計算為：

式中：ΔS 為地表水的變化量,cm；P（I）為降雨量和灌溉水量,cm；F 為土壤的入滲量,m；RO 為地表水徑流量,cm。

（2）Δt 時間的土壤水量（地下水量）平衡計算為：

式中：ΔVa為土壤水量變化量,cm；D 為土壤側向排水量,cm；ET 為作物蒸散發量,cm；DS 為土壤深層滲漏量,cm；F 為土壤入滲量,cm。

3.1.2 水量管理計算

該模型水量管理計算主要以作物相對產量為控制目標,反應土壤水分過多、水分不足及種植延遲的綜合影響,計算公式如下：

式中：RY為作物相對產量,%；Y 為作物實際產量,kg；Y0為理想條件下的最高產量,kg；RYw為水分過多影響的作物相對產量,%；RYd為水分不足影響的作物相對產量,%；RYp為種植延遲影響的作物相對產量,%。

3.2 氮素循環

該模型氮循環過程主要包含NHx-N、NO3--N 和ON 三種氮型式。應用時根據實際環境和條件選擇不同的轉化模式。三種模式如下所示：

1）僅考慮硝態氮,此時硝態氮為礦化作用的最終產物,且隨地表徑流、地下排水、植物吸收、生物固氮、大氣沉降及施肥等過程均只是硝態氮。該模式不能模擬銨及銨形式化肥（如尿素和無水氨）。

2）不僅考慮硝態氮,而且考慮銨態氮及氨形式氮。由于帶負電荷的土壤顆粒和土壤膠體對帶正電荷的銨鹽有一定的吸附作用,則銨態氮處于固相和液相的平衡狀態[5]。

3）考慮氣態氨,當土壤溶液的pH 值大于輸入值時,銨氮和揮發性的氨態氮之間存在一個平衡狀態,此時模型會計算氨揮發所引起的氮損失。當土壤pH ≤7.5 時,以NH4+-N為主；當土壤pH＞7.5 時,以NH3-N 為主[6]。

DRAINMOD_NII 模型模擬氮素運移原理以多相一維對流彌散反應方程為基礎。

4 模型參數

4.1 氣象數據

模型輸入的氣象數據由淮陰區徐溜鎮氣象站收集統計得到。主要包括：日最低氣溫和日最高氣溫,日降雨量,日潛在騰發量。采用Penman-Monteith 公式計算參照蒸發量[4]。

4.2 土壤參數

基于實測土壤顆粒分析數據,以模型提供的計算方法,推導水分特征曲線[4],計算土壤排水量的給水度和土壤潛水上升通量等參數。主要參數見表1。

表1 模型輸入的土壤參數

4.3 灌溉參數

本文作物主要以水稻為對象,因此,根據灌區水稻的灌溉情況,統計調查分析模型輸入相關參數。模型輸入的灌溉參數主要包括次灌水量、灌水周期、灌水次數。

1）次灌水量：以1.9 cm/h 的灌水率從早8∶00 到晚10∶00；

2）灌水周期：分為兩個周期：第一個周期從泡田（6 月10日）至開始曬田（7月14日）,第二個周期曬田結束（7月20日）到成熟期（10 月10 日）；

3）灌水次數：間隔4 天灌一次,全生育期共灌水20 次。

4.4 排水參數

模型輸入排水參數主要包括地下排水和地表排水。本文地下排水主要為暗管排水,參數包括暗管的埋深、間距及有效半徑,排水模數、側向飽和導水率及土壤不透水層深度；地表排水參數主要為田面平整度[4]。根據灌區實際情況結合相關資料由模型率定得到排水參數見表2。

表2 模型輸入的排水參數

4.5 作物參數

模型作物輸入參數為整個生長期內水稻有效根深隨時間的變化情況。根據灌區水稻種植和收獲日期,結合模型方法計算不同時間的有效根深系[4],參數見表3。

表3 模型輸入的作物參數

4.6 氮素參數

模型輸入的氮素參數主要包括施肥參數和氮素運移參數。施肥參數為灌區實際水稻施肥日期和施肥量,氮素運移轉化參數采用模型計算方法調整和率定,具體見表4。

表4 模型主要選用的氮素運移參數

5 模擬結果

5.1 模擬不同排水暗管布置的水稻產量

運用DRAINMOD_NII 模擬竹絡壩灌區不同排水暗管布置（暗管埋深50 cm、70 cm、90 cm、120 cm,暗管間距50 cm、90 cm、120 cm、150 m）的水稻相對產量,見圖3。

圖3 不同排水系統的水稻相對產量

結果顯示,暗管間距70 m 和90 m 時,埋深70 cm 和90 cm的水稻相對產量較高,其中,間距90 m、埋深90 cm 時,相對產量最高,達到86%。由此可見,排水暗管間距過小或者過大,水稻相對產量均不高,原因是,排水間距小,水勢梯度增大,根據達西定律,土壤水下滲速度加快,大量水分排入排水管,排出土體,導致單位時間內土壤水分缺乏,無法滿足水稻生長所需；排水間距過大,導致水勢梯度減小,土壤水下滲速度減慢,大量土壤水分無法排出土體,單位時間內土壤水分過量,導致水稻受澇漬影響,而影響產量。

5.2 模擬不同排水暗管布置的氮素流失量

模擬灌區不同排水暗管布置（暗管埋深50 cm、70 cm、90 cm、120 cm,暗管間距50 cm、90 cm、120 cm、150 m）的水稻整個生長期內NH4-N和NO3-N累積流失量,見圖4～圖5。

圖4 不同排水系統的NH4-N 累積流失量

圖5 不同排水系統NO3-N 累積流失量

結果顯示,隨暗管間距增大,NH4-N 和NO3-N 累積流失量減小,原因是排水間距增大,排水量減小,隨排水流失的氮素流失量也減少,氮素流失量與排水量變化趨勢基本一致[7]。排水間距50 m、埋深120 cm 的NH4-N 和NO3-N 累積流失量最大,值分別為13.16 kg/hm2、23.16 kg/hm2,埋深為50 cm 的兩種氮素累積流失量均最小,值分別為9.82 kg/hm2、16.19 kg/hm2,比埋深120 cm 各減少了34.01%、43.05%。說明同一排水間距時,埋深越深,氮素累積流失量越大,原因是同一排水間距,埋深越深,排水量越大,隨排水流失的氮素流失量也增大。

6 結論與討論

本文模擬結果顯示,暗管間距90 m、埋深90 cm 時,水稻產量最高。隨排水暗管間距增大,NH4-N 和NO3-N 累積流失量均逐漸減小,兩種氮素在同一排水間距時,埋深越深,累積流失量越大,埋深越小,累積流失量越小。因此,合理的排水暗管布置系統不僅可以提高水稻產量,而且有效地降低稻田氮素流失量。

竹絡壩灌區現狀排水系統（間距90 m,深度70 cm）下水稻相對產量和氮素流失量適中,說明現有的排水系統布置基本合理,值得推廣使用。