土壤水氮迁移转化模型研究进展

张金萍，许 灵，倪 伟

(1.水利部松辽水利委员会规研中心，吉林 长春 130021；2. 松辽水利水电开发有限责任公司，吉林 长春 130021)



土壤水氮迁移转化模型研究进展

张金萍1，许 灵2，倪 伟1

(1.水利部松辽水利委员会规研中心，吉林 长春 130021；2. 松辽水利水电开发有限责任公司，吉林 长春 130021)

水资源短缺和农业面源污染问题已成为农业可持续发展的关键制约因素，因此提高农田水氮的利用效率、减少氮素淋失及其对环境污染的影响具有十分重要的意义。随着土壤溶质运移理论研究的发展， 国内外学者对土壤水氮运移、转化机理的研究不断深入。文章综述了国内外水氮运移、转化理论研究及模拟模型研究的现状, 并讨论了该领域未来的研究趋势和有待解决的问题。

运移转化机理；模拟模型；研究现状

肥料对粮食作物的增产、稳产至关重要，生育期适时灌水和科学施肥是提高粮食产量的关键因素。氮素营养既是保障作物增产稳产的关键营养元素之一[1]，又是相对缺乏的关键元素[2]。土壤中氮素的含量和科学配比直接关系农作物的健康生长[3]。为增加旱地土壤的氮素供给，氮素肥料在我国农业生产实践中被广泛施用，年投入量高达2000万t以上，居世界首位。2005年，国内氮素化肥施用量4500万t以上，约为1983年的2倍，而相应的粮食产量为48 000万t，仅是1983年的1.2倍。氮素肥料利用率较低，不仅造成农业投入与产出严重失衡的浪费现象，更增加了农业面源污染的风险。已有研究[4]报道：国内每年约有1000万t氮素肥料转化为污染物，造成农业面源污染负荷，给生态环境和农业生产环境带来严重影响。农田中氮素养分损失的途径主要包括：径流冲刷损失、氨的挥发、反硝化脱氮、铵的固定、硝态氮的淋失损失等。其中，硝态氮的淋失损失量最大[5]，土壤硝态氮残留在随水流迁移到下层土壤进而污染浅层地下水。我国饮用水卫生标准明确了水中的硝酸盐含量的安全标准，每升水中不应超过20 mg，虽高于发达国家标准[6]，但部分地区饮水的水质指标仍不达标。硝酸盐对水体的污染具有隐蔽性，呈逐年加剧的态势，治理难度大、代价高昂[7]，已引起了社会的广泛关注。因此，对于氮素污染问题的研究，已引起科学界广泛重视[8]，土壤中氮素的迁移转化规律也已成为国内外环境科学、生态科学和土壤科学研究的热点问题[9-10]。

水是农业生产的命脉，在用水总量中，农业用水所占比重最大。以华北平原为例，该地区一直是中国最大的粮食生产基地之一，谷物粮食产量占全国总量的21.6%[11]，其中冬小麦的产量占全国总产量的71%左右[12]，冬小麦全生育期耗水量为450 mm左右，而小麦生长季的降雨不足，一半不超过180 mm，小麦灌溉用水约占该地区农业用水总量的70%[13]，而其中64%的灌溉水来自地下[14-16]，由于多年大量开采地下水进行灌溉，导致地下水位每年以1.0～1.5 m的速度下降，地下水位已从20世纪50年代的5 m 降到了现在的30 m以下[15]，由此产生的环境矛盾也日趋尖锐。

综上，粗放的灌溉管理及不科学的施肥方式已成为生态环境风险的主要因素，制定合理的灌溉制度和科学的施肥方案、提高灌溉水及氮素利用效率，减少不必要的耗散和损失，对平衡粮食增产与水资源及环境污染之间的矛盾有极为重要的现实意义。如何确定灌水量、施肥量与氮素淋失量、作物产量等之间的相关性具有重要意义，然而大田实验成本高且周期长，不同农业管理措施下的研究过程既费时又耗资，对环境的影响的评价往往难于达到预期的效果。因此，研究土壤中氮素的迁移转化规律及模型，利用模型对不同管理措施进行模拟评估具有十分重要的理论与现实意义。

1 土壤水氮迁移转化理论研究现状

相比国内，国外对土壤溶质运移方面问题的研究开展较早，始于20世纪50年代。由Lapidus开创的对流—弥散方程(CDE)模型，揭开了溶质运移研究的序幕。Scheidegg将Lapidus 的方程扩展，进行三维均质土壤、稳态流条件下的模拟研究,优化了算法，同时考虑了溶质运移时水的动力弥散作用。Rizfai在Schidegger研究成果的基础上，考虑了溶质运移时的分子扩散作用，并引入了弥散度的概念，来表征土壤特性对溶质运移的影响，使溶质运移理论的研究更加深入。Nielson和Biggaz从理论上推导建立了对流—弥散方程，并根据实验结果，对Lapidus、Schidegger和Nielson的模型进行了比较分析，因此实验和理论进一步表明对流—弥散方程能较好地描述非反映性物质在多孔介质中的迁移规律[17]。在溶质运移研究历史上,开创了应用数学模型来说明和解释溶质运移过程的局面。Biggerh和Nieison提出了考虑土壤的空间变异性问题，开始了对土壤性质空间变异性的研究[18]。美国加州大学Jury提出了“黑箱模型”[19]。国外许多学者为了量化溶质运移规律，提出了溶质运移的定量计算模型，早期的研究多采用确定性机理模型即对流—弥散方程(CDE)来模拟土壤中的溶质运移，随着随机理论的发展，随机过程方程例如TEM模型，传递函数修正模型，此外还有蒙特卡洛方法[20]、谱分析法[21]、矩分析法[22]等开始应用于溶质运移数量特征的模拟研究。

近年来，国内土壤物理学者及农学者开展了一些室内、室外的溶质运移试验研究，并结合模型模拟系统研究了氮素的迁移转化规律[23]。武晓峰等[24]对冬小麦田间根层氮素迁移转化规律进行了研究；冯绍元等[25]系统地综述了氮素迁移转化规律及其损失对水环境的影响等。罗阳等[26]对大田中土壤剖面上水分及三氮含量等进行了长期监测，并结合室内的土柱模拟实验，应用LEACHN模型进行了模拟计算，研究结果表明土壤根区底部的氮素的淋溶损失量与降雨量和灌溉量、施肥量呈正向相关。张瑜芳等[27]提出了排水条件下氮素迁移转化和流失的简化计算方法，系统地研究了排水条件下氮肥迁移转化规律。

随着节水灌溉的推广应用，国内学者对喷灌和滴灌条件下氮素迁移转化进行了系统研究。王康[28]建立了节水条件下土壤氮素损失和环境评价概念型模型，用以研究节水条件下氮素对生态环的境影响。冯绍元等[29]对喷灌条件硝态氮含量与施肥量的相关性进行了系统研究。李久生等[30]对滴灌点源施肥条件下硝态氮在距滴头附件的分布累积规律进行了系统的研究。

2 土壤水氮迁移转化模型研究进展

应用数学方法模拟农田中土壤水氮迁移转化规律，是定量化研究的必然趋势。根据土壤水氮迁移转化模型的求解形式不同，Addisott和Wagenet[31]将其划分为确定性模型和随机模型。其中确定性模型又可划分为确定性机理模型和确定性函数模型[32]。确定性机理模型即对流—弥散方程(CDE)几十年来应用最为普遍，该模型是根据达西定律和连续原理建立的，可以较好地揭示溶质在均质多孔介质中的运移机理及时间、空间对溶质运移的影响。确定性函数模型如活塞流、半解析模型、层状模型等对溶质运移和水流运动做了概化，大多采用物质平衡的方法估算土壤水氮的行为[33]。

随机模型近20 a来逐渐发展成熟，并受到重视和广泛应用。其主要特点是输入变量及输出结果均以概率分布的形式表示，而不是单一的数值。与国外相比，国内在随机模型应用研究处于起步较晚，应用随机方法建模和大致可分为两种方式，即单独考虑时间变量和空间变量，或同时考虑两者的随机模型。目前随机模型主要有蒙特卡洛模拟、拉格朗日方法、欧拉法和随机连续模型，在土壤水力特性参数及溶质运移参数、水流通量、溶质运移速度及弥散系数等方面应用较多[33]。

现就目前国际上有影响的描述土壤水氮迁移转化的几个模型做下简要介绍。

(1)HYDRUS-1D

美国盐土实验室开发的HYDRUS-1D，包括3个模块：水分模块、溶质运移模块及温度模块，广泛用于模拟饱和—非饱和介质中水、热和溶质的运移。水分模块采用Richards方程计算土壤中水分含量，溶质运移模块和温度模块采用对流弥散方程，分别模拟溶质运移转化过程和温度的对流传导过程。

局限性：没有考虑温度、水分对氮素反应速率的影响，且无作物生长模块，只是对作物吸水做了简单的处理，因此不能模拟土壤水氮迁移转化对作物生长的影响。

(2)LEACHM(Leaching Estimation And Chemistry Model)

美国康奈尔大学研究开发的LEACHM模型包括4个模块：LEACHW模块、LEACHP模块、LEACHN模块和LEACHC模块，被广泛应用于土壤中水分和溶质的运动模拟。其中LEACHW模块用于模拟水分运动，LEACHP模块用于模拟杀虫剂的迁移转化，LEACHN用于模拟土壤中碳、氮和磷的迁移转化，LEACHC用于模拟土壤中盐分运移。

局限性： ① 土壤分层厚度必须相等； ②不能模拟地表径流； ③不能模拟作物对土壤和环境影响的响应 ；④不能模拟作物产量。

(3)RZWQM(Root Zone Water Quality Model)

由美国农业部大平原系统研究单位在NTRM模型的基础上修正完善的RZWQM模型包括6个模块：作物生长模块、物理运移模块、化学运移模块、养分循环模块、杀虫剂模块和管理模块。该模型广泛应用于模拟不同农业管理措施及其对溶质运移状况和作物产量的影响。

局限性：模型将植物残茬分为快、慢两种降解形式，将土壤有机物分成快、中、慢3种速率库，各个库之间转换复杂，参数较多，模型对这些降解库的动态非常敏感，因此模型不易率定。

(4)NLEAP模型

主要用于评价由于农业措施的变化而产生的硝酸盐淋失量对地下水的潜在威胁，用于田间尺度。主要动力学过程包括：水和硝态氮的运移过程、作物吸收过程、氮的矿化、硝化与反硝化过程、氨挥发过程、作物腐殖质与有机肥和其他有机物的矿化和固定过程等。

局限性：①模拟时间步长必须大于等于一天 ；②不能模拟地表径流产生的氮损失； ③没有考虑表层有机肥的氨挥发和反硝化影响。

此外，还有模拟氮素在土壤中迁移转化机理的DRAINMOD模型、CREAMS 模型，模拟土壤-作物系统中土壤水与氮素动力过程的DAISY模型，用于评估土壤侵蚀对土地生产力、植物竞争、作物产量和水质影响的NTRM模型等。

中国在该领域的研究虽然没有达到独立建立机理模型的阶段，但是结合大田实验和室内实验监测，近年来也在模型研究方面取得了较好的研究成果。武晓峰和谢森传[34]建立了模拟土壤-作物系统中不同形态氮素迁移转化的数学模型，以冬小麦田间实验观测为基础，模拟研究了不同状态氮素的移转化规律以及土壤吸附、作物吸收等多种影响因素，利用溶质扩散-对流方程模拟了冬小麦生长期间田间水分、氨氮、硝态氮含量及其分布变化；张瑜芳等[35]建立了稻田中氨态氮迁移转化数值模拟，并与土柱试验观测资料进行了对比分析。黄元仿等[36]应用对流—弥散方程，建立了田间土壤氮素运移的数值模型，将土壤氮素、水和热运移综合考虑，并将土壤氮素转化和作物根系吸收也加入在模型的源汇项中；冯绍元等[37]建立了土壤—水—植物系统中氮素迁移转化与综合吸收数学模型，模型考虑了氮素的矿化、硝化、反硝化和作物吸收等过程，并对转化参数进行了湿度和温度的修正，矿化、硝化和反硝化过程采用一级动力学方程描述，作物吸氮采用米氏竞争方程计算，并将模型运用于玉米、西红柿和莴苣三种作物生长过程的模拟；沈荣开等[38]建立了一个田间一维饱和—非饱和土壤中NH4+-N和NO3--N在排水条件下的迁移转化模型，模型中综合考虑了对流、弥散、吸附、降解和硝化作用，对氮素在非饱和土壤中的运移进行了探讨，并对模型进行了验证。

在模型应用研究方面，张思聪等[39]以长期田间观测资料为基础，应用LEACHM模型，对根区以下硝态氮的迁移转化规律和渗漏损失的关键影响因素进行了研究；曹巧红等[40]应用Hydrus-1D模型模拟了非饱和介质中一维水、热和溶质迁移过程，获得了取得了较好的结果；任理和马军花[41]建立了硝态氮在土壤中淋失的传递函数模型，并与实测资料对比验证，结果表明所建模型比常规溶质的传递函数模型具有更高精度。

3 结论与讨论

3.1 区域水氮运移模型与地理信息系统的结合

地理信息系统(GIS)具有强大的数据输入、存储、检索、运算、显示功能，应用其地理模型分析方法，可以提供多种空间和动态的地理信息，为地理研究和管理决策提供技术支持。现在GIS被广泛地应用于绘制如作物产量分布图、种植结构图、硝态氮淋洗分布图等。因此，在研究区域土壤水氮迁移转化过程时，可以将基于土壤水氮迁移转化机理的点模型与GIS结合，可以更加直观地展示模拟运算结果，便于理解和解释。模型与GIS结合方式分为松结合、紧结合和完全结合三种类型[42-43]，目前国内外大多是采用紧结合的方式研究土壤水氮迁移转化过程，并向应用完全结合方向转移。

3.2 多种模型结合应用，加强多因素交互作用研究

目前的土壤水氮运移、转化模型大多考虑了主要的氮素动力学过程，包括氮肥施用过程、硝化与反硝化过程、氨挥发过程、作物吸收过程和硝态氮淋失过程等。但是，不同的模型各有其优缺点，由于模型的局限性或者说模型的适用条件所限，没有哪一种模型能把氮素迁移转化所有过程都模拟得很好，每一种模型都侧重于一个或者几个过程，因此根据研究问题的实际情况，将几种模型结合进行研究，可以提供解决问题的思路。

3.3 存在问题

(2)非饱和带氮素运移机理与模型研究将注意力集中于硝态氮淋失、氮素利用效率与作物产量的关系方面，氮素对地下水的污染模型研究则集中于含水层。将饱和带—非饱和带作为整个系统，研究氮素转化与运移规律并分析对环境影响的研究相对较少。

(3)土壤氮素是一个相互联系、多因素交互作用的统一体，须要采用系统分析的方法进行研究，而国内外对于土壤氮素迁移转化规律的研究多集中在单个过程，忽视了氮素转化各过程的交互作用，对整个系统进行整体研究时也存在关注单一因素的情况，今后应加强对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

张金萍(1980-)，女，高级工程师，主要从事水利规划方面的工作。

S153；S154.4

A

2096-0506(2016)10-0013-05