CN116431954A - 定量降水溅蚀对农田生态系统养分径流流失贡献的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了定量降水溅蚀对农田生态系统养分径流流失贡献的方法本发明，属于面源污染源头综合控制技术领域，本发明通过修正降水溅蚀对农田生态系统养分的净释放通量EN(t)，增加了养分地表径流输移量的准确性，提高了农田生态系统养分径流流失过程模型的模拟精度，从而提高了降水溅蚀对农田生态系统养分径流流失贡献的核算精度，为有针对性地制定农田养分流失防控策略提供科学依据。
Description
技术领域
本发明属于面源污染源头综合控制技术领域，具体来说，涉及一种定量降水溅蚀对农田生态系统养分径流流失贡献的方法。
背景技术
精确估算农田养分流失量并识别关键驱动因子，对减少农业面源污染、制定水体富营养化防控策略具有重要的实践意义。
雨滴的溅蚀作用导致的土壤结构的破坏将在一定程度上降低土壤的渗透作用，从而进一步增加养分地表径流量。随着径流速率的增加，沉积物的分离及运输能力将进一步增大，这将在很大程度上增加土壤溶质对地表径流输移量的贡献。
而降水溅蚀作用下稻田湿地系统土壤溶质释放输移通量尚未定量化。传统的农田径流损失机理模型没有考虑降水溅蚀导致的水土界面养分释放，简化的区域径流流失模型对降水强度不敏感。
CN111551683A公开了定量降水溅蚀作用下湿地系统养分释放输移通量的方法，该定量方法包括以下步骤：S1、降水开始前，测量湿地系统的初始参数；S2、降水过程中，测量降水和湿地系统的理化参数；S3、当湿地系统径流产生时，测量径流水的理化参数C；S4、计算湿地系统养分总净释放量；S5、计算不存在溅蚀作用下，湿地系统的养分浓度；S6、计算湿地系统中的养分量；S7、计算降水溅蚀作用下土壤养分释放输移随径流输出量。该发明首次将雨滴溅蚀作用下土壤溶质释放输移通量作为考量因素，增加了养分地表径流流失量的准确性。目前，降水溅蚀作用的径流流失过程可分解为释放过程和混合推流过程，其中，释放过程随着降水溅蚀的发生，涉及到总释放、净释放、释放吸附解析过程、释放输移；混合推流过程伴随着混合推流输移、混合推流吸附解析过程。但该发明高估了土壤氮磷混合推流吸附解析通量，即将土壤氮磷混合推流吸附解析通量处理成了总吸附解析通量（混合推流吸附解析通量和释放吸附解析通量），导致净释放通量低估，从而导致其对定量降水溅蚀对湿地系统养分径流损失贡献有所低估。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种定量降水溅蚀对农田生态系统养分径流流失贡献的方法及其应用，该方法首次将雨滴溅蚀作用下土壤溶质吸附解析通量作为考量因素，通过修正降水溅蚀对农田生态系统养分的净释放通量EN(t)，增加了养分地表径流输移量的准确性，为有针对性地制定农田养分流失防控策略提供科学依据。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
定量降水溅蚀对农田生态系统养分径流流失贡献的方法，包括以下步骤：
（1）测量模拟区农田生态系统降水前的初始数据；
（2）测量模拟区农田生态系统降水过程中的中间数据；
（3）测量模拟区农田生态系统产生径流时的径流数据；
（4）根据步骤（1）的初始数据、步骤（2）的中间数据和步骤（3）的径流数据，计算得到土壤氮磷混合推流吸附解析通量SEN(t)；
（5）根据步骤（4）的土壤氮磷混合推流吸附解析通量SEN(t)，修正得到降水溅蚀对农田生态系统养分的净释放通量EN(t)；
（6）根据步骤（5）的净释放通量EN(t)和步骤（3）测量的径流数据，计算降水溅蚀对农田生态系统养分径流流失贡献。
优选地，步骤（1）中所述模拟区为无纱网覆盖的农田生态系统，有降水溅蚀。
优选地，步骤（1）中所述初始数据，包括农田生态系统初始水位高度H(t-1)和初始养分浓度Cpaddy(t-1)。
优选地，步骤（2）中所述中间数据，包括降水中的养分平均浓度Cpre(t)、降水量P(t)以及农田生态系统的水位高度H(t)和养分浓度Cpaddy(t)。
优选地，步骤（3）中所述径流数据，包括径流水中的养分浓度Crunoff(t)和径流量R(t)。
优选地，步骤（4）中所述土壤氮磷混合推流吸附解析通量SEN(t)的计算公式为：Cpaddy(t)*H(t)+Crunoff(t)*R(t)=Cpaddy(t-1)*H(t-1)+Cpre(t)*P(t)-SEN(t)。
优选地，步骤（5）中所述降水溅蚀对农田生态系统养分的净释放通量EN(t)的修正公式为：EN(t)=QN(t)-SEN(t)，其中，QN(t)为总释放通量。
优选地，步骤（6）中所述降水溅蚀对农田生态系统养分径流流失贡献的计算公式为：
。
本发明还提供了上述定量降水溅蚀对农田生态系统养分径流流失贡献的方法在农田养分流失防控管理中的应用。
本发明的有益效果为：
本发明首次将雨滴溅蚀作用下土壤溶质吸附解析通量作为考量因素，并将该过程细化分为土壤氮磷混合推流吸附解析通量和释放吸附解析通量，通过修正降水溅蚀对农田生态系统养分的净释放通量EN(t)，增加了养分地表径流输移量的准确性，提高了农田生态系统养分径流流失过程模型的模拟精度，从而提高了降水溅蚀对农田生态系统养分径流流失贡献的核算精度，为有针对性地制定农田养分流失防控策略提供科学依据。
具体实施方式
以下实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。对所公开的实施例的下述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例中，而是可以应用于符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的更宽的范围。虽然在本发明的实施或测试中可以使用与本发明中所述相似或等价的任何方法和材料，本文在此处列举优选的方法和材料。
除非另外定义，本文中使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同意义。
CN111551683A公开了定量降水溅蚀作用下湿地系统养分释放输移通量的方法，其给出了净释放通量EN（t）实测的计算方法为：
其中，Cpaddy(t)，Cpaddy(t-1)分别为t，t-1时刻田面水氮磷浓度，H(t)，H(t-1)为在t，t-1时刻田面水位高度；Crunoff(t)为在t时径流水氮磷浓度，R(t)为t-1到t时刻单位时间内的径流量在单位面积上的水位高度；Cpre(t)为t时降水氮磷浓度，P(t)为t-1到t时刻单位时间内的降水量在单位面积上的水位高度，EN(t)为t时刻土壤氮磷净释放通量。
同时，将净释放通量EN(t)表达为总释放通量与总吸附解析量的差值。
EN(t)= QN(t)-SN(t)；
其中，QN(t)为总释放通量，SN(t)为总吸附解析量
然而，发明人在进一步研究中发现在纱网覆盖试验处理中，由于无溅蚀作用的产生，所以氮磷释放作用可忽略不计。因此根据t时刻田面水中氮磷质量平衡原理，通过实测数据进行计算，得到：Cpaddy(t)*H(t)+Crunoff(t)*R(t)=Cpaddy(t-1)*H(t-1)+Cpre(t)*P(t)-SHN(t)
其中，Cpaddy(t)，Cpaddy(t-1)，H(t)，H(t-1)，Crunoff(t)，R(t)，Cpre(t)，P(t)同上，SHN(t)为t时刻土壤氮磷混合推流吸附解析通量。
因此，在有溅蚀作用产生时，净释放通量EN(t)应该表达为总释放通量与释放吸附解析量的差值，而不应该是总释放通量与总吸附解析量的差值。原方法中将净释放通量表达为总释放通量与总吸附解析量的差值将导致净释放通量低估，从而导致其对定量降水溅蚀对湿地系统养分径流损失贡献有所低估。
基于上述背景，本发明提供了一种定量降水溅蚀对农田生态系统养分径流流失贡献的方法，可以提高农田生态系统养分径流流失过程模型的模拟精度，提高了降水溅蚀对农田生态系统养分径流流失贡献的核算精度，为有针对性地制定农田养分流失防控策略提供科学依据。
具体的，定量降水溅蚀对农田生态系统养分径流流失贡献的方法，包括以下步骤：
（1）选取无纱网覆盖的农田生态系统，作为溅蚀模拟区，测量模拟区农田生态系统降水前的初始数据；
所述初始数，据包括农田生态系统初始水位高度H(t-1)和初始养分浓度Cpaddy(t-1)；
（2）测量模拟区农田生态系统降水过程中的中间数据；
所述中间数据，包括降水中的养分平均浓度Cpre(t)、降水量P(t)、农田生态系统的水位高度H(t)和养分浓度Cpaddy(t)；
（3）测量模拟区农田生态系统产生径流时的径流数据；
所述径流数据为径流水中的养分浓度Crunoff(t)和径流量R(t)；
（4）根据步骤（1）的初始数据、步骤（2）的中间数据和步骤（3）的径流数据，计算得到土壤氮磷混合推流吸附解析通量SEN(t)；
Cpaddy(t)*H(t)+Crunoff(t)*R(t)=Cpaddy(t-1)*H(t-1)+Cpre(t)*P(t)-SEN(t)
（5）根据步骤（4）的土壤氮磷混合推流吸附解析通量SEN(t)，修正得到降水溅蚀对农田生态系统养分的净释放通量EN(t)；
其中，所述净释放通量EN(t)的修正公式为：EN(t)=QN(t)-SEN(t)；其中，QN(t)为总释放通量；
式中，QN 
是t时刻土壤氮磷净释放通量(kg/ha/min)，Ce为土壤释放氮磷的浓度(mg/L)， Wt是t时间内水-土界面氮磷平均交换速度(m/s)；对于氮磷，/>
均取值为2，600是时间单位换算；
①土壤释放氮磷的浓度Ce，可根据以下公式进行计算：
式中，Cpaddy(t)为农田生态系统养分浓度(mg/L)，k1为系数(无量纲) ，对于氮，取0.7421，对于磷，取1.0353。
②水-土界面氮磷平均交换速度Wt，可根据以下公式进行计算：
式中，h0为t时间内降雨压力水头(m)， k为实测的土壤渗透系数(cm/s)，一般取0.00076；T为水土界面压力持续的时间(s)；a是连续方程系数(cm2/s)；k2是与降雨强度成正比的系数(无量纲)，
，其中R为降雨强度（mm/h），t为时间步长（min）
单位时间内降雨压力水头h0，可由模拟时间步长内降雨压力水头得到，
其中，g为重力加速度(=9.8m/s2)，F1初始农田生态系统水位高度D0换算出来的初始水量D0*S；S为农田生态系统的面积，F2为由降雨强度换算出来的单位时间内的降水量；Vdrop为实测的雨滴最终降落速度(m/s)
水土界面压力持续的时间T与降雨强度呈正比：
式中，R为降雨强度。
连续方程系数a是与土壤物理特性有关的系数，公式为：
其中，k为实测的土壤渗透系数(cm/s)，一般取0.00076，mv为土壤的压缩系数(cm2/N) 直接取值为0.00018，
为水的密度，为1000kg/m3，/>
为重力加速度，为9.8m/s2。
（6）根据步骤（5）的净释放通量EN(t)和步骤（3）测量的径流数据，计算降水溅蚀对农田生态系统养分径流流失贡献；
具体地，降水溅蚀对农田生态系统养分径流流失贡献的计算公式为：
以相同的农田生态系统为例，分别利用本发发明的定量降水溅蚀对农田生态系统养分径流流失贡献方法（修正后）和CN111551683A公开的定量降水溅蚀作用下湿地系统养分释放输移通量的方法进行模拟（修正前），得到的结果如表1所示。由表1可知，相比现有技术，本发明修正后的净释放通量，更接近净释放量模型的模拟值，提高了农田生态系统养分径流流失过程模型的模拟精度，进而提高了总氮净释放量对径流量贡献的核算精度。
表1
以上是结合具体实施例对本发明进一步的描述，但这些实施例仅仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.定量降水溅蚀对农田生态系统养分径流流失贡献的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）测量模拟区农田生态系统降水前的初始数据；
（2）测量模拟区农田生态系统降水过程中的中间数据；
（3）测量模拟区农田生态系统产生径流时的径流数据；
（4）根据步骤（1）的初始数据、步骤（2）的中间数据和步骤（3）的径流数据，计算得到土壤氮磷混合推流吸附解析通量SEN(t)；
（5）根据步骤（4）的土壤氮磷混合推流吸附解析通量SEN(t)，修正得到降水溅蚀对农田生态系统养分的净释放通量EN(t)；
（6）根据步骤（5）的净释放通量EN(t)和步骤（3）测量的径流数据，计算降水溅蚀对农田生态系统养分径流流失贡献。
2.根据权利要求1所述的定量降水溅蚀对农田生态系统养分径流流失贡献的方法，其特征在于，步骤（1）中所述模拟区为无纱网覆盖的农田生态系统，有降水溅蚀。
3.根据权利要求1所述的定量降水溅蚀对农田生态系统养分径流流失贡献的方法，其特征在于，步骤（1）中所述初始数据，包括农田生态系统初始水位高度H(t-1)和初始养分浓度Cpaddy(t-1)。
4.根据权利要求1所述的定量降水溅蚀对农田生态系统养分径流流失贡献的方法，其特征在于，步骤（2）中所述中间数据，包括降水中的养分平均浓度Cpre(t)、降水量P(t)以及农田生态系统的水位高度H(t)和养分浓度Cpaddy(t)。
5.根据权利要求1所述的定量降水溅蚀对农田生态系统养分径流流失贡献的方法，其特征在于，步骤（3）中所述径流数据，包括径流水中的养分浓度Crunoff(t)和径流量R(t)。
6.根据权利要求1所述的定量降水溅蚀对农田生态系统养分径流流失贡献的方法，其特征在于，步骤（4）中所述土壤氮磷混合推流吸附解析通量SEN(t)的计算公式为：Cpaddy(t)*H(t)+Crunoff(t)*R(t)=Cpaddy(t-1)*H(t-1)+Cpre(t)*P(t)-SEN (t)。
7.根据权利要求1所述的定量降水溅蚀对农田生态系统养分径流流失贡献的方法，其特征在于，步骤（5）中所述降水溅蚀对农田生态系统养分的净释放通量EN(t)的修正公式为：EN(t)=QN(t)-SEN(t)，其中，QN(t)为总释放通量。
8.根据权利要求1所述的定量降水溅蚀对农田生态系统养分径流流失贡献的方法，其特征在于，步骤（6）中所述降水溅蚀对农田生态系统养分径流流失贡献的计算公式为：
。
9.权利要求1-8任一项所述的定量降水溅蚀对农田生态系统养分径流流失贡献的方法在农田养分流失防控管理中的应用。
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-
2023
- 2023-06-14 CN CN202310699523.9A patent/CN116431954B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116431954B (zh) | 2023-08-18 |
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