传递函数模型的发展和农田尺度下硝态氮淋失的数值预报

摘要

氮素淋失对农业水土环境质量的影响是重要的生态农业研究课题,该研究中颇具挑战性的科学难题之一是对农田土壤中同时受到物理、化学和生物作用影响的硝态氮淋失动态的精确模拟和预报.为了对氮素运移和转化行为在生态环境深变过程中的作用有更明晰的认识,该文彩不同的数学模型分别从点尺度和农田尺度地此进行了研究.该文研究的第一部分通过引入概率密度函数的修正因子,发展了一个可区分表施氮素和土壤残留氮对硝态氮淋失贡献的传递函灵敏模型.假设累积排水量的概率密度函数的形状不随水流状态而改变,概率密度函灵敏于不同水流条件下的差异体现在贮水量差的变化,将Jury等(1990)提出的非稳定流条件下保守溶质运移的传递函数模型推广到田间土壤硝态氮淋失的模拟中.在模型中考虑了氮素的矿化、固持、氨挥发和作物吸氮作用,把源汇 项对硝态氮淋失的影响视为对溶质运移体中初始驻留浓度的输入,将各转化量与土壤贮水量或蒸散量建立了较简单的函数形式得到净矿化、氨挥发和吸氮浓度.以考虑源汇项作用时的硝态氮淋失浓度的均方很差为目标函数,采用二分法对概率密度函数的修正因子进行优化.使用1999年冬小麦—夏玉米生长条件下土壤剖面2米埋深处硝态氮淋失动态的试验观测数据,检验了所发展的模型的有效性.接着分析了模型中各参量对模拟精充的影响,计算了模拟时段内淋失的硝态氮占肥料氮的比例.该文研究的第二部分在开展大规模田间试验的基础上,获得大量具有空间变异特征的模型参数,对农田尺度下硝态氮的淋失风险进行了数值预报.北京通州区永乐店试验站的小区面积为27×27m<'2>(网格间距3m ),采集30-50cm上层的样品;山东德州地区禹城试验站的小区面积为40×40m<'2>(网格间距5m),采集0-20和20-40cm土层的样品.根据土壤传递函数方法,生成了各个采样点的土壤水力学参数和弥散度.模拟结果表明:(1)永乐店冬小麦生育期内剖面250cm埋深处平均的土壤水渗透量、累积硝态氮淋失量分别为2.25mm、0.0998mg/cm<'2>,夏玉米生育期内的值分别为1.35mm、0.0065mg/cm<'2>,变异系数均在1.46以上,具有很强的空间变异性;(2)禹城冬小麦生育期内剖面200cm埋深处平均的土壤水渗透量、累积硝态氮淋失量分别为19.30mm、0.0790mg/cm<'2>,夏玉米生育期内的值分别为24.48mm、0.0948mg/cm<'2>,变异系数均在0.50以上,表现为中等变异强度;(3)与总输入量相比,空间上平均的土壤水渗透量和硝态氮淋失量大大提高于均值,是农田管理和环境监测的脆弱带;(4)两种数值模拟方案对模拟的下边界处(永乐店;250cm;禹城:200cm)硝态氮淋失的影响很小,其差异主要在于方案2对土壤氮素各转化量的影响更大,由于考虑了氮素矿化作用的空间变异性,方案2中各氮素转化量的空间变异性大大高于方案1的模拟结果:(5)蒸发量、蒸腾量和蒸散量具有较低的空间变异性(CV<0.06),而剖面不同埋深处的水通量(250、200、150、100cm)呈现较强的空间变异性.运用地统计学软件GEOPACK对实测土壤性状、模型参数和模拟结果进行地统计学分析.对土壤水渗透量、硝态氮淋失量与模型主要输入参数或实测参量进行统计分析.

目录

文摘

英文文摘

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第一章引言

1.1问题的提出和选题意义

1.2国内外研究现状

1.2.1传递函数模型的发展

1.2.2农田尺度下硝态氮淋失风险的数值预报

1.3研究内容

第二章传递函数模型的发展

2.1引言

2.2模型原理

2.3田间试验资料的收集

2.4结果分析与讨论

2.4.1稳态流场的确定

2.4.2源汇项

2.4.3修正因子ρ的确定

2.4.4非稳态流条件下土壤硝态氮淋失浓度和淋失量的模拟

2.5小结

第三章农田尺度下硝态氮淋失风险的数值预报

3.1引言

3.2材料与方法

3.2.1田间采样小区概况

3.2.2样品的分析测试

3.2.3模型原理

3.2.4模型的输入参数

3.2.5土壤硝态氮淋失模拟的试验方案

3.3结果分析与讨论

3.3.1参数(参量)的传统统计分析

3.3.2数值模拟结果的分析

3.3.3地统计学分析

3.3.4模拟结果与部分参数(参量)的统计关系

3.4小结

第四章主要结论

参考文献

致谢

作者简历