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)值預報.pdf

1、氮素淋失對農(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)性的科學難題之一是對農(nóng)田土壤中同時受到物理、化學和生物作用影響的硝態(tài)氮淋失動態(tài)的精確模擬和預報.為了對氮素運移和轉(zhuǎn)化行為在生態(tài)環(huán)境深變過程中的作用有更明晰的認識,該文彩不同的數(shù)學模型分別從點尺度和農(nóng)田尺度地此進行了研究.該文研究的第一部分通過引入概率密度函數(shù)的修正因子,發(fā)展了一個可區(qū)分表施氮素和土壤殘留氮對硝態(tài)氮淋失貢獻的傳遞函靈敏模型.假設累積排水量的概率密度函

2、數(shù)的形狀不隨水流狀態(tài)而改變,概率密度函靈敏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 項對硝態(tài)氮淋失的影響視為對溶質(zhì)運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.以考慮源匯項作用時的硝態(tài)氮淋失濃度的均方很差為目

3、標函數(shù),采用二分法對概率密度函數(shù)的修正因子進行優(yōu)化.使用1999年冬小麥—夏玉米生長條件下土壤剖面2米埋深處硝態(tài)氮淋失動態(tài)的試驗觀測數(shù)據(jù),檢驗了所發(fā)展的模型的有效性.接著分析了模型中各參量對模擬精充的影響,計算了模擬時段內(nèi)淋失的硝態(tài)氮占肥料氮的比例.該文研究的第二部分在開展大規(guī)模田間試驗的基礎上,獲得大量具有空間變異特征的模型參數(shù),對農(nóng)田尺度下硝態(tài)氮的淋失風險進行了數(shù)值預報.北京通州區(qū)永樂店試驗站的小區(qū)面積為27×27m<'2>(網(wǎng)格間

4、距3m ),采集30-50cm上層的樣品;山東德州地區(qū)禹城試驗站的小區(qū)面積為40×40m<'2>(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,生成了各個采樣點的土壤水力學參數(shù)和彌散度.模擬結(jié)果表明:(1)永樂店冬小麥生育期內(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、0.0998mg/cm<'2>,夏玉米生育期內(nèi)的值分別為1.35mm、0.0065mg/cm<'2>,變異

5、系數(shù)均在1.46以上,具有很強的空間變異性;(2)禹城冬小麥生育期內(nèi)剖面200cm埋深處平均的土壤水滲透量、累積硝態(tài)氮淋失量分別為19.30mm、0.0790mg/cm<'2>,夏玉米生育期內(nèi)的值分別為24.48mm、0.0948mg/cm<'2>,變異系數(shù)均在0.50以上,表現(xiàn)為中等變異強度;(3)與總輸入量相比,空間上平均的土壤水滲透量和硝態(tài)氮淋失量大大提高于均值,是農(nóng)田管理和環(huán)境監(jiān)測的脆弱帶;(4)兩種數(shù)值模擬方案對模擬的下邊界處

6、(永樂店;250cm;禹城:200cm)硝態(tài)氮淋失的影響很小,其差異主要在于方案2對土壤氮素各轉(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、100cm)呈現(xiàn)較強的空間變異性.運用地統(tǒng)計學軟件GEOPACK對實測土壤性狀、模型參數(shù)和模擬結(jié)果進行地統(tǒng)計學分析.