基于HYDRUS-2D模型的滴灌土壤水氮动态模拟研究

崔赫钊，周青云*，韩娜娜，张宝忠

基于HYDRUS-2D模型的滴灌土壤水氮动态模拟研究

崔赫钊1，周青云1*，韩娜娜1，张宝忠2

（1.天津农学院，天津 300392；2.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100083）

【目的】探究河套灌区滴灌条件下玉米各生育期土壤水氮变化规律及不同灌水量对土壤硝态氮累积量的影响。【方法】通过田间试验，设置高灌水量（D1：76 mm）处理和低灌水量（D2：60 mm）处理，分析土壤含水率和土壤氮素（铵态氮和硝态氮）的动态变化规律，利用HYDRUS-2D模型进行模拟验证与预测。【结果】各处理灌水后土壤含水率呈增加趋势；而土壤铵态氮和硝态氮在灌水施肥后迅速升高，随后下降，D1处理和D2处理不同生育期0～10 cm土层铵态氮量和硝态氮量的平均降幅分别为60.0%～62.0%和40.0%～46.7%。拔节期、抽雄期和灌浆期各土层灌水后D1处理相比D2处理的土壤含水率分别增加了5.9%、8.0%和6.7%，而土壤铵态氮量和硝态氮量随着土层深度的增加而降低。不同生育期硝态氮累积量为拔节期＞抽雄期＞灌浆期，随着生育期的推进，硝态氮累积量呈降低趋势。土壤含水率及氮素模拟值与实测值的吻合度较高，2、和均介于合理范围内。【结论】玉米生育期120 mm的灌溉定额可有效降低0～60 cm土层的硝态氮累积量，可降低硝态氮在60～100 cm土层的积累量。该研究可为当地灌区合理的水肥调控及灌溉制度的制定提供参考。

土壤含水率；铵态氮；硝态氮；数值模拟；HYDRUS-2D模型

0 引 言

【研究意义】全球平均氮回收率为59%，近41%的氮在生态系统中损失[1]。预计到2030年，全球化肥总消费量将增加32%，其中氮、磷、钾肥的消费量将同比增长37%、25.8%和21%[2]。我国主要粮食作物的氮肥平均利用率不足30%，低于世界平均水平，提高农田水肥利用效率迫在眉睫。灌区施肥前，一方面需要考虑肥料施用的安全性，另一方面也要警惕灌水导致的氮淋失风险。土壤水分运动是养分运移的基础，影响氮素在各土壤剖面的分布，不同灌水量对土壤养分的淋洗作用也不尽相同[3]。在半干旱地区，灌水量比施肥量的影响程度更大，低灌水量会加速氮挥发，而高灌水量易使氮素向深层土壤运移。综上所述，合理灌溉与肥料高效利用对于制定安全高效的水肥调控策略颇为重要。【研究进展】相比于传统的田间试验，HYDRUS-2D模型操作更为便捷，应用更为广泛，在土壤水[4]、盐[5]、热[6]和药[7]的模拟验证及模型应用方面效果显著。Shafeeq等[8]认为HYDRUS-2D模型能够模拟土壤水分与氮素的平衡，并通过模型优化对土壤剖面氮素变化进行了逐日分析。Azad等[9]利用HYDRUS-2D模型模拟了土壤水氮运移过程，提供了优化方案以最大限度地提高作物对氮素的吸收程度，并减少深层土壤的氮素损失。【切入点】在河套灌区，以往研究主要通过田间试验分析氮素淋失量[10]、水肥耦合[11]、水氮利用效率[12]与作物产量的关系，而利用模型进行水氮模拟验证并设置情景预测灌区水氮运移规律的研究却鲜有报道。【拟解决的关键问题】为探讨不同灌水定额对滴灌条件下土壤水氮运移动态变化的影响，本研究利用HYDRUS-2D模型对田间试验测得的玉米各生育期土壤含水率、铵态氮和硝态氮进行了模拟验证，分析玉米不同生育期及灌水前后不同土壤剖面的水氮分布变化，在此基础上设置不同的灌水定额假设情景，对土壤水氮分布进行模拟预测，以探究更为高效的灌溉制度。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古自治区巴彦淖尔市杭锦后旗县，地处河套灌区，属温带大陆性气候，种植作物包括向日葵、小麦及玉米等。由于土壤母质含盐量较大，且土壤存在盐渍化等障碍因素，严重制约当地农业发展。灌区年平均气温为3.8～7.6 ℃，降水量少而分布不均，多集中于每年的6—9月，年平均降水量为130～185 mm，年平均蒸发量为2030～2380 mm。玉米生育期降水量及参考作物蒸散量如图1所示。

图1 2020年试验区玉米生育期降水量及参考作物蒸散量

1.2 试验设计

供试作物为玉米，品种为“金田8号”，于2020年5月20日播种，在拔节期、抽雄期和灌浆期（6月21日、7月8日、8月4日）共灌水3次，于每次灌水前施肥，第1次施肥为磷酸二铵和钾肥，后2次追肥为尿素，施肥量为75 kg/hm2，于2020年10月3日收获。试验小区面积为244.8 m2，试验设计2种灌水水平，分别为高灌水量和低灌水量，灌水方式为膜下滴灌，覆膜方式为1膜1管2行，膜宽80 cm；滴灌带间距为60 cm，滴头间距为30 cm，滴灌带布置在1/2行距处，滴头流量为1.35 L/h。试验设计及灌水定额如表1所示。

表1 试验设计及灌水定额

1.3 测试指标及方法

考虑灌溉周期、降水历时和地下水位等因素的影响，在拔节期、抽雄期、灌浆期和成熟前期每隔10～15 d取样，灌水前后加测，全生育期共取样7次。土壤纵向取土深度为0～10、10～30、30～60、60～80、80～100 cm。所测指标包括土壤含水率、铵态氮及硝态氮。采用烘干法测定土壤体积含水率；土壤铵态氮和硝态氮采用2 mol/L的氯化钾溶液进行浸提，取5 g土样放入锥形瓶，加入50 mL的氯化钾溶液，放入振荡器后过滤，采用流动分析仪测定滤液中的硝态氮量和铵态氮量。

土壤硝态氮累积量采用等质量法计算，计算式为[13]：

式中：TN为等质量土壤硝态氮累积量（kg/hm2）；ρ为第层土壤体积质量（g/cm3）；h为第层土壤厚度（cm）；m为第层土壤硝态氮量（mg/kg）。

玉米生育期土壤硝态氮累积变化量计算式为：

式中：TNM和TNJ分别为夏玉米成熟期和拔节期对应土层的硝态氮累积量（kg/hm2）。

1.4 数值模拟及模型验证

1.4.1 基本原理

HYDRUS-2D是用于多孔介质中水、热运动与离子交换、溶质运移等模块的数值模拟软件。考虑到滴头位置所在平面两侧呈对称分布，因而本试验中膜下滴灌的土壤水分运动可以将三维水分运动简化为中心对称的二维水分运动[14]。假设土壤为均质、各向同性的多孔介质，不考虑气体及温度对水分运动的影响[15]，模型中水分运动方程参见文献[16]。土壤溶质运移控制方程参见文献[17]。土壤中氮的转化包括矿化、水解、吸附硝化、反硝化等。模型中土壤氮素的矿化作用应用零级动力学反应方程，分配系数d取值为3.5；分配指数取值为1；液气分布平衡常数Henry取值为0。其他相关溶质参数通过参数反演并参考前人研究中的参数[17]获得。

1.4.2 土壤水力特性参数

数值模型中土壤水分特征曲线（）和水力传导度（）采用Van Genuchten公式描述[18]，计算式为：

式中：r和s分别为残余含水率和饱和含水率（cm3/cm3）；s为饱和水力传导度（cm/d）；e为有效饱和度；为进气阈值的倒数（cm-1）；和为经验参数；为孔隙关联参数，取值为0.5。土壤水力特性参数如表2所示。

表2 土壤水力特性参数

1.4.3 模型几何划分及模型边界

利用HYDRUS-2D模型对玉米各生育期共计84 d的土壤水氮运移进行模拟，沿垂直方向将0～100 cm土层划分成4层，共划分101个节点，水平方向划分121个节点。模拟时间设置为84 d，时间步长为天。上边界未覆膜区域设定为大气边界，覆膜区域设定为零通量边界，滴头处设定为时变通量边界，下边界设定为自由排水边界，互为对称面的左右边界两侧设为零通量边界。

1.4.4 精度评价

利用决定系数（2）、均方根误差（）和一致性指数（）评价模型精度，计算式为：

式中：S和M分别代表田间实测值和模型模拟值；为实测值的个数；avg为实测值的平均值。

2 结果与分析

2.1 不同土层的土壤水氮变化

不同土层土壤含水率随生育期的变化如图2所示。拔节期、抽雄期和灌浆期灌水后土壤含水率均呈上升趋势，0～60 cm土层土壤含水率增幅尤为明显。抽雄期土壤含水率变幅较大，不同处理0～10、10～30、30～60 cm土层的增幅分别为26.1%～39.0%、26.0%～34.1%、1.6%～4.4%；60～100 cm土层受地下水位和其他环境因素影响，灌水后各生育期土壤含水率为抽雄期＞拔节期＞灌浆期。灌浆期灌水前后取样的间隔时间较长，灌水后土壤含水率增幅不明显，生育后期因无灌水施肥，土壤含水率呈降低趋势，0～10 cm土层降幅较大，含水率降至0.28～0.29 cm3/cm3。

不同土层土壤铵态氮量、硝态氮量随生育期的变化见图3和图4。由于各生育期灌水前施氮，土壤氮素在灌水施肥后迅速升高，随后下降，其中0～10 cm和10～30 cm土层降幅较为明显，各处理拔节期、抽雄期和灌浆期灌水前后土壤铵态氮平均降幅分别为60.0%～62.0%和56.3%～63.8%；土壤硝态氮平均降幅分别为40.0%～46.7%和22.0%～25.4%。拔节期30～60 cm土层土壤氮量略有回升，与氮的硝化与反硝化作用有关。因无肥料施入，灌浆期后土壤铵态氮和硝态氮趋于稳定，并维持在较低水平。成熟前期，0～10、10～30 cm和30～60 cm土层硝态氮略有回升，与灌浆期相比各处理硝态氮增加量介于0.13～0.66 mg/kg之间。

2.2 不同生育期灌水前后土壤水氮在土层剖面的分布变化

不同生育期灌水前后土壤含水率在土层剖面的分布如图5所示。拔节期、抽雄期和灌浆期灌水后0～100 cm各土层D1处理相比D2处理土壤含水率平均分别增加了5.9%、8.0%和6.8%，表明土壤含水率随灌水量的增大而增加，其中0～10 cm土层D1处理和D2处理的土壤含水率差幅较大。拔节期和灌浆期各处理土壤含水率随土层深度增加而增大，并在30～60 cm土层存在较大增幅，拔节期土壤含水率达到0.44～0.46 cm3/cm3。拔节期和抽雄期土壤含水率在60～80 cm土层大幅度降低，D1处理和D2处理降幅分别为3.7%～10.2%和9.2%～10.3%，80～100 cm土层受地下水位季节性变化影响略有小幅升高。

图6为不同生育期灌水前后铵态氮在土层剖面的分布情况。拔节期灌水后D1处理10～30 cm相比0～10 cm土层降幅达到59.3%，由于生育前期作物吸氮量较高，各处理30～60 cm土层出现小幅回升，增幅介于0.05～0.28 mg/kg。抽雄期和灌浆期土壤铵态氮硝化作用较强，氮素的稀释及淋溶作用降低，D1处理和D2处理各土层铵态氮整体处于较低水平。由于铵态氮的随水迁移能力较弱，硝化作用消耗的铵态氮随之减少，少部分铵态氮可能向下淋溶至深层土壤，因而抽雄期和灌浆期80～100 cm土层铵态氮量有小幅度升高的趋势。

图5 不同生育期灌水前后土壤含水率在土层剖面的分布

图7为不同生育期灌水前后硝态氮在土层剖面的分布情况。硝态氮易随水向下淋溶，为硝化作用创造有利条件，土壤硝态氮量整体高于铵态氮量，灌水后0～10 cm土层硝态氮量的降幅亦高于铵态氮量。随着肥料施入，硝态氮易在0～10 cm土层积累，各处理拔节期硝态氮量介于13.20～14.16 mg/kg之间，抽雄期硝态氮量介于4.12～4.32 mg/kg之间，灌浆期硝态氮介于1.27～1.68 mg/kg之间，随着生育期的推进，灌水前0～10 cm土层硝态氮量整体呈降低趋势。由于土壤的通透性与强烈的淋洗作用，灌水后0～10 cm和10～30 cm土层硝态氮不断被消耗并随着土层深度增加而降低。拔节期和抽雄期灌水后各处理60～100 cm土层硝态氮处于较低水平，这是因为生育前期地下水位埋深较浅，且玉米根系主要分布在0～60 cm土层，硝态氮易在该土层积累并利于作物吸收。

图6 不同生育期灌水前后土壤铵态氮量在土层剖面的分布

图7 不同生育期灌水前后土壤硝态氮量在土层剖面的分布

2.3 HYDRUS-2D模型验证结果分析

模型验证结果如表3所示。尽管个别实测值与模拟值存在偏差，但总体上拟合效果较好。各处理土壤含水率在0～60 cm土层2、、的变化范围分别为0.55～0.85、0.01～0.03 cm3/cm3和0.79～0.92。土壤氮素在0～60 cm土层的拟合度较高，各处理2的变化范围为0.82～0.99，的变化范围为0.03～0.34 mg/kg，的变化范围为0.91～0.99。部分实测值略低于模拟值，这与氮素挥发及内部转化、模型边界条件与实际边界条件的差异性及溶质迁移参数的复杂性有关。各评价指标均处于合理范围[19]，表明模型可预测滴灌条件下土壤水氮动态变化。

表3 土壤含水率、铵态氮和硝态氮的模型验证结果

2.4 不同生育期土壤硝态氮累积量的变化

不同生育期0～100 cm土壤硝态氮累积量变化如图8所示。各生育期灌水前由于氮肥水解速率较高，硝态氮累积量基本维持在较高水平。拔节期、抽雄期和灌浆期D2处理相比D1处理硝态氮累积量分别增加22.9%、18.7%和9.1%，表明低灌水量更易使硝态氮在0～100 cm土层中积累。抽雄期作物处于生长旺盛时期，灌水前后D1处理和D2处理土壤硝态氮累积量平均降低了62.5%～68.4%。从拔节期到灌浆期硝态氮累积量呈逐渐减少趋势，灌浆期后作物进入成熟阶段，从土壤当中吸收的氮素随之减少，因此各处理硝态氮累积量略有回升，占生育期总累积量的21.8%～22.4%。

图8 不同生育期0～100 cm土层硝态氮累积量变化

2.5 模型应用情景分析

在干旱半干旱地区，施肥是土壤硝态氮的主要来源，而灌水是硝态氮向深层土壤淋失的关键因素[20]，灌水量及氮素在深层土壤的累积和淋失对于作物产量及灌溉水生产力显著影响。在河套灌区，由于玉米生育期耗水量较多，水分对灌区作物生长发育的影响举足轻重，增加灌水量在一定程度上促进了作物长势的提高，土壤水分和作物产量均随着滴灌次数的增加而增加[21]，但灌水量过大则会降低水分利用效率并使氮素在深层土壤积累[22]。为探求适合灌区的灌溉制度，经过HYDRUS-2D模型校正后，依据本试验设置的灌水定额，在不同生育期增加了灌水次数并相应调整了灌水量，根据模拟情景的不同灌水处理分析不同土层土壤含水率和硝态氮量的分布规律以及各生育期硝态氮累积量在0～60 cm和60～100 cm土层的变化情况，模拟情景灌水处理如表4所示。

表4 模拟情景灌水处理

HYDRUS-2D模型模拟情景下的不同土层土壤含水率随生育期的变化情况见图9（a）—图9（c），土壤硝态氮量随生育期的变化情况见图9（d）—图9（f）。各生育期灌水后土壤含水率略有升高，其中10～30 cm和30～60 cm土层M3处理土壤含水率相比M1处理和M2处理分别增加了3.4%～32.6%和2.8%～25.9%，表明土壤含水率随滴灌次数的增加和灌水量的提升而增大，较高的灌水量可以维持土壤根系层（0～60 cm）的湿润度并增加保水性，适于作物根系生长。不同生育期土层硝态氮量随灌水量的增加呈小幅降低趋势，各处理硝态氮量降幅为M3处理＞M2处理＞M1处理，降幅在0～10 cm土层变化尤为显著。生育后期硝态氮量整体处于较低水平，不同土层硝态氮量变化范围介于0.70～1.12 mg/kg。图10为模拟情景下的不同生育期各处理0～60 cm和60～100 cm土层硝态氮累积量。0～60 cm土层M1、M2处理和M3处理土壤硝态氮累积量分别为225.37、230.33 kg/hm2和235.32 kg/hm2；60～100 cm土层各处理土壤硝态氮累积量介于199.14～203.35 kg/hm2。随着灌水量的增加，M3处理较M1处理和M2处理各土层硝态氮累积量略有降低，其中0～60 cm土层各处理变幅较为明显；而60～100 cm土层硝态氮累积量仅在抽雄期略有回升，其他生育期均随灌水量的增加而降低。

图9 模拟情景下的不同土层土壤含水率及硝态氮量随生育期的变化

图10 不同生育期各处理0～60 cm和60～100 cm土层硝态氮累积量

3 讨 论

水肥管理失调易导致氮素向深层土壤运移，造成灌区土壤环境污染。随着土层深度增加，硝态氮量和铵态氮量均呈降低趋势，其中铵态氮量降低速率明显于硝态氮量，这是因为铵态氮的吸附能力较强，而硝态氮易随水迁移，硝态氮的反硝化作用使铵态氮易在30～60 cm土层积累[23]。施肥后的短期内铵态氮急剧增加，且主要发生在0～60 cm土层[24]，而铵态氮的硝化作用迅速，0～10 cm土层大多数的铵态氮就已转化为硝态氮[25]。

研究区玉米生育期地下水位介于60～180cm，丰水期和灌溉集中期地下水中的氮素浓度较高，在60～100 cm土层，土壤氮素在60～80 cm土层降至最低，而在80～100 cm土层出现小幅回升，这与白雪原等[24]在河套灌区的试验结论基本一致，表明部分未被作物吸收的氮素随水分淋失至深层土壤，降低了氮肥利用率的同时易造成地下水的污染。研究认为，0～80 cm土层土壤硝态氮较低，80 cm土层以下硝态氮和氮素积聚系数显著增加[26]，表明硝态氮出现明显的向深度土层淋失现象，因此灌水量与硝态氮累积量关系密切。灌水是影响硝态氮在0～30 cm土层积累的主效应，而水氮耦合是导致硝态氮向下淋溶的主效应[27]；梁运江等[28]认为适当增加灌水量有助于0～30 cm土层硝态氮的淋洗和30～60 cm土层硝态氮的积累，本试验中D2处理的氮肥水解能力较低，土壤硝态氮在0～10 cm土层累积较多；而D1处理的氮肥溶解速率较快，加速了土壤氮素的再分布，因而促使硝态氮在土壤根系层积累，与上述试验结论基本一致。

河套灌区存在干旱少雨，蒸发强烈，日照温差较大等因素，目前多以田间试验结合数值模型探求并优化适合灌区的灌溉制度。王航等[29]利用HYDRUS-2D模型分析了玉米生育期和非生育期不同滴灌方式对盐分离子的迁移转化，并预测了河套灌区不同灌溉制度下的土壤水盐运移规律，表明模型在模拟预测水分与溶质迁移运动方面成效显著，由此通过模型模拟情景分析了不同的灌水定额对于水氮运移规律的影响。在模拟情景中，灌水量的增加有效遏制了硝态氮在60～100 cm土层的累积，但不排除硝态氮会向更深土层淋溶，进而对地下水构成危害。因此未来可通过田间试验或数值模型将灌水定额和施肥量、施肥品类或地下水位进行结合，对于HYDRUS-2D模型在长时间序列上的应用及深层土壤水氮运移的研究仍需进一步探讨。

4 结 论

1）拔节期、抽雄期和灌浆期灌水后土壤含水率均呈升高趋势；灌水后土壤铵态氮和硝态氮迅速降低， 0～10 cm和10～30 cm土层降幅较为明显，生育后期整体处于较低水平。随着生育期的推进，各处理硝态氮累积量呈降低趋势。

2）灌水后土壤含水率D1处理较D2处理增幅明显；土壤氮素随土层深度的增加而降低，且灌水后0～10 cm土层硝态氮降幅高于铵态氮。

3）根据HYDRUS-2D模型模拟值与实测值的评价模拟指标，土壤含水率、铵态氮和硝态氮的2和的变化均在可接受范围内，模型拟合效果较好。

4）HYDRUS-2D模型模拟情景结果表明，适当增加灌水量和滴灌次数，玉米生育期120 mm的灌溉定额可有效降低0～60 cm土层硝态氮累积量，并遏制硝态氮在60～100 cm土层的积累。

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Simulating Water and Nitrogen Dynamics in Drip-irrigated Soil Based on the HYDRUS-2D Model

CUI Hezhao1,ZHOU Qingyun1*,HAN Nana1,ZHANG Baozhong2

(1. Tianjin Agricultural University, Tianjin 300392, China;2. State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin,China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100083, China)

【Objective】Water flow and solute transport in soil is important not only for plant acquisition of resources from soil but also for soil and water environment. In terrestrial ecosystems, they are impacted by numerous factors. The objective of this paper is to investigate the effects of drip irrigation amount on spatiotemporal change in water and nitrogen in Hetao Irrigation District, Inner Mongolia.【Method】A field experiment was conducted to measure the movement of water, nitrate and ammonium in soils, with the irrigation amount controlled at 6 mm (D1) or 60 mm (D2). The measured data was used to calibrate the HYDRUS-2D model, and the calibrated model was then used to elucidate how increasing the irrigation amount to 120 mm would affect water and nitrogen movement.【Result】Irrigation increased soil water content in all growth stages. Following irrigation and fertilization, ammonium and nitrate contents both increased rapidly and then decreased. On average, ammonium and nitrate in the 0～10 cm soil layer decreased by 60.0%～62.0% and 40.0%～46.7%, respectively, after the D1 and D2 irrigations, with the decreasing rate varying with growing stage. Compared to D2, D1 increased soil water content at jointing, heading and filling stage by 5.9%, 8.0% and 6.7%, respectively. Soil ammonium and nitrate both decreased along the soil depth. Nitrate accumulation decreased gradually when the crop grew from jointing stage to filling stage. The simulated soil water content and nitrogen agreed well with the measured data.【Conclusion】Experimental data and simulated results showed that irrigating the maize by 120 mm of water can effectively reduce accumulation of nitrate in the 0～60 cm soil layer, and that increasing irrigation frequencies can further curtail nitration accumulation in the 60～100 cm soil layer. These results provide guidance for improving irrigation and fertigation for maize production in Hetao Irrigation District.

soil water content; ammonium nitrogen; nitrate nitrogen; numerical simulation; HYDRUS-2D model

1672 - 3317（2023）04 - 0057 - 10

S27

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022361

崔赫钊,周青云, 韩娜娜, 等. 基于HYDRUS-2D模型的滴灌土壤水氮动态模拟研究[J]. 灌溉排水学报, 2023, 42(4): 57-66.

CUI Hezhao, ZHOU Qingyun, HAN Nana, et al. Simulating Water and Nitrogen Dynamics in Drip-irrigated Soil Based on the HYDRUS-2D Model[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(4): 57-66.

2022-06-29

国家自然科学基金项目（51609170）；国家重点研发计划项目（2019YFC0409203）；天津市研究生科研创新项目（2021YJSS135）

崔赫钊（1997-），男，天津人。硕士研究生，主要从事节水灌溉理论与新技术研究。E-mail: 1455336083@qq.com

周青云（1980-），女，山西河津人。教授，主要从事节水灌溉理论与新技术研究。E-mail: zhouqyand@126.com

责任编辑：韩 洋