基于HYDRUS-1D模型的灌区农田土壤水分渗漏和硝态氮淋失特征研究

杨 楠,段琳博,马 静,蔡焕杰,彭雄标,王晓云,李亮,张蓬妍,徐家屯

(1．西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室, 陕西 杨凌 712100; 2．西北农林科技大学水利与建筑工程学院, 陕西 杨凌 712100;3．西北农林科技大学中国旱区节水研究院, 陕西 杨凌 712100)

随着集约化农业的发展,过度施用氮肥的现象普遍发生,使得硝酸盐流失造成的地下水污染成为了一个全球性问题[1]。泾惠渠灌区是陕西省重要的粮食产地,近年来在高效发展农业生产的同时,化肥的过量施用对灌区土壤及地下水造成了不同程度的污染[2]。泾惠渠灌区所处地区潜在蒸发蒸腾量高,为满足该地区作物生长所需水分,灌溉已成为该地区农业生产的必备条件[3]。畦灌法是泾惠渠灌区的主要灌溉方式,灌区畦田长度差异大,为保证作物产量,过量灌溉现象普遍存在,这导致大量农田土壤水分渗漏,造成水资源浪费[4]。灌区农田的过量灌溉和高量施氮现象加剧了泾惠渠灌区农田地下水污染的风险。因此定量研究泾惠渠灌区的土壤水分渗漏和硝态氮淋失特征具有重要意义。

近年来,很多学者针对土壤水分渗漏和硝态氮淋失特征开展研究,取得了大量研究成果。赖晓明等[5]基于HYDRUS-1D模型研究发现,太湖流域麦稻轮作农田系统土壤水分渗漏与降雨、灌溉及前期土壤含水率有关,硝态氮是氮素淋失的主要形态,氮淋失在休耕期和水稻生长初期容易达到峰值。张学科等[6]采用土柱试验研究了灌水量与施氮量对不同类型土壤中硝酸盐运移的影响,表明灌水量、施氮量以及土壤类型均对土壤中氮素的累积及损失有显著影响,影响程度表现为施氮量>灌水量>土壤类型。范小娟[7]基于HYDRUS-1D模型对毛乌素沙地春玉米农田水氮运移的研究表明,施氮量对硝态氮的淋失影响较小,不同施氮量处理90 cm和150 cm土层硝态氮淋失量相差甚微。李天[8]基于MODFLOW和MT3D模型对河北平原麦-玉轮作农田土壤硝态氮运移的研究发现,农民经验施肥灌溉量已经造成了浅层地下水的硝态氮污染,且渠灌区较井灌区污染严重,但是由于渠灌区靠近河流,浅层地下水中的硝态氮易随水流排泄,导致较深层地下水中硝态氮含量降低;同时井灌区由于不断抽取地下水进行灌溉,加快了硝态氮的垂向运移速率,严重污染了较深层地下水环境。该地区因降雨量较大导致秋灌取消,因此降雨是造成该地区硝态氮深层淋失的最主要因素。但是,以上研究并未明确麦-玉轮作年内的农田水氮运移规律。

泾惠渠灌区是陕西省的重要粮食基地,属于大型井渠双灌灌区。灌区内95%以上农田面积均为麦-玉轮作种植模式[9],过量灌溉和高量施氮现象普遍存在。同时,由于地表水缺乏,为满足灌溉需求而抽取大量地下水进行灌溉,导致该地区地下水水位下降、地下水水质和土壤健康状况恶化等严重后果[10]。徐斌等[11]对泾惠渠灌区地下水中的硝酸盐污染特征进行分析,并评价了泾惠渠灌区地下水污染物硝酸盐对人体健康影响的风险,发现研究区地下水中硝态氮含量严重超标,99.44%区域的地下水硝酸盐含量超过生活饮用水的卫生标准值,平均含量高达29.78 mg·L-1,致病性极高。所以,研究该地区硝态氮淋失和灌溉施肥管理措施十分必要。

为制定合理的灌溉施肥方案,减少水资源浪费,有效降低灌区的农田土壤硝态氮污染,本研究应用HYDRUS-1D模型模拟泾惠渠灌区麦-玉轮作农田的水氮运移过程,量化土壤根系层下水分渗漏通量和硝态氮淋失通量的变化特征,探明不同灌溉量和施肥量对根系层下水分渗漏和硝态氮淋失的影响。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究地点位于泾惠渠灌区内泾阳县桥底镇的试验站(34°35′N,108°43′E,海拔424 m),为大陆性半干旱季风气候,年平均降雨量为538.9 mm,年平均气温为13.4℃。土壤肥沃,灌区水利条件好,属井渠双灌灌区,种植模式以麦-玉轮作为主[12-13]。

1.2 试验设计

于2012年10月—2015年6月,以夏玉米(品种为‘武科2号’)和冬小麦(品种为‘西农979’)为试验对象,进行了3年田间水氮试验。将夏玉米生育期划分为苗期、拔节期、抽雄期、灌浆期4个阶段,冬小麦生育期划分为苗期、越冬期、拔节期、灌浆期4个阶段。在作物不同生育时期进行灌溉处理,灌溉方式为畦灌,灌水的同时进行施肥。2012年10月—2013年6月期间冬小麦全部处理的施氮量为200 kg·hm-2(纯N),2013年6月—2014年6月期间夏玉米和冬小麦轮作期分别设置3个施氮水平,即0、120、240 kg·hm-2(纯N),2014年6月—2015年6月期间夏玉米和冬小麦轮作期分别设置4个施氮水平,即0、120、240、360 kg·hm-2(纯N)。每个处理重复3次,小区面积为542.5 m2。氮肥种类为尿素(N>46%),具体试验处理如表1所示。

表1 2012—2015年冬小麦-夏玉米轮作水氮试验处理Table 1 Experimental design of irrigation and nitrogen treatment of winter wheat-summer maize rotation during 2012-2015

1.3 测定指标及方法

在试验播种前、灌溉前后和较大降雨后,用土钻取0～200 cm深度(0～20、20～40、40-60、60～80、80～100、100～130、130～160、160～200 cm)的土壤样品。用烘干法测定土壤质量含水量,并换算为土壤体积含水量。使用2 mol·L-1的KCl浸提,利用AA3型连续流动分析仪(Bran+Luebbe Company,德国)测定土壤硝态氮和铵态氮含量。用环刀法测定各土层土壤容重,计算土壤饱和含水量、田间持水量等指标。利用马尔文激光粒度仪(MS3000,英国)进行土壤颗粒组成测定分析。

1.4 HYDRUS-1D模型构建与评价

HYDRUS-1D模型可用于模拟一维尺度水分及各种溶质在土壤中的迁移转化,并综合考虑了水分运动、溶质运移和作物根系吸收,且适用于多种边界条件,同时模型内的Rosetta Lite v.1.1模块可以根据土壤容重和颗粒级配预测土壤水分运动参数,该模块可为模型参数的率定提供参考。目前其广泛应用于饱和-非饱和土壤水分及污染物迁移转化相关领域的研究[14-15]。

1.4.1 土壤水分运动 饱和-非饱和介质的垂直运动可以用修正后的Richards方程和Van Genuchten模型来描述[14,16],如公式(1)～(4)所示:

(1)

(2)

(3)

(4)

式中,θ为土壤体积含水量(cm3·cm-3);K(h)为非饱和土壤导水率(cm·d-1);S(z,t)为土壤中根系吸水量(cm3·cm-3·d-1);t为时间(d);z为土壤深度(cm);h为压力水头(cm);Ks为土壤饱和导水率(cm·d-1);Se为有效饱和度;l为孔径连通系数;α、m、n为模型经验参数;θr和θs为土壤残余含水量和土壤饱和含水量。

1.4.2 土壤溶质运移 HYDRUS-1D模型采用改进后的对流弥散方程对溶质运移进行模拟[14],施肥后马上进行灌溉,氨的挥发损失率取20%[7]。对于铵态氮考虑吸附、生物固持、硝化、矿化和根系吸收作用,其运移模型为:

(5)

对于硝态氮考虑反硝化和根系吸收作用,其运移模型为:

(6)

1.4.3 作物根系吸收 式(1)中的根系吸水量S(z,t)采用Feddes模型[17]:

S(z,t)=α(h)b(z)Tp

(7)

式中,α(h)为水分胁迫响应函数;b(z)为标准化根系吸水分配函数;Tp为潜在蒸腾量。夏玉米和冬小麦采用相同的标准化根系吸水分配函数,根据Hoffman and Van Genuchten方程获取[18]。

1.4.4 初始条件和边界条件 模拟的上边界位于地表(0 cm),下边界位于地下200 cm处。以试验点各土层的初始土壤含水量、铵态氮和硝态氮含量作为模拟的初始条件;水分运移的上边界选择通量已知的大气边界条件,下边界处为自由排水边界;溶质运移的上边界选择溶质通量边界,下边界选择浓度零梯度边界条件。

1.4.5 模型模拟效果评价指标 采用均方根误差RMSE、标准均方根误差nRMSE、一致性指标d评价模型模拟效果[19]。

(8)

(9)

(10)

式中,Si和Oi分别为第i个样本的模拟值和实测值;Oavg为实测值的平均值;n为样本数。

1.4.6 土壤储水量变化量与灌溉降雨渗漏比计算 引用水量平衡方程计算土体内土壤储水量变化量,水量平衡方程可表示为:

ΔW=I+P-ET-L200

(11)

式中,ΔW为剖面土壤储水量变化量;I为灌溉量(mm);P为降雨量(mm);ET为蒸发蒸腾量(mm);L200为作物全生育期根系层下(200 cm)土壤水渗漏量(mm)。

采用水分渗漏比来描述作物全生育期根系层下(200 cm)土壤水渗漏量占灌溉和降雨总量的比例:

(12)

式中,WLR为水分渗漏比(%)。

2 结果与讨论

2.1 模型率定与验证

随机选取2014—2015年夏玉米、冬小麦W9N240处理的数据为例进行模型适应性评价。基于Rosetta Lite v.1.1模块结合不同土层土壤基本物理性质(表2)预测初始土壤水分运动参数,同时利用麦-玉轮作期灌区农田0～200 cm土层的土壤体积含水量校准,最后确定模型所需的土壤水分运动参数。基于反演模块运用实测硝态氮浓度数据确定溶质运移参数,详见表3和表4。对土壤体积含水量、硝态氮浓度的模拟值与实测值进行了比较,结果如图1～3所示。

表2 不同土层土壤基本物理性质Table 2 Soil basic physical properties in different soil layers

表4 土壤溶质运移参数Table 4 Soil solute migration parameters

由图1和图2可知,不同深度土壤含水率的模拟值与实测值随时间的动态变化特征基本一致,表明模型模拟效果良好。2014年夏玉米生育期W9N240处理土壤体积含水量的结果表明(图1),除20 cm土层深度模拟效果适中外(RMSE=0.034 cm3·cm-3;nRMSE=12.88%),其他土层模拟效果良好(RMSE=0.008～0.020 cm3·cm-3;nRMSE=2.81%～7.47%),各土层深度土壤体积含水量模拟值与实测值一致性较好(d>0.5),但200 cm土层的一致性较差,这可能是因为该土层深度处土壤体积含水量变化幅度小,呈现出实测值在模拟值附近上、下波动的现象,导致一致性较差。2014—2015年冬小麦生育期W9N240处理土壤体积含水量的结果表明(图2),冬小麦生育期的土壤体积含水量拟合结果较好,其中均方根误差RMSE为0.019～0.038 cm3·cm-3,标准均方根误差nRMSE为6.82%～13.33%,一致性指标d为0.60～0.93。对比夏玉米和冬小麦生育期内W9N240处理土壤体积含水量实测值与模拟值拟合程度可知,夏玉米生育期水分拟合程度普遍高于冬小麦,这是由于土壤基本物理参数为夏玉米试验期进行采样,而模拟计算采用同一组物理参数,土壤水分参数在一定尺度上具有明显的时空异质性,所以对冬小麦水分模拟结果产生一定影响[20]。综上所述,模拟结果整体表现为:深层土壤体积含水量模拟效果优于上层,造成这种差异的原因主要是上层土壤的水分参数容易受到耕作、降雨、灌溉等因素的影响[21],而夏玉米和冬小麦生育期内降雨强度、灌水频率不同,造成两作物水分参数存在一定差异,但对整体结果影响并不显著。

图3为2014—2015年W9N240处理下夏玉米和冬小麦生育期内不同土层土壤硝态氮浓度实测值与模拟值,可知在夏玉米和冬小麦生育期内土壤硝态氮浓度实测值与模拟值拟合程度较好,其中RMSE为0.007～0.032 mg·cm-3,nRMSE为7.01%～28.31%,d为0.49～0.98。随着时间推移,夏玉米冬小麦生育期内表层硝态氮含量减少,深层增加。部分水量因深层渗漏而损失,硝态氮也随着水分的渗漏而淋失至深层[22]。此外,硝态氮的聚集区随着时间的推移由浅层逐渐向深层运动。夏玉米生长中期(2014-08-10)硝态氮浓度在20～60 cm土层大幅增加,硝态氮随着灌溉和降雨引起的水分运动而运移,夏玉米生育期末(2014-10-12)硝态氮在60～100 cm土层聚集,同时100 cm土层的硝态氮浓度也逐渐增加,说明硝态氮在水分运动的作用下逐渐向深层移动。这是因为随着作物根系对氮的吸收、灌溉与降雨的发生,土壤氮含量有所降低,同时土壤的硝态氮逐渐被淋失到下层。综上可知,冬小麦生育期硝态氮在100 cm土层以下累积量较夏玉米生育期末进一步增多。

2.2 水分渗漏特征

根据水量平衡原理,结合试验数据和模型模拟数据得到灌溉和降雨量(I+P)、蒸发蒸腾量(ET)、作物全生育期根系层下(200 cm)土壤水分渗漏量(L200)以及剖面土壤储水量的变化量(ΔW),如表5所示。W9N200-3、W9N200-5、W9N200-6处理2012—2013年冬小麦全生育期各处理根系层下土壤水分渗漏量远高于W9N200-1、W9N200-2、W9N200-4处理,这是因为前者在越冬期进行灌溉,而后者在该生育时期未进行灌水。W9N200-1、W9N200-2、W9N200-4处理全生育期灌溉和降雨量后者较前者均增加9.00 cm,蒸发蒸腾量随着灌溉和降雨量的增加逐渐增加,全生育期根系层下土壤水分渗漏量差值小于1.20 cm,说明越冬期不灌溉且全生育期灌溉和降雨量低于33.15 cm时,全生育期根系层下土壤水分渗漏量对灌溉和降雨的发生响应较弱。苗期灌水使得冬小麦土壤各土层储水量处于较高水平,但越冬期的冬小麦生长缓慢,耗水量较少,该阶段的灌水无法被作物充分利用,大部分形成深层渗漏。这表明适当减少越冬期灌水量有助于控制冬小麦全生育期根系层下土壤水分渗漏量。2013—2014年冬小麦各处理均在越冬期灌溉,全生育期根系层下土壤水分渗漏量随着越冬期灌水量增加而增加;2014—2015年冬小麦越冬期灌溉的处理与越冬期未灌溉的处理相比,全生育期根系层下土壤水分渗漏量也呈现与2012—2013年相同的规律。3年冬小麦全生育期根系层下土壤水分渗漏数据分析结果表明选择合适的灌水时期对防止水分深层渗漏有重要意义,并且应适当减少越冬期灌水量。

表5 2012—2015 年冬小麦-夏玉米生育期内土壤水量平衡分析/cmTable 5 Analysis of soil water budget balance during the growth period of winter wheat-summer maize rotation in 2012-2015

对比夏玉米和冬小麦生育期不同施氮处理的根系层下土壤水分渗漏量发现(表5),2013年夏玉米生育期灌水定额为90 mm的不同施氮量处理(W9N0、W9N120、W9N240)根系层下土壤水分渗漏量在7 cm左右,灌水定额为120 mm的处理(W12N0、W12N120、W12N240)在9.5 cm左右。2014年夏玉米生育期不同施氮处理(W9N0、W9N120、W9N240、W9N360)根系层下土壤水分渗漏量介于9.32～9.48 cm。2013—2014年冬小麦生育期灌水定额为120 cm的不同施氮量处理(W12N0、W12N120、W12N240)根系层下土壤水分渗漏量(21.74～21.75 cm)远大于灌水定额为90 cm的处理(W9N0、W9N120、W9N240)根系层下土壤水分渗漏量(15.86～16.01 cm)。2014—2015年冬小麦生育期灌溉定额为360 cm的不同施氮量处理(W9N0、W9N120、W9N240、W9N360)根系层下土壤水分渗漏量(21.67～22.27 cm)远大于灌溉定额为270 cm的处理(W9N0-1、W9N120-1、W9N240-1、W9N360-1)根系层下土壤水分渗漏量(15.63～15.84 cm)。综合分析可知,夏玉米和冬小麦全生育期根系层下土壤水分渗漏量与灌水量相关性较大,受施氮量影响较小。

综合分析发现,2012—2013、2013—2014、2014—2015年冬小麦全生育期根系层下土壤水分渗漏量占灌溉和降雨总量的比值(WLR)的平均值分别为67.31%、42.09%、51.73%,2013年和2014年夏玉米WLR的平均值分别为21.94%和16.58%,冬小麦和夏玉米WLR的平均值分别为53.51%和19.80%。冬小麦全生育期根系层下土壤水分渗漏量(15.34～25.38 cm)大于夏玉米(6.98～9.82 cm);冬小麦全生育期根系层下土壤水分渗漏强度为0.06～0.10 cm·d-1,夏玉米为0.06～0.08 cm·d-1,冬小麦和夏玉米生育期需要合理规划灌水时期和灌水定额。

2.3 硝态氮淋失特征

由图4和图5可知,根系层下硝态氮淋失通量峰值的出现滞后于降雨和灌溉的发生,2014年夏玉米生育期W9N0(图4a)和W9N240(图4b)处理每次灌水后13～14 d硝态氮淋失通量达到峰值,2014—2015年冬小麦生育期W9N240处理(图5a)每次灌水后9～14 d左右会出现硝态氮淋失通量峰值;W9N240-1处理(图5b)拔节期灌水后根系层下硝态氮淋失通量峰值出现比W9N240处理(图5a)晚10 d,这是由于W9N240-1处理(图5b)相比W9N240处理(图5a)少了1次越冬期灌水,根系层下土壤水分渗漏通量的峰值出现的时间较晚。夏玉米和冬小麦生育期内根系层下硝态氮淋失通量范围分别为0.003～0.016 mg·cm-3·d-1和0.001～0.032 mg·cm-3·d-1。对比冬小麦生育期W9N240和W9N240-1处理的根系层下硝态氮淋失通量,发现二者差异较大,达1 mg·cm-3(图5)。综合冬小麦和夏玉米的硝态氮淋失通量数据,发现灌溉和降雨量是影响硝态氮淋失的重要影响因素,灌溉水引起的水分运动是硝态氮淋失的主要原因[23]。硝态氮的淋失与土壤水分渗漏具有同步性,表现为灌水后根系层下土壤水分渗漏通量的峰值与硝态氮淋失通量的峰值同步出现。随着土层深度的增加,土壤水分渗漏及硝态氮淋失对降雨和灌溉的响应时间增加,根系层下土壤硝态氮淋失对降雨和灌溉的响应具有滞后性[24]。

图4 2014年W9N0和W9N240处理下夏玉米生育期内降雨和灌溉量与根系层下硝态氮淋失通量Fig.4 Rainfall and irrigation amount and nitrate leaching fluxes under root layer of summer maize growing period under W9N0 and W9N240 treatments in 2014

图5 2014—2015年W9N240和W9N240-1处理下冬小麦生育期内降雨和灌溉量与根系层下硝态氮淋失通量Fig.5 Rainfall and irrigation amount and nitrate leaching fluxes under root layer of winter wheat under W9N240 and W9N240-1 treatments during 2014-2015

如图4所示,2014年夏玉米生育期内根系层下硝态氮淋失通量最大值出现在玉米生育期末,主要是因为播种后有连续多天的降雨,在80～120 d内累计降雨量达223.7 mm,导致水分垂直运动加快,进一步引起硝态氮大量淋失。但不同施氮量处理间根系层下硝态氮淋失通量差异性较小。综合图3可知,夏玉米播种前土壤剖面的硝态氮含量处于较高水平,W9N240处理(图4b)硝态氮随灌溉和降雨发生大部分累积在100～200 cm。虽然部分硝态氮累积在根系层以下,存在向下淋失的趋势,但是玉米生育期内W9N0(图4a)和W9N240(图4b)处理之间根系层下土壤水分渗漏量差异不明显(表5),仅有极少硝态氮随水分运移,故根系层下硝态氮淋失通量无明显增加。对比图5中的处理W9N240和W9N240-1发现,与夏玉米生育期末情况相似,冬小麦生育期末也伴随多次降雨,在播种后150～230 d内累积降雨量为74 mm,但是冬小麦生育期末硝态氮淋失通量峰值未出现在降雨之后,这是因为冬小麦生育期末降雨比较分散且单次降水量低,而夏玉米生育期末降雨相对集中且降水量高,导致水分的垂直运动加快。泾惠渠灌区土壤质地以壤土为主[25],壤土硝态氮的淋洗受降雨强度影响均比较大[26]。夏玉米生育期末的降雨强度远大于冬小麦生育期末,所以冬小麦生育期末根系层下硝态氮淋失通量较小。相同灌水处理下增加施氮量会使土壤硝态氮含量增加,且灌溉量越低土壤硝态氮含量增加幅度越大[27]。因此可以通过降低施氮量来减少土壤硝态氮的含量,进而控制硝态氮向深层淋失。

对比夏玉米(图4)和冬小麦(图5)的根系层下硝态氮淋失通量变化曲线发现,冬小麦全生育期内淋失量均高于夏玉米全生育期。由实测数据可知夏玉米生育期末各土壤剖面层的硝态氮浓度值均较高(图3),说明夏玉米收获后土壤中仍残留较多的硝态氮,且大多处于冬小麦根系层以下,这可能与冬小麦生育期内的高渗漏量和不同作物对氮肥的需求不同有关。灌溉和降水的发生使得硝态氮向下淋失,并且根系层以下的硝态氮因无法被吸收利用,最终会随水分运移至更深层的土壤甚至污染地下水。通过分析麦-玉轮作种植结构中的硝态氮淋失特征表明,夏玉米生育期末和冬小麦生育期初硝态氮淋失风险加剧,应密切关注,夏玉米生育期若灌水施氮不合理,会导致硝态氮在冬小麦根系层下累积,伴随着苗期灌水,极易引起硝态氮的大量淋失,应合理规划各生育时期的灌水和施氮制度。

3 结 论

1)HYDRUS-1D模型能够较好地模拟泾惠渠灌区麦-玉轮作系统的水分渗漏和硝态氮淋失,且深层土壤体积含水量的模拟效果优于浅层。

2)2012—2013年冬小麦在越冬期灌溉时全生育期根系层下(200 cm)土壤水分渗漏量为20.23～22.98 cm,而在越冬期灌溉时为15.34～16.54 cm。综合来看,冬小麦生育期应减少越冬期灌水量,推荐灌水量低于90 mm。冬小麦和夏玉米生育期内根系层下土壤水分渗漏与降雨和灌溉量成正比。冬小麦和夏玉米全生育期根系层下(200 cm)土壤水渗漏量占灌溉与降雨总量之和比例的平均值分别为53.51%和19.80%,合理规划生育期灌水时期和灌水定额对防止水分深层渗漏具有重要意义。

3)硝态氮的淋失是伴随降雨和灌溉发生的,与土壤水分渗漏具有同步性。根系层下土壤硝态氮淋失对降雨和灌溉的响应具有滞后性,麦-玉轮作系统中根系层下硝态氮淋失通量在夏玉米生育期末和冬小麦生育期初容易达到峰值,同时降雨强度也会影响硝态氮淋失通量。为防止根系层以下的硝态氮无法被吸收利用而淋入更深层土壤或污染地下水,应合理调整施氮量,控制硝态氮在根系层下的累积。