中国北方农田氮磷淋溶损失污染与防控机制

突破厚包气带农田根层氮磷淋溶与地下水污染复杂定量关系和阻控机理是国际研究难点。本文系统梳理了重点研发专项"农田氮磷淋溶损失污染与防控机制"项目取得的主要进展,项目包括以下4方面研究内容:1)北方主要农区农田根层氮磷淋溶时空规律;2)根层-深层包气带氮磷淋溶机制和主控因子;3)黑土、潮土和褐土氮磷淋溶阻控机制及其效果;4)典型农区氮磷淋溶风险与区域消减途径。主要科学发现包括:1)受土地利用类型、地下水埋深、包气带岩性、水文地质条件等综合因素的影响,黑土区、潮土区和褐土区根层氮磷淋溶规律与地下水硝酸盐超标率体现出空间不一致和较大差异性。黑土区虽然根层淋溶较小,然而受地形地貌影响,地下水水质对淋溶响应更强烈,应该进一步研究黑土区地下水水质对淋溶的响应机制。华北潮土区和褐土区厚包气带具有明显氮阻控能力,应该进一步加强厚包气带对氮磷淋溶减排机理与途径研究。2)基于长期施肥定位试验和12 m深观测井对包气带农田土壤氮盈余累积特征和淋失规律的研究发现,华北平原区的环境安全施氮量约为200kg(N)·hm-2·a-1,超过环境安全阈值的多投入氮肥中有51%淋失到1m根层以下,不合理灌溉、强降水、大孔隙和裂隙是造成土壤硝酸盐淋溶的主要因素,对包气带累积硝态氮的淋失作用可影响至6m以下土层。3)利用深层取样和生物学方法结合,对厚包气带0~10.5m原位土壤微生物的反硝化活性和微生物区系组成的研究结果表明,表层土壤是微生物进行反硝化的主要场所,深层土壤中反硝化作用显著减弱,"碳饥饿"是限制底层土壤反硝化微生物丰度与活性的关键因素;室内培养试验证实添加碳源可有效激活土壤微生物的反硝化活性,为"根层截氮包气带脱氮"的淋溶阻控机理找到了突破口。4)利用黑土、潮土和褐土区氮磷淋溶阻控试验、全国农业面源污染国控监测网、北方农区地下水硝酸盐监测网和NUFER (NUtrient flows in Food chains, Environment and Resourcesuse)模型,提出了养分损失脆弱区区划和区域氮磷污染削减草案,可为农业绿色发展和面源污染阻控提供科学依据。

华北平原农田裂缝对硝态氮淋溶的影响

土壤干缩开裂是常见的自然现象。目前关于土壤干缩开裂的研究主要集中于裂缝的最终形态特征,并且以室内试验为主。本研究通过室外大田试验,结合动态计算机图像分析及水氮运移模拟软件WHCNS,研究土壤干缩开裂的动力学过程、特征及其对农田水氮运移的影响。利用原位熔化石蜡浇筑得到了裂缝三维结构形态,借助三维激光扫描仪量化裂缝的几何特征,发现每平米裂缝平均长度为4.58 m,裂缝上表面平均宽度为5.72 mm,平均深度为9.06 cm。基于三维扫描仪提取得到的裂缝几何参数,通过WHCNS仿真模拟,发现相较于无裂隙情况,裂隙的存在分别增加了传统施肥和优化施肥情况下97.40%和256.43%的硝态氮淋失量;与优化施肥模式相比,传统施肥模式更容易造成硝态氮的淋失风险。在模拟灌溉模式对硝态氮淋洗情况的影响时,其差异不明显;强降雨的设置同样增加了硝态氮的淋失风险,导致硝态氮的年均淋洗量增加83.61%。裂缝的存在严重影响农田作物对肥料的吸收和利用,通过优化施肥量、更改灌溉模式以及避免强降雨前施肥都可以减少肥料的损失。

自动双环入渗仪设计与试验

为克服传统双环入渗仪的供水不稳定、读取和记录数据工作量大的问题,该文基于定水头法测量导水率的原理,设计了一种高效的自动双环入渗仪。该入渗仪采用非接触式电容感应液位传感器来监测内环和外环内的水位(精度<1.5mm);将激光测距传感器(精度<1mm)安装在圆柱形蓄水器的顶部,以连续自动监测供水量;高精度液位控制系统与电磁阀组合以保持恒定水头。通过理论分析,增大蓄水器中的液面与双环中的液面之间的压力差,可使自动双环入渗仪的初始供水速率远高于马氏瓶的初始供水速率。自动双环入渗仪的精度和可靠性试验于2019年7月至2019年10月在中国农业大学绿苑试验场进行,并进行了该自动双环入渗仪和传统双环入渗仪之间的比较。试验结果显示,在选定土壤的稳定入渗阶段,用马氏瓶测量的稳定入渗速率为0.0685 cm/min,该自动双环入渗仪的稳定入渗速率为0.0687 cm/min,自动双环入渗仪实测数据与Philip的理论入渗模型计算结果吻合(R^2>0.99)。结果表明,该自动双环入渗仪的自动化测量结果可靠,对今后土壤水分入渗过程研究提供了更加高效的手段。

华北平原大孔隙优先流对农田氮素淋溶的影响

优先流是土壤水分入渗的一个重要途径,大孔隙是产生优先流的关键因素。研究优先流对于土壤水分和溶质运移研究及生态环境保护、制定合理的田间管理措施等具有重要意义。本研究将田间亮蓝染色示踪试验和WHCNS(soil water heat carbon nitrogen simulator)模型模拟相结合,研究了华北平原冬小麦-夏玉米轮作体系存在大孔隙下,强降雨和不同施肥、灌溉情景下土壤水氮运移的情况,以此探讨大孔隙优先流对于土体中水分和硝态氮运移的影响。结果表明:明显含有虫洞的免耕土壤入渗深度和染色面积均高于旋耕土壤;免耕土壤的染色面积和稳定入渗速率的Pearson相关性不显著,染色示踪不能定量化土壤稳定入渗速率。同时WHCNS模拟的0~100 cm土层硝态氮淋洗量结果显示:一方面,相较于无大孔隙情景,大孔隙存在会显著增加硝态氮的淋洗量;另一方面,大孔隙存在下优化施肥模式的硝态氮淋洗量比传统施肥模式减少46.0%。常规灌溉量下喷灌比漫灌处理的硝态氮淋洗量减少15.6%;强降雨导致硝态氮淋洗量增加119.4%。本研究为华北平原地区大孔隙存在条件下的农田水肥优化管理措施提供了理论指导。

Simulation of three-dimensional cohesive sediment transport in Hangzhou Bay,China

Sediment transport in the Hangzhou Bay is extremely complicated due to its bathymetry and hydrodynamic conditions. The ECOMSED model is employed to simulate three-dimensional （3-D） cohesive sediment transport in Hangzhou Bay. Dynamical factors such as Coriolis force, tides, salinity, river discharges, and waves are considered in the model. The wave parameters, including the significant wave height, period, and direction, are calculated with the SWAN model. The Grant-Madsen model is introduced for the bed shear stress due to the combined effect of waves and currents. The formulation of bed shear stress used to calculate the sink/source terms is modified based on previous research that sufficiently validated the formulation with measurement data. The integrated model of the above-mentioned models is applied to simulate sediment transport in Hangzhou Bay. The results of the simulation agree well with field observations concerning the distribution of suspended sediment, indicating that the sediments are remarkably suspended in Hangzhou Bay under the action of waves and currents.

基于正交实验法改进的蝠鲼算法优化BP在变压器故障诊断上的研究

油浸式变压器在运行老化过程中难免会出现各种潜伏性故障,及时正确诊断出变压器的状态至关重要,传统利用基于油中溶解气体分析法(dissolved gas analysis, DGA)数据的三比值法因存在编码不足的缺陷,限制了故障的诊断效果。为此提出了一种改进的蝠鲼算法(manta ray foraging optimization, MRFO)优化反向传播(back propagation, BP)网络的故障诊断模型。首先利用逻辑映射与反向学习(opposition based learning, OBL)融合的多阶段算法为MRFO提供初始位置,加强算法全局寻优能力;同时提出利用正交实验法优化蝠鲼算法的3种觅食策略,调节蝠鲼个体的探索与开发,以加强该算法在特定问题上的寻优能力;最后将改进的蝠鲼算法寻得的最优解赋予BP网络的权值和偏置,建立变压器故障诊断系统。利用IEC TC 10故障数据进行了实验,并与其他算法进行了结果对比分析。结果表明,所提方法与BPNN、未改进的MRFO-BP、三比值法的结果相比,分别高出16%、8%、24%,是一种积极有效的方法。

设施菜地WHCNS_Veg水氮管理模型

与一般大田作物相比,设施菜地集约化程度高、水肥投入量大,加上蔬菜根系浅,土壤养分淋失严重,不仅浪费资源,而且极易引起地下水污染等生态环境问题。定量研究设施蔬菜不同生长阶段的土壤水分动态和氮素去向是制定合理水氮管理方案的基础。该研究在农田土壤水热碳氮模拟模型(soil water heat carbon nitrogen simulator,WHCNS)的土壤水分、碳氮循环模块的基础上,耦合了蔬菜生长发育过程模型,构建了适用于设施菜地水氮管理的机理模型WHCNS_Veg。分别利用山东寿光的设施黄瓜和天津武清的设施番茄田间观测数据,主要包括不同水氮管理措施下实测的土壤水分(含水率和基质势)、土壤氮素(硝态氮含量和淋失量)、植株吸氮量和蔬菜可售卖鲜产量,对WHCNS_Veg模型进行了校准与验证。结果表明,作物生物学指标的模拟精度要高于土壤指标,模拟的黄瓜、番茄产量和植株吸氮量的相对均方根误差不大于12.1%、一致性指数不小于0.934和Nash-Sutcliffe效率系数不小于0.829。土壤指标中,土壤含水率的模拟效果也较好,相对均方根误差、一致性指数和Nash-Sutcliffe效率系数的范围分别为6.2%~9.1%、0.851~0.960和0.477~0.846;其次是土壤硝态氮含量和淋失量,相对均方根误差范围分别为22.2%~40.1%和4.6%~26.0%,Nash-Sutcliffe效率系数范围分别为-0.810~0.636和0.442~0.956。模型对土壤基质势动态模拟的精度相对较低,相对均方根误差、一致性指数和Nash-Sutcliffe效率系数范围分别为22.9%~30.1%、0.223~0.846和-6.344~0.113,主要是滴灌条件下模拟效果较差导致的,说明需要进一步提高滴灌条件下土壤基质势的模拟精度。总体来看,WHCNS_Veg模型较好地模拟了不同水氮管理条件下土壤水氮动态和蔬菜生物学指标,该模型在设施菜地水氮管理方面具有较大的应用潜力。