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为了维持最优产量,肥料在现代农业生产中广泛应用且用量持续增加。大量的氮肥投入和低效率的氮肥利用导致土壤中残余的氮素(N)通过径流携带进入水体或以气体形式排放到大气,对水和大气环境造成极大危害。农业生态系统中N和其他营养元素随径流的流失已成为水体环境恶化的主要原因。氧化亚氮(N2O)、一氧化氮(NO)和氨气(NH3)等含N气体的排放能导致全球变暖、酸雨和大气环境恶化。
定量流域尺度N流失是保证农业生产和生态环境可持续发展的基础；流域景观系统的复杂性意味着定量流域尺度N流失的复杂。近年来,生物地球化学循环过程模型正成为定量N流失不可或缺的工具。然而,生物地球化学循环过程模型往往发展于点位或小区尺度,不具备模拟水平方向水、碳(C)、氮迁移的能力；这在很大程度上制约了模型在流域尺度的应用。在生态系统中,水文和生物地球化学循环过程共同制约N迁移和转化；因此,准确的模拟流域尺度N流失要求模型同时具备较准确的模拟水文和生物地球化学循环过程的能力。本研究通过耦合地表径流(SCS)和泥沙侵蚀(MUSLE)等基本水文过程,使国际上广泛应用的生物地球化学循环过程模型DNDC具备同时模拟水平和垂直方向水、碳、氮迁移的能力。改进的DNDC模型逐日模拟N随地表径流和壤中流的流失,及含N气体的排放。
为了检验模型的模拟能力,新版本的DNDC被应用于模拟四川省盐亭县紫色土丘陵区典型农林复合小流域(以下简称盐亭小流域)N流失。盐亭小流域覆盖面积约35.1公顷,其中农田面积约19.3公顷,林地面积约11公顷,草地面积约1.1公顷,居民区面积约3.7公顷；流域内部以紫色土为主。在气象、土壤、植物、管理等输入数据的驱动下,模型模拟了盐亭小流域典型农田作物生长、径流、土壤侵蚀、N随径流的流失、N2O排放。观测资料与模拟结果的对比表明,模型能较好的模拟小流域内部典型农田作物产量、地表径流、壤中流、泥沙侵蚀、N随径流的流失和N2O排放。为了考察输入参数对新耦合模块的影响,深刻了解模型中径流、泥沙和由径流引起的N流失对相关驱动因子的响应,确定影响盐亭小流域典型农田N随径流迁移的关键因子,本研究对新版本的模型进行了参数敏感性分析。敏感性分析的结果表明,降雨是影响盐亭小流域典型农田N随径流流失的最关键因子。为了考察输入参数的不确定性可能引起的模拟结果的不确定,本研究采用蒙托卡罗方法(Monte Carlo Method)进行了不确定性分析。不确定性分析的结果表明:输入数据的不确定可能导致模拟结果发生较大的变化,但基本情景下(Baseline Scenario)的模拟结果仍处于潜在不确定范围内；且模拟结果与蒙特卡洛随机模拟结果的平均值偏差较小。为了模拟整个小流域N流失,本研究以水文响应单元(HRU)为基本单元建立了支持新版本DNDC模型运行的分布式输入数据库。在数据库的驱动下,模型模拟了盐亭小流域径流、土壤侵蚀、由径流引起的N流失和含N气体排放(N2O,NO,NH3,N2)。观测资料和模拟结果的对比表明,模型能较好的模拟整个小流域径流、土壤侵蚀和由径流引起的N流失。基于分布式输入数据库,模型具备模拟小流域内部N流失空间分布的能力。模拟结果表明,2008年盐亭小流域由径流导致的N流失总量为904 kg Nyr-1,其中约67％来源于农田。模型模拟的含N气体排放总量为1571 kg Nyr-1,其中NH3排放为1480 kg Nyr-1,为含N气体排放主要形式。
本研究表明,通过耦合基本的水文过程,生物地球化学循环过程模型(如DNDC)能具备同时模拟水平和垂直方向水、碳、氮迁移的能力；从而服务于模拟流域尺度N流失。为了进一步检验和发展模型,新版本的DNDC需被应用于更多的流域。流域尺度,土壤中N随径流流失,进入沟渠或河流等水生生态系统,通过汇流过程直至出水口；由于N在沟渠、河流、水库、湖泊等水生生态系统的迁移和转化,流失的N部分消除。DNDC模型主要模拟陆地生态系统C、N迁移和转化,不具备模拟水生生态系统的N迁移和转化过程的能力。本研究依据观测资料简化处理水生生态系统的N迁移和转化过程。为了追踪流域尺度的N迁移和转化,准确模拟出水口N输出,在现有的模型框架中发展模拟水生生态系统N迁移和转化的过程是关键所在。