應(yīng)用DRAINMOD-N II模型對暴雨后稻田排水量和氮素模擬

王 姣， 俞雙恩， 李彧偉， 王 梅， 張逸迪， 高世凱

(1.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院， 江蘇 南京 210098； 2.河海大學(xué) 南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點實驗室， 江蘇 南京 210098)

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)基本情況

本次試驗于2014年在宿遷市宿城區(qū)船行灌區(qū)開展。試驗田位于江蘇省宿遷市宿城區(qū)西南，介于北緯34°02′～34°13′、東經(jīng)118°10′～118°40′之間，區(qū)內(nèi)陽光充足、降雨量充沛。灌區(qū)內(nèi)降雨多發(fā)生在夏季，多年平均降水量為900.6 mm，平均水面蒸發(fā)量856.6 mm，年最大、最小降水量分別為1 647.1及573.9 mm；多年平均日照總時數(shù)2 291.6 h，日照百分率為52%。試驗區(qū)耕層土壤(0～30 cm)質(zhì)地為砂壤土，土壤容重1.35 g/cm3，總孔隙度45.32%，pH值7.5，土壤有機(jī)質(zhì)22.31 g/kg、全氮0.9105 g/kg、速效氮0.02746 g/kg、全磷0.31 g/kg，速效磷0.0115 g/kg。

1.2 試驗設(shè)計

此次試驗所用水稻為粳稻，按照當(dāng)?shù)厥┓蕵?biāo)準(zhǔn)來確定施肥量。試驗期間共施肥3次，移栽前1天施基肥、分蘗初期施分蘗肥和拔節(jié)孕穗中期施穗肥，施肥量以純氮計算，分別為120、60和60 kg/hm2，共計240 kg/hm2。除此之外，每個試驗田基肥中還需施用磷肥(P2O5)和鉀肥(K2O)各50 kg/hm2。

此次試驗設(shè)置常規(guī)灌排和控制灌排兩種灌排模式，各設(shè)置3個重復(fù)組，一共6個試驗小區(qū)，小區(qū)呈南北方向布置，每個小區(qū)的面積均為0.15 hm2。田間小區(qū)布置如圖1，兩種灌溉模式下水稻全生育期田間水位如表1。試驗選取2014年最大4次降雨進(jìn)行模擬，分別發(fā)生在7月18日、8月13日、8月28日和9月20日，降雨量分別是105.3、168.5、77.3和60.5 mm。

圖1 試驗小區(qū)布置示意圖

2 模型原理和參數(shù)確定

2.1 模型原理

DRAINMOD模型是一種基于流程的田間分布式模擬模型。在DRAINMOD的基礎(chǔ)上，DRAINMOD-N Ⅱ模型增加了氮素、碳素循環(huán)模塊和有機(jī)物模塊，氮素運(yùn)移需要輸入水均衡結(jié)果。該模型采用多相一維對流彌散方程對氮素的運(yùn)移過程建模，用一階有限差分法近似求解方程[11-12]。多相一維對流彌散方程表達(dá)式為：

(1)

式中：θa和θg分別為土壤液相、氣相體積分?jǐn)?shù)；Ca、Cg分別為不同形式氮素液相和氣相的濃度，kg/m3；Cs為某種形式氮素的固相濃度，kg/kg ；ρb為土壤固相干容重，kg/m3；Da為水動力擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；dg為分子擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；νa為液相的體積通量，m/s；S為源匯項，kg/(m3·s)；S=Sdep+Sfer+Smnl-Supt-Srnf-Sden。Sdep為大氣沉降，Sfer為肥料溶解，Smnl為凈礦化，Supt為植物吸收，Srnf為地表徑流損失，Sden為反硝化作用。

DRAINMOD-N II中氮素循環(huán)模塊詳盡地描述了氮素循環(huán)和運(yùn)移過程，其中氮素的轉(zhuǎn)變過程(硝化、反硝化作用和尿素水解)遵循Michaelis-Menten模型，硝化反應(yīng)表達(dá)式(2)，反硝化反應(yīng)表達(dá)式(3)。

(2)

(3)

2.2 主要參數(shù)的設(shè)置

表1 兩種灌排模式全生育期田間水位指標(biāo)

注：表中正值為田面地表水層深度，負(fù)值為地下水位距地表的距離，單位：mm； 括號內(nèi)為淹水時間，單位：d。

表2 試驗小區(qū)土壤主要參數(shù)資料

2.3 DRAINMOD-N II模型模擬效果的評價參數(shù)

引入相對誤差RE、相關(guān)系數(shù)R和效率系數(shù)NS對DRAINMOD-N II模型的模擬效果進(jìn)行綜合評價。其中相對誤差RE是模擬值和測量值的絕對誤差和測量值之比，絕對值越小，模擬值與測量值越接近，數(shù)值越大，模擬值與測量值差值越大；相關(guān)系數(shù)R表示模擬值與測量值之間接近程度，R∈(0，1)，R越接近于1，表明模擬值和測量值更密切相關(guān)，越接近于0，則表明模擬值與測量值的越不相關(guān)；效率系數(shù)NS表示模型的模擬結(jié)果可信度，NS∈(-∞，1)，NS越靠近1，表示模擬結(jié)果的可信度越高，越靠近-∞，表示模擬結(jié)果越不可信。各評價參數(shù)為：

RE=(Ni-Mi)/Mi×100%

(4)

R=

(5)

(6)

表3 各參數(shù)調(diào)整范圍和率定結(jié)果

注：各參數(shù)的調(diào)整范圍由相關(guān)參考文獻(xiàn)[13-15]獲得。

表4 2014年雨前不同土層深度土壤含水率及地下水埋深

表5 DRAINMOD-N II排水設(shè)計參數(shù)

注：2014年在7月18日、8月13日、8月28日和9月20日，水稻根系深度分別為15、18.5、20.5和22.5 cm。

3 結(jié)果與分析

3.1 DRAINMOD-N II模型對暴雨后稻田排水量的模擬

表7顯示了各次暴雨后稻田排水量的測量值與模擬值?？梢钥闯?，控制灌排模式不論在實測還是模擬情況下，排水量都比常規(guī)灌排模式減少15%～45%，隨著降雨量的不斷增加，減排效果也更加顯著。每次暴雨后不管在常規(guī)還是控制灌排模式下，稻田排水量的模擬值與測量值都很接近，其相對誤差絕對值都不超過10%；另外，4次暴雨后稻田總排水量的模擬值與測量值的相對誤差絕對值更小，兩種灌排模式都不超過2%，而相關(guān)系數(shù)R和模擬效率NS都大于0.95。

綜上所述，DRAINMOD-N II模型對暴雨后稻田排水量的模擬結(jié)果較好，通過模型率定得到的土壤側(cè)向飽和導(dǎo)水率等參數(shù)是合理的，利用該DRAINMOD-N II模型預(yù)測未來暴雨后稻田排水量的可行性較高。

表6 2014年DRAINMOD-N II中氮素運(yùn)移及轉(zhuǎn)化初始輸入?yún)?shù)

表7 2014年各次暴雨后稻田排水量測量值和模擬值統(tǒng)計

3.2 DRAINMOD-N II模型對暴雨后和濃度的模擬

3.3 DRAINMOD-N II模型對暴雨后和流失負(fù)荷模擬

圖2 2014年各次暴雨后稻田排水中和濃度的模擬值與測量值對比

氮素形態(tài)日期總觀測值/(kg·hm-2)常規(guī)控制總模擬值/(kg·hm-2)常規(guī)控制相對誤差RE/%常規(guī)控制相關(guān)系數(shù)/R常規(guī)控制效率系數(shù)NS常規(guī)控制F檢驗P值常規(guī)控制t檢驗t值常規(guī)控制07-181．110．551．080．53-2．7-3．640．970．970．980．990．480．490．330．49NH+4—N08-131．630．731．660．771．845．480．970．960．970．970．490．48-0．29-0．3508-280．510．230．490．21-3．92-8．700．960．960．950．930．500．470．22-0．2109-020．410．190．380．18-7．32-5．260．950．960．940．980．450．44-0．190．3107-180．810．360．830．352．47-2．780．970．970．980．990．450．500．130．24NO-3—N08-131．330．511．300．49-2．26-3．920．970．980．920．950．480．480．34-0．3008-280．410．180．390．17-4．88-5．560．960．970．950．980．480．42-0．24-0．2909-020．330．120．310．13-6．068．330．950．960．900．950．460．47-0．230．31

注：當(dāng)F檢驗的P值大于0.05時，表示模擬值與測量值無顯著性差異。

4 結(jié) 論

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