基于HYDRUS-2D模型的滴灌土壤水氮動態(tài)模擬研究

崔赫釗，周青云*，韓娜娜，張寶忠

基于HYDRUS-2D模型的滴灌土壤水氮動態(tài)模擬研究

崔赫釗1，周青云1*，韓娜娜1，張寶忠2

（1.天津農(nóng)學院，天津 300392；2.中國水利水電科學研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100083）

【目的】探究河套灌區(qū)滴灌條件下玉米各生育期土壤水氮變化規(guī)律及不同灌水量對土壤硝態(tài)氮累積量的影響?！痉椒ā客ㄟ^田間試驗，設置高灌水量（D1：76 mm）處理和低灌水量（D2：60 mm）處理，分析土壤含水率和土壤氮素（銨態(tài)氮和硝態(tài)氮）的動態(tài)變化規(guī)律，利用HYDRUS-2D模型進行模擬驗證與預測?！窘Y(jié)果】各處理灌水后土壤含水率呈增加趨勢；而土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮在灌水施肥后迅速升高，隨后下降，D1處理和D2處理不同生育期0～10 cm土層銨態(tài)氮量和硝態(tài)氮量的平均降幅分別為60.0%～62.0%和40.0%～46.7%。拔節(jié)期、抽雄期和灌漿期各土層灌水后D1處理相比D2處理的土壤含水率分別增加了5.9%、8.0%和6.7%，而土壤銨態(tài)氮量和硝態(tài)氮量隨著土層深度的增加而降低。不同生育期硝態(tài)氮累積量為拔節(jié)期＞抽雄期＞灌漿期，隨著生育期的推進，硝態(tài)氮累積量呈降低趨勢。土壤含水率及氮素模擬值與實測值的吻合度較高，2、和均介于合理范圍內(nèi)?！窘Y(jié)論】玉米生育期120 mm的灌溉定額可有效降低0～60 cm土層的硝態(tài)氮累積量，可降低硝態(tài)氮在60～100 cm土層的積累量。該研究可為當?shù)毓鄥^(qū)合理的水肥調(diào)控及灌溉制度的制定提供參考。

土壤含水率；銨態(tài)氮；硝態(tài)氮；數(shù)值模擬；HYDRUS-2D模型

0 引 言

【研究意義】全球平均氮回收率為59%，近41%的氮在生態(tài)系統(tǒng)中損失[1]。預計到2030年，全球化肥總消費量將增加32%，其中氮、磷、鉀肥的消費量將同比增長37%、25.8%和21%[2]。我國主要糧食作物的氮肥平均利用率不足30%，低于世界平均水平，提高農(nóng)田水肥利用效率迫在眉睫。灌區(qū)施肥前，一方面需要考慮肥料施用的安全性，另一方面也要警惕灌水導致的氮淋失風險。土壤水分運動是養(yǎng)分運移的基礎，影響氮素在各土壤剖面的分布，不同灌水量對土壤養(yǎng)分的淋洗作用也不盡相同[3]。在半干旱地區(qū)，灌水量比施肥量的影響程度更大，低灌水量會加速氮揮發(fā)，而高灌水量易使氮素向深層土壤運移。綜上所述，合理灌溉與肥料高效利用對于制定安全高效的水肥調(diào)控策略頗為重要。【研究進展】相比于傳統(tǒng)的田間試驗，HYDRUS-2D模型操作更為便捷，應用更為廣泛，在土壤水[4]、鹽[5]、熱[6]和藥[7]的模擬驗證及模型應用方面效果顯著。Shafeeq等[8]認為HYDRUS-2D模型能夠模擬土壤水分與氮素的平衡，并通過模型優(yōu)化對土壤剖面氮素變化進行了逐日分析。Azad等[9]利用HYDRUS-2D模型模擬了土壤水氮運移過程，提供了優(yōu)化方案以最大限度地提高作物對氮素的吸收程度，并減少深層土壤的氮素損失?！厩腥朦c】在河套灌區(qū)，以往研究主要通過田間試驗分析氮素淋失量[10]、水肥耦合[11]、水氮利用效率[12]與作物產(chǎn)量的關系，而利用模型進行水氮模擬驗證并設置情景預測灌區(qū)水氮運移規(guī)律的研究卻鮮有報道。【擬解決的關鍵問題】為探討不同灌水定額對滴灌條件下土壤水氮運移動態(tài)變化的影響，本研究利用HYDRUS-2D模型對田間試驗測得的玉米各生育期土壤含水率、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮進行了模擬驗證，分析玉米不同生育期及灌水前后不同土壤剖面的水氮分布變化，在此基礎上設置不同的灌水定額假設情景，對土壤水氮分布進行模擬預測，以探究更為高效的灌溉制度。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市杭錦后旗縣，地處河套灌區(qū)，屬溫帶大陸性氣候，種植作物包括向日葵、小麥及玉米等。由于土壤母質(zhì)含鹽量較大，且土壤存在鹽漬化等障礙因素，嚴重制約當?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展。灌區(qū)年平均氣溫為3.8～7.6 ℃，降水量少而分布不均，多集中于每年的6—9月，年平均降水量為130～185 mm，年平均蒸發(fā)量為2030～2380 mm。玉米生育期降水量及參考作物蒸散量如圖1所示。

圖1 2020年試驗區(qū)玉米生育期降水量及參考作物蒸散量

1.2 試驗設計

供試作物為玉米，品種為“金田8號”，于2020年5月20日播種，在拔節(jié)期、抽雄期和灌漿期（6月21日、7月8日、8月4日）共灌水3次，于每次灌水前施肥，第1次施肥為磷酸二銨和鉀肥，后2次追肥為尿素，施肥量為75 kg/hm2，于2020年10月3日收獲。試驗小區(qū)面積為244.8 m2，試驗設計2種灌水水平，分別為高灌水量和低灌水量，灌水方式為膜下滴灌，覆膜方式為1膜1管2行，膜寬80 cm；滴灌帶間距為60 cm，滴頭間距為30 cm，滴灌帶布置在1/2行距處，滴頭流量為1.35 L/h。試驗設計及灌水定額如表1所示。

表1 試驗設計及灌水定額

1.3 測試指標及方法

考慮灌溉周期、降水歷時和地下水位等因素的影響，在拔節(jié)期、抽雄期、灌漿期和成熟前期每隔10～15 d取樣，灌水前后加測，全生育期共取樣7次。土壤縱向取土深度為0～10、10～30、30～60、60～80、80～100 cm。所測指標包括土壤含水率、銨態(tài)氮及硝態(tài)氮。采用烘干法測定土壤體積含水率；土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮采用2 mol/L的氯化鉀溶液進行浸提，取5 g土樣放入錐形瓶，加入50 mL的氯化鉀溶液，放入振蕩器后過濾，采用流動分析儀測定濾液中的硝態(tài)氮量和銨態(tài)氮量。

土壤硝態(tài)氮累積量采用等質(zhì)量法計算，計算式為[13]：

式中：TN為等質(zhì)量土壤硝態(tài)氮累積量（kg/hm2）；ρ為第層土壤體積質(zhì)量（g/cm3）；h為第層土壤厚度（cm）；m為第層土壤硝態(tài)氮量（mg/kg）。

玉米生育期土壤硝態(tài)氮累積變化量計算式為：

式中：TNM和TNJ分別為夏玉米成熟期和拔節(jié)期對應土層的硝態(tài)氮累積量（kg/hm2）。

1.4 數(shù)值模擬及模型驗證

1.4.1 基本原理

HYDRUS-2D是用于多孔介質(zhì)中水、熱運動與離子交換、溶質(zhì)運移等模塊的數(shù)值模擬軟件?？紤]到滴頭位置所在平面兩側(cè)呈對稱分布，因而本試驗中膜下滴灌的土壤水分運動可以將三維水分運動簡化為中心對稱的二維水分運動[14]。假設土壤為均質(zhì)、各向同性的多孔介質(zhì)，不考慮氣體及溫度對水分運動的影響[15]，模型中水分運動方程參見文獻[16]。土壤溶質(zhì)運移控制方程參見文獻[17]。土壤中氮的轉(zhuǎn)化包括礦化、水解、吸附硝化、反硝化等。模型中土壤氮素的礦化作用應用零級動力學反應方程，分配系數(shù)d取值為3.5；分配指數(shù)取值為1；液氣分布平衡常數(shù)Henry取值為0。其他相關溶質(zhì)參數(shù)通過參數(shù)反演并參考前人研究中的參數(shù)[17]獲得。

1.4.2 土壤水力特性參數(shù)

數(shù)值模型中土壤水分特征曲線（）和水力傳導度（）采用Van Genuchten公式描述[18]，計算式為：

式中：r和s分別為殘余含水率和飽和含水率（cm3/cm3）；s為飽和水力傳導度（cm/d）；e為有效飽和度；為進氣閾值的倒數(shù)（cm-1）；和為經(jīng)驗參數(shù)；為孔隙關聯(lián)參數(shù)，取值為0.5。土壤水力特性參數(shù)如表2所示。

表2 土壤水力特性參數(shù)

1.4.3 模型幾何劃分及模型邊界

利用HYDRUS-2D模型對玉米各生育期共計84 d的土壤水氮運移進行模擬，沿垂直方向?qū)?～100 cm土層劃分成4層，共劃分101個節(jié)點，水平方向劃分121個節(jié)點。模擬時間設置為84 d，時間步長為天。上邊界未覆膜區(qū)域設定為大氣邊界，覆膜區(qū)域設定為零通量邊界，滴頭處設定為時變通量邊界，下邊界設定為自由排水邊界，互為對稱面的左右邊界兩側(cè)設為零通量邊界。

1.4.4 精度評價

利用決定系數(shù)（2）、均方根誤差（）和一致性指數(shù)（）評價模型精度，計算式為：

式中：S和M分別代表田間實測值和模型模擬值；為實測值的個數(shù)；avg為實測值的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土層的土壤水氮變化

不同土層土壤含水率隨生育期的變化如圖2所示。拔節(jié)期、抽雄期和灌漿期灌水后土壤含水率均呈上升趨勢，0～60 cm土層土壤含水率增幅尤為明顯。抽雄期土壤含水率變幅較大，不同處理0～10、10～30、30～60 cm土層的增幅分別為26.1%～39.0%、26.0%～34.1%、1.6%～4.4%；60～100 cm土層受地下水位和其他環(huán)境因素影響，灌水后各生育期土壤含水率為抽雄期＞拔節(jié)期＞灌漿期。灌漿期灌水前后取樣的間隔時間較長，灌水后土壤含水率增幅不明顯，生育后期因無灌水施肥，土壤含水率呈降低趨勢，0～10 cm土層降幅較大，含水率降至0.28～0.29 cm3/cm3。

不同土層土壤銨態(tài)氮量、硝態(tài)氮量隨生育期的變化見圖3和圖4。由于各生育期灌水前施氮，土壤氮素在灌水施肥后迅速升高，隨后下降，其中0～10 cm和10～30 cm土層降幅較為明顯，各處理拔節(jié)期、抽雄期和灌漿期灌水前后土壤銨態(tài)氮平均降幅分別為60.0%～62.0%和56.3%～63.8%；土壤硝態(tài)氮平均降幅分別為40.0%～46.7%和22.0%～25.4%。拔節(jié)期30～60 cm土層土壤氮量略有回升，與氮的硝化與反硝化作用有關。因無肥料施入，灌漿期后土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮趨于穩(wěn)定，并維持在較低水平。成熟前期，0～10、10～30 cm和30～60 cm土層硝態(tài)氮略有回升，與灌漿期相比各處理硝態(tài)氮增加量介于0.13～0.66 mg/kg之間。

2.2 不同生育期灌水前后土壤水氮在土層剖面的分布變化

不同生育期灌水前后土壤含水率在土層剖面的分布如圖5所示。拔節(jié)期、抽雄期和灌漿期灌水后0～100 cm各土層D1處理相比D2處理土壤含水率平均分別增加了5.9%、8.0%和6.8%，表明土壤含水率隨灌水量的增大而增加，其中0～10 cm土層D1處理和D2處理的土壤含水率差幅較大。拔節(jié)期和灌漿期各處理土壤含水率隨土層深度增加而增大，并在30～60 cm土層存在較大增幅，拔節(jié)期土壤含水率達到0.44～0.46 cm3/cm3。拔節(jié)期和抽雄期土壤含水率在60～80 cm土層大幅度降低，D1處理和D2處理降幅分別為3.7%～10.2%和9.2%～10.3%，80～100 cm土層受地下水位季節(jié)性變化影響略有小幅升高。

圖6為不同生育期灌水前后銨態(tài)氮在土層剖面的分布情況。拔節(jié)期灌水后D1處理10～30 cm相比0～10 cm土層降幅達到59.3%，由于生育前期作物吸氮量較高，各處理30～60 cm土層出現(xiàn)小幅回升，增幅介于0.05～0.28 mg/kg。抽雄期和灌漿期土壤銨態(tài)氮硝化作用較強，氮素的稀釋及淋溶作用降低，D1處理和D2處理各土層銨態(tài)氮整體處于較低水平。由于銨態(tài)氮的隨水遷移能力較弱，硝化作用消耗的銨態(tài)氮隨之減少，少部分銨態(tài)氮可能向下淋溶至深層土壤，因而抽雄期和灌漿期80～100 cm土層銨態(tài)氮量有小幅度升高的趨勢。

圖5 不同生育期灌水前后土壤含水率在土層剖面的分布

圖7為不同生育期灌水前后硝態(tài)氮在土層剖面的分布情況。硝態(tài)氮易隨水向下淋溶，為硝化作用創(chuàng)造有利條件，土壤硝態(tài)氮量整體高于銨態(tài)氮量，灌水后0～10 cm土層硝態(tài)氮量的降幅亦高于銨態(tài)氮量。隨著肥料施入，硝態(tài)氮易在0～10 cm土層積累，各處理拔節(jié)期硝態(tài)氮量介于13.20～14.16 mg/kg之間，抽雄期硝態(tài)氮量介于4.12～4.32 mg/kg之間，灌漿期硝態(tài)氮介于1.27～1.68 mg/kg之間，隨著生育期的推進，灌水前0～10 cm土層硝態(tài)氮量整體呈降低趨勢。由于土壤的通透性與強烈的淋洗作用，灌水后0～10 cm和10～30 cm土層硝態(tài)氮不斷被消耗并隨著土層深度增加而降低。拔節(jié)期和抽雄期灌水后各處理60～100 cm土層硝態(tài)氮處于較低水平，這是因為生育前期地下水位埋深較淺，且玉米根系主要分布在0～60 cm土層，硝態(tài)氮易在該土層積累并利于作物吸收。

圖6 不同生育期灌水前后土壤銨態(tài)氮量在土層剖面的分布

圖7 不同生育期灌水前后土壤硝態(tài)氮量在土層剖面的分布

2.3 HYDRUS-2D模型驗證結(jié)果分析

模型驗證結(jié)果如表3所示。盡管個別實測值與模擬值存在偏差，但總體上擬合效果較好。各處理土壤含水率在0～60 cm土層2、、的變化范圍分別為0.55～0.85、0.01～0.03 cm3/cm3和0.79～0.92。土壤氮素在0～60 cm土層的擬合度較高，各處理2的變化范圍為0.82～0.99，的變化范圍為0.03～0.34 mg/kg，的變化范圍為0.91～0.99。部分實測值略低于模擬值，這與氮素揮發(fā)及內(nèi)部轉(zhuǎn)化、模型邊界條件與實際邊界條件的差異性及溶質(zhì)遷移參數(shù)的復雜性有關。各評價指標均處于合理范圍[19]，表明模型可預測滴灌條件下土壤水氮動態(tài)變化。

表3 土壤含水率、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的模型驗證結(jié)果

2.4 不同生育期土壤硝態(tài)氮累積量的變化

不同生育期0～100 cm土壤硝態(tài)氮累積量變化如圖8所示。各生育期灌水前由于氮肥水解速率較高，硝態(tài)氮累積量基本維持在較高水平。拔節(jié)期、抽雄期和灌漿期D2處理相比D1處理硝態(tài)氮累積量分別增加22.9%、18.7%和9.1%，表明低灌水量更易使硝態(tài)氮在0～100 cm土層中積累。抽雄期作物處于生長旺盛時期，灌水前后D1處理和D2處理土壤硝態(tài)氮累積量平均降低了62.5%～68.4%。從拔節(jié)期到灌漿期硝態(tài)氮累積量呈逐漸減少趨勢，灌漿期后作物進入成熟階段，從土壤當中吸收的氮素隨之減少，因此各處理硝態(tài)氮累積量略有回升，占生育期總累積量的21.8%～22.4%。

圖8 不同生育期0～100 cm土層硝態(tài)氮累積量變化

2.5 模型應用情景分析

在干旱半干旱地區(qū)，施肥是土壤硝態(tài)氮的主要來源，而灌水是硝態(tài)氮向深層土壤淋失的關鍵因素[20]，灌水量及氮素在深層土壤的累積和淋失對于作物產(chǎn)量及灌溉水生產(chǎn)力顯著影響。在河套灌區(qū)，由于玉米生育期耗水量較多，水分對灌區(qū)作物生長發(fā)育的影響舉足輕重，增加灌水量在一定程度上促進了作物長勢的提高，土壤水分和作物產(chǎn)量均隨著滴灌次數(shù)的增加而增加[21]，但灌水量過大則會降低水分利用效率并使氮素在深層土壤積累[22]。為探求適合灌區(qū)的灌溉制度，經(jīng)過HYDRUS-2D模型校正后，依據(jù)本試驗設置的灌水定額，在不同生育期增加了灌水次數(shù)并相應調(diào)整了灌水量，根據(jù)模擬情景的不同灌水處理分析不同土層土壤含水率和硝態(tài)氮量的分布規(guī)律以及各生育期硝態(tài)氮累積量在0～60 cm和60～100 cm土層的變化情況，模擬情景灌水處理如表4所示。

表4 模擬情景灌水處理

HYDRUS-2D模型模擬情景下的不同土層土壤含水率隨生育期的變化情況見圖9（a）—圖9（c），土壤硝態(tài)氮量隨生育期的變化情況見圖9（d）—圖9（f）。各生育期灌水后土壤含水率略有升高，其中10～30 cm和30～60 cm土層M3處理土壤含水率相比M1處理和M2處理分別增加了3.4%～32.6%和2.8%～25.9%，表明土壤含水率隨滴灌次數(shù)的增加和灌水量的提升而增大，較高的灌水量可以維持土壤根系層（0～60 cm）的濕潤度并增加保水性，適于作物根系生長。不同生育期土層硝態(tài)氮量隨灌水量的增加呈小幅降低趨勢，各處理硝態(tài)氮量降幅為M3處理＞M2處理＞M1處理，降幅在0～10 cm土層變化尤為顯著。生育后期硝態(tài)氮量整體處于較低水平，不同土層硝態(tài)氮量變化范圍介于0.70～1.12 mg/kg。圖10為模擬情景下的不同生育期各處理0～60 cm和60～100 cm土層硝態(tài)氮累積量。0～60 cm土層M1、M2處理和M3處理土壤硝態(tài)氮累積量分別為225.37、230.33 kg/hm2和235.32 kg/hm2；60～100 cm土層各處理土壤硝態(tài)氮累積量介于199.14～203.35 kg/hm2。隨著灌水量的增加，M3處理較M1處理和M2處理各土層硝態(tài)氮累積量略有降低，其中0～60 cm土層各處理變幅較為明顯；而60～100 cm土層硝態(tài)氮累積量僅在抽雄期略有回升，其他生育期均隨灌水量的增加而降低。

圖9 模擬情景下的不同土層土壤含水率及硝態(tài)氮量隨生育期的變化

圖10 不同生育期各處理0～60 cm和60～100 cm土層硝態(tài)氮累積量

3 討 論

水肥管理失調(diào)易導致氮素向深層土壤運移，造成灌區(qū)土壤環(huán)境污染。隨著土層深度增加，硝態(tài)氮量和銨態(tài)氮量均呈降低趨勢，其中銨態(tài)氮量降低速率明顯于硝態(tài)氮量，這是因為銨態(tài)氮的吸附能力較強，而硝態(tài)氮易隨水遷移，硝態(tài)氮的反硝化作用使銨態(tài)氮易在30～60 cm土層積累[23]。施肥后的短期內(nèi)銨態(tài)氮急劇增加，且主要發(fā)生在0～60 cm土層[24]，而銨態(tài)氮的硝化作用迅速，0～10 cm土層大多數(shù)的銨態(tài)氮就已轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮[25]。

研究區(qū)玉米生育期地下水位介于60～180cm，豐水期和灌溉集中期地下水中的氮素濃度較高，在60～100 cm土層，土壤氮素在60～80 cm土層降至最低，而在80～100 cm土層出現(xiàn)小幅回升，這與白雪原等[24]在河套灌區(qū)的試驗結(jié)論基本一致，表明部分未被作物吸收的氮素隨水分淋失至深層土壤，降低了氮肥利用率的同時易造成地下水的污染。研究認為，0～80 cm土層土壤硝態(tài)氮較低，80 cm土層以下硝態(tài)氮和氮素積聚系數(shù)顯著增加[26]，表明硝態(tài)氮出現(xiàn)明顯的向深度土層淋失現(xiàn)象，因此灌水量與硝態(tài)氮累積量關系密切。灌水是影響硝態(tài)氮在0～30 cm土層積累的主效應，而水氮耦合是導致硝態(tài)氮向下淋溶的主效應[27]；梁運江等[28]認為適當增加灌水量有助于0～30 cm土層硝態(tài)氮的淋洗和30～60 cm土層硝態(tài)氮的積累，本試驗中D2處理的氮肥水解能力較低，土壤硝態(tài)氮在0～10 cm土層累積較多；而D1處理的氮肥溶解速率較快，加速了土壤氮素的再分布，因而促使硝態(tài)氮在土壤根系層積累，與上述試驗結(jié)論基本一致。

河套灌區(qū)存在干旱少雨，蒸發(fā)強烈，日照溫差較大等因素，目前多以田間試驗結(jié)合數(shù)值模型探求并優(yōu)化適合灌區(qū)的灌溉制度。王航等[29]利用HYDRUS-2D模型分析了玉米生育期和非生育期不同滴灌方式對鹽分離子的遷移轉(zhuǎn)化，并預測了河套灌區(qū)不同灌溉制度下的土壤水鹽運移規(guī)律，表明模型在模擬預測水分與溶質(zhì)遷移運動方面成效顯著，由此通過模型模擬情景分析了不同的灌水定額對于水氮運移規(guī)律的影響。在模擬情景中，灌水量的增加有效遏制了硝態(tài)氮在60～100 cm土層的累積，但不排除硝態(tài)氮會向更深土層淋溶，進而對地下水構(gòu)成危害。因此未來可通過田間試驗或數(shù)值模型將灌水定額和施肥量、施肥品類或地下水位進行結(jié)合，對于HYDRUS-2D模型在長時間序列上的應用及深層土壤水氮運移的研究仍需進一步探討。

4 結(jié) 論

1）拔節(jié)期、抽雄期和灌漿期灌水后土壤含水率均呈升高趨勢；灌水后土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮迅速降低， 0～10 cm和10～30 cm土層降幅較為明顯，生育后期整體處于較低水平。隨著生育期的推進，各處理硝態(tài)氮累積量呈降低趨勢。

2）灌水后土壤含水率D1處理較D2處理增幅明顯；土壤氮素隨土層深度的增加而降低，且灌水后0～10 cm土層硝態(tài)氮降幅高于銨態(tài)氮。

3）根據(jù)HYDRUS-2D模型模擬值與實測值的評價模擬指標，土壤含水率、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的2和的變化均在可接受范圍內(nèi)，模型擬合效果較好。

4）HYDRUS-2D模型模擬情景結(jié)果表明，適當增加灌水量和滴灌次數(shù)，玉米生育期120 mm的灌溉定額可有效降低0～60 cm土層硝態(tài)氮累積量，并遏制硝態(tài)氮在60～100 cm土層的積累。

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Simulating Water and Nitrogen Dynamics in Drip-irrigated Soil Based on the HYDRUS-2D Model

CUI Hezhao1,ZHOU Qingyun1*,HAN Nana1,ZHANG Baozhong2

(1. Tianjin Agricultural University, Tianjin 300392, China;2. State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin,China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100083, China)

【Objective】Water flow and solute transport in soil is important not only for plant acquisition of resources from soil but also for soil and water environment. In terrestrial ecosystems, they are impacted by numerous factors. The objective of this paper is to investigate the effects of drip irrigation amount on spatiotemporal change in water and nitrogen in Hetao Irrigation District, Inner Mongolia.【Method】A field experiment was conducted to measure the movement of water, nitrate and ammonium in soils, with the irrigation amount controlled at 6 mm (D1) or 60 mm (D2). The measured data was used to calibrate the HYDRUS-2D model, and the calibrated model was then used to elucidate how increasing the irrigation amount to 120 mm would affect water and nitrogen movement.【Result】Irrigation increased soil water content in all growth stages. Following irrigation and fertilization, ammonium and nitrate contents both increased rapidly and then decreased. On average, ammonium and nitrate in the 0～10 cm soil layer decreased by 60.0%～62.0% and 40.0%～46.7%, respectively, after the D1 and D2 irrigations, with the decreasing rate varying with growing stage. Compared to D2, D1 increased soil water content at jointing, heading and filling stage by 5.9%, 8.0% and 6.7%, respectively. Soil ammonium and nitrate both decreased along the soil depth. Nitrate accumulation decreased gradually when the crop grew from jointing stage to filling stage. The simulated soil water content and nitrogen agreed well with the measured data.【Conclusion】Experimental data and simulated results showed that irrigating the maize by 120 mm of water can effectively reduce accumulation of nitrate in the 0～60 cm soil layer, and that increasing irrigation frequencies can further curtail nitration accumulation in the 60～100 cm soil layer. These results provide guidance for improving irrigation and fertigation for maize production in Hetao Irrigation District.

soil water content; ammonium nitrogen; nitrate nitrogen; numerical simulation; HYDRUS-2D model

1672 - 3317（2023）04 - 0057 - 10

S27

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022361

崔赫釗,周青云, 韓娜娜, 等. 基于HYDRUS-2D模型的滴灌土壤水氮動態(tài)模擬研究[J]. 灌溉排水學報, 2023, 42(4): 57-66.

CUI Hezhao, ZHOU Qingyun, HAN Nana, et al. Simulating Water and Nitrogen Dynamics in Drip-irrigated Soil Based on the HYDRUS-2D Model[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(4): 57-66.

2022-06-29

國家自然科學基金項目（51609170）；國家重點研發(fā)計劃項目（2019YFC0409203）；天津市研究生科研創(chuàng)新項目（2021YJSS135）

崔赫釗（1997-），男，天津人。碩士研究生，主要從事節(jié)水灌溉理論與新技術研究。E-mail: 1455336083@qq.com

周青云（1980-），女，山西河津人。教授，主要從事節(jié)水灌溉理論與新技術研究。E-mail: zhouqyand@126.com

責任編輯：韓 洋