基于土壤微环境分层的平原水稻灌区磷污染模型(10) - 灌溉排水学报杂志社投稿

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基于土壤微环境分层的平原水稻灌区磷污染模型(10)

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摘要：

图3 和平灌区磷污染模型的基础资料及子流域划分Fig.3 Primary data and subbasins for phosphorus pollution model of Heping Irrigation District

3.2 模型验证

3.2.1 野外监测试验

本研究分别在2017和2018年5—9月在和平灌区开展了野外监测试验。

试验田：根据典型性、代表性、数据可得性和便利性原则选择与灌区灌溉模式相似的常规灌溉典型试验田，田块大小为100 m×50 m，位于庆安县水稻灌溉试验站。在排水口处安装三角堰，三角堰前安装路格自动水位计记录水位变化，计数间隔10 min，以测量排水量；田间安装2处自动水位计，记录田面水深；田块灌溉水量采用进水管的水表计数。试验田每5 d取水样1次，排水期适当加密，人工取样200 mL，原状水样送实验室分析，测定磷浓度。利用DGT（Diffusive Gradients in Thin-films）和HR-Peeper装置原位测量垂向土壤和孔隙水磷和铁含量。监测数据主要用于试验田尺度模型水文和水质验证。

排水支沟：灌区区域尺度上选择2条控制范围明确的排水支沟，分别为一排水和七排水，具体位置见图2。在排水支沟末端布设超声波多普勒流量计监测其排水量，监测时间间隔为1 h，并采用TC-8000D自动取样器（青岛溯源环保设备有限公司）定期采取水样。采样频率为7 d 1次，有暴雨时加密采样频率。原状水样送实验室分析，测定磷浓度。监测数据主要用于区域尺度模型水文和水质验证。

3.2.2 试验田尺度模型验证

模型模拟了试验田生育期各层土壤含水率、田面积水深度和地表排水量。初期，灌溉用水应用于干旱的试验田，形成田面积水。除强制排水期（穗形成期）外，积水深度随降雨和灌溉而变化。为了促使模型稳定，将2017年获得的实测数据（有缺失）和2018年泡田期前的土壤含水率数据作为模型的初始数据进行预热，但未考虑冬春季冻融对土壤水分运动的影响。田块饱和含水率和田间持水量分别取为55.9%和39.6%。计算步长为1 d，通过调整模型参数使模拟值与实测值吻合，得到模拟田间水深和田块排水的变化过程，如图4所示。根据图4可以看出，6月5日—6月20日为水稻分蘖前期，需水量较大，一般不需要排水，初步确定三角堰安装高度使田面水位高于10 cm时排水；6月20日水稻开始进入分蘖中期和后期，这时水稻田需要控制水层深度保持在较低水位，进而抑制无效分蘖，促进抽穗开花，故6月20日之后调整三角堰高度为水位高于5 cm时排水，因此之后降雨较多时，水稻田排水量远大于分蘖前期的排水量。总体上，模型输出符合实测资料，较好地预测了生育期稻田水分平衡状况。

试验田积水层及排水的磷浓度模拟结果与实测结果对比如图5所示。磷浓度变化主要受施肥影响，图5a中5月和7月2个峰值是由于基肥和穗肥释放到上覆水中所致。灌溉水的水质对积水层的磷浓度也有一定影响，在曲线中形成一些小凸起。因田间排水是间断性的，排水浓度的模拟值和实测值散点图（图5b）也显示出了很好的相关性。

模型还模拟了田块不同土壤层颗粒物和孔隙水中磷的浓度分布，图6所示为分蘖期和拔节孕穗期土壤水可溶磷浓度分布结果。同时，将不考虑土壤微环境变化的模型模拟结果与本模型模拟、实测结果进行了对比。两模型的主要区别是不考虑微环境变化的模型中不考虑各层土壤溶解氧和pH值的差异，所以模型中磷在不同层土壤—水中的分配系数是相同的，且不随时间发生变化。由图6可知，不考虑土壤微环境变化模型对耕作层下部（无氧层）水中磷浓度是低估的，而对有氧层土壤水和上覆水中磷浓度是略微高估的。图6中均方根误差（RMSE）和决定系数（R2）表明本模型给出了与原位实测结果更接近的结果，可见考虑土壤微环境变化及分层对磷污染模拟是必要的。

图4 田面积水深度和排水流量验证Fig.4 Verification of ponded water depth and surface runoff discharge in paddy field

图5 试验田积水层及排水的总磷浓度验证Fig.5 Verification of total phosphorus (TP) concentration of ponded water and drainage in experimental field

3.2.3 灌区区域尺度模型验证

灌区典型排沟一排和七排的排水过程与实测排水量对比如图7所示。由图可以看出，一排、七排排水流量峰值较一致，分别是6月29日、7月13日、7月20日、以及7月25日，以上几次峰值都是由于降雨较多产生的集中排水流量较大。一排和七排的排水总磷（TP）浓度与实测浓度对比如图8所示。区域排水中TP浓度波动较大，整体呈波动减小趋势，第1次峰值是由于基肥施用后首次由于降雨造成田块排水形成的径流携带了较多的磷，第2次峰值是6月下旬早施穗肥后降雨产生的排水携带了一定量的磷，经过几次排水的冲刷，磷流失较多，后期没有施用磷肥，因此排水中的磷含量平稳的减小。

文章来源：《灌溉排水学报》网址: http://www.ggpsxbzz.cn/qikandaodu/2021/0127/492.html