水稻主导集水区改进氮平衡模块增强SWAT模型中的氮模拟

水稻灌溉区面临着在维持产量的同时实现节水和减排的挑战。土壤与水评估工具（SWAT）模型广泛应用于灌溉区的水文和水质评估，但由于对水层氮动态的描述不当，在表征水稻田氮循环过程方面存在显著局限性。因此，本研究基于水稻田氮平衡改进了SWAT模型，引入了水层中的氮肥水解、氨挥发（AV）、硝化、反硝化和淋失等过程。同时，考虑了土壤对铵氮的吸附-解吸、浓度梯度驱动的氮扩散，以及通过灌溉和排水的氮传输，并在流域尺度添加了铵氮传输过程。随后，改进的水稻田水氮模型（SWAT-PWN）在中国张河灌区的杨树塘流域（55.7%水稻田）进行了评估。结果表明，SWAT-PWN模型能够准确模拟田间尺度的水层总氮（TN）动态和水稻氨挥发通量，并在模拟流域尺度径流和TN负荷方面表现良好。基于2005年至2022年八种水氮管理模式（WNMMs）的情景分析表明，与当前管理模式（CFN180F1）相比，采用干湿交替（AWD）灌溉结合分施肥（AWDN180F2）可在不减产的情况下，分别减少灌溉用水、氨挥发和出口TN负荷10.93%、21.44%和7.72%。本研究为水稻灌溉系统节水减排管理提供了一个经过验证的建模工具。

本研究针对水稻灌溉区氮模拟的不足，开展了改进SWAT模型的研究。研究背景方面，水稻作为全球近半数人口的主粮作物，其灌溉区通过灌溉保障粮食生产，但长期淹水导致氮素以多种形式存在于水层中，可能加剧氮损失。不当的水肥管理会增加地表水中氮浓度，排水时增加氮流失风险，从而加剧农业非点源污染，威胁水质和生态安全。田间实验往往无法充分捕捉灌区尺度的水氮传输和排放，因此分布式水文模型成为模拟水文过程、评估氮负荷和制定优化管理策略的重要工具。SWAT模型作为流域尺度、基于物理、连续时间和空间半分布式模型，可模拟水文循环和养分转化，但其氮模块主要关注土壤区过程，忽略了水稻田水层中关键的氮输入、转化和传输过程，导致对水稻田氮损失的低估。虽然前人研究对SWAT模型进行了改进以更好地表征水稻灌溉系统的水文特征，并添加了氮传输途径，但现有表示仍不完整，需要进一步开发和验证。

为解决这些问题，研究人员开展了以下研究：基于改进的SWAT-PW模型，构建了SWAT-PWN模型，引入了水稻田氮平衡模块，模拟水层中的氮转化过程（如氮肥水解、氨挥发、硝化、反硝化）和水-土界面交换过程（如铵氮吸附-解吸、浓度梯度驱动的氮扩散），并增强了流域尺度的氮传输过程（如铵氮通过排水进入径流）。模型在张河灌区杨树塘流域进行了评估，该流域以水稻田为主，使用了2018-2022年田间观测数据和2005-2022年流域出口数据进行校准和验证。研究结论表明，SWAT-PWN模型能准确模拟田间尺度的水层总氮动态、氨挥发通量、灌溉排水以及流域尺度的径流和总氮负荷。情景分析显示，与当前管理模式（连续淹水、标准氮肥施用、两次分施肥）相比，采用干湿交替灌溉结合三次分施肥（基肥、分蘖肥、穗肥比例为5:3:2）的AWDN180F2模式，可在维持产量的前提下，显著减少灌溉用水、氨挥发和流域出口总氮负荷。这项研究发表在《Agricultural Water Management》上，为水稻灌溉系统节水减排管理提供了有效的建模工具，支持管理人员制定水肥管理策略，实现产量保障、节水和减排的多重目标。

研究人员为开展研究，主要使用了以下关键技术方法：基于改进的SWAT模型，构建了SWAT-PWN模型，模拟水稻田氮平衡和传输过程。模型在张河灌区杨树塘流域（55.7%水稻田）应用，使用数字高程模型（DEM）、土地利用图和土壤数据进行空间离散化，划分水文响应单元（HRUs）。校准和验证采用两阶段方法：先在田间尺度，使用张河试验站2018-2022年的田间水氮平衡数据（包括水层深度、灌溉排水、总氮含量、氨挥发通量）进行水文和氮参数校准；再在流域尺度，使用2005-2022年出口径流和总氮负荷数据进行校准。模型评估使用纳什-效率系数（NSE）、决定系数（R²)、百分比偏差（PBIAS）和均方根误差（RMSE）等统计指标。情景分析考虑了八种水氮管理模式（WNMMs），基于多年模拟平均值评估影响。

研究结果部分，首先介绍了田间水分平衡模拟性能。通过比较模拟和观测的水层深度（PWD）、灌溉排水量，表明SWAT-PWN模型在不同水肥管理模式下模拟精度高，NSE多在0.8以上，PBIAS多在7%以内。其次，田间氮平衡模拟性能良好，总氮含量和氨挥发通量的模拟值与观测值趋势一致，NSE均在0.5以上，RMSE分别在5 kg N/ha和0.3 kg/ha以内。第三，产量模拟验证显示，模型将氮源从硝态氮改为铵氮后，模拟产量与观测值偏差在6%以内，表现良好。第四，流域出口径流校准和验证结果，SWAT-PWN模型与SWAT-PW模型精度相近，R²和NSE均达0.8，PBIAS在20%以内，优于原始SWAT模型。第五，流域出口总氮负荷校准和验证中，SWAT-PWN模型R²为0.89，NSE为0.85，PBIAS为-27.17%，验证期PBIAS为-11.51%，显著优于原始SWAT和SWAT-PW模型，能更好捕捉峰值。第六，不同水氮模式下的水消耗和氮损失分析，表明干湿交替灌溉显著减少灌溉用水约10%，分施肥和减氮可降低氨挥发和总氮负荷，AWDN180F2模式在不减产前提下综合效益最佳。

讨论部分首先探讨了模型开发与评估。与作物模型（如ORYZA）相比，SWAT-PWN在流域尺度模拟水文和氮传输方面更具优势，它更真实地模拟水层中施肥过程，包括氮肥水解和多种氮转化、交换过程，并增强铵氮传输，提供了从田间到流域的完整氮循环表征。模型在多个方面验证了可靠性，包括水层动态、灌溉排水、蒸散发和淋失、总氮含量、氨挥发、径流和总氮负荷。参数敏感性分析显示，氮肥水解系数、氨挥发系数、垂直扩散系数和铵氮吸附系数对氮模拟影响显著，而径流曲线数、土壤可用水量和土壤蒸发补偿系数影响水文过程。情景分析阐明了水氮管理对水消耗和氮负荷的影响，灌溉模式是主要影响因素，干湿交替灌溉、减氮和增加施肥频率可协同减少氮负荷排放，但减氮可能影响产量。模型局限性包括氮平衡模块简化了实际过程，未区分氧化还原交替状态，未来可考虑链接环境因素（如气象因素对氨挥发的影响），并扩展情景分析范围。最后，模型需要更多实地验证，如不同氮形态和淋失通量的长期数据。

研究结论部分，本研究开发了SWAT-PWN模型以改进SWAT模型在水稻灌溉区水层氮平衡和传输过程的模拟适用性。SWAT-PWN模型引入了水层氮平衡模块，增强了水层内氮转化（氮肥水解、氨挥发、硝化、反硝化）和水-土界面交换（铵氮吸附-解吸、浓度梯度驱动的氮扩散、通过淋失的氮传输）等关键过程。同时，该模型增强了从田间经池塘或河道到出口的氮传输过程（包括铵氮通过排水的传输）。田间和流域尺度的验证表明，SWAT-PWN能有效模拟田间水氮动态、作物产量、出口径流和总氮负荷。情景分析显示，与当前管理（CFN180F1）相比，干湿交替结合分施肥（AWDN180F2）可在不减产的情况下，分别减少农业用水、氨挥发和出口总氮负荷10.93%、21.44%和7.72%。SWAT-PWN为评估不同水肥管理实践的节水减排效果、量化农业非点源氮污染和设计田间-流域协同减排措施提供了系统工具。未来需要进一步验证，如淋失氮损失的测量，以提高模型精度。总之，SWAT-PWN在改善水稻主导流域水肥管理方面具有巨大潜力，可用于未来水资源管理、农业实践优化和气候变化对农业非点源污染排放及作物产量影响的估算。