运用DRAINMOD_NII 分析排水暗管布置对水稻产量及氮素流失量的影响

王亚妮，耿九飞，刘德高，程华进，王钱超

（1.淮安市水利勘测设计研究院有限公司,江苏 淮安 223005；2.宽城满族自治县水务局,河北 承德 067000；3.水发规划设计有限公司,山东 济南 250014）

1 概述

为提高作物产量,农业生产中大量使用化肥,仅有部分被作物吸收利用,大部分随农田排水进入地表水体,造成严重的农业面源污染。以水稻产量为目标,调控农田氮磷流失量已经成为近年的主要研究问题[1]。研究水稻田氮素流失的手段,随着计算机以及数学模型手段的完善,利用基于物理过程的数学模型越来越多的成为研究者分析、预测污染物流失规律的工具[2]。Youssef 已成功地测试了DRAINMODNΠ 氮素运移模型的可行性和实用性,该模型在氮循环过程中定量计算氮运移数值。本文从寻求合理的排水暗管布置为落脚点,以提高水稻产量和减少氮素流失为目的,运用DRAINMOD-NΠ 模型进行数据分析,为寻求调控氮素流失方法和减少地表水体污染提供一定的技术支撑。

2 灌区介绍

2.1 灌区概况

竹络坝灌区始建于1957 年,地处江苏省淮安市北部,位于淮沭河以西,北至总六塘河,南接中运河,西与宿迁市的泗阳县相邻,灌区总面积348.45 km2,耕地32.25 万亩,设计灌溉面积32.0 万亩。骨干排涝河道为跃进河和渠西河两条,排水入六塘河地涵,大沟7 条,中沟121 条,小沟1464 条。

2.2 水文气象

灌区地处北亚热带和南暖温带交界区内,受季风环流影响,冬季寒冷干燥,夏季高温多雨,秋季天高气爽,四季分明,光照充足,雨水充沛,年平均气温14.10℃,年均最高气温36.5℃,年日照时数为2233.41 小时,年均无霜期216 天。最大风速为23 m/s,年降水量平均为936.6 mm,年蒸发量968.8 mm。

2.3 排水系统

灌区骨干排水系统主要包括中沟、大沟及外河。田间大部分以小沟排水至中沟,小部分稻田采用暗管排水至中沟,再排入大沟,最终汇入外河。本文主要研究排水暗管布置对排水量及氮素流失量的影响。区域排水系统分布见图1。

3 模型介绍

DRAINMOD_NII 是较完整的田间氮素运移模型,主要包括水文和水质两部分,其中水质部分以氮素循环及运移和转化为基础模拟和预测氮素流失情况。氮素运移部分包括大气沉积物、矿物质氮肥的利用、动植物残留体等有机氮对土壤的改良作用,作物吸收作用、有机碳的分解、氮的矿化及固定、硝化反硝化作用、氨的挥发作用、地下排水及地表径流中氮素流失[3]。

3.1 水文计算

模型的水文计算包括水量平衡计算和水量管理计算两个过程[4],见图2。

图2 DRAINMOD_N Ⅱ水平衡

3.1.1 水量平衡计算

（1）Δt 时间的地表水量平衡计算为：

式中：ΔS 为地表水的变化量,cm；P（I）为降雨量和灌溉水量,cm；F 为土壤的入渗量,m；RO 为地表水径流量,cm。

（2）Δt 时间的土壤水量（地下水量）平衡计算为：

式中：ΔVa为土壤水量变化量,cm；D 为土壤侧向排水量,cm；ET 为作物蒸散发量,cm；DS 为土壤深层渗漏量,cm；F 为土壤入渗量,cm。

3.1.2 水量管理计算

该模型水量管理计算主要以作物相对产量为控制目标,反应土壤水分过多、水分不足及种植延迟的综合影响,计算公式如下：

式中：RY为作物相对产量,%；Y 为作物实际产量,kg；Y0为理想条件下的最高产量,kg；RYw为水分过多影响的作物相对产量,%；RYd为水分不足影响的作物相对产量,%；RYp为种植延迟影响的作物相对产量,%。

3.2 氮素循环

该模型氮循环过程主要包含NHx-N、NO3--N 和ON 三种氮型式。应用时根据实际环境和条件选择不同的转化模式。三种模式如下所示：

1）仅考虑硝态氮,此时硝态氮为矿化作用的最终产物,且随地表径流、地下排水、植物吸收、生物固氮、大气沉降及施肥等过程均只是硝态氮。该模式不能模拟铵及铵形式化肥（如尿素和无水氨）。

2）不仅考虑硝态氮,而且考虑铵态氮及氨形式氮。由于带负电荷的土壤颗粒和土壤胶体对带正电荷的铵盐有一定的吸附作用,则铵态氮处于固相和液相的平衡状态[5]。

3）考虑气态氨,当土壤溶液的pH 值大于输入值时,铵氮和挥发性的氨态氮之间存在一个平衡状态,此时模型会计算氨挥发所引起的氮损失。当土壤pH ≤7.5 时,以NH4+-N为主；当土壤pH＞7.5 时,以NH3-N 为主[6]。

DRAINMOD_NII 模型模拟氮素运移原理以多相一维对流弥散反应方程为基础。

4 模型参数

4.1 气象数据

模型输入的气象数据由淮阴区徐溜镇气象站收集统计得到。主要包括：日最低气温和日最高气温,日降雨量,日潜在腾发量。采用Penman-Monteith 公式计算参照蒸发量[4]。

4.2 土壤参数

基于实测土壤颗粒分析数据,以模型提供的计算方法,推导水分特征曲线[4],计算土壤排水量的给水度和土壤潜水上升通量等参数。主要参数见表1。

表1 模型输入的土壤参数

4.3 灌溉参数

本文作物主要以水稻为对象,因此,根据灌区水稻的灌溉情况,统计调查分析模型输入相关参数。模型输入的灌溉参数主要包括次灌水量、灌水周期、灌水次数。

1）次灌水量：以1.9 cm/h 的灌水率从早8∶00 到晚10∶00；

2）灌水周期：分为两个周期：第一个周期从泡田（6 月10日）至开始晒田（7月14日）,第二个周期晒田结束（7月20日）到成熟期（10 月10 日）；

3）灌水次数：间隔4 天灌一次,全生育期共灌水20 次。

4.4 排水参数

模型输入排水参数主要包括地下排水和地表排水。本文地下排水主要为暗管排水,参数包括暗管的埋深、间距及有效半径,排水模数、侧向饱和导水率及土壤不透水层深度；地表排水参数主要为田面平整度[4]。根据灌区实际情况结合相关资料由模型率定得到排水参数见表2。

表2 模型输入的排水参数

4.5 作物参数

模型作物输入参数为整个生长期内水稻有效根深随时间的变化情况。根据灌区水稻种植和收获日期,结合模型方法计算不同时间的有效根深系[4],参数见表3。

表3 模型输入的作物参数

4.6 氮素参数

模型输入的氮素参数主要包括施肥参数和氮素运移参数。施肥参数为灌区实际水稻施肥日期和施肥量,氮素运移转化参数采用模型计算方法调整和率定,具体见表4。

表4 模型主要选用的氮素运移参数

5 模拟结果

5.1 模拟不同排水暗管布置的水稻产量

运用DRAINMOD_NII 模拟竹络坝灌区不同排水暗管布置（暗管埋深50 cm、70 cm、90 cm、120 cm,暗管间距50 cm、90 cm、120 cm、150 m）的水稻相对产量,见图3。

图3 不同排水系统的水稻相对产量

结果显示,暗管间距70 m 和90 m 时,埋深70 cm 和90 cm的水稻相对产量较高,其中,间距90 m、埋深90 cm 时,相对产量最高,达到86%。由此可见,排水暗管间距过小或者过大,水稻相对产量均不高,原因是,排水间距小,水势梯度增大,根据达西定律,土壤水下渗速度加快,大量水分排入排水管,排出土体,导致单位时间内土壤水分缺乏,无法满足水稻生长所需；排水间距过大,导致水势梯度减小,土壤水下渗速度减慢,大量土壤水分无法排出土体,单位时间内土壤水分过量,导致水稻受涝渍影响,而影响产量。

5.2 模拟不同排水暗管布置的氮素流失量

模拟灌区不同排水暗管布置（暗管埋深50 cm、70 cm、90 cm、120 cm,暗管间距50 cm、90 cm、120 cm、150 m）的水稻整个生长期内NH4-N和NO3-N累积流失量,见图4～图5。

图4 不同排水系统的NH4-N 累积流失量

图5 不同排水系统NO3-N 累积流失量

结果显示,随暗管间距增大,NH4-N 和NO3-N 累积流失量减小,原因是排水间距增大,排水量减小,随排水流失的氮素流失量也减少,氮素流失量与排水量变化趋势基本一致[7]。排水间距50 m、埋深120 cm 的NH4-N 和NO3-N 累积流失量最大,值分别为13.16 kg/hm2、23.16 kg/hm2,埋深为50 cm 的两种氮素累积流失量均最小,值分别为9.82 kg/hm2、16.19 kg/hm2,比埋深120 cm 各减少了34.01%、43.05%。说明同一排水间距时,埋深越深,氮素累积流失量越大,原因是同一排水间距,埋深越深,排水量越大,随排水流失的氮素流失量也增大。

6 结论与讨论

本文模拟结果显示,暗管间距90 m、埋深90 cm 时,水稻产量最高。随排水暗管间距增大,NH4-N 和NO3-N 累积流失量均逐渐减小,两种氮素在同一排水间距时,埋深越深,累积流失量越大,埋深越小,累积流失量越小。因此,合理的排水暗管布置系统不仅可以提高水稻产量,而且有效地降低稻田氮素流失量。

竹络坝灌区现状排水系统（间距90 m,深度70 cm）下水稻相对产量和氮素流失量适中,说明现有的排水系统布置基本合理,值得推广使用。