流域植物生長(zhǎng)與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化模式研究

張萬(wàn)順，楊寅群，吳 靜，仲兆林

（1.武漢大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430079；2.江蘇省水文水資源勘測(cè)局常州分局，江蘇 常州 213001）

1 研究背景

流域內(nèi)植物生長(zhǎng)與土壤養(yǎng)分相互影響，相互作用。植物對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收是流域營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，土壤養(yǎng)分又是影響植物生長(zhǎng)最主要的環(huán)境因素之一。植物在營(yíng)養(yǎng)物循環(huán)中起到轉(zhuǎn)化器的作用：植物從土壤中吸收的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)一部分經(jīng)凋落物分解和秸稈還田等回歸土壤中，一部分由于收割流出土壤-植被-水體組成的流域系統(tǒng)。因此流域營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化過程與植物生長(zhǎng)有密切關(guān)系，而氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)又是造成水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要污染物質(zhì)。

植物-土壤系統(tǒng)中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化的研究已有較長(zhǎng)歷史。20世紀(jì)70年代建立了兩類系統(tǒng)模擬模型：一類是以土壤水分/營(yíng)養(yǎng)物運(yùn)移及轉(zhuǎn)化利用為中心的模型，以美國(guó)的HYDRUSID[1]模型為代表，但它沒有將植物生長(zhǎng)過程考慮在內(nèi)；另一類是以作物生長(zhǎng)發(fā)育為中心的模型，如PS123模型[2]，研究作物生長(zhǎng)發(fā)育和耕作栽培措施，主要是土壤水分和養(yǎng)分條件對(duì)作物生長(zhǎng)的影響，但對(duì)水分及營(yíng)養(yǎng)物與作物生長(zhǎng)關(guān)系的主要環(huán)節(jié)—根系生長(zhǎng)和根系對(duì)水分和營(yíng)養(yǎng)物吸收機(jī)理的處理尚需進(jìn)一步完善。黃元仿等[3]建立了小麥、玉米地水氮運(yùn)移的模型。張瑜芳等[4]建立了稻田土壤氮素的轉(zhuǎn)化遷移模型。胡克林[5]等在前人研究成果的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了土壤-作物系統(tǒng)農(nóng)田水氮運(yùn)移及作物生長(zhǎng)聯(lián)合模擬模型SPWS實(shí)現(xiàn)土壤氮素遷移轉(zhuǎn)化的模擬。彭虹等[6]對(duì)漢江中下游水華問題以及張萬(wàn)順[7]對(duì)漢江中下游水量水質(zhì)耦合配置等研究中都考慮了植物生長(zhǎng)對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素遷移轉(zhuǎn)化的影響。

為反映流域內(nèi)植物從生長(zhǎng)直至死亡的過程對(duì)物質(zhì)循環(huán)的影響，采用植物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型，模擬生長(zhǎng)過程不同階段對(duì)水分及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收。模型將植物生長(zhǎng)模型與土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化模型耦合，詳細(xì)模擬流域內(nèi)生物量隨時(shí)間變化和營(yíng)養(yǎng)物物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化的動(dòng)態(tài)變化過程，為土壤水水質(zhì)和地表水面源污染物負(fù)荷的預(yù)測(cè)提供準(zhǔn)確依據(jù)。

2 植物生長(zhǎng)模型

為揭示流域水質(zhì)變化機(jī)理，反映植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的富集和吸收作用，確定流域內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸入、輸出和植物生長(zhǎng)之間的耦合關(guān)系，開展植物生長(zhǎng)模型研究。

從生物學(xué)角度研究植物生長(zhǎng)模型較多，包括簡(jiǎn)單的單變量方程到植物生物量形成過程的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)模型[8-10]。但生物學(xué)模型多數(shù)只重視個(gè)別環(huán)境因子的作用和植物對(duì)資源的競(jìng)爭(zhēng)和植物自身的變化，較少考慮到環(huán)境因子的多維性，無(wú)法全面反映流域系統(tǒng)中復(fù)雜外環(huán)境因素對(duì)植物生長(zhǎng)的影響，特別是土壤水分與養(yǎng)分等外環(huán)境因素與植物生長(zhǎng)過程的耦合關(guān)系。研究通過統(tǒng)計(jì)分析，從宏觀上剝離影響植物生長(zhǎng)的因素，得出植物理想狀態(tài)下的最大生長(zhǎng)速率，分別考慮溫度、水分和養(yǎng)分3個(gè)主要外環(huán)境因素對(duì)植物生長(zhǎng)的影響，求得多種外環(huán)境因素作用下的綜合限制因子，模擬植物實(shí)際生長(zhǎng)與外環(huán)境相互作用的動(dòng)態(tài)過程。

2.1 理想生長(zhǎng)溫度、水分和養(yǎng)分等植物生長(zhǎng)影響因子均處于最適宜狀態(tài)時(shí)植物的生長(zhǎng)速率為其最大生長(zhǎng)速率。植物的最大生長(zhǎng)速率在不同階段是變化的，其值可由理想生長(zhǎng)曲線得到。參考植物生長(zhǎng)的相關(guān)研究文獻(xiàn)[11-15]，點(diǎn)繪出不同生長(zhǎng)期對(duì)應(yīng)的生物量。植物理想生長(zhǎng)曲線為不同外部條件下不同時(shí)期累積生物量的外包線，如圖1所示。對(duì)理想生長(zhǎng)曲線求導(dǎo)得到最大生長(zhǎng)速率變化過程線。研究劃分的計(jì)算單元內(nèi)植物類型通常有多種，單元內(nèi)生物量的變化過程需依據(jù)耕作方式及單元內(nèi)不同植物的種植面積占總面積的權(quán)重確定。

圖1 典型植物理想生長(zhǎng)曲線及最大生長(zhǎng)速率

2.2 限制因子植物的實(shí)際生長(zhǎng)會(huì)受到眾多環(huán)境因素的影響，使得其生長(zhǎng)速率小于理想狀態(tài)下的最大生長(zhǎng)速率。模型綜合考慮溫度、養(yǎng)分和水分的影響，計(jì)算植物不同階段的實(shí)際生物量和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收量。

2.2.1 溫度因子 溫度是控制植物生長(zhǎng)的最重要的因素之一，每種植物的生長(zhǎng)都需要一定的溫度范圍：生長(zhǎng)的最低溫度、適宜溫度和最高溫度。低于最低溫度，植物停止生長(zhǎng)；最低溫度與理想溫度之間，植物的生長(zhǎng)速度隨溫度的升高而加快；高于適宜溫度，植物的生長(zhǎng)速度隨溫度的升高而降低，直至到最高溫度生長(zhǎng)速度降為0。溫度限制因子為日平均氣溫與理想氣溫、最低氣溫及最高氣溫的函數(shù)，由下式計(jì)算：

式中：G(T )為植物生長(zhǎng)的氣溫約束；T為日平均氣溫；Tbase為植物生長(zhǎng)需要的基本或最低溫度；Topt為植物生長(zhǎng)的適宜溫度；Thigh為植物生長(zhǎng)所能耐受的最高溫度。

通過對(duì)1961—2009年共39年典型流域逐日氣溫進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以多年逐日平均氣溫作為適宜溫度。調(diào)查不同植物生長(zhǎng)期內(nèi)各階段所需基本溫度和所能耐受的最高溫度，并對(duì)生長(zhǎng)期有重疊的各類主要植物的溫度上限和下限進(jìn)行平均化處理，分別得出溫度上限和下限過程線。不同種類植物控制溫度過程線以播種期為起點(diǎn)，當(dāng)累積積溫達(dá)到植物成熟所需值時(shí)為終點(diǎn)。太湖典型流域主要作物生長(zhǎng)所需溫度過程如圖2所示。

圖2 太湖流域植物生長(zhǎng)溫度過程線

2.2.2 養(yǎng)分因子 養(yǎng)分限值因子由植物在單位時(shí)間內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的實(shí)際吸收量與理想吸收量的關(guān)系得到：

式中：ΔmU，i為第i天里植物的實(shí)際吸收營(yíng)養(yǎng)物量（g）；ΔmUO，i為第i天里植物的理想吸收營(yíng)養(yǎng)物量（g）。

ΔmU，i由植物實(shí)際蒸騰量和土壤中溶解態(tài)（水相）營(yíng)養(yǎng)物濃度求得：

式中：A為計(jì)算區(qū)域面積（m2）；EC（i）為第i天的植物實(shí)際蒸騰量（mm）；CU（i）為第i天時(shí)土壤中溶解態(tài)營(yíng)養(yǎng)物的濃度（mg/l）；ΔmUO，i由植物理想生長(zhǎng)曲線和植物不同生長(zhǎng)階段植株相應(yīng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量占總生物量的比例求得。

植物生長(zhǎng)需要多種養(yǎng)分，任何一種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的缺乏都將影響植物的正常生長(zhǎng)。模型考慮TN、NH3-N、TP及有機(jī)碳等4種對(duì)植物生長(zhǎng)起主要作用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，以綜合養(yǎng)分限制因子表征這4種營(yíng)養(yǎng)物對(duì)植物生長(zhǎng)的影響：

2.2.3 水分因子 水分限制因子為植物實(shí)際蒸騰量和最大蒸騰量的比值：

式中：Ec為植物實(shí)際蒸騰量（mm）；Ecm為植物最大蒸騰量（mm），由Penman-Monteith公式算得。

Ec由下式計(jì)算：

式中：Droot是根系深度（cm）；lroot(z )為根系在深度為z時(shí)的根系密度（cm·cm-3）；αrw(h)是關(guān)于土壤水壓力水頭的一個(gè)無(wú)量綱函數(shù)，見圖3。

αrw(h )值的變化范圍為0～1。當(dāng)αrw(h)等于1時(shí)，土壤根系吸水量等于潛在根系吸水量。當(dāng)在土壤水壓力水頭大于厭氧點(diǎn)hl時(shí)，由于土壤中過多的水分導(dǎo)致根區(qū)缺氧，植物根系不能吸收水分；而當(dāng)土壤壓力水頭低于凋萎點(diǎn)h4時(shí)，由于土壤太干，植物根系亦無(wú)法吸收水分；當(dāng)壓力水頭在h2-h3之間時(shí)，植物根系可充分吸收水分，不會(huì)受到水分脅迫。

圖3 根系吸水折減吸水與土壤水壓力水頭的關(guān)系

2.3 實(shí)際生長(zhǎng)植物實(shí)際生長(zhǎng)速率等于理想狀態(tài)下的最大生長(zhǎng)速率乘以綜合限制因子，綜合限制因子為溫度、養(yǎng)分、水分限制因子的乘積。植物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型需滿足如下方程[8]：

式中：B為干重（g/m2）；Gbmax(t)為植物最大生長(zhǎng)率；G（T）為溫度限制因子；G（NU）為營(yíng)養(yǎng)限制因子；G（W）為水分限制因子。

2.4 葉面積指數(shù)與根系生長(zhǎng)模擬由于植物的葉片和根系等器官對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化有直接影響，在進(jìn)行總生物量的模擬后，分別建立葉面積指數(shù)和根系生長(zhǎng)模型。

2.4.1 葉面積指數(shù)模擬 葉面積指數(shù)（LAI）直接影響冠層截留和蒸散發(fā)等水循環(huán)過程主要環(huán)節(jié)，進(jìn)而影響到與水循環(huán)密切相關(guān)的營(yíng)養(yǎng)物遷移轉(zhuǎn)化過程。在植物生長(zhǎng)的初始階段，葉面積由理想葉面積曲線確定。

式中： frLmx為給定積溫條件下的最大葉面積指數(shù)的比例；?1、?2為形狀系數(shù)； frp為計(jì)算時(shí)段內(nèi)的積溫占整個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)積溫的比例。

生長(zhǎng)期中植物葉面積指數(shù)隨季節(jié)的變化情況如圖4所示。

圖4 生長(zhǎng)期中植物葉面積指數(shù)隨季節(jié)的變化情況

2.4.2 根系生長(zhǎng)模擬 根系的深度和根系密度直接影響到植物對(duì)土壤水分的吸收，因此需對(duì)根系的生長(zhǎng)情況進(jìn)行模擬。根系生物量在播種階段占總生物量的30%～50%，到成熟季節(jié)則下降到5%～20%。模型模擬時(shí)按照根系生物量在初始時(shí)占總生物量的40%，成熟后占總生物量的20%計(jì)算，且根系生物量與累積積溫有關(guān)。根系生物量占總生物量的比例表示為：

則根系生物量為：

3 營(yíng)養(yǎng)物遷移轉(zhuǎn)化模型

3.1 流域營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)機(jī)理模型模擬不同形態(tài)氮的遷移轉(zhuǎn)化過程，包括地表徑流流失、入滲淋失和化學(xué)輸入等物理過程；有機(jī)氮礦化、反硝化等化學(xué)過程以及植物吸收等生物過程，如圖5。

圖5 模型模擬氮循環(huán)

磷可以分為腐殖質(zhì)中的有機(jī)磷、不可溶解的無(wú)機(jī)磷和植物可利用的土壤溶液中的磷三種化學(xué)狀態(tài)。磷可以通過施肥和殘余物施用等方式添加到土壤中，通過植物吸收和徑流攜帶從土壤中移除。磷可以與其他離子結(jié)合形成一些不可溶化合物，并從溶液中沉淀，使得磷在土壤表面累積，從而易于隨地表徑流運(yùn)移，如圖6。

圖6 模型模擬磷循環(huán)

3.2 土壤溶質(zhì)運(yùn)移模型土壤中溶質(zhì)處在物理、化學(xué)和生物的相互聯(lián)系和連續(xù)變化的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)中，不僅隨著土壤水分的運(yùn)動(dòng)而遷移，還會(huì)在自身濃度梯度作用下運(yùn)動(dòng)，部分溶質(zhì)可以被土壤吸附、為植物吸收或者當(dāng)濃度超過水的溶解度后會(huì)離析沉淀，還有化合分解、離子交換等化學(xué)變化。土壤表面的不同的點(diǎn)位或位置，溶質(zhì)的吸附、交換等物理化學(xué)特征不盡相同。充分考慮擴(kuò)散、吸附解吸和微生物降解等情況，采用雙點(diǎn)平衡/動(dòng)力學(xué)吸附溶質(zhì)運(yùn)移模型，其控制方程為：

式中：C為污染物在水相中的濃度，mg/l；S1、S2分別為污染物在平衡和非平衡吸附相上的吸附濃度，mg/g；θ為體積含水率，%；f為平衡吸附交換點(diǎn)位占總吸附點(diǎn)位的比例，%； ρ為土壤體積密度，g/cm3；Kd為土壤-水分配系數(shù)，cm3/g；k為一階吸附解吸速率常數(shù)；D為彌散系數(shù)，m2/d；λ1、λ2和λ3分別為水相、平衡吸附相和非平衡吸附相的一階微生物降解速率系數(shù)，d-1。

4 模型在太湖流域典型區(qū)域的應(yīng)用

4.1 研究區(qū)域概況太湖流域典型區(qū)位于江蘇省南部，長(zhǎng)江三角洲太湖平原西北部滆湖小流域。該區(qū)域?yàn)槠皆W(wǎng)地區(qū)，區(qū)內(nèi)大量圩區(qū)地勢(shì)低洼，境內(nèi)河流縱橫密布，土壤水與地表水交換頻繁；種植的農(nóng)作物種類繁多，化肥農(nóng)藥使用量超過全國(guó)平均水平，居于全國(guó)前列，農(nóng)業(yè)面源污染嚴(yán)重。

按照行政區(qū)域和水系特征的完整性、地表覆蓋和土地利用、水功能區(qū)劃等，研究區(qū)域劃分為127個(gè)單元，選取75#單元體作為特征單元體，模擬典型作物種植情況下N、P的輸出量。特征單元體位于常州境內(nèi)，西北鄰滆湖（入滆湖有一水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)），北傍太滆運(yùn)河，南于宜興相接，東與丹陽(yáng)相連。單元內(nèi)水稻種植占70%，棉花種植占20%，其他經(jīng)濟(jì)作物、小麥占10%。如圖7所示。

圖7 典型區(qū)域單元?jiǎng)澐?/p>

4.2 研究區(qū)域施肥特點(diǎn)太湖流域近年來(lái)施肥過程特點(diǎn)見表1[16]。

表1 太湖流域施肥過程特點(diǎn) （單位：kg/hm2）

4.3 研究區(qū)域水文特征研究區(qū)降水量的年際變化幅度較大，多年平均降水量1 124mm，區(qū)域分布由南向北遞減，梅雨期為6—7月，多年平均水面蒸發(fā)量為1 573.7mm，呈自南向北遞增。采用泰森多邊形法將流域內(nèi)2010年點(diǎn)雨量轉(zhuǎn)成面雨量，其年降雨量見圖8。

圖8 特征單元體年降雨量

4.4 特征單元不同作物的污染負(fù)荷輸出

（1）取特征單元出口入滆湖水樣進(jìn)行分析，將監(jiān)測(cè)值與模擬值比較，見表2。

表2 特征單元營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)N、P監(jiān)測(cè)值與模擬值比較 （單位：mg/l）

由表2可以看出，監(jiān)測(cè)值與模擬值基本相符。其中總氮的監(jiān)測(cè)值在4月和8月與模擬值相差較大（由施肥期無(wú)準(zhǔn)確時(shí)間造成），其他時(shí)期和總磷的值吻合較好。因此，采用本文提出的考慮農(nóng)業(yè)施肥、植物生長(zhǎng)對(duì)面源污染影響的方法是具有一定的精度的。

（2）不同作物對(duì)特征單元污染負(fù)荷輸出的影響。凈種水稻、小麥、棉花時(shí)，在作物生長(zhǎng)過程中年輸出總氮、總磷輸出的模擬結(jié)果如表3。

由表3可以看出，根據(jù)本區(qū)域降雨特點(diǎn)，結(jié)合作物生長(zhǎng)過程和施肥規(guī)律，特征單元體種植小麥在本單元體內(nèi)輸出的污染物最小，其中總氮為138kg/hm2，總磷為70kg/hm2。種植棉花則營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸出最大，總氮為287kg/hm2，總磷為101kg/hm2。

表3 植物生長(zhǎng)對(duì)污染物輸出的影響（單位：kg/hm2）

5 結(jié)論

（1）對(duì)特征單元，利用2010年的年降雨資料分析計(jì)算了種植棉花、小麥和水稻年總氮總磷的輸出量，本單元在2010年降雨條件下種植小麥營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸出最小，總氮為138kg/hm2，總磷為70kg/hm2。而種植棉花營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸出最大，總氮為287kg/hm2，總磷為101kg/hm2。

（2）太湖地區(qū)氮污染較磷污染嚴(yán)重，約為磷污染的3倍。這與太湖地區(qū)氮肥施用過多有關(guān)，太湖地區(qū)氮肥施用量大約為磷肥施用量的3倍。在水稻生長(zhǎng)季節(jié)，施氮肥總量為200kg/hm2，施磷肥總量為80kg/hm2；在小麥生長(zhǎng)季節(jié)，施氮肥總量為225kg/hm2，施磷肥總量為90kg/hm2；在棉花生長(zhǎng)季節(jié)，施氮肥總量為258.9kg/hm2，施磷肥總量為52.5kg/hm2。

（3）在三種作物生長(zhǎng)過程中，小麥對(duì)環(huán)境污染最小，輸出總氮為138kg/hm2，總磷為70kg/hm2；水稻次之，輸出總氮為228kg/hm2，總磷為89kg/hm2；棉花對(duì)環(huán)境污染最大，輸出總氮為287kg/hm2，總磷為101kg/hm2。作物生長(zhǎng)對(duì)環(huán)境污染影響：棉花＞水稻＞小麥。

（4）在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)較多的月份，監(jiān)測(cè)到的氮磷負(fù)荷明顯增大。說(shuō)明農(nóng)業(yè)活動(dòng)是環(huán)境氮磷污染的主要源頭，是太湖流域面源污染物的主要來(lái)源。

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