DRAINMOD 模型在模拟美国俄亥俄州中部农田磷氮流失中的卓越价值与优化方向

为探究非点源氮（N）、磷（P）流失对淡水生态系统的影响，研究人员开展 DRAINMOD 模型模拟农田 N、P 动态的研究。结果显示，该模型模拟地下排水流量、NO3--N 和溶解反应性 P（DRP）负荷效果良好，但模拟总 P（TP）负荷较差。此研究为模型改进及应用提供依据。

　　在全球范围内，淡水富营养化问题日益严峻，这一现象与农田等非点源的氮（N）、磷（P）流失密切相关。在西部伊利湖流域，氮、磷的流失导致了有害藻华（HABs）的大量繁殖，严重破坏了当地的淡水生态系统。其中，伊利湖的蓝藻水华主要由磷引发，当然氮也是促成因素之一。为了缓解淡水富营养化问题，人们提出了多种保护措施，比如种植覆盖作物、优化肥料管理等。然而，这些措施单独或联合实施时，对减少磷流失的实际效果却并不明确。

以往的田间实验虽然是研究特定条件和管理措施对养分流失影响的理想方式，但由于资金限制和研究周期较长，难以在不同土壤类型、气候条件和种植系统下，全面考察不同管理措施对氮、磷流失的长期影响。相比之下，水文和水质模型具有成本低、效率高的优势，能够在不同时空尺度上对田间研究结果进行拓展和延伸。

DRAINMOD 作为一款应用广泛的基于过程的田间尺度模型，最初用于模拟排水不良、地下水位高的土壤水文情况。随着时间的推移，它不断发展，如今已能模拟农业和森林生态系统中的水文、生物地球化学以及植被生长和生产力等过程。其中，DRAINMOD-P 是专门为模拟 tile - drained 农田中磷的动态和迁移而开发的版本，并且与之前模拟氮的版本（DRAINMOD-NII）实现了完全集成。不过，DRAINMOD 中磷组件的测试次数较少，而且氮、磷组件也未曾在相同田间条件下同时进行评估。

为了解决这些问题，来自国外的研究人员开展了一项研究，旨在测试 DRAINMOD 新开发的磷组件，并评估该模型同时模拟排水农田中氮、磷动态的能力。研究结果表明，DRAINMOD 在模拟地下排水流量、NO₃^--N 负荷和 DRP 负荷方面表现出了 “良好” 的准确性，但在模拟每月通过地下排水的 TP 负荷时表现较差，总体低估了约 19%。这一研究成果发表在《Agricultural Water Management》上，为后续模型的改进和应用提供了重要的参考依据。

研究人员在开展此项研究时，主要运用了以下关键技术方法：首先，利用位于美国俄亥俄州中北部的人工排水农田的实测数据（2017 - 2020 年）对模型进行参数化、校准和评估；其次，通过水均衡方法模拟土壤柱的水文过程，涵盖了入渗、地下水位波动、地下排水流量等多个方面；此外，还对氮、磷相关过程进行模拟，包括大气沉降、肥料施用、植物吸收等。

研究结果

1. 水文方面：研究期间，实测年平均降水量为 102.8 ± 8.8 cm，年降水量在 2020 年接近平均水平，而在 2017、2018 和 2019 年偏湿润。约 27% 的年降水量通过地下排水流失，平均地下排水量为 27.6 ± 2.9 cm。模型对累积排水流量的模拟较为准确，虽有轻微高估（NPE = 3%），但月排水流量模拟在整个模拟期表现良好（NSE = 0.75）。不过，在冬季和春季，模型模拟存在一些偏差，如对部分日期的排水流量低估，可能与模拟冻融过程的方法有关；而在 2018 年秋季，部分峰值流量事件被高估，可能是由于土壤水力传导率、入渗参数以及大孔隙流的不确定性导致。此外，模拟结果显示大孔隙流对地下排水流量的贡献较小，仅占年排水量的约 4%，模拟的年平均蒸散量和垂直渗流量与文献报道值相当。
2. 氮方面：实测年平均地下 NO₃^--N 负荷为 20.9 ± 4.8 kg?ha^-1，其损失与排水流量呈正相关，且受作物类型和肥料施用影响。模型模拟的累积地下 NO₃^--N 负荷在校准期高估，验证期低估，总体低估 4.4%，但月 NO₃^--N 负荷模拟在整个模拟期表现良好（NSE = 0.63）。模拟的其他氮相关过程，如大气沉降、净矿化、植物吸收和反硝化等，与文献报道的模拟值和测量值相符。
3. 磷方面：实测年平均地下 DRP 和 TP 负荷分别为 35.3 ± 4.7 g?P?ha^-1和 387.3 ± 59.1 g?P?ha^-1，DRP 损失大多随排水流量变化，而 TP 损失在不同年份受耕作实践和降水等因素影响。模型模拟的累积地下 DRP 负荷在校准期高估，验证期低估，总体轻微低估 0.9%，月 DRP 负荷模拟在整个模拟期表现良好（NSE = 0.63）。然而，模拟的累积地下 TP 负荷在校准期和验证期均大幅低估，总体低估 19.2%，月 TP 负荷模拟在部分时期表现不佳，这可能是由于模型对一些影响 TP 损失的关键因素模拟不准确，如大孔隙流、土壤侵蚀、磷浓度和沉积物积累与释放等。

研究结论和讨论

本研究首次对 DRAINMOD 模型在同时模拟人工排水农田中氮、磷动态方面的可靠性进行了测试，重点考察了磷组件。研究发现，该模型在模拟地下排水流量以及相关的硝酸盐和 DRP 负荷方面具有较高的准确性，但在模拟 TP 负荷时存在不足。这表明，利用实测数据对影响 TP 损失的过程，如大孔隙流和土壤侵蚀等模型组件进行严格测试十分必要。此外，模型中影响 TP 模拟的因素，如模拟土壤中磷富集的方法以及地下排水系统中磷沉积和释放的方式，都有进一步优化的空间。

尽管 DRAINMOD 模型存在一些局限性，但在不同管理实践下，如覆盖作物种植和传统耕作，它对模拟磷流失仍有一定的合理性。如果能根据具体场地条件进行校准，该模型可用于评估保护措施对排水景观中磷迁移的影响，为农业生产中的养分管理和环境保护提供科学依据，对解决淡水富营养化问题具有重要的指导意义。