农田氮转化运移及流失量模拟预测

论文摘要

农田排水对水环境的影响正日益受到国内外的关注,大量研究表明,地下排水中硝态氮的损失是地表水和地下水水质恶化的主要污染源,已构成水质环境恶化的一大威胁。由于农业生产活动对水土环境的影响是一个涉及多因素的复杂过程,因此,定量分析模型是目前研究农业水肥管理及氮污染控制预测的有效工具。本文在对现有模型进行综述和分析的基础上,建立了有机或无机肥应用模式的农田土壤中氮转化运移的机理模型。以建立在水动力学基础和水平衡基础上的土壤水热运动模型SWAP及DRAINMOD(DM)中的水热动态输出变量作为氮转化运移模型的驱动因子,构建了基于SWAP和DM水热模型的氮转化运移集成模型,构成农田水肥管理及氮肥对水土环境影响的评价模型,特别是预测农田排水沟(管)排出水中的硝态氮流失量。采用施用无机肥田间试验条件下3年的地下水位、地表和地下排水量、地表和地下硝态氮流失量的动态观测值,通过图形显示和统计参数指标分析方法,对集成DM水热模型的氮转化运移模型进行了性能检验;采用施用有机肥田间试验条件下1年的地下排水量、地下排水硝态氮流失量、土壤硝态氮含量动态观测值,对集成SWAP水热模型的氮转化运移模型进行了性能检验,模拟结果和实测结果吻合较好。采用不同土地利用条件下径流试验小区的地表径流观测值对地表径流子模块SCS法进行了检验,结果表明,SCS法可以较好的模拟地表径流量,其应用误差主要是系统性偏差。为消除系统误差,提出通过建立径流修正系数与降雨量的关系对模拟计算的径流过程进行改进的方法。对影响氮转化运移各过程的主要参数进行了敏感性分析,探讨了主要参数变化对氮动态的影响,对采用本文提出的模型或其它相似模型进行水土环境定量评价时参数的率定提供了判别标准。结合模型的应用预测评价、试验研究数据的对比分析及以往研究成果,对氮肥管理、灌溉管理、地下水位控制、耕作措施、作物系统、排水资源化利用对氮流失量的影响效果进行了分析,提出合理的农田管理措施。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 概述
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 农田氮转化运移过程
• 1.3 农田氮转化运移理论
• 1.4 农田氮转化运移模型
• 1.4.1 模型的分类和发展
• 1.4.2 国外研究现状
• 1.4.3 国内研究现状
• 1.4.4 模型研究的发展方向
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第2章 氮转化运移模型的建立
• 2.1 模型建立的背景
• 2.2 模型结构框架
• 2.3 土壤水热运动模拟
• 2.3.1 土壤水热模型选择
• 2.3.2 SWAP 和DRAINMOD 模型概述
• 2.3.3 SWAP 和DRAINMOD 模型对比
• 2.4 氮转化运移各子模型块的建立
• 2.4.1 地表径流及土壤侵蚀
• 2.4.2 地表氮素损失
• 2.4.3 有机氮的净矿化
• 2.4.4 氨挥发
• 2.4.5 铵态氮的硝化
• 2.4.6 硝态氮的反硝化
• 2.4.7 氮的吸附
• 2.4.8 作物的氮吸收
• 2.4.9 硝态氮的淋失和地下排水损失
• 2.4.10 土壤水热与氮转化运移模型的集成
• 2.5 模型主要参数确定方法
• 2.5.1 有机氮净矿化过程试验
• 2.5.2 反硝化过程试验
• 2.5.3 水动力弥散系数和弥散度的确定
• 2.6 本章小结
• 第3章 氮转化运移模型的性能检验
• 3.1 田间试验布置与观测
• 3.1.1 施用无机肥条件下水土耕作管理措施对比试验
• 3.1.2 施用有机肥和无机肥对比试验
• 3.1.3 不同作物系统地表径流及氮流失试验
• 3.2 模型的验证方法
• 3.3 施用无机肥的试验模拟验证
• 3.3.1 主要参数的确定
• 3.3.2 地下水埋深和排水量动态模拟
• 3.3.3 氮流失量动态模拟
• 3.4 施用有机肥的试验模拟验证
• 3.4.1 主要参数的确定
• 3.4.2 排水量动态模拟
• 3.4.3 氮流失量动态模拟
• 3.4.4 土壤硝态氮动态模拟
• 3.5 一维和二维模型模拟土壤氮动态过程的对比
• 3.5.1 影响氮动态的土壤水热变化分析
• 3.5.2 模拟结果对比
• 3.6 不同作物系统的地表径流模拟验证
• 3.6.1 国内SCS 法应用现状
• 3.6.2 地表径流模拟
• 3.6.3 CN 值确定及改进的计算方法
• 3.6.4 SCS 方法适应性及应用讨论
• 3.7 本章小结
• 第4章 氮转化运移模型主要参数的敏感性分析
• 4.1 分析方法
• 4.2 有机氮的净矿化
• 4.3 氨挥发
• 4.4 铵态氮的硝化
• 4.5 硝态氮的反硝化
• 4.6 地表径流氮流失
• 4.7 地下排水硝态氮损失
• 4.8 作物的氮吸收
• 4.9 根区20CM 内的硝态氮动态过程
• 4.10 本章小结
• 第5章 农田氮流失量预测评价与控制措施
• 5.1 氮流失量影响因素分析
• 5.2 有机肥施肥管理对氮流失量和作物氮吸收量的影响
• 5.2.1 施肥量对氮流失量和作物氮吸收量的影响
• 5.2.2 有机肥中铵态氮含量对氮流失量和作物氮吸收量的影响
• 5.2.3 有机肥施用次数对氮流失量的影响
• 5.3 不同施肥类型氮流失量的对比分析
• 5.4 控制氮流失的农田管理措施
• 5.4.1 氮肥管理
• 5.4.2 灌溉管理
• 5.4.3 地下水位控制
• 5.4.4 作物系统
• 5.4.5 耕作措施
• 5.4.6 排水资源化与循环利用
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论
• 6.1 主要成果
• 6.2 论文的主要创新
• 6.3 有待进一步研究的问题
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果