基于HYDRUS-1D模型的灌區農田土壤水分滲漏和硝態氮淋失特征研究

楊 楠,段琳博,馬 靜,蔡煥杰,彭雄標,王曉云,李亮,張蓬妍,徐家屯

(1．西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室, 陜西 楊凌 712100; 2．西北農林科技大學水利與建筑工程學院, 陜西 楊凌 712100;3．西北農林科技大學中國旱區節水研究院, 陜西 楊凌 712100)

隨著集約化農業的發展,過度施用氮肥的現象普遍發生,使得硝酸鹽流失造成的地下水污染成為了一個全球性問題[1]。涇惠渠灌區是陜西省重要的糧食產地,近年來在高效發展農業生產的同時,化肥的過量施用對灌區土壤及地下水造成了不同程度的污染[2]。涇惠渠灌區所處地區潛在蒸發蒸騰量高,為滿足該地區作物生長所需水分,灌溉已成為該地區農業生產的必備條件[3]。畦灌法是涇惠渠灌區的主要灌溉方式,灌區畦田長度差異大,為保證作物產量,過量灌溉現象普遍存在,這導致大量農田土壤水分滲漏,造成水資源浪費[4]。灌區農田的過量灌溉和高量施氮現象加劇了涇惠渠灌區農田地下水污染的風險。因此定量研究涇惠渠灌區的土壤水分滲漏和硝態氮淋失特征具有重要意義。

近年來,很多學者針對土壤水分滲漏和硝態氮淋失特征開展研究,取得了大量研究成果。賴曉明等[5]基于HYDRUS-1D模型研究發現,太湖流域麥稻輪作農田系統土壤水分滲漏與降雨、灌溉及前期土壤含水率有關,硝態氮是氮素淋失的主要形態,氮淋失在休耕期和水稻生長初期容易達到峰值。張學科等[6]采用土柱試驗研究了灌水量與施氮量對不同類型土壤中硝酸鹽運移的影響,表明灌水量、施氮量以及土壤類型均對土壤中氮素的累積及損失有顯著影響,影響程度表現為施氮量>灌水量>土壤類型。范小娟[7]基于HYDRUS-1D模型對毛烏素沙地春玉米農田水氮運移的研究表明,施氮量對硝態氮的淋失影響較小,不同施氮量處理90 cm和150 cm土層硝態氮淋失量相差甚微。李天[8]基于MODFLOW和MT3D模型對河北平原麥-玉輪作農田土壤硝態氮運移的研究發現,農民經驗施肥灌溉量已經造成了淺層地下水的硝態氮污染,且渠灌區較井灌區污染嚴重,但是由于渠灌區靠近河流,淺層地下水中的硝態氮易隨水流排泄,導致較深層地下水中硝態氮含量降低;同時井灌區由于不斷抽取地下水進行灌溉,加快了硝態氮的垂向運移速率,嚴重污染了較深層地下水環境。該地區因降雨量較大導致秋灌取消,因此降雨是造成該地區硝態氮深層淋失的最主要因素。但是,以上研究并未明確麥-玉輪作年內的農田水氮運移規律。

涇惠渠灌區是陜西省的重要糧食基地,屬于大型井渠雙灌灌區。灌區內95%以上農田面積均為麥-玉輪作種植模式[9],過量灌溉和高量施氮現象普遍存在。同時,由于地表水缺乏,為滿足灌溉需求而抽取大量地下水進行灌溉,導致該地區地下水水位下降、地下水水質和土壤健康狀況惡化等嚴重后果[10]。徐斌等[11]對涇惠渠灌區地下水中的硝酸鹽污染特征進行分析,并評價了涇惠渠灌區地下水污染物硝酸鹽對人體健康影響的風險,發現研究區地下水中硝態氮含量嚴重超標,99.44%區域的地下水硝酸鹽含量超過生活飲用水的衛生標準值,平均含量高達29.78 mg·L-1,致病性極高。所以,研究該地區硝態氮淋失和灌溉施肥管理措施十分必要。

為制定合理的灌溉施肥方案,減少水資源浪費,有效降低灌區的農田土壤硝態氮污染,本研究應用HYDRUS-1D模型模擬涇惠渠灌區麥-玉輪作農田的水氮運移過程,量化土壤根系層下水分滲漏通量和硝態氮淋失通量的變化特征,探明不同灌溉量和施肥量對根系層下水分滲漏和硝態氮淋失的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究地點位于涇惠渠灌區內涇陽縣橋底鎮的試驗站(34°35′N,108°43′E,海拔424 m),為大陸性半干旱季風氣候,年平均降雨量為538.9 mm,年平均氣溫為13.4℃。土壤肥沃,灌區水利條件好,屬井渠雙灌灌區,種植模式以麥-玉輪作為主[12-13]。

1.2 試驗設計

于2012年10月—2015年6月,以夏玉米(品種為‘武科2號’)和冬小麥(品種為‘西農979’)為試驗對象,進行了3年田間水氮試驗。將夏玉米生育期劃分為苗期、拔節期、抽雄期、灌漿期4個階段,冬小麥生育期劃分為苗期、越冬期、拔節期、灌漿期4個階段。在作物不同生育時期進行灌溉處理,灌溉方式為畦灌,灌水的同時進行施肥。2012年10月—2013年6月期間冬小麥全部處理的施氮量為200 kg·hm-2(純N),2013年6月—2014年6月期間夏玉米和冬小麥輪作期分別設置3個施氮水平,即0、120、240 kg·hm-2(純N),2014年6月—2015年6月期間夏玉米和冬小麥輪作期分別設置4個施氮水平,即0、120、240、360 kg·hm-2(純N)。每個處理重復3次,小區面積為542.5 m2。氮肥種類為尿素(N>46%),具體試驗處理如表1所示。

表1 2012—2015年冬小麥-夏玉米輪作水氮試驗處理Table 1 Experimental design of irrigation and nitrogen treatment of winter wheat-summer maize rotation during 2012-2015

1.3 測定指標及方法

在試驗播種前、灌溉前后和較大降雨后,用土鉆取0～200 cm深度(0～20、20～40、40-60、60～80、80～100、100～130、130～160、160～200 cm)的土壤樣品。用烘干法測定土壤質量含水量,并換算為土壤體積含水量。使用2 mol·L-1的KCl浸提,利用AA3型連續流動分析儀(Bran+Luebbe Company,德國)測定土壤硝態氮和銨態氮含量。用環刀法測定各土層土壤容重,計算土壤飽和含水量、田間持水量等指標。利用馬爾文激光粒度儀(MS3000,英國)進行土壤顆粒組成測定分析。

1.4 HYDRUS-1D模型構建與評價

HYDRUS-1D模型可用于模擬一維尺度水分及各種溶質在土壤中的遷移轉化,并綜合考慮了水分運動、溶質運移和作物根系吸收,且適用于多種邊界條件,同時模型內的Rosetta Lite v.1.1模塊可以根據土壤容重和顆粒級配預測土壤水分運動參數,該模塊可為模型參數的率定提供參考。目前其廣泛應用于飽和-非飽和土壤水分及污染物遷移轉化相關領域的研究[14-15]。

1.4.1 土壤水分運動 飽和-非飽和介質的垂直運動可以用修正后的Richards方程和Van Genuchten模型來描述[14,16],如公式(1)～(4)所示:

(1)

(2)

(3)

(4)

式中,θ為土壤體積含水量(cm3·cm-3);K(h)為非飽和土壤導水率(cm·d-1);S(z,t)為土壤中根系吸水量(cm3·cm-3·d-1);t為時間(d);z為土壤深度(cm);h為壓力水頭(cm);Ks為土壤飽和導水率(cm·d-1);Se為有效飽和度;l為孔徑連通系數;α、m、n為模型經驗參數;θr和θs為土壤殘余含水量和土壤飽和含水量。

1.4.2 土壤溶質運移 HYDRUS-1D模型采用改進后的對流彌散方程對溶質運移進行模擬[14],施肥后馬上進行灌溉,氨的揮發損失率取20%[7]。對于銨態氮考慮吸附、生物固持、硝化、礦化和根系吸收作用,其運移模型為:

(5)

對于硝態氮考慮反硝化和根系吸收作用,其運移模型為:

(6)

1.4.3 作物根系吸收 式(1)中的根系吸水量S(z,t)采用Feddes模型[17]:

S(z,t)=α(h)b(z)Tp

(7)

式中,α(h)為水分脅迫響應函數;b(z)為標準化根系吸水分配函數;Tp為潛在蒸騰量。夏玉米和冬小麥采用相同的標準化根系吸水分配函數,根據Hoffman and Van Genuchten方程獲取[18]。

1.4.4 初始條件和邊界條件 模擬的上邊界位于地表(0 cm),下邊界位于地下200 cm處。以試驗點各土層的初始土壤含水量、銨態氮和硝態氮含量作為模擬的初始條件;水分運移的上邊界選擇通量已知的大氣邊界條件,下邊界處為自由排水邊界;溶質運移的上邊界選擇溶質通量邊界,下邊界選擇濃度零梯度邊界條件。

1.4.5 模型模擬效果評價指標 采用均方根誤差RMSE、標準均方根誤差nRMSE、一致性指標d評價模型模擬效果[19]。

(8)

(9)

(10)

式中,Si和Oi分別為第i個樣本的模擬值和實測值;Oavg為實測值的平均值;n為樣本數。

1.4.6 土壤儲水量變化量與灌溉降雨滲漏比計算 引用水量平衡方程計算土體內土壤儲水量變化量,水量平衡方程可表示為:

ΔW=I+P-ET-L200

(11)

式中,ΔW為剖面土壤儲水量變化量;I為灌溉量(mm);P為降雨量(mm);ET為蒸發蒸騰量(mm);L200為作物全生育期根系層下(200 cm)土壤水滲漏量(mm)。

采用水分滲漏比來描述作物全生育期根系層下(200 cm)土壤水滲漏量占灌溉和降雨總量的比例:

(12)

式中,WLR為水分滲漏比(%)。

2 結果與討論

2.1 模型率定與驗證

隨機選取2014—2015年夏玉米、冬小麥W9N240處理的數據為例進行模型適應性評價?；赗osetta Lite v.1.1模塊結合不同土層土壤基本物理性質(表2)預測初始土壤水分運動參數,同時利用麥-玉輪作期灌區農田0～200 cm土層的土壤體積含水量校準,最后確定模型所需的土壤水分運動參數?；诜囱菽K運用實測硝態氮濃度數據確定溶質運移參數,詳見表3和表4。對土壤體積含水量、硝態氮濃度的模擬值與實測值進行了比較,結果如圖1～3所示。

表2 不同土層土壤基本物理性質Table 2 Soil basic physical properties in different soil layers

表4 土壤溶質運移參數Table 4 Soil solute migration parameters

由圖1和圖2可知,不同深度土壤含水率的模擬值與實測值隨時間的動態變化特征基本一致,表明模型模擬效果良好。2014年夏玉米生育期W9N240處理土壤體積含水量的結果表明(圖1),除20 cm土層深度模擬效果適中外(RMSE=0.034 cm3·cm-3;nRMSE=12.88%),其他土層模擬效果良好(RMSE=0.008～0.020 cm3·cm-3;nRMSE=2.81%～7.47%),各土層深度土壤體積含水量模擬值與實測值一致性較好(d>0.5),但200 cm土層的一致性較差,這可能是因為該土層深度處土壤體積含水量變化幅度小,呈現出實測值在模擬值附近上、下波動的現象,導致一致性較差。2014—2015年冬小麥生育期W9N240處理土壤體積含水量的結果表明(圖2),冬小麥生育期的土壤體積含水量擬合結果較好,其中均方根誤差RMSE為0.019～0.038 cm3·cm-3,標準均方根誤差nRMSE為6.82%～13.33%,一致性指標d為0.60～0.93。對比夏玉米和冬小麥生育期內W9N240處理土壤體積含水量實測值與模擬值擬合程度可知,夏玉米生育期水分擬合程度普遍高于冬小麥,這是由于土壤基本物理參數為夏玉米試驗期進行采樣,而模擬計算采用同一組物理參數,土壤水分參數在一定尺度上具有明顯的時空異質性,所以對冬小麥水分模擬結果產生一定影響[20]。綜上所述,模擬結果整體表現為:深層土壤體積含水量模擬效果優于上層,造成這種差異的原因主要是上層土壤的水分參數容易受到耕作、降雨、灌溉等因素的影響[21],而夏玉米和冬小麥生育期內降雨強度、灌水頻率不同,造成兩作物水分參數存在一定差異,但對整體結果影響并不顯著。

圖3為2014—2015年W9N240處理下夏玉米和冬小麥生育期內不同土層土壤硝態氮濃度實測值與模擬值,可知在夏玉米和冬小麥生育期內土壤硝態氮濃度實測值與模擬值擬合程度較好,其中RMSE為0.007～0.032 mg·cm-3,nRMSE為7.01%～28.31%,d為0.49～0.98。隨著時間推移,夏玉米冬小麥生育期內表層硝態氮含量減少,深層增加。部分水量因深層滲漏而損失,硝態氮也隨著水分的滲漏而淋失至深層[22]。此外,硝態氮的聚集區隨著時間的推移由淺層逐漸向深層運動。夏玉米生長中期(2014-08-10)硝態氮濃度在20～60 cm土層大幅增加,硝態氮隨著灌溉和降雨引起的水分運動而運移,夏玉米生育期末(2014-10-12)硝態氮在60～100 cm土層聚集,同時100 cm土層的硝態氮濃度也逐漸增加,說明硝態氮在水分運動的作用下逐漸向深層移動。這是因為隨著作物根系對氮的吸收、灌溉與降雨的發生,土壤氮含量有所降低,同時土壤的硝態氮逐漸被淋失到下層。綜上可知,冬小麥生育期硝態氮在100 cm土層以下累積量較夏玉米生育期末進一步增多。

2.2 水分滲漏特征

根據水量平衡原理,結合試驗數據和模型模擬數據得到灌溉和降雨量(I+P)、蒸發蒸騰量(ET)、作物全生育期根系層下(200 cm)土壤水分滲漏量(L200)以及剖面土壤儲水量的變化量(ΔW),如表5所示。W9N200-3、W9N200-5、W9N200-6處理2012—2013年冬小麥全生育期各處理根系層下土壤水分滲漏量遠高于W9N200-1、W9N200-2、W9N200-4處理,這是因為前者在越冬期進行灌溉,而后者在該生育時期未進行灌水。W9N200-1、W9N200-2、W9N200-4處理全生育期灌溉和降雨量后者較前者均增加9.00 cm,蒸發蒸騰量隨著灌溉和降雨量的增加逐漸增加,全生育期根系層下土壤水分滲漏量差值小于1.20 cm,說明越冬期不灌溉且全生育期灌溉和降雨量低于33.15 cm時,全生育期根系層下土壤水分滲漏量對灌溉和降雨的發生響應較弱。苗期灌水使得冬小麥土壤各土層儲水量處于較高水平,但越冬期的冬小麥生長緩慢,耗水量較少,該階段的灌水無法被作物充分利用,大部分形成深層滲漏。這表明適當減少越冬期灌水量有助于控制冬小麥全生育期根系層下土壤水分滲漏量。2013—2014年冬小麥各處理均在越冬期灌溉,全生育期根系層下土壤水分滲漏量隨著越冬期灌水量增加而增加;2014—2015年冬小麥越冬期灌溉的處理與越冬期未灌溉的處理相比,全生育期根系層下土壤水分滲漏量也呈現與2012—2013年相同的規律。3年冬小麥全生育期根系層下土壤水分滲漏數據分析結果表明選擇合適的灌水時期對防止水分深層滲漏有重要意義,并且應適當減少越冬期灌水量。

表5 2012—2015 年冬小麥-夏玉米生育期內土壤水量平衡分析/cmTable 5 Analysis of soil water budget balance during the growth period of winter wheat-summer maize rotation in 2012-2015

對比夏玉米和冬小麥生育期不同施氮處理的根系層下土壤水分滲漏量發現(表5),2013年夏玉米生育期灌水定額為90 mm的不同施氮量處理(W9N0、W9N120、W9N240)根系層下土壤水分滲漏量在7 cm左右,灌水定額為120 mm的處理(W12N0、W12N120、W12N240)在9.5 cm左右。2014年夏玉米生育期不同施氮處理(W9N0、W9N120、W9N240、W9N360)根系層下土壤水分滲漏量介于9.32～9.48 cm。2013—2014年冬小麥生育期灌水定額為120 cm的不同施氮量處理(W12N0、W12N120、W12N240)根系層下土壤水分滲漏量(21.74～21.75 cm)遠大于灌水定額為90 cm的處理(W9N0、W9N120、W9N240)根系層下土壤水分滲漏量(15.86～16.01 cm)。2014—2015年冬小麥生育期灌溉定額為360 cm的不同施氮量處理(W9N0、W9N120、W9N240、W9N360)根系層下土壤水分滲漏量(21.67～22.27 cm)遠大于灌溉定額為270 cm的處理(W9N0-1、W9N120-1、W9N240-1、W9N360-1)根系層下土壤水分滲漏量(15.63～15.84 cm)。綜合分析可知,夏玉米和冬小麥全生育期根系層下土壤水分滲漏量與灌水量相關性較大,受施氮量影響較小。

綜合分析發現,2012—2013、2013—2014、2014—2015年冬小麥全生育期根系層下土壤水分滲漏量占灌溉和降雨總量的比值(WLR)的平均值分別為67.31%、42.09%、51.73%,2013年和2014年夏玉米WLR的平均值分別為21.94%和16.58%,冬小麥和夏玉米WLR的平均值分別為53.51%和19.80%。冬小麥全生育期根系層下土壤水分滲漏量(15.34～25.38 cm)大于夏玉米(6.98～9.82 cm);冬小麥全生育期根系層下土壤水分滲漏強度為0.06～0.10 cm·d-1,夏玉米為0.06～0.08 cm·d-1,冬小麥和夏玉米生育期需要合理規劃灌水時期和灌水定額。

2.3 硝態氮淋失特征

由圖4和圖5可知,根系層下硝態氮淋失通量峰值的出現滯后于降雨和灌溉的發生,2014年夏玉米生育期W9N0(圖4a)和W9N240(圖4b)處理每次灌水后13～14 d硝態氮淋失通量達到峰值,2014—2015年冬小麥生育期W9N240處理(圖5a)每次灌水后9～14 d左右會出現硝態氮淋失通量峰值;W9N240-1處理(圖5b)拔節期灌水后根系層下硝態氮淋失通量峰值出現比W9N240處理(圖5a)晚10 d,這是由于W9N240-1處理(圖5b)相比W9N240處理(圖5a)少了1次越冬期灌水,根系層下土壤水分滲漏通量的峰值出現的時間較晚。夏玉米和冬小麥生育期內根系層下硝態氮淋失通量范圍分別為0.003～0.016 mg·cm-3·d-1和0.001～0.032 mg·cm-3·d-1。對比冬小麥生育期W9N240和W9N240-1處理的根系層下硝態氮淋失通量,發現二者差異較大,達1 mg·cm-3(圖5)。綜合冬小麥和夏玉米的硝態氮淋失通量數據,發現灌溉和降雨量是影響硝態氮淋失的重要影響因素,灌溉水引起的水分運動是硝態氮淋失的主要原因[23]。硝態氮的淋失與土壤水分滲漏具有同步性,表現為灌水后根系層下土壤水分滲漏通量的峰值與硝態氮淋失通量的峰值同步出現。隨著土層深度的增加,土壤水分滲漏及硝態氮淋失對降雨和灌溉的響應時間增加,根系層下土壤硝態氮淋失對降雨和灌溉的響應具有滯后性[24]。

圖4 2014年W9N0和W9N240處理下夏玉米生育期內降雨和灌溉量與根系層下硝態氮淋失通量Fig.4 Rainfall and irrigation amount and nitrate leaching fluxes under root layer of summer maize growing period under W9N0 and W9N240 treatments in 2014

圖5 2014—2015年W9N240和W9N240-1處理下冬小麥生育期內降雨和灌溉量與根系層下硝態氮淋失通量Fig.5 Rainfall and irrigation amount and nitrate leaching fluxes under root layer of winter wheat under W9N240 and W9N240-1 treatments during 2014-2015

如圖4所示,2014年夏玉米生育期內根系層下硝態氮淋失通量最大值出現在玉米生育期末,主要是因為播種后有連續多天的降雨,在80～120 d內累計降雨量達223.7 mm,導致水分垂直運動加快,進一步引起硝態氮大量淋失。但不同施氮量處理間根系層下硝態氮淋失通量差異性較小。綜合圖3可知,夏玉米播種前土壤剖面的硝態氮含量處于較高水平,W9N240處理(圖4b)硝態氮隨灌溉和降雨發生大部分累積在100～200 cm。雖然部分硝態氮累積在根系層以下,存在向下淋失的趨勢,但是玉米生育期內W9N0(圖4a)和W9N240(圖4b)處理之間根系層下土壤水分滲漏量差異不明顯(表5),僅有極少硝態氮隨水分運移,故根系層下硝態氮淋失通量無明顯增加。對比圖5中的處理W9N240和W9N240-1發現,與夏玉米生育期末情況相似,冬小麥生育期末也伴隨多次降雨,在播種后150～230 d內累積降雨量為74 mm,但是冬小麥生育期末硝態氮淋失通量峰值未出現在降雨之后,這是因為冬小麥生育期末降雨比較分散且單次降水量低,而夏玉米生育期末降雨相對集中且降水量高,導致水分的垂直運動加快。涇惠渠灌區土壤質地以壤土為主[25],壤土硝態氮的淋洗受降雨強度影響均比較大[26]。夏玉米生育期末的降雨強度遠大于冬小麥生育期末,所以冬小麥生育期末根系層下硝態氮淋失通量較小。相同灌水處理下增加施氮量會使土壤硝態氮含量增加,且灌溉量越低土壤硝態氮含量增加幅度越大[27]。因此可以通過降低施氮量來減少土壤硝態氮的含量,進而控制硝態氮向深層淋失。

對比夏玉米(圖4)和冬小麥(圖5)的根系層下硝態氮淋失通量變化曲線發現,冬小麥全生育期內淋失量均高于夏玉米全生育期。由實測數據可知夏玉米生育期末各土壤剖面層的硝態氮濃度值均較高(圖3),說明夏玉米收獲后土壤中仍殘留較多的硝態氮,且大多處于冬小麥根系層以下,這可能與冬小麥生育期內的高滲漏量和不同作物對氮肥的需求不同有關。灌溉和降水的發生使得硝態氮向下淋失,并且根系層以下的硝態氮因無法被吸收利用,最終會隨水分運移至更深層的土壤甚至污染地下水。通過分析麥-玉輪作種植結構中的硝態氮淋失特征表明,夏玉米生育期末和冬小麥生育期初硝態氮淋失風險加劇,應密切關注,夏玉米生育期若灌水施氮不合理,會導致硝態氮在冬小麥根系層下累積,伴隨著苗期灌水,極易引起硝態氮的大量淋失,應合理規劃各生育時期的灌水和施氮制度。

3 結 論

1)HYDRUS-1D模型能夠較好地模擬涇惠渠灌區麥-玉輪作系統的水分滲漏和硝態氮淋失,且深層土壤體積含水量的模擬效果優于淺層。

2)2012—2013年冬小麥在越冬期灌溉時全生育期根系層下(200 cm)土壤水分滲漏量為20.23～22.98 cm,而在越冬期灌溉時為15.34～16.54 cm。綜合來看,冬小麥生育期應減少越冬期灌水量,推薦灌水量低于90 mm。冬小麥和夏玉米生育期內根系層下土壤水分滲漏與降雨和灌溉量成正比。冬小麥和夏玉米全生育期根系層下(200 cm)土壤水滲漏量占灌溉與降雨總量之和比例的平均值分別為53.51%和19.80%,合理規劃生育期灌水時期和灌水定額對防止水分深層滲漏具有重要意義。

3)硝態氮的淋失是伴隨降雨和灌溉發生的,與土壤水分滲漏具有同步性。根系層下土壤硝態氮淋失對降雨和灌溉的響應具有滯后性,麥-玉輪作系統中根系層下硝態氮淋失通量在夏玉米生育期末和冬小麥生育期初容易達到峰值,同時降雨強度也會影響硝態氮淋失通量。為防止根系層以下的硝態氮無法被吸收利用而淋入更深層土壤或污染地下水,應合理調整施氮量,控制硝態氮在根系層下的累積。