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降雨条件下氮素随地表径流迁移转化模型研究

李佳韵  
【摘要】:近年来,农田土壤侵蚀及大量投入化肥造成的氮、磷等养分随地表径流向水体的迁移受到了广泛的关注。暴雨造成的地表径流带走了颗粒态和水溶态的养分,对农田造成了直接损害,不仅降低了土壤肥力和化肥利用率,还会导致农业面源污染,进而引发河湖等地表水体富营养化。据2010年国家三部委联合发布的《第一次全国污染源普查公报》,我国农业污染源年排放总氮270.46万t,总磷28.47万t,分别占全国污染物总排放量的57.2%和64.9%,农业污染源已成为污染源中的主体。为了研究降雨条件下农田氮素随地表径流流失特征,制定可实施的合理的农业施肥用水方案,以减少面源污染的发生,我们选取上海市青浦区水利技术推广试验站(31°12’N,121°08’E)的一块裸地为研究小区,制定实验方案,研究模拟降雨条件下,农田氮素随表径流流失特征,并建立模型定量描述及预测氮肥随地表径流流失量及浓度。2014年8月13日、22日、29日分别开展了3次田间模拟降雨径流试验,编号分别记为0813、0822、0829事件,降雨高度均为1 m。实验步骤主要包括松土、施肥前取样、施肥、人工降雨、取径流样、试验结束后取土以及水化学分析等。我们在实验的基础上建立一维氮素随地表径流迁移的机理模型。该模型吸取Gao等(2004)所建立的基于土壤侵蚀的降雨作用下的溶质溶出模型,将研究实验小区的土壤分为三部分。从上到下依次为,积水径流层、交换层和土壤层。模型考虑到的各氮素间的反应包括尿素水解作用、氨氮硝化以及硝氮反硝化作用。这三种氮素间的反应在模型中用一阶动力学参数来表示。模型建立后,为了得到模型的数值解,通过有限差分和伽辽金有限元的方法进行离散,修改hydrus源代码,经过反复的调试(部分参数值的选取要在原值的基础上反复调整),预测出不同降雨强度以及土壤含水量条件下氮肥的流失量,为高效合理施肥,减少面源污染提供对策。


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