CN102087681A - 预测稻田化肥尿素氮多维通量迁移转化的模型 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预测稻田化肥尿素氮多维通量迁移转化的模型，它主要考虑肥料氮的去向平衡问题，侧重对水环境的影响，突出肥料氮向地表水和地下水的迁移。模型由水平衡模块和氮平衡模块耦合而成。氮平衡模块包括尿素水解、氨挥发、硝化、反硝化、固定、矿化、吸收等氮素转化过程，水平衡模块包括下渗淋溶、侧渗、径流(含排水)过程，本发明能用少量参数却能综合模拟氮素在水田中转化迁移及对水环境影响。

Description

预测稻田化肥尿素氮多维通量迁移转化的模型

技术领域

本发明涉及农业面源污染控制环保领域，尤其涉及一种预测稻田化肥尿素氮多维通量迁移转化的模型。 

背景技术

农业活动是地表水和地下水氮素污染的一个重要人为源。预测氮素流失量是控制水污染和制定农业管理指导手册的必要前提。在农作物中，水稻是氮肥的主要消费者，并以消费尿素氮为主，由于水稻长期淹水，尿素氮施入田面水后迅速水解，使得水稻田整个生长季都存在流失的风险。对氮素流失的定量预测相当复杂，需要综合考虑氮素在淹水稻田中的各种转化效应和流失途径以及两者之间的相互作用关系，进行模型化研究。 

数学和计算机模拟技术的发展为农田氮素流失评估研究提供了广泛的空间，但是模型建立的合理性和适用性一直是困扰农田氮素流失研究者的一个难题。早期有许多经典的数学模型模拟氮素在农田中的行为，但是模型中参数的率定都是在特定农田条件下根据少量的数据得到的，对于不同条件下参数是否依然适用成为建模的争论点之一。 

从农田氮素模型发展及应用概况可以得知，水田氮素流失模型的构建必须考虑以下几个关键点：1)模型参数选取必须具有合理性，以符合水田氮素转化的特点；2)模型需要综合考虑氮素流失的全部过程和途径，尽量明细氮素流失的分配；3)模型需要充分利用现有的或易获取的田间数据进行建模及验证；4)模型的建立必须既简单又综合，以增强其实用性。 

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种预测稻田化肥尿素氮多维通量迁移转化的模型方法。 

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种预测稻田化肥尿素氮多维通量迁移转化的模型，它主要分为三部分，即数据输入部分、水肥平衡模块部分以及氮流失通量计算部分。其中，数据输入部分包括了气象数据、作物类型、土壤性质以及水肥情况等，水肥平衡模块部分包括水平衡模块和氮平衡模块，水平衡模块包括了地表径流、下渗淋溶、侧渗淋溶、人为排水和蒸腾量，氮平衡模块包括了尿素水解作用、氨挥发作用、下渗作用、侧渗作用以及径流作用等，氮流失通量计算部分则根据水氮耦合平衡的原理将上 述两部分进行综合，从而计算各个途径中的氮损失通量。 

本发明的有益效果是，本专利以氮素一级动力学转化理论和水氮耦合平衡理论为基础，构建尿素氮施入稻田后的过程模型，主要氮素转化过程包括尿素水解、氨挥发、硝化、反硝化、固定、矿化、吸收等，流失途径包括下渗淋溶、侧渗、径流(含排水)，本发明能用少量参数却能综合模拟氮素在水田中转化迁移及对水环境影响。 

附图说明

图1是该模型的主要结构示意图； 

图2是该水氮耦合平衡模型中氮素主要转化过程图。 

具体实施方式

本发明针对近沟渠稻田氮素流失通量的估算问题，开发了基于一级动力学反应规律和水氮耦合平衡的氮素迁移模型，综合考虑了尿素氮施入稻田后的各个转化过程和流失过程，特别是近沟渠稻田氮素的水平侧渗过程，采用田间长期观测值与模拟值的比较进行模型参数的校准与验证。 

此模型是一个既简单又综合的工具模型，可以用来描述尿素氮施入稻田后的迁移转化行为，有效的评估不同施肥量、不同施肥时间与次数对稻田氮转化过程的影响，为稻田水肥管理优化措施的制定提供了科学依据。 

该模型的构建及组成内容如下： 

(1)模型主要结构 

该模型的主要结构分为三部分，即数据输入部分、水肥平衡模块部分以及氮流失通量计算部分(图1)。其中，数据输入部分包括了气象数据、作物类型、土壤性质以及水肥情况等，水肥平衡模块部分包括水平衡模块和氮平衡模块，水平衡模块包括了地表径流、下渗淋溶、侧渗淋溶、人为排水和蒸腾量，氮平衡模块包括了尿素水解作用、氨挥发作用、下渗作用、侧渗作用以及径流作用等，氮流失通量计算部分则根据水氮耦合平衡的原理将上述两部分进行综合，从而计算各个途径中的氮损失通量。其中， 

(2)水平衡模块部分 

稻田水平衡可以用下述公式表示： 

FD＝R+IR-ET-VL-LS-AD-SR 

其中，FD表示田面水深度，R表示降雨量，IR表示灌水量，ET表示蒸腾量，VL表示下渗淋溶量，LS表示侧渗淋溶，AD表示人为排水量，SR表示地表径流。以上各项单位采用深度单位：mm，时间步长为1天。(因稻田长期淹水，淹水水势大于土壤深层的毛细管作用，所以平衡中未考虑毛细管 力对地下水的提升作用。) 

1)地表径流SR 

稻田中地表径流属于蓄满产流，即只有降雨量超过田埂高度时才能产生地表径流。因此，地表径流量可表示为： 

SR＝R-BH 

其中，BH表示不引起田面水通过田埂而产生溢流的最大水深。 

2)下渗淋溶VL 

稻田下渗淋溶一般指土壤水垂直运移出水稻根层的过程，下渗量的大小主要取决于土壤饱和导水率(与土壤质地和结构相关)和田面淹水的深度。下渗量一般用达西定律进行计算： 

$\mathrm{VL}=-k_{s1}\frac{\mathrm{dh}}{\mathrm{dz}}$

其中，k_s1表示土壤垂直饱和导水率，可以根据前期田间多点试验结果计算得到， 表示土壤垂直方向上的水势梯度。 

3)侧渗淋溶LS 

稻田长期淹水以及耕作层扰动，使得在耕作层底部形成了致密的犁底层，该层极大地阻碍了土壤水的下渗运移，却增加了水平侧渗潜能。因此，在稻田边界透水性较好的状况下，稻田侧渗水的量是比较可观的。理论上，侧渗量也可以用达西定律进行计算： 

$\mathrm{LS}=-k_{s2}\frac{\mathrm{dh}}{\mathrm{dy}}$

其中，k_s2表示侧渗率，即土壤水平饱和导水率，受田面水深度和降雨量因素影响较大，可以通过田间试验建立侧渗率与田面水深度和降雨量之间的统计关系； 

表示土壤水平方向上的水势梯度。 

4)人为排水AD 

水稻生长期内需要进行人为排水以促进水稻生长，稻田当天人为排水量为前一天田面水剩余量。 

5)蒸腾量ET 

蒸腾量ET值是土壤水分蒸发和作物叶面水分蒸腾之和。对水稻而言，该值大小主要取决于气候条件，维持一定量的ET有助于确保水稻的产量。本试验中真实ET值用潜在ET值(PET)表示： 

PET＝k_c×ET₀

其中，k_c表示作物系数，ET₀表示作物参考蒸腾量，由修正的Penman-Monteith方法求得。 

根据国际粮农组织(FAO)确定的作物k_c值。 

(3)氮平衡模块 

氮平衡模块中涉及到氮素在稻田土壤-水-植物-气之间各个界面的迁移转化关系(图2)。稻田土水系统可以明显分为：a.田面淹水层(50-70mm)，该层是氮素发生水解、硝化和氨挥发的关键层；b.土水界面氧化层(小于10mm)，该层主要发生硝化反应，但由于厚度较小，一般不予考虑；c.土壤淹水层(30mm)，该层主要涉及有机氮矿化、氨氮固定、硝氮反硝化、氮素淋溶和作物的吸收。 

稻田氮平衡公式可表示为： 

肥料N+土壤矿化氮＝氨挥发+硝化氮(反硝化损失+流失氮+土壤硝氮残留)+氮固定+氮吸收+土壤氨氮残留 

基于肥料去向的氮平衡可表示为： 

肥料N(尿素水解)＝氨挥发+硝化氮(反硝化损失+流失氮+土壤硝氮残留)+氮吸收+土壤氨氮残留 

假设上述转化过程均在水相中进行，且属于一级或准一级动力学反应。 

尿素水解：UNH₄＝U(1-exp(-K_ht)) 

氨挥发：UNH₃＝UNH₄(1-exp(-K_vt)) 

硝化作用：UNO₃＝UNH₄(1-exp(-K_nt)) 

反硝化作用：DNI＝NO₃(1-exp(-K_dt)) 

作物吸收：UTNH₄＝ET×NH₄

下渗淋溶：VLNO₃＝VL×NO₃

侧渗淋溶：LSNO₃＝LS×NO₃

地表径流：SRN＝SR×(Urea+NH₄+NO₃) 

人为排水：ADN＝AD×(Urea+NH₄+NO₃) 

(4)模型运作流程 

值得注意的是，上述转化过程或迁移过程具有同时性，因此在模型计算各反应基质是累积的(图2)。例如，第t天NH₄ ⁺量应是第t-1天剩余NH₄ ⁺量与第t天尿素水解产生量之和。另外，假设田面水、下渗水、侧渗水、径流水及排水可看作一个整体水相，水相中易迁移基质具有分散均匀性。 

本模型的构建过程中主要考虑化肥尿素氮的去向平衡问题，侧重对水环境的影响，因此在构建过程中暂时弱化土壤氮的矿化和固定作用，突出肥料 氮向地表水和地下水的迁移。 

(5)模型输入参数 

模型所需输入参数包括两部分，即基本参数部分和氮转化速率常数部分(表1和表2)。 

表1模型所需输入参数 

氮转化速率常数部分，包括：尿素水解速率常数、氨挥发速率常数、硝化速率常数、反硝化速率常数。表2是根据文献查阅获取的参数可取范围。 

表2氮素转化过程可取参数 

实施例1：浙江省嘉兴双桥农场 

以嘉兴综合试验点连续3年田间观测数据为模型的校准和验证数据。根据田间多点试验结果，模型的土壤垂直饱和导水率取为5.4mm day^-1，侧渗率为0.34*(田面水深度+日降雨量)-12.6，mm day^-1，水稻作物系数参考值包括：初期系数为1.05左右，中期系数为1.20左右，晚期系数为0.90-0.60。 

本模型定向定量估算了尿素氮施入稻田经过转化后进入水-土-气-植的通量，最终率定参数如表3所示。模拟结果发现，在常规施肥水平180kg N hm^-2处理条件下，径流(排水)、侧渗、下渗途径的氮流失分配各占施肥量的8.7％、5.8％、5.0％左右；另外，氨挥发比重较大，占施肥量24.2％，作物吸收占46.4％，反硝化损失占3.7％，土壤残留占6.2％；氮素流失和挥发损失主要发生在施肥后一周以内，损失持续时间15天左右； 

误差分析表明，在施肥量90kg hm^-2条件下，作物吸收、氨挥发、径流损失、侧渗损失、下渗损失、反硝化损失以及土壤残留量的误差分别为10.8％、-18.6％、5.8％、4.6％、-3.7％、-9.1％和-2.5％，均小于20％，模拟值与实测值吻合性较好；在施肥量270kg hm^-2和360kg hm^-2条件下，除土壤残留一项外，其他各项的误差值也在20％以内，土壤残留项分别为-33.9％和-29.3％，其较大的原因可能与土壤残留项由减差法得到有关，其误差值相当于是其他各项的累积误差。 

通过3个不同施肥水平下尿素氮去向通量的验证，发现模型能较为准确的完成各通量的模拟计算，各损失通量误差均能控制在±20％范围内，土壤残留量由于由减差所得，误差较大，在30％左右。 

表3：嘉兴农场稻田氮转化速率常数率定结果 

Claims (3)

1.一种预测稻田化肥尿素氮多维通量迁移转化的模型，其特征在于，它主要分为三部分，即数据输入部分、水肥平衡模块部分以及氮流失通量计算部分。其中，数据输入部分包括了气象数据、作物类型、土壤性质以及水肥情况等，水肥平衡模块部分包括水平衡模块和氮平衡模块，水平衡模块包括了地表径流、下渗淋溶、侧渗淋溶、人为排水和蒸腾量，氮平衡模块包括了尿素水解作用、氨挥发作用、下渗作用、侧渗作用以及径流作用等，氮流失通量计算部分则根据水氮耦合平衡的原理将上述两部分进行综合，从而计算各个途径中的氮损失通量。

2.根据权利要求1所述预测稻田化肥尿素氮多维通量迁移转化的模型，其特征在于，所述水平衡模块部分中，稻田水平衡可以用下述公式表示：

FD＝R+IR-ET-VL-LS-AD-SR

其中，FD表示田面水深度，R表示降雨量，IR表示灌水量，ET表示蒸腾量，VL表示下渗淋溶量，LS表示侧渗淋溶，AD表示人为排水量，SR表示地表径流。以上各项单位采用深度单位：mm，时间步长为1天。

1)地表径流SR

稻田中地表径流属于蓄满产流，即只有降雨量超过田埂高度时才能产生地表径流。因此，地表径流量可表示为：

SR＝R-BH

其中，BH表示不引起田面水通过田埂而产生溢流的最大水深。

2)下渗淋溶VL

稻田下渗淋溶一般指土壤水垂直运移出水稻根层的过程，下渗量的大小主要取决于土壤饱和导水率(与土壤质地和结构相关)和田面淹水的深度。下渗量一般用达西定律进行计算：

$\mathrm{VL}=-k_{s1}\frac{\mathrm{dh}}{\mathrm{dz}}$

其中，k_s1表示土壤垂直饱和导水率，可以根据前期田间多点试验结果计算得到，

表示土壤垂直方向上的水势梯度。

3)侧渗淋溶LS

稻田长期淹水以及耕作层扰动，使得在耕作层底部形成了致密的犁底层，该层极大地阻碍了土壤水的下渗运移，却增加了水平侧渗潜能。因此，在稻田边界透水性较好的状况下，稻田侧渗水的量是比较可观的。理论上，侧渗量也可以用达西定律进行计算：

$\mathrm{LS}=-k_{s2}\frac{\mathrm{dh}}{\mathrm{dy}}$

其中，k_s2表示侧渗率，即土壤水平饱和导水率，受田面水深度和降雨量因素影响较大，可以通过田间试验建立侧渗率与田面水深度和降雨量之间的统计关系；

表示土壤水平方向上的水势梯度。

4)人为排水AD

水稻生长期内需要进行人为排水以促进水稻生长，稻田当天人为排水量为前一天田面水剩余量。

5)蒸腾量ET

蒸腾量ET值是土壤水分蒸发和作物叶面水分蒸腾之和。对水稻而言，该值大小主要取决于气候条件，维持一定量的ET有助于确保水稻的产量。本试验中真实ET值用潜在ET值(PET)表示：

PET＝k_c×ET₀

其中，1_c表示作物系数，ET₀表示作物参考蒸腾量，由修正的Penman-Monteith方法求得。

根据国际粮农组织(FAO)确定的作物k_c值。

3.根据权利要求1所述预测稻田化肥尿素氮多维通量迁移转化的模型，其特征在于，所述氮平衡模块部分中，氮平衡模块中涉及到氮素在稻田土壤-水-植物-气之间各个界面的迁移转化关系。稻田土水系统可以明显分为：a.田面淹水层(50-70mm)，该层是氮素发生水解、硝化和氨挥发的关键层；b.土水界面氧化层(小于10mm)，该层主要发生硝化反应，但由于厚度较小，一般不予考虑；c.土壤淹水层(30mm)，该层主要涉及有机氮矿化、氨氮固定、硝氮反硝化、氮素淋溶和作物的吸收。

稻田氮平衡公式可表示为：

肥料N+土壤矿化氮＝氨挥发+硝化氮(反硝化损失+流失氮+土壤硝氮残留)+氮固定+氮吸收+土壤氨氮残留

基于肥料去向的氮平衡可表示为：

肥料N(尿素水解)＝氨挥发+硝化氮(反硝化损失+流失氮+土壤硝氮残留)+氮吸收+土壤氨氮残留

假设上述转化过程均在水相中进行，且属于一级或准一级动力学反应。

尿素水解：UNH₄＝U(1-exp(-K_ht))

氨挥发：UNH₃＝UNH₄(1-exp(-K_vt))

硝化作用：UNO₃＝UNH₄(1-exp(-K_nt))

反硝化作用：DNI＝NO₃(1-exp(-K_dt))

作物吸收：UTNH₄＝ET×NH₄

下渗淋溶：VLNO₃＝VL×NO₃

侧渗淋溶：LSNO₃＝LS×NO₃

地表径流：SRN＝SR×(Urea+NH₄+NO₃)

人为排水：ADN＝AD×(Urea+NH₄+NO₃)。

其中，K_h为尿素水解速率常数，范围为0.40-0.80，K_v为氨挥发速率常数，范围为0.02-0.07，K_n为硝化反应速率常数，范围为0.02-0.08，K_d为反硝化反应速率常数，范围为0.10-0.18。

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