农田土壤中硝态氮垂直运移参数的确定

本课题得到国家自然科学基金（批准号：40371055）和高校博士学科点专项科研基金（编号：20030307018）资助，农田土壤中硝态氮垂直运移参数的确定1陈效民(南京农业大学资源与环境科学学院，南京 210095)摘 要: 本文针对利用溶质运移模型预测预报农田土壤中硝态氮垂直运移时，运移参数不易获得的问题，引入CXTFIT 分析模型来求农田土壤中硝态氮垂直运移的参数。

结果表明：用CXTFIT 模型模拟的硝态氮穿透曲线与实测的硝态氮穿透曲线基本吻合，模型的模拟值与实测值相比，误差范围在3% 以下，相关系数达到0.9 以上；在模拟过程中可同时得到硝态氮垂直运移的弥散系数和平均孔隙水流速（average pore-water velocity ）等参数。

因此该模型可以直接用来确定农田土壤中硝态氮垂直运移的参数。

关键词： 农田土壤；硝态氮；运移参数1. 引 言近几十年来, 随着农业生产的持续发展，农田中由于施用化学氮肥逐年增加而引起土壤中硝态氮含量不断提高，以致硝态氮成为农田地下水中最常见的污染物之一[1]。

硝态氮在土壤中的运移属于溶质运移的范畴[2]。

由于其在运移过程中的复杂性，受到的影响因素很多，因此不能用单一的过程和简单的方程加于描述。

所以，硝态氮运移的研究必须依赖于数学模型。

随着各类模型的不断提出，一个重要的问题就是各种参数的确定。

一个模型的成功与否，很大程度上依赖于输入该模型的各种参数的精度[3]。

本文是在室内模拟硝态氮垂直运移的基础上，将所得的穿透曲线数据输入CXTFIT 分析模型进行拟合并计算硝态氮在垂直运移过程中的弥散系数和平均孔隙水流速这两个最重要的硝态氮运移参数，为农田土壤中硝态氮运移模型的参数选择和硝态氮运移规律的研究提供科学依据。

2. CXTFIT 分析模型的描述CXTFIT 2.0模型可以用于确定实验室和田间条件下, 溶质运移模型的适应性参数, 也可以直接确定一定时间、一定空间内的溶质运移的模型参数[4]。

该模型描述如下:)()()()(x x s c c J xc D x s c t s b l s b r l w r b r γρθγµρθµθρθ++−−−∂∂∂∂=+∂∂ 上式中c r 是液相的剩余浓度（mol/m 3）, s 是吸附相浓度(mol/m 3), D 是弥散系数(m 2/h),θ是容积含水量(cm 3/cm 3),J w 是水通量密度(m/h), ρb 是土壤容重(Mg/m3),u l和u S分别是液相和吸附相溶质的降解系数, r l和r S分别为液相和吸附相的活度系数, x为距离(L),t为时间(h)。

3.材料与方法3.1供试土样与基本性质土壤样品采自中国科学院常熟农业生态试验站,土壤为该地区主要水稻土类型—乌栅土。

按自然发生层次分为0-15、15-30、30-50、50-70 cm,共4层。

土壤的基本性质见参考文献[5]。

3.2试验方法3.2.1硝态氮运移的人工模拟土拄实验模拟土柱为内径10.3cm，高50-100cm的圆柱体PVC管。

先在PVC管底部装入1cm厚的石英砂作为反滤层，再将扰动土样按实地测得土层厚度和土壤容重称重后填装入PVC管形成模拟土柱，在土层表面也装上1cm厚的石英砂以防加样时将土层破坏。

在安装土柱时，特别注意将土柱壁边缘的土壤压实，以确保无贴壁水流入渗即边缘效应的产生。

3.2.2 硝态氮运移实验用马氏瓶控制水头高度，以蠕动泵控制流速，先泵入去离子水充分淋洗土柱2-3天, 直至检测不到硝态氮为止。

然后分别加入100ml含100 mg/L 硝态氮的KNO3溶液, 进行示踪试验,当土壤表层保持0.5cm水层时,即在饱和条件下进行示踪试验。

当KNO3溶液入渗完毕后,随即加入去离子水再淋洗土柱,根据不同的质地所含粘粒不等的情况，在0-15cm土层每10min、15-30cm每2h、30-50cm、50-70cm 土层每1h取一次淋洗液样品分析硝态氮的浓度。

3.2.3 硝态氮分析方法测定土壤中硝态氮用Cu-Cd还原法-比色法[6]。

3.2.4 硝态氮运移参数的确定将经单位时间所得的相对浓度以及其它物理性参数输入CXTFIT模型，对其进行拟合和运算，得到模拟的硝态氮运移穿透曲线和弥散系数、平均孔隙水流速等硝态氮运移参数。

再将模拟值与实测值进行拟合和相关性分析，进行本模型在测定硝态氮垂直运移过程中参数的适应性评价。

4 结果与讨论4.1 参数的确定与预测结果确定参数最简便的方法是进行室内模拟试验, 用试验资料反求参数。

由于土壤是一个多相体系，所以实验室测定的结果与田间测定的结果差异较大，它的纵向和横向的变异性更大。

为此，根据实际情况能在野外测定的基本参数就在野外田间直接测定，无法在田间直接测定的参数就采集土样在实验室进行测定。

本模拟试验中所用的基本参数列于表1。

将表1中的实测值(L: 土层厚度; V: 平均孔隙水流速; R : 阻滞系数) 和估计值 (D 、β、ω ) 等输入CXTFIT 分析模型进行运算可得图1中各土层的模拟穿透曲线, 从图中可以看出模拟的穿透曲线与实测的穿透曲线基本相符。

表1. 输入模型的硝态氮运移参数土层深度 （cm ） V (cm/h ） D（cm 2/h ） R β ω 0-15 5.40 2.0 3.6 0.5 0.2 15-30 5.08 2.0 3.8 0.5 0.2 30-50 4.87 2.0 4.0 0.5 0.2 50-70 4.65 2.0 4.2 0.5 0.2 平均值 5.00 2.0 3.9 0.5 0.2注: R : 阻滞系数(=1+ρb K d /θ) K d : 经验分布常数; β: 非反应物运移模型中的量纲变量(1/R ); ω:无量纲的溶质运移系数(=α(R -1)L/v )，α:一级动力学速率系数.图1. 硝态氮运移过程中的实测值与模型的模拟值4.2 模型预测的精度及其评价由图1 可以看出, 除表层(0-15 cm)土壤的模拟值与实测值略有偏差外, 其余土层的穿透曲线在试验开始至16小时和22小时至试验结束的这两个时间段内基本重合,说明模拟的结果与实测的结果基本符合, 经统计分析其误差值均在3% 以内 (见表2)，这说明了在这段时间里大部分溶质已通过该土层的预报是可信的。

而在穿透曲线的中间部分（16-22小时段）模拟值与测定值有一定的误差, 但此误差也未超过3%, 应该说还是属于允许误差的范围。

而在表层（0-15 cm ）的土层中测得的穿透曲线和模拟的穿透曲线略有偏差，这很可能是表层的有机质含量较高，土壤较其他各层较为疏松，对硝态氮具有一定的缓冲作用所致。

另外，由于在室内模拟试验中用的是扰动土做的人工土柱, 虽然严格按照田间的土壤容重, 但结构已遭破坏, 也势必对模拟结果产生一定的影响。

在模拟过程中除得到模拟的穿透曲线外，主要还得到了溶质垂直运移过程中的弥散系数（D）、平均孔隙水流速（v）和模拟与实测值之间的决定系数（R2），见表3。

从决定系数的变化可以看出，从表层到底层，决定系数的值越来越大, 且均达到表2. 硝态氮运移模型的估计误差编号时间（小时）硝态氮的相对浓度（C/C0）观测值模拟值误差1 0 0 0 02 2 0 0 03 4 0 0 04 6 0.0010 0 . 0.00105 8 0.0050 0.0012 0.00386 10 0.0200 0.0144 0.00567 12 0.0450 0.0523 -0.00738 14 0.0830 0.0997 -0.01639 16 0.1210 0.1348 -0.013810 18 0.1600 0.1532 0.006811 20 0.1820 0.1607 0.021312 22 0.1860 0.1634 0.022613 24 0.1670 0.1630 0.004014 26 0.1380 0.1500 -0.012015 28 0.1070 0.1121 -0.005116 30 0.0650 0.0648 0.000217 32 0.0380 0.0297 0.008318 34 0.0030 0.0113 -0.008319 36 0.0020 0.0037 -0.001720 38 0.0010 0.0011 -0.0001 注：表2. 是供试土壤为30-50 cm 土层的测定值与硝态氮运移模型的模拟值表3. 硝态氮运移模型模拟所得的参数土层深度（cm）饱和含水量（cm3/cm3）V（cm/h）D（cm2/h）R2(n = 20)0 - 15 0.5894 5.441 4.782 0.8502**15 – 30 0.4820 5.081 1.725 0.8690**30 – 50 0.4718 4.845 1.602 0.9797**50 - 70 0.4637 4.168 1.545 0.9816**极显著性水平。

说明用CXTFIT模型来预测预报试验区土壤中硝态氮运移过程的参数是可行的。

故这个模型可用于农田土壤中确定溶质垂直运移的参数。

5 结论用CXTFIT分析模型模拟硝态氮运移过程所得的穿透曲线与实际测定的穿透曲线有很好的一致性; 误差范围在3% 以下。

用CXTFIT分析模型模拟硝态氮的穿透曲线可以得到硝态氮运移过程中的其他参数, 如: 硝态氮的弥散系数、平均孔隙水流速等，求得参数的过程简单、可靠、正确。

在模拟中所得的决定系数均在0.85以上(相关系数在0.90以上, 均已达到极显著水平)。

解决了用其它方法求溶质垂直运移模型参数的困难。

总之，CXTFIT分析模型完全能运用于农田土壤中硝态氮垂直运移参数的确定。

参考文献[1]朱兆良，文启孝.中国土壤氮素[M].南京：江苏科技出版社，1992[2]任理，袁福生，张福锁.土壤中硝态氮淋洗的传递函数模拟和预报[J]。

水利学报，2001，4：21-27[3]马北雁，张一平.BTC确定运移参数的方法[J]。

植物营养与肥料学报，1997，3（1）： 72-80[4]Toride, N F, Leij J, van Genuchten M Th. The CXTFIT code for estimating transportparameters from laboratory or field tracer experiments[N]，Research Report No. 137. U.S.Salinity Laboratory Agricultural Research Service, U.S. Department of Agriculture, Riverside, California. 1995，121 pp[5]陈效民,潘根兴,沈其荣. 太湖地区农田土壤中硝态氮垂直运移的规律[J].中国环境科学，2001，21（6）：481-484.[6]Mulvaney, R L，Nitrogen-Inorgnic Forms, Methods of Soil Analysis[M]. Part 3. ChemicalMethods-SSSA Book Series no. 1996，5: 1123-1157.Determination of nitrate vertical transportparameters in farmland soilChen Xiaomin(College of Natural Resources and Environmental Science, Nanjing AgriculturalUniversity, Nanjing 210095，China)AbstractCXTFIT analytical model was used to study the parameters of vertical transport in this paper. The results showed, the simulated breakthrough curves with CXTFIT analytical model are agree with the measured breakthrough curves. Compared simulating value of model with measured value, the error was below 3% and relative coefficient was over 0.9. The dispersion coefficient and the average pore-water velocity of nitrate vertical transport in simulating process were also obtained. Therefore, the CXTFIT analytical model can be used to determine the parameters of nitrate vertical transport in the farmland soil.Key words: farmland, nitrate, transport parameter。