紫色土坡耕地硝态氮的迁移流失规律及其数值模拟

谢梅香，张展羽※，张平仓，徐金鑫，林庆明



紫色土坡耕地硝态氮的迁移流失规律及其数值模拟

谢梅香1，张展羽1※，张平仓2，徐金鑫2，林庆明2

（1. 河海大学水利水电学院，南京 210098；2. 长江科学院水土保持研究所，武汉 430010）

为探究紫色土坡耕地硝态氮迁移流失过程，通过室内模拟试验，并结合数学模型，研究在不同雨强（0.4，1.0，1.8 mm/min）和坡度（5°，15°，20°）下硝态氮分别随地表径流和壤中流迁移而流失的特征。结果表明：随地表径流和壤中流迁移的硝态氮流失浓度随时间分别呈现指数下降和线性上升趋势；随壤中流流失的浓度是地表径流携带的19～72倍，在小雨强下壤中流携带流失负荷大于随地表径流流失负荷，但随雨强增大，硝态氮流失负荷通过地表径流流失的比例由17.3%增大至66.0%，大雨强下硝态氮主要通过地表径流流失；与实测数据比较分析，有效混合深度模型在随地表径流流失的硝态氮模拟中精度评价指标Nash-Suttcliffe系数NS和决定系数2达到0.590和0.826 7，而对流弥散方程在壤中流携带硝氮流失的过程模拟中NS和2达到0.792和0.842 6，取得较好的模拟结果。该研究为紫色土坡耕地硝态氮迁移流失机理研究提供依据和参考。

硝态氮；径流；模型；壤中流；浓度；负荷；有效混合深度；对流弥散

0 引 言

山地丘陵约占到了中国国土面积的2/3[1]，因此坡耕地在中国农业生产活动中占据了十分重要的地位，其中紫色土坡耕地在三峡库区耕地面积中占据了70%以上[2]。伴随着农业耕作中大量施用的肥料，加之坡地突出的水土流失问题，污染物的大量迁移流失造成了坡耕地临近水域严重的面源污染问题[3-5]。降雨和地形是影响污染物迁移和流失的重要因素[6-7]，因此降雨强度和坡度作为变量已被广泛地用于坡耕地氮素流失的研究中[8-10]。其中，硝态氮因其易溶于水和强流动性的特点而发生流失得到了更多关注。Jia等[11]通过径流小区试验发现紫色土坡耕地壤中流是硝态氮主要的流失方式，流失比重达到90%以上。汪涛等[12]研究表明径流过程对硝酸盐淋失有明显影响，壤中流过程中的硝态氮淋失量达到了施肥量的22.34%，而地表径流携带的流失负荷只占到了0.62%。研究者们对坡耕地硝态氮的流失着重于流失负荷总量的比较，对于硝态氮随地表径流（surface flow，SF）和壤中流（subsurface flow，SSF）迁移流失过程中的浓度和负荷动态变化过程的研究较为少见。

溶质在降雨条件下随地表径流迁移规律的数值模拟已经较为成熟[13-16]。20世纪80年代，Ahuja[13]就地表径流携带的溶质浓度提出了有效混合深度的概念并建立了溶质迁移至地表径流的有效混合深度模型。王全九和王辉[17]在此基础上，将土壤入渗考虑在内，在有效混合深度模型中嵌套Philip入渗公式[18]，建立了黄土坡面上溶质迁移至地表的完全和不完全混合深度模型。这些模型的验证都是以溴化物作为溶质样本，且对实际污染物氮磷迁移的应用较为广泛，但在紫色土坡耕地区域的应用研究较为少见。由于壤中流复杂的产流过程和机理，对于坡耕地壤中流携带的硝态氮流失过程的数值模拟更是少见，仅DNDC（DeNitrification-DeComposion）模型[19]被改进应用于坡耕地壤中流硝态氮淋失通量的模拟[7, 20]。因此，本文着重研究坡耕地硝态氮在降雨过程中分别迁移至地表和地下随地表径流和壤中流而流失的动态过程，改进了随地表迁移流失的有效混合深度模型以应用于紫色土坡耕地硝态氮流失的模拟，并结合对流弥散数学模型对迁移至地下随壤中流流失过程进行数值模拟，旨在为建立完整统一的坡耕地硝态氮流失机制提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试土样

试验用土采集自湖北省秭归县王家桥小流域坡耕地中距地表0～40 cm处土层，土壤粒径分布为，砂粒（>0.05 mm）占54.72%，粉粒（0.002～0.05 mm）占40.19%，黏粒（<0.002）占5.09%。根据中国制土壤质地分类法，该土壤分类属于紫色壤土，是一种具有大孔隙和强入渗能力质地疏松的土壤，由紫色页岩风化而覆盖在岩石上形成独特“岩土二元结构”，导致其壤中流极为发育[3]。王家桥流域地处长江三峡库区，坡耕地资源丰富，属于典型的亚热带季风气候，夏季高温多雨，且多为历时短的强降雨，年均降雨量达到1 100 mm, 年平均蒸发量794.6 mm。采集的土样经风干后过10 mm筛，装好备用。

1.2 试验设计

试验于湖北省长江科学院水土流失实验室内进行，采用室内固定的模拟降雨器进行降雨模拟，降雨强度由终端控制台设定，试验前进行雨强的率定，降雨均匀度达到80%。降雨器通过泵抽取蓄水池的自来水（氨氮0.073 mg/L，硝氮1.174 mg/L和总氮7.125 mg/L）进行降雨喷洒，降雨高度为9 m。降雨器下放置移动式钢制土槽，土槽长200 cm，宽50 cm，深50 cm，坡度通过液压装置调整。本次试验共设置3个雨强，分别为0.4，1.0，1.8 mm/min，降雨时长为60 min；3个坡度，分别为5°，15°，20°，雨强和坡度两两组合，共9个处理，每个处理重复2次。在土槽底部设置10 cm厚的相对不透水层（图1），来模拟紫色土坡耕地壤中流的形成机理，在槽内壁铺塑料纱网防止边界效应。然后将供试土样分层装入土槽，每5 cm为一层进行压实，控制容重为1.35 g/cm3，并将每层表面打毛，以防止分层，共装土40 cm。为保证初始土壤养分含量和含水率基本一致，试验开始之前给土壤表面均匀灌溉10 mm尿素浓度为500 mg/L的自来水。土槽中均匀设置观测点，在灌水后利用TDR和土壤溶液采集器分别进行土壤含水量率和土壤养分测定，当测定结果显示各观测点的土壤含水率和养分含量大体一致后，开始降雨试验。在土槽坡脚处设两处V形集流槽，分别位于距地表0和40 cm处，用于收集地表径流和壤中流。

1.3 数据采集与分析

对于地表径流，产流初期每2 min接1次样，产流稳定后每5 min接1次样。对于壤中流，从产流开始到结束每隔6～10 min接1次样。记录接样时间并读取接好的样品体积，带回实验室，将样品静置，取上层清液倒入干净的聚乙烯瓶中，放入冰箱内于4 ℃保存，在48 h内完成硝态氮浓度的分析。硝态氮浓度采用化学间断分析仪（SmartChem 200, Alliance, France）进行测定。流失负荷的计算根据公式为

流失浓度及负荷相关值利用Excel进行计算，用Origin绘制数据图，用SPSS软件中的LSD方法对地表径流和壤中流携带流失的硝态氮在95%的置信区间（< 0.05）进行显著性分析。

注：R为降雨强度，mm×min-1；CSF为地表径流携带的溶质浓度，mg×L-1；CSSF为壤中流携带的溶质浓度，mg×L-1；hm为有效混合深度，cm；JU和JD分别表示土壤层向上和向下迁移的通量，mg×cm-2·min-1；a为坡度，（°）。

2 数值模拟

本文根据试验数据进行数学模型的构建和评估，数值模拟主要由土壤表层中溶质向上迁移至地表径流和溶质向下迁移至下层土壤随壤中流发生流失2部分组成。

2.1 理论模型

2.1.1 硝态氮随地表径流流失模型

对于紫色土坡耕地硝态氮随地表径流迁移流失的数值模拟，采用有效混合深度模型

式中h为有效混合深度，cm；为流失溶质浓度，mg/L；0为初始迁移至地表径流的溶质浓度，mg/L；θ为饱和含水率，cm3/cm3；ρ为土壤容重，g/cm3；为土壤吸附系数，cm3/g；为降雨强度，cm/min；为降雨时刻，min；t为地表产流时刻，min。

Ahuja[21]在研究中表明有效混合深度会随着时间而变大，且增大速度会随时间而减小。在之前的研究中，Ahuja等[13,22]在利用32P元素和溴化物进行试验时得到混合层深度变化的趋势，混合深度随着雨滴不断地击打土壤表面而逐渐增大，当雨水在土壤表面形成稳定的径流时在土壤表面形成一层密封水层，阻碍了混合深度增大，故增大速率变小。因此，本文中我们将有效混合深度进行改进，建立符合Ahuja[21]提出的变化的有效混合深度 模型

式中′为降雨时长，min；0为初始混合深度，cm；h为基本混合参数，cm。将式(3)代入式(2)中得到本文修正的随地表径流迁移流失的溶质浓度模型

2.1.2 硝态氮随壤中流流失模型

对于溶质在土壤中的迁移过程，本文根据传统的对流弥散数学模型进行数值模拟

式中为土壤体积含水率，cm3/cm3；为降雨时刻，min；D为弥散系数，cm2/min；为土壤中硝态氮溶液质量浓度，mg/cm3；q为水流通量，cm/min；r为空间坐标，=1，2，1，2，11=D，12=D。

对式（5）偏微分方程的求解，在HYDRUS-2D[23]软件中通过构建和试验规模一致的有限单元网格，利用HYDRUS-2D嵌套的物理化学平衡传输模块对硝态氮在土壤中迁移的对流弥散方程进行数值计算，在模型的壤中流出口处设置相应的观测点得到壤中流中携带的溶质浓度。计算过程中的参数取值如表1所示，ρ的数值采用装土时的容重1.35 g/cm3；θ和θ的值根据实测的土壤粒径分布由Rosetta模型赋予初值，在模拟过程中进行调整修正；值由线性等温吸附法进行确定；D和D分别是硝态氮的纵向弥散度和在自由水中的扩散系数，在数值模拟过程中根据模拟结果反向推导确定。

2.2 模型验证与评估

除了通过实测值与模拟值的图形直观对比外，本文还采用平均绝对误差（mean absolute error，MAE），均方根误差（root mean square error，RMSE），Nash-Suttcliffe系数NS3个精度指标来进行模型模拟结果精度的评估，其表达式分别为

表1 数值模拟中的参数

注：ρ为土壤容重，θ为饱和含水率，θ为剩余含水率，为土壤吸附系数，D为硝态氮纵向弥散度，D为硝态氮自由水中的扩散系数。

Note:ρis soil bulk density,θis saturated water content,θis residual saturated water content,is the soil adsorption rate,Dis longitudinal dispersity of nitrate,Dis molecular diffusion coefficient in free water of nitrate.

3 结果与分析

3.1 硝态氮流失浓度和负荷

由图2可以看出，不同雨强及坡度条件下随地表径流迁移的硝态氮浓度随时间都呈明显的指数型下降趋势，在产流初期流失浓度急剧下降，而后逐渐趋于稳定。同一雨强下，坡度越大，硝态氮浓度衰减速率越大；同一坡度下，雨强越大，硝态氮浓度衰减速率越大。

由图3可见，壤中流携带的硝态氮浓度实测数据的误差值要远远大于图2中误差值，由此可见壤中流过程的复杂性和不确定性。除了在小坡度（5°）小雨强（0.4 mm/min）下，其他处理下随壤中流流失的硝态氮浓度随时间大致都呈增长的趋势。对比地表径流和壤中流携带的硝态氮浓度，如表2所示，同一处理下壤中流携带的硝态氮浓度要显著（<0.05）大于随地表径流流失的硝态氮浓度。各个处理下，随壤中流流失的浓度是地表径流携带的硝态氮浓度的19～72倍。除此之外，雨强越小，壤中流携带的硝态氮浓度越大。

图4可以看出随地表径流和地下壤中流发生的累积硝态氮流失负荷随时间都呈现出线性增长的趋势。雨强越大，地表硝态氮流失速度越大，但随壤中流流失的硝态氮负荷在小雨强0.4 mm/min时表现出最大的增长速度。再结合表2中各处理下的流失负荷均值，硝态氮在小雨强时通过地下流失的负荷要大于通过地表流失的负荷，且差异显著（<0.05）；当雨强达到1.0 mm/min时，分别通过地表和地下流失的负荷相近，差异不显著；当雨强达到最大1.8 mm/min时，由地下流失负荷小于由地表流失负荷，差异显著(<0.05)。在小雨强下壤中流携带流失负荷大于随地表径流流失负荷，但随雨强增大，硝态氮流失负荷通过地表径流流失的比例由17.3%增大至66.0%，大雨强下硝态氮主要通过地表径流流失。

图2 随地表径流流失的硝态氮浓度实测值与模拟值对比

图3 随壤中流流失的硝态氮浓度实测值与模拟值对比

表2 各处理下硝态氮的流失浓度及负荷

注：不同的字母代表地表径流和壤中流在0.05水平上存在显著差异。

Note: Different letters indicate significant difference at 0.05 level between surface and subsurface flow.

图4 不同处理下硝态氮累积流失负荷

3.2 数值模拟

3.2.1 地表流失模拟

由图2可以直观地看出，随地表径流迁移的硝态氮浓度的模拟值与实测值在小雨强时显示出十分吻合的变化过程，2分别达到了0.955 5，0.920 9和0.954 9，在表3中，Nash-Suttcliffe系数NS在小雨强时，5°，15°和20°坡度下分别达到了0.832，0.690和0.919，说明模拟结果好，MAE和RMSE值也在较为合理的范围之内。当雨强增大，模拟结果精度也随之下降，主要原因在于，大雨强下初始流失浓度的实测值较小，且硝态氮浓度迅速下降至稳定值，实测浓度衰减过程不明显，因此模型模拟的指数型下降趋势与实测值之间存在较大误差。当NS值为负值时，说明模拟效果较差，但NS仅是评估模拟结果中的一个组成部分，结合MAE和RMSE值以及2，在雨强为1.0和1.8 mm/min时，MAE和RMSE值都接近最优值0，而2也分别到达0.8和0.5上下，模拟结果可以接受。图5a中，对于地表流失浓度的模拟值和实测值的散点图，经过线性回归，两者之间的线性拟合关系线= 0.999 6-0.267 5，2为0.826 7，与1∶1线十分接近，且MAE、RMSE、NS分别为0.872 mg/L、1.009 mg/L、0.590，总体来说，修正的有效混合深度模型在紫色土坡耕地硝态氮随地表径流迁移流失的模拟中显示出了较好的模拟结果。

图5 硝态氮流失浓度的模拟值与实测值散点图

3.2.2 地下流失模拟

由图3可以看出对于各处理下壤中流携带的硝态氮浓度流失过程的模拟与实测值变化趋势大体一致，但2最大值为0.870 1，最小值为0.116 1，波动较大，这一方面与实测值存在较大误差有关，另一方面也与模拟过程中参数的取值有关。表3中显示的NS值在各雨强各坡度下也表现出正负值的波动性，表明壤中流携带流失的硝氮浓度的模拟结果与其实际流失过程一样具备复杂性和不确定性。图5b显示的壤中流携带的硝态氮浓度的模拟值与实测值的散点图进行线性回归后，得到= 0.991 5+3.786 3，2为0.842 6，与1:1线也十分接近，且MAE、RMSE、NS分别为9.889 mg/L、13.084 mg/L、0.792，说明拟合结果较好。虽然地下流失模拟结果的MAE，RMSE值是地表流失模拟结果的10倍以上，但是因为地下流失的硝态氮浓度是地表流失浓度的19～72倍，所以表3中各处理下的误差值都在允许范围之内。对比硝态氮随地表径流流失和壤中流流失的模拟结果，针对不同雨强和坡度，地表的模拟精度随雨强增大而减小，而地下的模拟精度则呈现出波动和不确定性，但总体上来看模拟精度都是满足要求的。

表3 硝态氮流失过程数值模拟精度评价

4 讨 论

4.1 硝态氮随地表径流流失特征及数值模拟

综合降雨试验实测数据和数值模拟结果可以发现，坡耕地随地表径流迁移的硝态氮浓度随时间呈指数型趋势下降，说明从径流发生到稳定的过程中，其携带的硝态氮浓度在减小并趋于稳定。主要原因在于降雨在坡面形成径流的过程中，初始阶段土壤表面未到达饱和，径流较大程度地在混合深度内携带土壤中溶质发生流失；等地表径流达到稳定，土壤表面含水量达到饱和，径流与地表之间形成了一层封闭隔离层[24]，减弱了土壤表层混合深度内溶质向地表径流迁移，与王全九[17]、Yang等[25]的研究结果相近。坡度越大，降雨在土壤表面停留的时间越短，从而径流携带的溶质浓度就会越小。雨强越大，雨水就会更快速地充满土壤表面的凹陷并在土壤表面形成一层密封水层，从而阻碍了混合深度中的溶质向地表径流迁移。对于紫色土坡耕地硝态氮随地表径流迁移的数值模拟，在前人的研究基础上[16-17, 21]构建了随时间增长的有效混合深度模型，结果表明模拟结果能较好地拟合实测数据。Armstrong等[4]通过土槽试验研究地表径流中的氮素迁移的动力学特征时发现，硝态氮的浓度变化过程在重复处理之间的误差明显小于其他氮素，类似地，在本研究中地表径流中硝态氮浓度误差值十分小，同时也增强了数值模拟结果的可靠性。Yang等[25]在他们的研究中表明有效混合深度模型对于硝态氮的模拟结果要差于钾和磷元素的模拟，硝态氮模拟值与观测数据的决定系数只达到了0.57，差于本研究中的模拟结果（2= 0.826 7）。

4.2 硝态氮随壤中流流失特征及数值模拟

相较于地表径流携带的硝态氮流失过程，随壤中流流失的硝态氮浓度在重复处理之间表现出较大的差异，且未随雨强及坡度大小呈现统一规律，原因在于壤中流产流过程的复杂性以及降雨在坡耕地中入渗迁移的不确定性[26-27]。在本次试验中，除了在雨强0.4 mm/min和坡度5°下硝态氮浓度随时间呈现出明显下降的趋势，其余处理下硝态氮浓度都大致呈现出增长的态势，说明硝态氮在土壤中随水迁移累积而发生流失，一方面是因为硝酸盐的可溶性和极强的流动性[11, 28]，另一方面降雨在土壤中逐渐入渗淋洗土壤中的硝态氮，使得硝态氮浓度在地下出流中的浓度逐渐增大。在雨强0.4 mm/min和坡度5°时，由于硝态氮初始浓度较大，降低了后续出流浓度的增长趋势。在壤中流携带硝态氮流失过程的数值模拟中，利用传统研究溶质运移的对流弥散方程进行模拟并用HYDRUS-2D软件进行求解，模拟结果相较于地表的模拟结果较差，这与实际观测到的数据存在误差有关，其次，在模拟过程中一些分子扩散系数等参数无法通过实际测量得到，需要根据模拟结果来反向推导较为适合的参数值[29-30]，但总体上模拟结果能满足基本流失规律的描述。

4.3 硝态氮通过地表径流及壤中流流失特征对比

在本次试验中，坡度对硝态氮流失的影响没有统一的规律，这与前人的研究结果相似[8-9, 31]。对于随地表径流和壤中流流失硝态氮的差异，与地表径流和壤中流产流特点存在一定的关系，地表径流的流速要明显大于壤中流，因此相同时间内地表径流的产流量就会显著大于壤中流，从而对地表溶质浓度起到了一个稀释作用[32]，造成地表径流携带的硝态氮浓度要远小于壤中流携带的浓度。就壤中流而言，流量小，携带的氮浓度高，不存在稀释效应，而流失的硝态氮主要依靠土壤中的水运移携带而发生。前人研究[9, 11]表明坡耕地壤中流在小雨强下更为发育，因此小雨强下壤中流携带流失的硝态氮浓度就会大于大雨强下流失的浓度。小雨强下地表径流流速小，流量少，携带的总的硝态氮负荷就会少且流失速度也变小，但壤中流在小雨强下的流速大，携带的硝态氮浓度高，流失负荷和流失速率就相应增大。因此，对于地表发生的硝态氮流失负荷主要受地表径流量控制，而壤中流携带流失的硝态氮负荷主要取决于其流失浓度的大小。

5 结 论

1）紫色土坡耕地的硝态氮随地表径流迁移流失浓度随时间呈指数型下降趋势，径流初期急剧下降，而后趋于稳定；而对于随壤中流流失的硝态氮，除小雨强小坡度（0.4 mm/min和5°）外，硝态氮浓度随时间大体呈增长趋势，且重复间误差较大；由壤中流流失的硝态氮的浓度是随地表径流流失浓度的19～72倍，硝态氮通过地表和地下流失的负荷随时间都呈现线性增长趋势。

2）随着雨强和坡度增大，随地表径流流失的硝态氮的浓度的衰减速度随之增加，小雨强下硝态氮主要通过壤中流发生流失，而大雨强下则主要通过地表径流流失，而坡度对硝态氮流失的影响无统一的规律。

3）有效混合深度模型在紫色土硝态氮随地表径流流失的数值模拟中的平均绝对误差、均方根误差、Nash- Suttcliffe系数和决定系数2分别为0.872 mg/L，1.009 mg/L，0.590，0.826 7；对流弥散方程在模拟紫色土壤中流携带硝态氮浓度的变化过程中平均绝对误差、均方根误差、Nash-Suttcliffe系数和决定系数2分别为9.889 mg/L，13.084 mg/L，0.792，0.842 6，总体上均取得较好的模拟结果。

在本研究中，对于随地表径流和壤中流迁移流失的硝态氮浓度变化过程分别进行了数值模拟，但是该数值模型无法对地表径流和壤中流产流过程进行模拟，使得养分流失负荷无法得到数值模拟和验证，同时，对于地表和地下养分流失过程的数值模型的耦合也较为欠缺，在未来的工作中，应加强上述2个方面的工作，为建立完整统一的紫色土坡耕地养分流失机制提供参考。

[1] 谢俊奇. 中国坡耕地[M]. 北京：中国大地出版社，2005.

[2] Ma X, Li Y, Li B, et al. Nitrogen and phosphorus losses by runoff erosion: Field data monitored under natural rainfall in three gorges reservoir area, china[J]. Catena, 2016, 147: 797－808.

[3] 贾海燕，雷阿林，雷俊山，等. 紫色土地区水文特征对硝态氮流失的影响研究[J]. 环境科学学报，2006，26（10）：1658－1664.Jia Haiyan, Lei Alin, Lei Junshan, et al. Nitrate loss effected by the runoff process in purple soil[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2006, 26(10): 1658－1664. (in Chinese with English abstract)

[4] Armstrong A, Quinton J N, Francis B, et al. Controls over nutrient dynamics in overland flows on slopes representative of agricultural land in north west europe[J]. Geoderma, 2011, 164(1/2): 2－10.

[5] 夏立忠，马力，杨林章，等. 植物篱和浅垄作对三峡库区坡耕地氮磷流失的影响[J]. 农业工程学报，2012，28（14）：104－111.Xia Lizhong, Ma Li, Yang Linzhang, et al. Effects of hedgerows and ridge cultivation on losses of nitrogen and phosphorus of slope land in Three Gorges Reservoir area[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(14): 104－111. (in Chinese with English abstract)

[6] Manevski K, Borgesen C D, Li X, et al. Optimising crop production and nitrate leaching in china: measured and simulated effects of straw incorporation and nitrogen fertilization[J]. European Journal of Agronomy, 2016, 80: 32－44.

[7] Deng J, Zhu B, Zhou Z, et al. Modeling nitrogen loadings from agricultural soils in southwest china with modified DNDC[J]. Journal of Geophysical Research Biogeosciences, 2011, 116(G2): 1602.

[8] 李其林，魏朝富，曾祥燕，等. 自然降雨对紫色土坡耕地氮磷流失的影响[J]. 灌溉排水学报，2010，41（2）： 76－80.Li Qilin, Wei Chaofu, Zeng Xiangyan, et al. Run-off character of nitrogen and phosphorus on slope land in Three Gorges Reservoir[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2010, 41(2): 76－80. (in Chinese with English abstract)

[9] 丁文峰，张平仓. 紫色土坡面壤中流养分输出特征[J]. 水土保持学报，2009，23（4）：15－19.Ding Wenfeng, Zhang Pingcang. Characteristics of nutrient transportation of subsurface flow of purple soil slope[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2009, 23(4): 15－19. (in Chinese with English abstract)

[10] Ding X, Xue Y, Lin M, et al. Influence mechanisms of rainfall and terrain characteristics on total nitrogen losses from regosol[J]. Water, 2017, 9: 167.

[11] Jia H, Lei A, Lei J, et al. Effects of hydrological processes on nitrogen loss in purple soil[J]. Agricultural Water Management, 2007, 89(1/2): 89－97.

[12] 汪涛，朱波，罗专溪，等. 紫色土坡耕地硝酸盐流失过程与特征研究[J]. 土壤学报，2010，47（5）：962－970.Wang Tao, Zhu Bo, Luo Zhuanxi, et al. Nitrate loss from sloping cropland of purple soil[J]. Acta Pedologica Sinica, 2010, 47(5): 962－970. (in Chinese with English abstract)

[13] Ahuja L R. Release of a soluble chemical from soil to runoff[J]. 1982, 25(4): 948－953.

[14] 王全九，杨婷，刘艳丽，等. 土壤养分随地表径流流失机理与控制措施研究进展[J]. 农业机械学报，2016，47（6）：67－82.Wang Quanjiu, Yang Ting, Liu Yanli, et al. Review of soil nutrient transport in runoff and its controlling measures[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(6): 67－82. (in Chinese with English abstract)

[15] 张兴昌，邵明安. 坡地土壤氮素与降雨、径流的相互作用机理及模型[J]. 地理科学进展，2000，19（2）：128－135.Zhang Xingchang, Shao Ming'an. The interacting models and mechanisms of soil nitrogen with rainfall and runoff[J]. Progress in Geography, 2000, 19(2): 128－135. (in Chinese with English abstract)

[16] Yang T, Wang Q, Liu Y, et al. A comparison of mathematical models for chemical transfer from soil to surface runoff with the impact of rain[J]. Catena, 2016, 137: 191－202.

[17] 王全九，王辉. 黄土坡面土壤溶质随径流迁移有效混合深度模型特征分析[J]. 水利学报，2010，41（6）：671－676.Wang Quanjiu, Wang Hui. Analysis on the feature of effective mixing depth model for soil solute transporting with surface runoff on loess slope[J]. Shuili Xuebao, 2010, 41(6): 671－676. (in Chinese with English abstract)

[18] Philip J R. The theory of infiltration: 1. The infiltration equation and its solution[J]. Soil Science, 1957, 83(5): 345－347.

[19] Tonitto C, Li C, Seidel R, et al. Application of the dndc model to the rodale institute farming systems trial: Challenges for the validation of drainage and nitrate leaching in agroecosystem models[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2010, 87(3): 483－494.

[20] 朱波，周明华，况福虹，等. 紫色土坡耕地氮素淋失通量的实测与模拟[J]. 中国生态农业学报，2013，21（1）：102－109.Zhu Bo, Zhou Minghua, Kuang Fuhong, et al. Measurement and simulation of nitrogen leaching loss in hillslope cropland of purple soil[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2013, 21(1): 102－109. (in Chinese with English abstract)

[21] Ahuja L R. Characterization and modeling of chemical transfer to runoff[M]. New York: Springer New York, 1986.

[22] Jr D A S, Beyerlein D C, Jr D H H, et al. Agricultural runoff management (ARM) model. Version II: Refinement and testing[M]. Athens: Environmental Protection Agency, 1977.

[23] Šimůnek J, van Genuchten M T, Šejna M. Development and applications of the hydrus and stanmod software packages and related codes[J]. Vadose Zone Journal, 2008, 7(2): 587－600.

[24] Mohammed D, Kohl R A. Infiltration response to kinetic energy[J]. Transactions of the Asae-American Society of Agricultural Engineers (USA), 1987, 30(1): 108－111.

[25] Yang T, Wang Q, Wu L, et al. A mathematical model for soil solute transfer into surface runoff as influenced by rainfall detachment[J]. Science of the Total Environment, 2016, 557: 590－600.

[26] 傅斌，王玉宽，朱波，等. 紫色土坡耕地降雨入渗试验研究[J]. 农业工程学报，2008，24（7）：39－43.Fu Bin, Wang Yukuan, Zhu Bo, et al. Experimental study on rainfall infiltration in sloping farmland of purple soil[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2008, 24(7): 39－43. (in Chinese with English abstract)

[27] 徐佩，王玉宽，傅斌，等. 紫色土坡耕地壤中产流特征及分析[J]. 水土保持通报，2006，26（6）：14－18.Xu Pei, Wang Yukuan, Fu Bin, et al. Interflow occurrence characters and their analysis on slope cropland with purple soil[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2006, 26(6): 14－18. (in Chinese with English abstract)

[28] Peterson E W, Davis R K, Brahana J V, et al. Movement of nitrate through regolith covered karst terrane, northwest arkansas[J]. Journal of Hydrology, 2002, 256(1/2): 35－47.

[29] Zakari S, Liu H, Li Y, et al. Transport and sorption behavior of individual phthalate esters in sandy aquifer: Column experiments[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2016, 23(15): 15749－15756.

[30] 余根坚，黄介生，高占义. 基于hydrus模型不同灌水模式下土壤水盐运移模拟[J]. 水利学报，2013，44(7)：826－834.Yu Genjian, Huang Jiesheng, Gao Zhanyi. Study on water and salt transportation of different irrigation modes by the simulation of HYDRUS model[J]. Shuili Xuebao, 2013, 44(7): 826－834. (in Chinese with English abstract)

[31] 霍洪江，汪涛，魏世强，等. 三峡库区紫色土坡耕地氮素流失特征及其坡度的影响[J]. 西南大学学报：自然科学版，2013，35(11)：112－117.Huo Hongjiang, Wang Tao, Wei Shiqiang, et al. Characteristics of nitrogen loss from hillslope croplands of purple soil in the Three Gorges Reservoir Area and impacts of slope gradients [J]. Journal of Southwest University: Natural Science Edition, 2013, 35(11): 112－117. (in Chinese with English abstract)

[32] Veizaga E A, Rodriguez L, Ocampo C J. Water and chloride transport in a fine-textured soil in a feedlot pen[J]. Journal of Contaminant Hydrology, 2015, 182: 91－103.

Law of nitrate transfer and loss in purple sloping farmland and its numerical simulation

Xie Meixiang1, Zhang Zhanyu1※, Zhang Pingcang2, Xu Jinxin2, Lin Qingming2

(1.210098,; 2.430010,)

The nitrate transfer and loss plays a critical role in groundwater contamination. Specially, the purple soil sloping field accounts for large areas of farmlands in China and the nitrate transport and loss in purple soils causes serious pollution towards waterbodies. To research the transfer and loss of nitrate in sloping field of purple soil, we conducted laboratory experiments using soil tanks and artificial rainfall device to study nitrate loss features by surface flow (SF) and subsurface flow (SSF) subjected to various precipitation intensities and slope gradients. In this study, 3 precipitation intensities (0.4, 1.0, 1.8 mm/min) coupled with 3 slope gradients (5°, 15°, 20°) were used, and totally 9 treatments were conducted with 2 repetition. Besides, numerical modelling approach was also applied to investigate the nitrate transfer and loss characteristics of purple soil in sloping field. The modified effective mixing depth model and convective-dispersion equation were applied in simulations of nitrate loss via SF and SSF, respectively, with the effective mixing model was modified by a time-increasing effective mixing depth and convective-dispersion equation was solved by HYDRUS-2D software. The results showed: 1) exponential decrease between nitrate concentration and time through SF and linear increment through SSF. 2) The loss concentration of nitrate in SSF was 19-72 folds more than that in SF, and the nitrate loss cumulative loss loads through SF and SSF both presented linear increments with time. Additionally, the variabilities of measured nitrate concentration in SSF were much larger than that in SF. 3) The nitrate loss load presented linear increment over time subjected to all treatments and the proportion of nitrate loss load in SF increased with increasing precipitation intensities. As a result, the loss load of nitrate was mainly through SF in response to large precipitation intensity, but nitrate loss was mainly through SSF subjected to low precipitation intensity. In detail, the proportion of nitrate loss through SF increased from 17.3% to 66.0% as response to increasing rainfall intensity from 0.4 to 1.8 mm/min. 4) The precipitation intensity was a very influential factor for nitrate nitrogen loss, while the impact of slope gradient on nitrate loss showed no consistent pattern. 5) The linear regressions between model prediction results and experimental data and evaluation index of accuracy for simulation results both revealed good agreements for nitrate transfer and loss through SF and SSF, respectively. The mean absolute error (MAE), root mean square error (RMSE), coefficient of Nash-SuttcliffeNSand2reached 0.872 mg/L, 1.009 mg/L, 0.590 and 0.826 7, respectively, for nitrate loss via SF. Similarly, the MAE, RMSE,NSand2of prediction for subsurface nitrate loss reached 9.889 mg/L, 13.084 mg/L, 0.792 and 0.842 6, respectively. This study provided better understanding for nitrate transfer and loss mechanism of purple soil in sloping farmland.

nitrates; runoff; models; subsurface flow; concentration; load; effective mixing depth; advection-dispersion

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.019

S157

A

1002-6819(2018)-19-0147-08

2018-02-07

2018-07-08

江苏省研究生科研与实践创新计划项目（KYCX18_0596）；国家自然科学基金资助项目（51579069；41101521）

谢梅香，博士生，主要从事污染物迁移研究。 Email：jsdyxmx@163.com

张展羽，博士生导师，主要从事灌溉排水理论及技术研究。Email：zhanyu@hhu.edu.cn

谢梅香，张展羽，张平仓，徐金鑫，林庆明. 紫色土坡耕地硝态氮的迁移流失规律及其数值模拟[J]. 农业工程学报，2018，34(19)：147－154. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.019 http://www.tcsae.org

Xie Meixiang, Zhang Zhanyu, Zhang Pingcang, Xu Jinxin, Lin Qingming. Law of nitrate transfer and loss in purple sloping farmland and its numerical simulation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(19): 147－154. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.019 http://www.tcsae.org