基于土壤微环境分层的平原水稻灌区磷污染模型

灌溉农田产生的非点源磷是造成水体富营养化的主要原因之一,但是目前国内外的磷污染模型对于平原灌区灌溉和排水管理下的水分运动过程和氧化还原条件下的磷转化过程的定量表征还比较欠缺。该研究构建了适用于平原水稻灌区水分运动和磷转化迁移的机理性磷污染模型,模型根据稻田水量平衡和沟道运动波方程模拟灌区产汇流,采用考虑土壤微环境分层的磷转化模型和对流扩散方程模拟灌区产汇污。模型中将耕作层分为有氧层和无氧层,定量表征了由于水田干湿交替导致的土壤分层溶解氧变化和磷的转化过程。为了验证模型的可靠性,利用黑龙江省和平灌区2018年试验田实测田间土壤水、积水及排水和2条支沟实测排水的水量和水质数据对模型进行了率定和验证。验证结果显示试验田、一排和七排排水的径流流量、磷浓度的模拟结果与实测结果都吻合较好。模拟排水流量的Nash-Sutcliffe效率系数(NSE)和决定系数(R^2)分别大于0.820和0.815;模拟总磷浓度的NSE和R^2分别大于0.811和0.821;考虑土壤微环境分层后得到的土壤可溶磷垂向分布结果比不考虑分层时与原位实测结果更接近。该磷污染模型被用于模拟和平水稻灌区的非点源磷污染。灌区磷污染浓度过程统计结果显示,2018年水稻生育期内通过排水和渗漏流失的磷为1.88 kg/hm^2,约占施肥和灌溉磷输入的5.7%。其中分蘖期和拔节孕穗期径流磷输出负荷最大,分别为0.85和0.60 kg/hm^2;泡田期和分蘖期渗漏输出负荷最大,分别为0.11和0.16 kg/hm^2。灌区一排和四排由于控制面积大,输出磷污染物总量大于其他排水沟。该研究所构建的磷污染模型包含稻田灌溉和排水过程的水分运动及稻田干湿交替引起的氧化还原变化条件下的磷转化和运移,可为平原灌区水肥运筹管理下的磷运移模拟提供更准确的方法。