对加利福尼亚州农业用地中通过洪水管理方式进行含氮盐渗漏风险的建模

中国地下水可持续利用通过洪水管理含水层回灌（Flood-MAR）的实践可能对硝酸盐（NO3?）淋溶风险产生不同影响。研究表明，年降水量超过400毫米的湿润地区实施Flood-MAR的额外NO3?淋溶风险较低，而干旱地区和细质地土壤风险较高，因其残留硝酸盐积累更显著。模型显示，Flood-MAR的时间策略（如1月或3月实施）和频率（3天、7天或21天间隔）对风险影响较小，但需注意干旱年份后实施可能加剧风险。建议在干旱气候区谨慎应用Flood-MAR，并加强氮肥管理以减少残留硝酸盐。

　　
洪水水力回灌（Flood-MAR）作为提升地下水可持续性的新兴技术，在农业灌溉中广泛应用。然而，其可能加剧残留硝酸盐（NO??）淋失的风险，尤其是在干旱地区。本研究通过RZWQM2模型模拟了加州中央谷地不同气候和土壤质地下Flood-MAR对NO??淋失的影响，揭示了以下关键发现：

### 一、研究背景与意义
全球灌溉面积自1960年以来翻倍，但过度依赖地下水导致多地区面临水位下降危机。加州作为全球重要农业区，地下水开采占比高达81%，近年持续干旱加剧了地下水枯竭风险。Flood-MAR通过冬季向农田引入洪水水进行回灌，旨在缓解地下水压力，但其可能通过冲洗残留硝酸盐（NO??）污染地下水，尤其在氮肥施用量高（250 kg N/ha·年）和土壤保水能力强的区域。

### 二、方法概述
研究采用RZWQM2模型模拟了33种代表性土壤与5种气候情景（从湿润到干旱梯度）的交互作用。核心参数包括：
1. **气候数据**：从加州灌溉管理信息系统（CIMIS）获取1950-2022年日数据，经PRISM模型插补和异常值校正。
2. **土壤数据**：基于美国土壤分类系统（SSURGO），按质地分为粗质（砂质）、中质（壤土）和细质（黏土）三类，覆盖加州三大典型土壤区域。
3. **Flood-MAR策略**：在10个最湿润年份实施4次水脉冲（每次15 cm），间隔21天（低频）、7天（中频）或3天（高频），分别对应早春（3月）和早冬（1月）实施。
4. **硝酸盐动态**：通过对比基准情景（BAU，无回灌）与Flood-MAR处理，量化额外NO??淋失风险。

### 三、主要研究结果
#### （一）气候对硝酸盐淋失的调控作用
1. **湿润气候（年降水>400 mm）**：自然降水已充分淋洗土壤残留NO??，Flood-MAR仅导致微量额外淋失（粗质土壤中位数+43 kg/ha，细质土壤+152 kg/ha）。
2. **干旱气候（年降水<200 mm）**：因年降水不足，残留NO??长期积累，Flood-MAR显著增加淋失风险（细质土壤中位数+460 kg/ha，粗质土壤+43 kg/ha）。
3. **过渡气候（200-400 mm）**：Flood-MAR在黏土中额外淋失风险最高（中位数+460 kg/ha），壤土次之（+395 kg/ha），砂土最低（+54 kg/ha）。

#### （二）土壤质地与淋失风险的关联性
1. **粗质土壤（砂质）**：天然高渗透性使残留NO??易通过深层渗漏（年均渗漏量>1000 kg/ha）排出，Flood-MAR通过增加渗漏量（年均+43 kg/ha）强化这一过程。
2. **中质土壤（壤土）**：因保水能力介于粗质与细质之间，成为NO??淋失高风险区（年均+395 kg/ha）。其特性导致冬季积水时NO??更易随缓慢渗漏进入地下水。
3. **细质土壤（黏土）**：虽渗透性低，但通过冬季积水促进反硝化作用，使残留NO??减少。然而，Flood-MAR可能打破反硝化平衡，导致额外淋失（年均+460 kg/ha）。

#### （三）Flood-MAR实施策略的影响
1. **时间选择**：早冬（1月）实施比晚冬（3月）更好，因低温抑制硝化作用，减少NO??活化。但两种时间策略的额外淋失量差异小于10%。
2. **频率与水量**：高频（3天/次）与低频（21天/次）策略的额外淋失风险无显著差异，因不同频率的积水周期均未显著改变土壤反硝化潜力。
3. **气候波动**：干旱年份后实施Flood-MAR会加剧NO??淋失，因残留NO??积累量与干旱频率正相关（研究显示持续3年以上干旱可使残留量增加2-3倍）。

#### （四）地下水硝酸盐浓度评估
1. **BAU情景**：干旱区深层渗漏水硝酸盐浓度可达12-18 mg/L（远超饮用水标准10 mg/L），主要因年降水不足无法有效淋洗。
2. **Flood-MAR情景**：额外渗漏使硝酸盐浓度在干旱区提升至14-24 mg/L，但仍低于饮用水标准上限（部分研究显示实际浓度可能接近标准值的80%）。
3. **稀释效应**：长期实施Flood-MAR可通过增加总渗漏量（年均+600 cm）稀释硝酸盐浓度，尤其在湿润区（稀释效果达30-50%）。

### 四、讨论与建议
#### （一）关键机制解析
1. **残留硝酸盐积累阈值**：当年降水<400 mm时，Flood-MAR导致NO??淋失风险显著上升。例如，在年降水278 mm的帕利尔地区，中质土壤Flood-MAR实施后额外淋失量达990 kg/ha（中位数），而粗质土壤仅+499 kg/ha。
2. **反硝化作用的双刃剑效应**：细质土壤因冬季积水期延长，反硝化作用可降低残留NO??，但Flood-MAR可能抑制反硝化效率（如缩短厌氧环境持续时间），导致部分抵消效应。
3. **灌溉效率的潜在影响**：研究假设灌溉完美匹配土壤蓄水能力，但实际灌溉系统效率（通常<80%）可能加剧淋失。建议结合精准灌溉技术（如滴灌）降低风险。

#### （二）管理建议
1. **气候适应性策略**：
- 湿润区（年降水>400 mm）：可安全实施Flood-MAR，但需监测局部渗漏区。
- 干旱区（年降水<200 mm）：应限制实施频率，优先选择早春实施以利用高温反硝化。
2. **土壤质地管理**：
- 粗质土壤：需控制回灌水量（<15 cm次）以避免冲刷。
- 中质土壤：建议搭配绿肥作物或覆盖作物，降低残留NO??。
- 细质土壤：需延长冬季积水时间（>21天/次）以促进反硝化。
3. **水氮协同调控**：
- 结合氮肥管理（如优化追肥时间），减少单位水量中的NO??负荷。
- 采用轮作制度（如玉米-豆科轮作），将NO??淋失风险降低30-50%。

#### （三）研究局限性
1. **模型简化**：未考虑地表径流对NO??的再分配作用，实际可能低估风险（如暴雨年份地表径流携带NO??）。
2. **作物特异性**：以玉米为模型作物，但实际需考虑其他高耗氮作物（如棉花、葡萄）的差异。
3. **长期效应缺失**：模拟周期仅37年，难以预测气候变化下的长期累积效应。

### 五、结论
Flood-MAR在湿润气候区（年降水>400 mm）的额外NO??淋失风险可忽略，但对干旱区中质土壤的风险需警惕。最佳实践应结合气候监测与土壤质地，选择早冬实施、控制回灌频率，并配合氮肥优化与cover crop种植。研究结果为加州《可持续地下水管理法案》提供了科学依据，强调需因地制宜制定回灌策略，而非一刀切推广。