华北平原井灌粮区氮淋溶对地下水影响机理及模拟模型研究

Large amount of straw returns and fertilizer applications increases dissolved organic nitrogen, ammonium and nitrate leaching into groundwater, and this causes the problem of groundwater contamination in agricultural irrigation area of North China Plain. This research program will be conducted in the Peoples' Victory Canal Irrigation District (PVCID), which is a typical agricultural well-irrigation area in North China Plain, base on the survey and analysis of the study area, laboratory experiments and field monitoring , to 1) investigate the dissolved organic nitrogen, ammonium and nitrate transport and leaching patterns in vadose zone and identify the main controlling factors; 2) analyze the spatial-temporal variations of groundwater level and dissolved organic nitrogen, ammonium and nitrate contents in groundwater, thus, to clarify the mechanism of nitrogen leaching effect on groundwater based on the nitrogen leaching characteristics monitored by the in situ leaching devices and nitrogen transport characteristics in groundwater; 3) establish a distributed hydrologic model for dissolved organic nitrogen, ammonium and nitrate transports in vadose zone-groundwater system under irrigation, fertilization and straw return conditions, and propose the control measures for groundwater nitrogen pollution reduction with different scenarios analysis based on the model simulations. This research can provide theoretical meanings to understand mechanism of different forms of nitrogen leaching effect on groundwater quality, and is beneficial to efficient use of nitrogen fertilizer and protection of the groundwater environment.

华北平原灌区大量的秸秆还田和施用无机化肥造成可溶性有机氮、铵态氮和硝态氮淋溶进入地下水，出现了严重的地下水水质污染问题。本项目以华北平原典型井灌粮区人民胜利渠灌区为研究对象，通过对研究区调查与分析，开展室内试验及野外监测，探索灌区包气带可溶性有机氮、铵态氮和硝态氮淋溶规律，识别其主要影响因素；分析地下水水位和地下水中可溶性有机氮、铵态氮和硝态氮时空变化规律，基于土壤原位淋溶装置监测的氮淋溶过程和地下水中氮运移特征，揭示可溶性有机氮、铵态氮和硝态氮淋溶对地下水水质的影响机理；建立灌溉、施肥和秸秆还田驱动的灌区包气带-地下水系统可溶性有机氮、铵态氮及硝态氮运移的分布式水文模型，通过灌溉、秸秆还田和施肥制度情景分析模拟，初步提出地下水水质污染防治措施。研究成果对于认识井灌粮区包气带氮淋溶对地下水水质影响机理具有重要的科学意义，同时对于指导灌区氮肥高效利用和保护地下水环境具有重要的应用价值。

农业灌区在灌溉、施肥和秸秆还田等多因素影响下地下水氮素污染问题严重，包气带氮淋溶规律及其对地下水的影响机理尚不清楚，即降低氮肥利用率也阻碍地下水氮素污染防治。本研究以华北平原人民胜利渠灌区为研究区域，连续两年收集气象、灌溉、施肥、植被和作物生长等资料，开展野外现场监测、土壤和地下水采样和室内试验，分析了地下水位及土壤和地下水理化性质，开展了室内铵态氮的吸附解吸动力学热力学试验。基于野外监测和室内试验，分析了土壤及地下水中总氮、硝态氮、铵态氮、亚硝态氮和可溶性有机氮时空变化特征。灌区土壤氮负荷以可溶性有机氮和硝态氮为主，其次为铵态氮。灌区地下水污染以硝态氮为主，其次为铵态氮。建立了土壤铵态氮吸附动力学方程和吸附热力学等温方程，土壤质地和土壤有机质含量是铵态氮吸附解吸参数主要影响因素，铁和锰水合氧化物对铵态氮吸附解吸也有一定影响，土壤铵态氮吸附容量小和吸附强度低可能加剧地下水铵态氮污染。基于土壤氮负荷时空分布特征、土壤氮吸附影响因素和地下水氮含量时空变化特征，分析了降雨、灌溉、施肥、作物、土壤质地、土壤含水量、土壤氮负荷、地下水埋深和理化性质等因素对地下水不同形态氮含量时空变化的影响。结果表明，空间上，地下水埋深是地下水氮含量变化的主要影响因素，时间上降水（灌溉）和施肥是地下水氮含量变化主要因素。构建并改进了SWAT模型氮运移模块，加入了包气带铵态氮吸附解吸和运移模块，耦合了SWAT-N和MODFLOW（MT3D）模型。将SWAT-N模拟输出的包气带入渗补给、硝态氮淋溶量和铵态氮淋溶量作为MODFLOW（MT3D）的水源及氮源，模拟了包气带和地下水中硝态氮和铵态氮时空变化并识别了重污染区，耦合模型参数有待于进一步校准进而提高模型模拟效果和开展情景分析。研究成果对于认识灌区包气带氮淋溶对地下水影响机理提供了理论依据，可为灌区的水肥管理和地下水污染治理提供决策依据。已发表SCI论文2篇，已发表中文核心论文2篇，另有SCI论文接收1篇，培养研究生4名。