控制灌溉条件下稻田水氮运移模拟的问题和策略

　氮素是作物生长的必需大量元素之一，直接影响着农作物的生长水平。由于氮肥的施用和农业管理不当，目前我国的氮肥平均利用率仅为30%～50%，盈余的氮素除通过氨挥发流失到大气系统以外，一部分积累在土壤中，使农田土壤的养分盈余不断提高，导致农田生态系统营养流失量的增加，一部分通过排水、径流、渗漏等途径向水体迁移，导致了水体富营养化现象的发生，造成了难以治理的环境污染问题。因此，控制农田氮流失是治理农业面源污染的根本措施之一。
　　影响氮素向水体迁移的因素很多，各因素之间的相互作用更导致研究这个问题的复杂性。从预防污染的角度分析，影响因素可以归纳为三种：施肥的种类、方法和时间；土地利用类型及耕作强度；降雨量及降雨强度。文章根据试验区的水土特点，通过参数设置，将上述影响因素融合到HYDRUS-1D模型中，模拟控制灌溉下水稻分蘖期的水氮运移，分析控灌条件下稻田的氮素变化特点，为合理制定农田排水方案，探寻切实可行的农业水土环境修复措施提供参考。
　　1 模拟试验区概况
　　试验区位于浙江省余姚市河姆渡镇内。气候条件属于北亚热带季风气候区，雨量集中在4-6月的梅雨季节和7-9月的台风季节，形成两个峰值，年降水量1987～1263mm，年蒸发量900～950mm，年平均湿度80%，干旱指数为0.72。多年平均温度16.5℃，年平均日照2061h，日照率47%，无霜期228d。稻田地下水埋深在50cm～150cm范围内。土壤情况具体见表1和表2。
　　2 模型计算条件及参数
　　2.1 初始条件和边界条件
　　利用HYDRUS软件模拟水稻施尿素75kg/hm2后15d内的水氮运移，选择的观测点分别为土层20cm、40cm和60cm处。由于氮素的转化复杂，研究水稻田中氮素运移时，分别研究铵态氮和硝态氮的运移状况。所定边界初始条件和模型各参数如下：
　　模拟土体的下边界设在80cm处；
　　水分运移以土壤含水量为变量，控制灌溉方式下日常田间水分保持在饱和含水量的70%-100%，故水分运移初始条件下田间水分设为饱和含水量的85%；
　　水分运移的边界条件考虑灌水，棵间蒸发和植株蒸腾，上边界条件为表层的大气边界，由于观测点土层在稻田地下水位的变动范围内，因此下边界条件为变压力水头；
　　溶质运移的初始条件设定不考虑土壤中原有氮素含量，故初始浓度为零。溶质运移的上、下边界设为定通量边界。
　　2.2 参数设定
　　土壤水分参数选用Van Genuchten-Mualem方程进行计算，并且忽略滞后作用。根据试验区土壤结构和水分特性，利用HYDRUS-1D模型自带的神经网络预测功能，求得土壤水分参数初值见表3。
　　溶质运移选用的时间离散方法为Crank-Nicholson有限差分法，空间离散法采用伽辽金有限元法，溶质运移模型选用平衡模型，溶质运移参数见表4。
　　根据已有经验确定水稻分蘖期根系长度为20cm，通过已知实验数据确定水稻在控制灌溉方式下的棵间蒸发E=3.83mm/d，植株蒸腾T=0.77mm/d。
　　3 模拟结果分析
　　3.1 不同土层的土壤水分动态
　　控制灌溉条件下，三个土层（20cm、40cm和60cm）体积含水量的变化如图1所示。土壤含水量变化随时间变化起伏较大，原因在于控制灌溉方式下，田间没有建立水层，为保持设定的土壤含水量，需要定期对土壤进行灌水，灌水后体积含水量增加。随着土层深度的增加，表层水逐步下渗，土壤含水量的峰值会出现一定的滞后效应，由图1还知，40cm土层含水量最大，这是由于该土层为粉砂质粘土，粘粒多，对水分的吸持力大，是土壤理化性质的表现，符合实际情况。
　　3.2 不同土层的氮素变化动态
　　控制灌溉条件下，三个土层（20cm、40cm和60cm）铵态氮在土壤溶液中的运移情况如图2所示，硝态氮在土壤溶液中的运移情况，如图3所示。20cm土层的铵态氮在施肥后6d内浓度上升显著，之后趋于平缓，40cm土层和60cm土层的铵态氮浓度变化速度明显下降，尤其是60cm土层，铵态氮浓度基本不变。这说明土壤中氮素的迁移主要集中在0-40cm土层中。硝态氮在40cm土层和60cm土层的浓度变化与铵态氮基本一致，20cm土层中0-6d的硝态氮浓度变化速度略滞后于铵态氮，6d后，铵态氮浓度趋于平稳，而硝态氮浓度则呈上升趋势，这是由于氮肥施入土壤后，先经过矿化作用被矿化为铵态氮，铵态氮再经硝化作用后形成硝态氮。而硝态氮的浓度值高于铵态氮的浓度值，是由硝态氮的分子质量大于铵态氮造成的。
　　3.3 不同土层的水氮运移相关性
　　对比土壤含水量（见图1）和土壤氮素含量（见图2、图3）可以发现，20cm土层中，在铵态氮的含量尚未趋于稳定的0-6d内，灌水过程能显著提高铵态氮浓度的增幅，这主要是稻田补水扰动土壤，促进土壤表层吸附的铵态氮释放而造成的。而灌水对硝态氮的浓度影响在施肥6d后比较显著，主要是由于前期铵态氮尚处于形成期，土壤中硝态氮含量不高，灌水对硝态氮的运移影响不大，后期随着铵态氮的含量增加硝化反应加剧，故后期硝态氮比铵态氮更易淋失，这与对施肥后15d时测得的土层底部溶质通量（见表5）是吻合的。
　　经对比还发现，即使40cm土层中的土壤含水大于20cm土层，其氮素含量的变化速度仍要远小于20cm土层中氮素含量的变化速度，这说明浅层土壤中的氮素更易随水分流失。
　　4 结束语
　　根据对HYDRUS-1D模拟水稻分蘖期内控制灌溉下的水氮运移结果分析，施肥后浅层土壤中的氮素随水分运移显著，即使施肥6d后铵态氮的运移趋于稳定，但硝态氮却依然保持活跃。为防止土壤中的氮素流失，在种植水稻过程中应控制灌水次数和灌水量，不建立田面水层，使田间保持“只湿不淹”的状态，不仅可节省灌溉水量，更减少了排水量，从而降低水分渗漏和氮素淋失。而针对各阶段氮素成分的变化，选择适宜的生态减污方法，吸纳农田排水中的氮素，对降低农田面源污染有相当重要的意义。
　　参考文献
　　樊向阳，庞鸿宾，齐学斌，等.氮素运移转化机理研究现状及展望.中国青年农业科学学术年报.北京：中国农业科技出版社，2004：172-176.
　　王夏晖，刘军，王益权.不同施肥方式下土壤氮素的运移特征研究.土壤通报，2002，33（3）：202-206.
　　曹志洪.科学施肥与我国粮食安全保障.土壤，1998（2）：57-63.
　　张春伦，朱兴明，胡思农.缓释尿素肥效 及氮素利用率研究.土壤肥料，1998（6）：17.
　　肖梦华，俞双恩，章云龙.控制排水条件下淹水稻田田面及地下水氮浓度变化.农业工程学报，2011，27（10）：180-186.
　　张文渊.水环境中的氮污染特征与影响因素.黑龙江环境通报，2000，24（1）：27-28.
　　作者简介：金斌斌（1976-），女，浙江嘉兴人，博士在读，讲师，主要研究方向：水利工程在农业水土资源中的利用。