運(yùn)用DRAINMOD-NⅡ模擬平原河網(wǎng)地區(qū)稻田排水氮素流失量

王亞妮，李 磊，胡林生，沈 優(yōu)，齊露露

（1.淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 淮安 223005；2.水發(fā)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，山東 濟(jì)南 250014）

1 概述

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中為了提高作物產(chǎn)量而過度施肥情況日益嚴(yán)重化，農(nóng)田氮磷流失是造成地表水體富營養(yǎng)化的主要污染途徑。農(nóng)田排水是氮素流失的主要影響因素之一。排水系統(tǒng)布置不合理導(dǎo)致排水量過大，使得氮素養(yǎng)分大量流失，不僅降低了化肥的利用率，而且成為農(nóng)業(yè)面源污染的主要組成部分，直接影響到了地表受納水體的水質(zhì)，對(duì)水環(huán)境造成了嚴(yán)重的威脅，直接危害人體健康。大量研究結(jié)果顯示，通過實(shí)施不同排水系統(tǒng)布置來調(diào)控排水量，不僅能夠使得排水再利用、節(jié)水灌溉、減緩澇漬災(zāi)害，而且減少氮磷等過度排放量。

DRAINMOD-NⅡ模型不僅包括水平衡原理，而且考慮了單循環(huán)過程中的銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化和運(yùn)移過程及氨的揮發(fā)過程，且定量計(jì)算有機(jī)質(zhì)礦化和生物固氮過程中考慮了碳循環(huán)過程。Youssef等［1］在北加福利尼亞東部進(jìn)行了為期6年的農(nóng)田排水試驗(yàn)，采集并分析研究了相關(guān)的數(shù)據(jù)，成功測(cè)試了DRAINMOD-NⅡ氮素運(yùn)移模型的可行性。王少麗等［2］利用加拿大Eugene F.Whelan實(shí)驗(yàn)站大田實(shí)測(cè)的排水量和氮素流失量資料對(duì)DRAINMOD-N模型進(jìn)行了驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)模擬值與實(shí)測(cè)值的相關(guān)性較好。Luo W等［3-4］應(yīng)用DRAINMOD-NⅡ模型模擬了氮素流失量，模擬結(jié)果能夠很好地反映實(shí)際情況。

本文以平原河網(wǎng)地區(qū)的臨湖灌區(qū)為研究對(duì)象，運(yùn)用應(yīng)用DRAINMOD-NⅡ模型模擬稻田不同排水系統(tǒng)布置的排水量和氮素流失量，為評(píng)價(jià)灌區(qū)現(xiàn)狀排水系統(tǒng)提供理論依據(jù)。

運(yùn)用DRAINMOD_NⅡ模型分析臨湖灌區(qū)不同排水系統(tǒng)對(duì)排水量和氮素流失量的影響，以控制水量和氮素流失、降低澇漬災(zāi)害、減少水體污染為目標(biāo)，尋求合理的排水系統(tǒng)，以此評(píng)價(jià)臨湖灌區(qū)現(xiàn)狀排水系統(tǒng)（間距200 m，深度1.5 m）下排水量和氮素流失量的情況，討論灌區(qū)現(xiàn)有的排水系統(tǒng)布置是否滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求。

2 臨湖灌區(qū)概況

2.1 基本情況

臨湖灌區(qū)位于江蘇省淮安市淮陰區(qū)馬頭鎮(zhèn)、南陳集鎮(zhèn)、高家堰鎮(zhèn)境內(nèi)，南臨洪澤湖、北靠中運(yùn)河、東臨淮沭河（二河段）、西與泗陽縣接壤，南北長22 km、東西寬有16 km，灌區(qū)總面積285.7 km2，總耕地面積1.4萬hm2，設(shè)計(jì)灌溉面積1.33萬hm2。灌區(qū)主要水源為洪澤湖水，北部局部地區(qū)水源為中運(yùn)河水，通過分散建站分別從張福河、趙公河、南淮泗河等通湖河道提洪澤湖水及中運(yùn)河水灌溉。灌區(qū)內(nèi)以砂性土為主，適宜種植水稻、小麥、玉米等多種作物。

2.2 水文氣象

臨湖港區(qū)地處北亞熱帶和暖溫帶交界區(qū)，屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候，四季分明，季風(fēng)顯著，雨量充沛，光照時(shí)間長，有霜期短，氣候條件比較優(yōu)越，年平均氣溫14.8℃，平均日照時(shí)數(shù)2 080.6 h，多年平均降水量945.5 mm，年雨雪日平均為106.6 d，梅雨多雨季節(jié)，平均在6月25日進(jìn)入雨季，7月中旬雨季結(jié)束。由于受季風(fēng)影響，降水量季節(jié)性變化顯著，冬季雨水稀少，夏季雨水集中（約占全年65%左右），春秋兩季雨水量基本相當(dāng)，占全年降水量30%左右，無霜期216 d，年均蒸發(fā)量861 mm左右，地下水位在0.8～1.9 m之間。

2.3 排水系統(tǒng)布置

臨湖灌區(qū)排水系統(tǒng)主要包括毛溝、小溝、中溝、大溝及外河。稻田排水經(jīng)毛溝排入小溝，然后進(jìn)入中溝，再排入大溝，最終匯入外河。其中，毛溝根據(jù)責(zé)任田塊走向形成，小溝與毛溝正交或者斜交，中溝間距為200 m左右。區(qū)域排水系統(tǒng)分布圖如圖1所示。

圖1 灌區(qū)排水系統(tǒng)布置

3 DRAINMOD-NⅡ模型的基本原理

DRAINMOD_NⅡ模型包括水文計(jì)算過程和氮素運(yùn)移部分。其中，氮素運(yùn)移部分包括大氣沉積物、礦物質(zhì)氮肥的利用、動(dòng)植物殘留體等有機(jī)氮對(duì)土壤的改良作用，作物吸收作用、有機(jī)碳的分解、氮的礦化及固定、硝化反硝化作用、氨的揮發(fā)作用、地下排水及地表徑流中氮素流失。

模型原理主要以氮循環(huán)和碳循環(huán)為基礎(chǔ)描述氮素轉(zhuǎn)化過程。該模型中編入了影響氮素轉(zhuǎn)化的因素，如環(huán)境因素對(duì)碳和氮轉(zhuǎn)化以及C∶N比的影響；土壤溫度、土壤含水率、土壤pH、化肥和動(dòng)物糞便的使用、植物殘留體及耕作措施等對(duì)氮素轉(zhuǎn)化的影響。氮素轉(zhuǎn)化過程包括有機(jī)質(zhì)的分解和固氮、硝化反硝化、作物吸收及氨揮發(fā)等。

3.1 DRAINMOD-NⅡ模型的水文計(jì)算過程

該模型水文部分包括水平衡計(jì)算過程和水管理措施計(jì)算過程，本文主要基于水平衡計(jì)算過程，如圖2所示。

圖2 DRAINMOD_NⅡ水平衡

該過程包括地表和地下2個(gè)部分水量平衡方程，Δt時(shí)間里的地下水平衡方程：

式中：ΔVα為土壤中的水量變化量，cm；D為側(cè)向排水量，cm；ET為蒸散發(fā)量，cm；DS為深層的滲漏量，cm；F為土壤入滲量，cm。

Δt時(shí)間里的地表水平衡方程為

式中：ΔS為地表水變化量，cm；P（I）為降水量或灌溉量，cm；F為土壤入滲量，m；RO為地表水徑流量，cm。

3.2 DRAINMOD-NⅡ模型的氮素循環(huán)過程

模型考慮了詳細(xì)的氮循環(huán)過程，包含NO3-N、NHx-N、和ON3種形式。其中NHx-N是可選擇性的，如果土壤溶液為酸性或者中性時(shí)，模型以NH4-N為主；當(dāng)土壤溶液的pH超過7.5時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)NH3-N。氮素模擬過程主要包括大氣沉積物、礦物質(zhì)氮肥的利用、有機(jī)氮資源的利用、作物吸收、礦化過程、生物固氮過程、硝化反硝化、氨揮發(fā)及地下排水及地表徑流的NO3-N和NHx-N流失。模型中氮循環(huán)過程見圖3。

圖3 DRAINMOD-NⅡ氮循環(huán)

3.3 氮素運(yùn)移原理

DRAINMOD-NⅡ模型模擬氮素運(yùn)移原理以多相一維對(duì)流彌散反應(yīng)方程為基礎(chǔ)。表達(dá)式如下：

式中：Cg和Cα分別為某種氮形式的氣態(tài)濃度和液態(tài)濃度；Cs為某種氮形式的固態(tài)濃度；θg和θα分別為土壤氣相和液相的積分?jǐn)?shù)；ρb為土壤固相的干容重；vα為液相的體積通量；Dα為水動(dòng)力彌散系數(shù)；dg為分子擴(kuò)散系數(shù)；t為時(shí)間；z為空間坐標(biāo)；S為源匯項(xiàng)。

式（1）中，氮的固態(tài)和液態(tài)的濃度之間通過下式可以進(jìn)行轉(zhuǎn)化：

式中：Kd為分配系數(shù)；氮的氣和液態(tài)的濃度之間通過下式可以進(jìn)行轉(zhuǎn)化：

式中，H為Henry系數(shù)，M/M。

將（2）式和（3）式帶入（1）式可得：

式（4）可以寫成以氮素液態(tài)濃度為變量的緊湊公式：

式中：Rf為無量綱阻滯因子，De為有效彌散系數(shù)；3種無機(jī)氮的阻滯因子和有效彌散系數(shù)的選取見表1。

表1 3種氮素形式的阻滯因子和有效彌散系數(shù)

匯源項(xiàng)見下式：

式中：Sfer為所施化肥溶解的氮素含量；Sdep為大氣沉降的氮素含量；Smin/imm為有機(jī)氮礦化和固定的氮素含量；Snit為硝化作用的氮素含量；Srnf為隨地表徑流流失的氮素含量；Sden為反硝化作用所消耗的氮素含量；Shyd為尿素水解的氮素含量；Supt為作物吸收的氮素含量；Svol為氨揮發(fā)損失的氮素。

DRAINMOD-NⅡ模型求解以為對(duì)流彌散方程的邊界條件如下：

初始條件：

式中：ρrain為降水3種形式氮素質(zhì)量濃度，mg/L；ρ0(Z)為以土壤深度為基礎(chǔ)的3種形式氮素的初始質(zhì)量濃度，mg/L；L為氮素質(zhì)量濃度的埋深，m。

4 模型輸入?yún)?shù)的確定

模型輸入?yún)?shù)主要包括水文部分和水質(zhì)部分（氮素流失量）。具體參數(shù)確定情況如下。

4.1 氣象數(shù)據(jù)輸入

本文輸入模型的氣象資料由淮陰區(qū)碼頭鎮(zhèn)氣象信息服務(wù)站實(shí)測(cè)得到。輸入的氣象資料主要包括：（1）氣溫：日最低氣溫和日最高氣溫；（2）降雨：日降水量；（3）潛在蒸發(fā)量：日潛在騰發(fā)量，本文根據(jù)氣象站測(cè)的詳細(xì)氣象數(shù)據(jù)采用Penman-Monteith公式計(jì)算所得［5］。

4.2 模型土壤參數(shù)

土壤水分特征曲線是根據(jù)實(shí)測(cè)土壤顆粒分析數(shù)據(jù)推導(dǎo)而得［6］；不同埋深的地下水土壤的排水能力和潛水的上升通量，以排水模型提供的計(jì)算方法，基于實(shí)測(cè)土壤顆粒分析值推算而求得，包括計(jì)算入滲過程的Green-Ampt公式計(jì)算參數(shù)，計(jì)算土壤排水量的給水度參數(shù)和潛水上升通量等參數(shù)。模型主要土壤輸入?yún)?shù)見表2。

表2 模型主要選用的土壤參數(shù)

4.3 灌溉與排水參數(shù)

灌溉輸入?yún)?shù)主要包括灌溉日期，灌溉周期，每小時(shí)的灌水量。根據(jù)區(qū)域?qū)嶋H灌溉情況及模型參數(shù)輸入要求，稻田灌溉劃分為2個(gè)周期：從插秧前泡田（6月17日）到開始曬田（7月21日）為第一個(gè)灌水周期，曬田結(jié)束（7月29日）到水稻生長成熟期（10月15日）為第二個(gè)灌水周期。灌溉制度為：每隔5 d灌一次，每次以1.8 cm/h灌水率從早8：00灌溉到晚22：00結(jié)束，全生育期共灌水16次。

土壤水進(jìn)入滲漏管的速度取決于土壤導(dǎo)水率、排水暗管間距、暗管埋深及地下水位埋深。模型以側(cè)向飽和導(dǎo)水率及兩排水管間距的中點(diǎn)處地下水位埋深來估算排水流量。模型中的排水量采用Hooghoudt穩(wěn)定流公式計(jì)算得到。根據(jù)研究區(qū)稻田周圍田埂高度的實(shí)際情況可得，現(xiàn)有地表積水現(xiàn)象明顯，地表排水量非常小。

排水系統(tǒng)輸入?yún)?shù)主要包括地下排水和地表排水，地下排水參數(shù)有排水溝深度、間距、排水有效半徑、不透水層的埋深、排水模數(shù)及側(cè)向飽和導(dǎo)水率；地表排水參數(shù)主要有地面平整程度。

根據(jù)灌區(qū)實(shí)際情況，排水深度取1.5 m，排水溝間距模型選用100 m、200 m、300 m 3種進(jìn)行分析對(duì)比；

根據(jù)灌區(qū)實(shí)際情況結(jié)合相關(guān)資料由模型率定所得不透水層取350 cm、排水模數(shù)取1.3 cm/d、側(cè)向飽和導(dǎo)水率取2.02 cm/h、等效排水半徑取2.0 cm及地表平整程度的田埂高度Sm取10 cm、田間地表積水深度Si取1.2 cm。

4.4 作物及氮素運(yùn)移參數(shù)輸入

灌區(qū)作物主要為水稻，其輸入?yún)?shù)包括水稻種植日期、收獲日期，生育期內(nèi)水稻有效根深與時(shí)間的關(guān)系，水稻生長期內(nèi)各階段的敏感因子參數(shù)。種植和收獲日期根據(jù)實(shí)際情況所得，有效根深與時(shí)間的關(guān)系的確定是根據(jù)模型方法計(jì)算所得，各參數(shù)的輸入值見表3。

表3 模型主要選用的水稻根系深度變化參數(shù)

氮素運(yùn)移參數(shù)包括水稻生育期內(nèi)稻田施肥日期和施肥量、氮素轉(zhuǎn)化參數(shù)。施肥參數(shù)根據(jù)灌區(qū)實(shí)際調(diào)查所得，并以模擬值和實(shí)際值之間誤差達(dá)到最小為目標(biāo)，調(diào)整和率定碳氮轉(zhuǎn)化參數(shù)。

氮素運(yùn)移參數(shù)：反硝化速率0.3，凈礦化速率0.0001，降雨中NO3-N質(zhì)量濃度0.32 mg/L，降雨中NH4-N質(zhì)量濃度0.34 mg/L。

水稻吸收氮素參數(shù)：收獲指數(shù)0.42，根冠比0.1，籽粒氮積累量3%，根和莖氮積累量0.9%。具體見表4。

表4 模型主要輸入的施肥參數(shù)

5 模擬結(jié)果及討論

5.1 模擬不同排水系統(tǒng)的排水量

結(jié)合2019年7-9月的降水量和實(shí)際灌溉量，運(yùn)用DRAINMOD-NⅡ模型模擬灌區(qū)不同排水間距（間距為100 m、200 m、300 m，排水深度1.5 m）下中溝排水量，如圖4所示。

圖4 不同排水系統(tǒng)的排水量

根據(jù)分析，水稻整個(gè)生育期內(nèi)，排水間距100 m的累計(jì)排水量達(dá)到602.35 mm，排水間距200 m的累計(jì)排水量為498.51 mm，排水間距300 m的累計(jì)排水量為433.19 mm，排水間距100 m排水量高出排水間距200 m約21%，高出排水間距300 m約39%；從各排水間距下排水量累計(jì)數(shù)據(jù)的走勢(shì)情況可見，水稻整個(gè)生育期內(nèi)排水間距100 m的排水量遠(yuǎn)大于排水間距200 m和300 m。

由此可見，隨著排水間距的增大，排水量不斷減小，原因是，排水間距增大時(shí)，會(huì)引起下滲水分到排水溝處的水勢(shì)差減小，導(dǎo)致水勢(shì)梯度減小，則由達(dá)西定律可知，水流速度減慢，所以排水管的排水量減小。排水間距小導(dǎo)致田間大量水分流失，排水間距過大，稻田多余水分排不出，導(dǎo)致水稻受澇漬影響，而影響產(chǎn)量。

5.2 模擬不同排水系統(tǒng)的氮素流失量

結(jié)合2019年7-9月的稻田實(shí)際施肥量，運(yùn)用DRAINMOD-NⅡ模型的氮素循環(huán)利用原理，模擬灌區(qū)不同排水間距（間距為100 m、200 m、300 m，排水深度1.5 m）下中溝隨排水量而流失的NO3-N和NH4-N的流失量變化情況，如圖5～6所示。

圖5 不同排水系統(tǒng)的NO3-N流失量

根據(jù)圖標(biāo)趨勢(shì)線顯示，施肥后2～3 d，排水中的NO3-N流失量最大達(dá)到4.64 kg/hm2，NH4-N流失量最大達(dá)到2.08 kg/hm2。可見，施肥過后短時(shí)間內(nèi)氮素流失量明顯增高，且NO3-N的流失量超過NH4-N的2倍。

圖5顯示，生長前期（7月16-30日）排水間距100 m的NO3-N流失量達(dá)到4.46 kg/hm2，排水間距200 m和300 m的NO3-N流失量分別為3.78 kg/hm2和2.56 kg/hm2，排水間距100 m NO3-N流失量高出排水間距200 m和300 m約18%和74%；可見生長前期（水稻分蘗期和拔節(jié)孕穗期）排水間距對(duì)NO3-N流失量的影響與排水量基本一致，影響較大，中后期不同排水間距的NO3-N流失量差異不大；主要原因是水稻分蘗期和拔節(jié)孕穗期對(duì)氮素的吸收率較高［7］。

圖6顯示，生長前期和中期排水間距100 m的NH4-N流失量達(dá)到2.08 kg/hm2和1.51 kg/hm2，排水間距200 m和300 m的NO3-N流失量分別為1.74 kg/hm2、1.26 kg/hm2和0.98 kg/hm2、0.89 kg/hm2，排水間距100 m NH4-N流失量高出排水間距200 m約19%，是排水間距300 m的2倍有余；可見NH4-N流失量受排水間距和施肥的影響較大。

圖6 不同排水系統(tǒng)的NH4-N流失量

6 結(jié)論與討論

本文運(yùn)用DRAINMOD-NⅡ模型分析臨湖灌區(qū)不同排水系統(tǒng)對(duì)排水量和氮素流失量的影響，以控制水量和氮素流失、降低澇漬災(zāi)害、減少水體污染為目標(biāo)，尋求合理的排水系統(tǒng)。

經(jīng)過對(duì)比分析，排水間距增大時(shí)，會(huì)引起下滲水分到排水溝處的水勢(shì)差減小，導(dǎo)致水勢(shì)梯度減小，則由達(dá)西定律可知，水流速度減慢，所以排水管的排水量減小。排水間距過小導(dǎo)致田間大量水分流失，排水間距過大，稻田多余水分排不出，導(dǎo)致水稻受澇漬影響，進(jìn)而影響產(chǎn)量。不同排水系統(tǒng)的氮素流失與排水量變化趨勢(shì)基本一致，說明控制排水可以有效地降低稻田氮素流失［8-9］。

結(jié)果顯示，排水量受排水間距影響較大，氮素流失量在水稻生長前期受施肥和排水間距影響較大，氮素流失量與排水量變化趨勢(shì)基本一致，因此，控制排水可以有效地降低稻田氮素流失。

臨湖灌區(qū)現(xiàn)狀排水系統(tǒng)（間距200 m，深度1.5 m）下排水量和氮素流失量適中，不會(huì)造成大量的水量和氮素流失，不會(huì)引起較嚴(yán)重澇漬災(zāi)害和水環(huán)境污染，說明灌區(qū)現(xiàn)有的排水系統(tǒng)布置基本滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求。