土壤水氮遷移轉(zhuǎn)化模型研究進展

張金萍，許 靈，倪 偉

(1.水利部松遼水利委員會規(guī)研中心，吉林 長春 130021；2. 松遼水利水電開發(fā)有限責(zé)任公司，吉林 長春 130021)

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土壤水氮遷移轉(zhuǎn)化模型研究進展

張金萍1，許 靈2，倪 偉1

(1.水利部松遼水利委員會規(guī)研中心，吉林 長春 130021；2. 松遼水利水電開發(fā)有限責(zé)任公司，吉林 長春 130021)

水資源短缺和農(nóng)業(yè)面源污染問題已成為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵制約因素，因此提高農(nóng)田水氮的利用效率、減少氮素淋失及其對環(huán)境污染的影響具有十分重要的意義。隨著土壤溶質(zhì)運移理論研究的發(fā)展， 國內(nèi)外學(xué)者對土壤水氮運移、轉(zhuǎn)化機理的研究不斷深入。文章綜述了國內(nèi)外水氮運移、轉(zhuǎn)化理論研究及模擬模型研究的現(xiàn)狀, 并討論了該領(lǐng)域未來的研究趨勢和有待解決的問題。

運移轉(zhuǎn)化機理；模擬模型；研究現(xiàn)狀

肥料對糧食作物的增產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)至關(guān)重要，生育期適時灌水和科學(xué)施肥是提高糧食產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。氮素營養(yǎng)既是保障作物增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵營養(yǎng)元素之一[1]，又是相對缺乏的關(guān)鍵元素[2]。土壤中氮素的含量和科學(xué)配比直接關(guān)系農(nóng)作物的健康生長[3]。為增加旱地土壤的氮素供給，氮素肥料在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐中被廣泛施用，年投入量高達2000萬t以上，居世界首位。2005年，國內(nèi)氮素化肥施用量4500萬t以上，約為1983年的2倍，而相應(yīng)的糧食產(chǎn)量為48 000萬t，僅是1983年的1.2倍。氮素肥料利用率較低，不僅造成農(nóng)業(yè)投入與產(chǎn)出嚴重失衡的浪費現(xiàn)象，更增加了農(nóng)業(yè)面源污染的風(fēng)險。已有研究[4]報道：國內(nèi)每年約有1000萬t氮素肥料轉(zhuǎn)化為污染物，造成農(nóng)業(yè)面源污染負荷，給生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境帶來嚴重影響。農(nóng)田中氮素養(yǎng)分損失的途徑主要包括：徑流沖刷損失、氨的揮發(fā)、反硝化脫氮、銨的固定、硝態(tài)氮的淋失損失等。其中，硝態(tài)氮的淋失損失量最大[5]，土壤硝態(tài)氮殘留在隨水流遷移到下層土壤進而污染淺層地下水。我國飲用水衛(wèi)生標準明確了水中的硝酸鹽含量的安全標準，每升水中不應(yīng)超過20 mg，雖高于發(fā)達國家標準[6]，但部分地區(qū)飲水的水質(zhì)指標仍不達標。硝酸鹽對水體的污染具有隱蔽性，呈逐年加劇的態(tài)勢，治理難度大、代價高昂[7]，已引起了社會的廣泛關(guān)注。因此，對于氮素污染問題的研究，已引起科學(xué)界廣泛重視[8]，土壤中氮素的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律也已成為國內(nèi)外環(huán)境科學(xué)、生態(tài)科學(xué)和土壤科學(xué)研究的熱點問題[9-10]。

水是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的命脈，在用水總量中，農(nóng)業(yè)用水所占比重最大。以華北平原為例，該地區(qū)一直是中國最大的糧食生產(chǎn)基地之一，谷物糧食產(chǎn)量占全國總量的21.6%[11]，其中冬小麥的產(chǎn)量占全國總產(chǎn)量的71%左右[12]，冬小麥全生育期耗水量為450 mm左右，而小麥生長季的降雨不足，一半不超過180 mm，小麥灌溉用水約占該地區(qū)農(nóng)業(yè)用水總量的70%[13]，而其中64%的灌溉水來自地下[14-16]，由于多年大量開采地下水進行灌溉，導(dǎo)致地下水位每年以1.0～1.5 m的速度下降，地下水位已從20世紀50年代的5 m 降到了現(xiàn)在的30 m以下[15]，由此產(chǎn)生的環(huán)境矛盾也日趨尖銳。

綜上，粗放的灌溉管理及不科學(xué)的施肥方式已成為生態(tài)環(huán)境風(fēng)險的主要因素，制定合理的灌溉制度和科學(xué)的施肥方案、提高灌溉水及氮素利用效率，減少不必要的耗散和損失，對平衡糧食增產(chǎn)與水資源及環(huán)境污染之間的矛盾有極為重要的現(xiàn)實意義。如何確定灌水量、施肥量與氮素淋失量、作物產(chǎn)量等之間的相關(guān)性具有重要意義，然而大田實驗成本高且周期長，不同農(nóng)業(yè)管理措施下的研究過程既費時又耗資，對環(huán)境的影響的評價往往難于達到預(yù)期的效果。因此，研究土壤中氮素的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律及模型，利用模型對不同管理措施進行模擬評估具有十分重要的理論與現(xiàn)實意義。

1 土壤水氮遷移轉(zhuǎn)化理論研究現(xiàn)狀

相比國內(nèi)，國外對土壤溶質(zhì)運移方面問題的研究開展較早，始于20世紀50年代。由Lapidus開創(chuàng)的對流—彌散方程(CDE)模型，揭開了溶質(zhì)運移研究的序幕。Scheidegg將Lapidus 的方程擴展，進行三維均質(zhì)土壤、穩(wěn)態(tài)流條件下的模擬研究,優(yōu)化了算法，同時考慮了溶質(zhì)運移時水的動力彌散作用。Rizfai在Schidegger研究成果的基礎(chǔ)上，考慮了溶質(zhì)運移時的分子擴散作用，并引入了彌散度的概念，來表征土壤特性對溶質(zhì)運移的影響，使溶質(zhì)運移理論的研究更加深入。Nielson和Biggaz從理論上推導(dǎo)建立了對流—彌散方程，并根據(jù)實驗結(jié)果，對Lapidus、Schidegger和Nielson的模型進行了比較分析，因此實驗和理論進一步表明對流—彌散方程能較好地描述非反映性物質(zhì)在多孔介質(zhì)中的遷移規(guī)律[17]。在溶質(zhì)運移研究歷史上,開創(chuàng)了應(yīng)用數(shù)學(xué)模型來說明和解釋溶質(zhì)運移過程的局面。Biggerh和Nieison提出了考慮土壤的空間變異性問題，開始了對土壤性質(zhì)空間變異性的研究[18]。美國加州大學(xué)Jury提出了“黑箱模型”[19]。國外許多學(xué)者為了量化溶質(zhì)運移規(guī)律，提出了溶質(zhì)運移的定量計算模型，早期的研究多采用確定性機理模型即對流—彌散方程(CDE)來模擬土壤中的溶質(zhì)運移，隨著隨機理論的發(fā)展，隨機過程方程例如TEM模型，傳遞函數(shù)修正模型，此外還有蒙特卡洛方法[20]、譜分析法[21]、矩分析法[22]等開始應(yīng)用于溶質(zhì)運移數(shù)量特征的模擬研究。

近年來，國內(nèi)土壤物理學(xué)者及農(nóng)學(xué)者開展了一些室內(nèi)、室外的溶質(zhì)運移試驗研究，并結(jié)合模型模擬系統(tǒng)研究了氮素的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律[23]。武曉峰等[24]對冬小麥田間根層氮素遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律進行了研究；馮紹元等[25]系統(tǒng)地綜述了氮素遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律及其損失對水環(huán)境的影響等。羅陽等[26]對大田中土壤剖面上水分及三氮含量等進行了長期監(jiān)測，并結(jié)合室內(nèi)的土柱模擬實驗，應(yīng)用LEACHN模型進行了模擬計算，研究結(jié)果表明土壤根區(qū)底部的氮素的淋溶損失量與降雨量和灌溉量、施肥量呈正向相關(guān)。張瑜芳等[27]提出了排水條件下氮素遷移轉(zhuǎn)化和流失的簡化計算方法，系統(tǒng)地研究了排水條件下氮肥遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。

隨著節(jié)水灌溉的推廣應(yīng)用，國內(nèi)學(xué)者對噴灌和滴灌條件下氮素遷移轉(zhuǎn)化進行了系統(tǒng)研究。王康[28]建立了節(jié)水條件下土壤氮素損失和環(huán)境評價概念型模型，用以研究節(jié)水條件下氮素對生態(tài)環(huán)的境影響。馮紹元等[29]對噴灌條件硝態(tài)氮含量與施肥量的相關(guān)性進行了系統(tǒng)研究。李久生等[30]對滴灌點源施肥條件下硝態(tài)氮在距滴頭附件的分布累積規(guī)律進行了系統(tǒng)的研究。

2 土壤水氮遷移轉(zhuǎn)化模型研究進展

應(yīng)用數(shù)學(xué)方法模擬農(nóng)田中土壤水氮遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，是定量化研究的必然趨勢。根據(jù)土壤水氮遷移轉(zhuǎn)化模型的求解形式不同，Addisott和Wagenet[31]將其劃分為確定性模型和隨機模型。其中確定性模型又可劃分為確定性機理模型和確定性函數(shù)模型[32]。確定性機理模型即對流—彌散方程(CDE)幾十年來應(yīng)用最為普遍，該模型是根據(jù)達西定律和連續(xù)原理建立的，可以較好地揭示溶質(zhì)在均質(zhì)多孔介質(zhì)中的運移機理及時間、空間對溶質(zhì)運移的影響。確定性函數(shù)模型如活塞流、半解析模型、層狀模型等對溶質(zhì)運移和水流運動做了概化，大多采用物質(zhì)平衡的方法估算土壤水氮的行為[33]。

隨機模型近20 a來逐漸發(fā)展成熟，并受到重視和廣泛應(yīng)用。其主要特點是輸入變量及輸出結(jié)果均以概率分布的形式表示，而不是單一的數(shù)值。與國外相比，國內(nèi)在隨機模型應(yīng)用研究處于起步較晚，應(yīng)用隨機方法建模和大致可分為兩種方式，即單獨考慮時間變量和空間變量，或同時考慮兩者的隨機模型。目前隨機模型主要有蒙特卡洛模擬、拉格朗日方法、歐拉法和隨機連續(xù)模型，在土壤水力特性參數(shù)及溶質(zhì)運移參數(shù)、水流通量、溶質(zhì)運移速度及彌散系數(shù)等方面應(yīng)用較多[33]。

現(xiàn)就目前國際上有影響的描述土壤水氮遷移轉(zhuǎn)化的幾個模型做下簡要介紹。

(1)HYDRUS-1D

美國鹽土實驗室開發(fā)的HYDRUS-1D，包括3個模塊：水分模塊、溶質(zhì)運移模塊及溫度模塊，廣泛用于模擬飽和—非飽和介質(zhì)中水、熱和溶質(zhì)的運移。水分模塊采用Richards方程計算土壤中水分含量，溶質(zhì)運移模塊和溫度模塊采用對流彌散方程，分別模擬溶質(zhì)運移轉(zhuǎn)化過程和溫度的對流傳導(dǎo)過程。

局限性：沒有考慮溫度、水分對氮素反應(yīng)速率的影響，且無作物生長模塊，只是對作物吸水做了簡單的處理，因此不能模擬土壤水氮遷移轉(zhuǎn)化對作物生長的影響。

(2)LEACHM(Leaching Estimation And Chemistry Model)

美國康奈爾大學(xué)研究開發(fā)的LEACHM模型包括4個模塊：LEACHW模塊、LEACHP模塊、LEACHN模塊和LEACHC模塊，被廣泛應(yīng)用于土壤中水分和溶質(zhì)的運動模擬。其中LEACHW模塊用于模擬水分運動，LEACHP模塊用于模擬殺蟲劑的遷移轉(zhuǎn)化，LEACHN用于模擬土壤中碳、氮和磷的遷移轉(zhuǎn)化，LEACHC用于模擬土壤中鹽分運移。

局限性： ① 土壤分層厚度必須相等； ②不能模擬地表徑流； ③不能模擬作物對土壤和環(huán)境影響的響應(yīng) ；④不能模擬作物產(chǎn)量。

(3)RZWQM(Root Zone Water Quality Model)

由美國農(nóng)業(yè)部大平原系統(tǒng)研究單位在NTRM模型的基礎(chǔ)上修正完善的RZWQM模型包括6個模塊：作物生長模塊、物理運移模塊、化學(xué)運移模塊、養(yǎng)分循環(huán)模塊、殺蟲劑模塊和管理模塊。該模型廣泛應(yīng)用于模擬不同農(nóng)業(yè)管理措施及其對溶質(zhì)運移狀況和作物產(chǎn)量的影響。

局限性：模型將植物殘茬分為快、慢兩種降解形式，將土壤有機物分成快、中、慢3種速率庫，各個庫之間轉(zhuǎn)換復(fù)雜，參數(shù)較多，模型對這些降解庫的動態(tài)非常敏感，因此模型不易率定。

(4)NLEAP模型

主要用于評價由于農(nóng)業(yè)措施的變化而產(chǎn)生的硝酸鹽淋失量對地下水的潛在威脅，用于田間尺度。主要動力學(xué)過程包括：水和硝態(tài)氮的運移過程、作物吸收過程、氮的礦化、硝化與反硝化過程、氨揮發(fā)過程、作物腐殖質(zhì)與有機肥和其他有機物的礦化和固定過程等。

局限性：①模擬時間步長必須大于等于一天 ；②不能模擬地表徑流產(chǎn)生的氮損失； ③沒有考慮表層有機肥的氨揮發(fā)和反硝化影響。

此外，還有模擬氮素在土壤中遷移轉(zhuǎn)化機理的DRAINMOD模型、CREAMS 模型，模擬土壤-作物系統(tǒng)中土壤水與氮素動力過程的DAISY模型，用于評估土壤侵蝕對土地生產(chǎn)力、植物競爭、作物產(chǎn)量和水質(zhì)影響的NTRM模型等。

中國在該領(lǐng)域的研究雖然沒有達到獨立建立機理模型的階段，但是結(jié)合大田實驗和室內(nèi)實驗監(jiān)測，近年來也在模型研究方面取得了較好的研究成果。武曉峰和謝森傳[34]建立了模擬土壤-作物系統(tǒng)中不同形態(tài)氮素遷移轉(zhuǎn)化的數(shù)學(xué)模型，以冬小麥田間實驗觀測為基礎(chǔ)，模擬研究了不同狀態(tài)氮素的移轉(zhuǎn)化規(guī)律以及土壤吸附、作物吸收等多種影響因素，利用溶質(zhì)擴散-對流方程模擬了冬小麥生長期間田間水分、氨氮、硝態(tài)氮含量及其分布變化；張瑜芳等[35]建立了稻田中氨態(tài)氮遷移轉(zhuǎn)化數(shù)值模擬，并與土柱試驗觀測資料進行了對比分析。黃元仿等[36]應(yīng)用對流—彌散方程，建立了田間土壤氮素運移的數(shù)值模型，將土壤氮素、水和熱運移綜合考慮，并將土壤氮素轉(zhuǎn)化和作物根系吸收也加入在模型的源匯項中；馮紹元等[37]建立了土壤—水—植物系統(tǒng)中氮素遷移轉(zhuǎn)化與綜合吸收數(shù)學(xué)模型，模型考慮了氮素的礦化、硝化、反硝化和作物吸收等過程，并對轉(zhuǎn)化參數(shù)進行了濕度和溫度的修正，礦化、硝化和反硝化過程采用一級動力學(xué)方程描述，作物吸氮采用米氏競爭方程計算，并將模型運用于玉米、西紅柿和萵苣三種作物生長過程的模擬；沈榮開等[38]建立了一個田間一維飽和—非飽和土壤中NH4+-N和NO3--N在排水條件下的遷移轉(zhuǎn)化模型，模型中綜合考慮了對流、彌散、吸附、降解和硝化作用，對氮素在非飽和土壤中的運移進行了探討，并對模型進行了驗證。

在模型應(yīng)用研究方面，張思聰?shù)萚39]以長期田間觀測資料為基礎(chǔ)，應(yīng)用LEACHM模型，對根區(qū)以下硝態(tài)氮的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律和滲漏損失的關(guān)鍵影響因素進行了研究；曹巧紅等[40]應(yīng)用Hydrus-1D模型模擬了非飽和介質(zhì)中一維水、熱和溶質(zhì)遷移過程，獲得了取得了較好的結(jié)果；任理和馬軍花[41]建立了硝態(tài)氮在土壤中淋失的傳遞函數(shù)模型，并與實測資料對比驗證，結(jié)果表明所建模型比常規(guī)溶質(zhì)的傳遞函數(shù)模型具有更高精度。

3 結(jié)論與討論

3.1 區(qū)域水氮運移模型與地理信息系統(tǒng)的結(jié)合

地理信息系統(tǒng)(GIS)具有強大的數(shù)據(jù)輸入、存儲、檢索、運算、顯示功能，應(yīng)用其地理模型分析方法，可以提供多種空間和動態(tài)的地理信息，為地理研究和管理決策提供技術(shù)支持?，F(xiàn)在GIS被廣泛地應(yīng)用于繪制如作物產(chǎn)量分布圖、種植結(jié)構(gòu)圖、硝態(tài)氮淋洗分布圖等。因此，在研究區(qū)域土壤水氮遷移轉(zhuǎn)化過程時，可以將基于土壤水氮遷移轉(zhuǎn)化機理的點模型與GIS結(jié)合，可以更加直觀地展示模擬運算結(jié)果，便于理解和解釋。模型與GIS結(jié)合方式分為松結(jié)合、緊結(jié)合和完全結(jié)合三種類型[42-43]，目前國內(nèi)外大多是采用緊結(jié)合的方式研究土壤水氮遷移轉(zhuǎn)化過程，并向應(yīng)用完全結(jié)合方向轉(zhuǎn)移。

3.2 多種模型結(jié)合應(yīng)用，加強多因素交互作用研究

目前的土壤水氮運移、轉(zhuǎn)化模型大多考慮了主要的氮素動力學(xué)過程，包括氮肥施用過程、硝化與反硝化過程、氨揮發(fā)過程、作物吸收過程和硝態(tài)氮淋失過程等。但是，不同的模型各有其優(yōu)缺點，由于模型的局限性或者說模型的適用條件所限，沒有哪一種模型能把氮素遷移轉(zhuǎn)化所有過程都模擬得很好，每一種模型都側(cè)重于一個或者幾個過程，因此根據(jù)研究問題的實際情況，將幾種模型結(jié)合進行研究，可以提供解決問題的思路。

3.3 存在問題

(2)非飽和帶氮素運移機理與模型研究將注意力集中于硝態(tài)氮淋失、氮素利用效率與作物產(chǎn)量的關(guān)系方面，氮素對地下水的污染模型研究則集中于含水層。將飽和帶—非飽和帶作為整個系統(tǒng)，研究氮素轉(zhuǎn)化與運移規(guī)律并分析對環(huán)境影響的研究相對較少。

(3)土壤氮素是一個相互聯(lián)系、多因素交互作用的統(tǒng)一體，須要采用系統(tǒng)分析的方法進行研究，而國內(nèi)外對于土壤氮素遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的研究多集中在單個過程，忽視了氮素轉(zhuǎn)化各過程的交互作用，對整個系統(tǒng)進行整體研究時也存在關(guān)注單一因素的情況，今后應(yīng)加強對多因素交互作用的研究。

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Progress of research on soil water and nitrogen transport and transformation

ZHANG Jinping1，XU Ling2，NI Wei1

(1.SongliaoWaterResourcesCommit,MWR.Changchun130021,China;2.SongliaowaterresourcesandhydropowerdevelopmentCo.,Ltd,Changchun130021,China)

The shortage of water resource and agricultural non-point source pollution are the limiting factors for sustainable agriculture in the North China Plain (NCP). It is necessary to improve the water use efficiency (WUE), nitrogen use efficiency (NUE) and reduce the nitrogen leaching from the root zone and its effect on environmental pollution. With the development of soil solute transport theory, the study on the water and nitrogen transport and transformation mechanisms is developing in home and abroad. This paper summarizes the current status of research in area of nitrogen transport and transformation mechanisms and simulating models.The development tendency of research on this area was briefly discussed.

transport and transformation;Simulating Model;Present Status

張金萍(1980-)，女，高級工程師，主要從事水利規(guī)劃方面的工作。

S153；S154.4

A

2096-0506(2016)10-0013-05