利用HYDRUS-2D软件对处理过的废水进行次级灌溉对氮化合物和地下水位影响的数值模拟

《Agricultural Water Management》：Numerical modelling of the effects of sub-irrigation using treated wastewater on nitrogen species and groundwater levels using HYDRUS-2D

本研究基于HYDRUS-2D模型，模拟比利时Kinrooi农业场地下水动态及氮化合物（NH??、NO??、NO??）迁移，发现灌溉使地下水位最高上升0.4米，灌溉停止后非线性下降。氮化合物受土壤吸附、硝化及反硝化影响，氨态氮和亚硝态氮浓度短暂升高，但硝态氮因背景浓度高未显著变化，均符合地下水质量标准。研究揭示了水文地质条件与生物地球化学过程的耦合作用机制。

　　在当前的全球水环境中，随着气候变化的加剧，淡水资源的短缺问题日益严重，尤其是在温带湿润地区，农业灌溉对水资源的需求也变得更加紧张。为了应对这一挑战，研究人员开始探索利用处理后的污水进行地下灌溉的方法，这种方法不仅能够缓解干旱季节的用水压力，还能将营养物质直接输送至作物根系区域，从而促进植物生长并减少化学肥料的使用。然而，这种做法对地下水的水质和水位可能会产生影响，因此需要通过科学的模型进行评估，以确保其可持续性和安全性。

本研究利用HYDRUS-2D软件建立了一个反应性迁移模型，用于模拟比利时Kinrooi地区农业试验田在使用处理后的污水进行地下灌溉后的地下水变化以及氮化合物（如NH??、NO??和NO??）在非饱和带和地下水中的迁移和转化过程。模型基于三年的现场数据进行校准，包括地下水水位的时间序列和氮化合物的浓度数据。研究发现，地下灌溉在干旱季节能够将地下水位提升最高达0.4米，而在灌溉结束后，地下水位则以非线性方式下降，其中约有一半的上升在第一个月内消散，其余部分则在接下来的三个月内逐渐恢复到基准水平。尽管地下灌溉对氮的迁移和淋溶有轻微影响，但这些影响主要局限于灌溉区域，并且在灌溉结束后一个月内显著减弱。研究还指出，非饱和带中NH??和NO??的浓度下降了约10%，而地下水中的氮化合物浓度始终保持在允许的阈值以下，表明这种灌溉方式对地下水质量的影响较小。

从研究区域的地质特征来看，该地区土壤层结构复杂，包含细沙与低渗透性的粉砂交替层，覆盖在较厚的粗砾层之上。这种地质结构对地下水流动和氮化合物的迁移产生了重要影响。模型结果显示，由于地下水流动主要向东，灌溉区域的地下水位上升会比非灌溉区域更为显著，尤其是在灌溉结束后的数月内，这种影响仍然存在。然而，随着灌溉停止，非饱和带逐渐干燥，土壤含水量减少，导致地下水流动和氮化合物迁移的速率下降，最终恢复到灌溉前的状态。这表明，地下灌溉对地下水的影响具有一定的暂时性，但其对地下水系统仍有一定作用。

氮化合物的迁移和转化过程受到多种因素的影响，包括土壤层的渗透性、植物吸收、吸附作用以及氮的氧化和还原反应。研究发现，NH??在土壤中的吸附能力较强，特别是在中层土壤中，这与其正电荷特性有关，能够通过静电作用与土壤中的负电荷矿物和有机质结合。相比之下，NO??和NO??的吸附能力较弱，因此它们在土壤中的迁移更为显著。此外，氮的氧化（即硝化）主要发生在上层土壤中，而还原（即反硝化）则在下层土壤中更为活跃，这与土壤中的氧化还原条件密切相关。这些过程共同作用，使得氮化合物在土壤和地下水中的浓度受到有效调控，从而减少了对地下水的污染风险。

在研究中，还对不同场景进行了模拟分析，以评估地下灌溉系统对氮化合物浓度的影响。例如，当模型排除了吸附、植物吸收和氮循环反应时，模拟结果显示氮化合物的浓度显著上升，尤其是在浅层地下水区域。这表明，自然的生物地球化学过程在氮化合物的去除和迁移中起着关键作用。而当这些过程被纳入模型时，氮化合物的浓度则有所降低，进一步验证了其在氮循环中的重要性。此外，研究还发现，尽管处理后的污水中含有一定量的氮化合物，但由于长期的化肥使用已经使地下水中的背景氮浓度升高，因此地下灌溉对地下水中的氮化合物浓度的影响相对有限。

模型的校准和验证结果显示，HYDRUS-2D在模拟地下水水位和氮化合物迁移方面具有较高的准确性。然而，模型的某些参数，如水力传导率和扩散系数，对模拟结果的敏感性较高，因此准确获取这些参数对于提高模型的预测能力至关重要。研究还发现，氮的转化和迁移不仅受土壤物理性质的影响，还受到生物地球化学过程的调控，例如植物吸收、吸附作用和硝化与反硝化反应。这些过程的综合作用有效降低了氮化合物在地下水中的浓度，使得处理后的污水灌溉在多数情况下不会导致地下水污染。

研究进一步探讨了不同灌溉策略对氮化合物迁移的影响，包括灌溉时间、频率和流量。结果表明，在干旱季节增加灌溉量和流速可以提高作物的水分供应，同时在一定范围内控制氮化合物的浓度，使其不会超过欧盟地下水质量标准。这种优化策略有助于在满足作物生长需求的同时，减少对地下水的潜在污染风险。此外，研究还强调了土壤背景氮浓度的重要性，特别是在长期使用化肥的地区，地下水中的氮化合物浓度已经较高，因此处理后的污水灌溉对地下水的影响相对较小。

在实际应用中，地下灌溉系统的管理需要综合考虑土壤特性、地下水流动方向以及氮化合物的迁移路径。例如，不同土壤层的渗透性和扩散性差异较大，这可能会影响氮化合物的分布和迁移速率。因此，为了实现最佳的灌溉效果，应根据土壤的实际情况调整灌溉的深度和时间。此外，氮化合物的迁移和转化还受到微生物活动的影响，例如硝化和反硝化过程，这些过程在不同的土壤层中表现出不同的强度，这与土壤的氧气供应和还原条件密切相关。

本研究的结果表明，地下灌溉系统在提升地下水位和减少灌溉损失方面具有显著优势，尤其是在干旱季节。然而，这种系统对地下水的影响是有限的，尤其是在氮化合物的浓度方面，其对地下水的污染风险较低。因此，地下灌溉可以作为一种可持续的农业灌溉方式，尤其适用于水资源短缺的地区。然而，为了确保地下水的质量安全，应进一步研究和优化氮化合物的迁移路径，以及土壤和地下水中的生物地球化学过程，以减少潜在的环境风险。

总体而言，本研究通过建立和校准反应性迁移模型，揭示了地下灌溉系统对地下水位和氮化合物浓度的影响。研究结果不仅有助于理解氮化合物在土壤和地下水中的迁移机制，还为未来在类似农业环境中推广地下灌溉提供了科学依据。同时，研究也强调了模型在预测地下水动态和氮化合物迁移方面的有效性，以及对不同土壤层和时间尺度的适应性。这些发现为水资源管理和农业可持续发展提供了重要的参考价值，同时也为未来研究提供了方向，如探索更复杂的化学反应和竞争性吸附过程，以进一步提高模型的预测精度。