傳遞函數(shù)模型的發(fā)展和農(nóng)田尺度下硝態(tài)氮淋失的數(shù)值預(yù)報(bào)

傳遞函數(shù)模型的發(fā)展和農(nóng)田尺度下硝態(tài)氮淋失的數(shù)值預(yù)報(bào)氮素淋失對(duì)農(nóng)業(yè)水土環(huán)境質(zhì)量的影響是重要的生態(tài)農(nóng)業(yè)研究課題，該研究中頗具挑戰(zhàn)性的科學(xué)難題之一是對(duì)農(nóng)田土壤中同時(shí)受到物理、化學(xué)和生物作用影響的硝態(tài)氮淋失動(dòng)態(tài)的精確模擬和預(yù)報(bào)。為了對(duì)氮素運(yùn)移和轉(zhuǎn)化行為在生態(tài)環(huán)境演變過(guò)程中的作用有更明晰的認(rèn)識(shí)，本文采用不同的數(shù)學(xué)模型分別從點(diǎn)尺度和農(nóng)田尺度對(duì)此進(jìn)行了研究。本文研究的第一部分通過(guò)引入概率密度函數(shù)的修正因子，發(fā)展了一個(gè)可區(qū)分表施氮素和土壤殘留氮對(duì)硝態(tài)氮淋失貢獻(xiàn)的傳遞函數(shù)模型。假設(shè)累積排水量的概率密度函數(shù)的形狀不隨水流狀態(tài)而改變，概率密度函數(shù)于不同水流條件下的差異體現(xiàn)在貯水量差的變化，將Jury等（1990）提出的非穩(wěn)定流條件下保守溶質(zhì)運(yùn)移的傳遞函數(shù)模型推廣到田間土壤硝態(tài)氮淋失的模擬中。在模型中考慮了氮素的礦化、固持、氨揮發(fā)和作物吸氮作用，把源匯項(xiàng)對(duì)硝態(tài)氮淋失的影響視為對(duì)溶質(zhì)運(yùn)移體中初始駐留濃度的輸入，將各轉(zhuǎn)化量與土壤貯水量或蒸散量建立了較簡(jiǎn)單的函數(shù)形式得到凈礦化、氨揮發(fā)和吸氮濃度。以考慮源匯項(xiàng)作用時(shí)的硝態(tài)氮淋失濃度的均方根差為目標(biāo)函數(shù)，采用二分法對(duì)概率密度函數(shù)的修正因子進(jìn)行優(yōu)化。使用1999年冬小麥—夏玉米生長(zhǎng)條件下土壤剖面2米埋深處硝態(tài)氮淋失動(dòng)態(tài)的試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)了所發(fā)展的模型的有效性。接著，分析了模型中各參量對(duì)模擬精度的影響，計(jì)算了模擬時(shí)段內(nèi)淋失的硝態(tài)氮占肥料氮的比例。表明：作者所發(fā)展的能夠估計(jì)表施氮素和殘留氮對(duì)硝態(tài)氮淋失貢獻(xiàn)的傳遞函數(shù)模型的計(jì)算結(jié)果是合理的；同時(shí)考慮流場(chǎng)變化、殘留氮影響和氮素轉(zhuǎn)化作用的傳遞函數(shù)模型具有更高的模擬精度，模擬的累積硝態(tài)氮淋失量的相對(duì)誤差僅為0.99％；而既不考慮流場(chǎng)變化又不考慮氮素轉(zhuǎn)化作用影響的模擬結(jié)果的相對(duì)誤差達(dá)19.62％；僅考慮源匯項(xiàng)作用的硝態(tài)氮淋失量的模擬結(jié)果與發(fā)展的傳遞函數(shù)模型的模擬結(jié)果相差不大，相對(duì)誤差為3.03％，說(shuō)明在北方旱田深排水條件下長(zhǎng)作物生育期內(nèi)硝態(tài)氮淋失的模擬中，考慮氮素的轉(zhuǎn)化作用對(duì)模擬結(jié)果的影響更大；表施氮的淋失量只占總淋失量的0.42％，占總施氮量的0.10％，所淋失的硝態(tài)氮大部分是土壤的殘留氮，占總淋失量的99.58％。表施氮素遷移時(shí)間的概率密度函數(shù)的修正因子的取值對(duì)模擬精度的影響較大，取零時(shí)，模擬淋失量的相對(duì)誤差為9.68％，取1時(shí)，相對(duì)誤差為21.61％，取值在0.28到0.32之間時(shí)，對(duì)于與本文試驗(yàn)條件類似的農(nóng)田土壤，應(yīng)用我們所發(fā)展的數(shù)學(xué)模型可以獲得滿意的模擬結(jié)果。根據(jù)本文所發(fā)展的能區(qū)分表施氮和殘留氮的傳遞函數(shù)模型，可為田間的¹⁵N示蹤試驗(yàn)提供一種定量的參考工具。本文研究的第二部分在開(kāi)展大規(guī)模田間試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，獲得大量具有空間變異特征的模型參數(shù)，對(duì)農(nóng)田尺度下硝態(tài)氮的淋失風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了數(shù)值預(yù)報(bào)。北京通州區(qū)永樂(lè)店試驗(yàn)站的小區(qū)面積為27×27m²（網(wǎng)格間距3m），采集30—50cm土層的樣品；山東德州地區(qū)禹城試驗(yàn)站的小區(qū)面積為40×40m²（網(wǎng)格間距5m），采集0—20和20—40cm土層的樣品。根據(jù)土壤傳遞函數(shù)方法，生成了各個(gè)采樣點(diǎn)的土壤水力學(xué)參數(shù)和彌散度。假設(shè)土壤有機(jī)氮的礦化速率常數(shù)（零級(jí)動(dòng)力學(xué)）與有機(jī)質(zhì)含量成正比得到礦化速率在空間上的分布?；谥Ｐ图僭O(shè)，即，土壤由一系列不發(fā)生相互作用的一維土柱組成，運(yùn)用HYDRUS-1D軟件，對(duì)永樂(lè)店2000—2001年和禹城2001—2003冬小麥—夏玉米生長(zhǎng)條件下農(nóng)田尺度下土壤氮素的轉(zhuǎn)化和硝態(tài)氮的淋失風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了數(shù)值模擬。為評(píng)價(jià)礦化作用產(chǎn)生的無(wú)機(jī)氮對(duì)感興趣深度的硝態(tài)氮淋失的影響，本文設(shè)計(jì)了兩種數(shù)值模擬方案，即，不考慮和考慮土壤有機(jī)氮礦化速率的空間變異性（分別簡(jiǎn)記為方案1和方案2）。模擬結(jié)果表明：（1）永樂(lè)店冬小麥生育期內(nèi)剖面250cm埋深處平均的土壤水滲透量、累積硝態(tài)氮淋失量分別為2.25mm、0.0098m沙m，，夏玉米生育期內(nèi)的值分別為l.35mm、o.oo65m沙m，，變異系數(shù)均在1.46以上，具有很強(qiáng)的空間變異性;（2）禹城冬小麥生育期內(nèi)剖面ZO0cm埋深處平均的土壤水滲透量、累積硝態(tài)氮淋失量分別為1930mm、0.0790m沙mZ，夏玉米生育期內(nèi)的值分別為24.48mm、0.0948m沙m，，變異系數(shù)均在0.50以上，表現(xiàn)為中等變異強(qiáng)度;（3）與總輸入量相比，空間上平均的土壤水滲透量和硝態(tài)氮淋失量不高，而某些采樣點(diǎn)處土壤水滲透量和硝態(tài)氮淋失量大大高于均值，是農(nóng)田管理和環(huán)境監(jiān)測(cè)的脆弱帶;（4）兩種數(shù)值模擬方案對(duì)模擬的下邊界處（永樂(lè)店:250cm;禹城:ZO0cm）硝態(tài)氮淋失的影響很小，其差異主要在于方案2對(duì)土壤氮素各轉(zhuǎn)化量的影響更大，由于考慮了氮素礦化作用的空間變異性，方案2中各氮素轉(zhuǎn)化量的空間變異性大大高于方案1的模擬結(jié)果;（5）蒸發(fā)量、蒸騰量和蒸散量具有較低的空間變異性（CV<0.06），而剖面不同埋深處的水通量（250、200、150、IO0cm）呈現(xiàn)較強(qiáng)的空間變異性。運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件GEOPACK對(duì)實(shí)測(cè)土壤性狀、模型參數(shù)和模擬結(jié)果進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，表明:（l）永樂(lè)店采