植被过滤带中水氮二维动态的耦合模型评估与优化设计——以岱海盆地为例

针对农业面源污染中氮素垂直流失研究不足的问题，研究人员通过耦合VFSMOD和HYDRUS-1D模型，系统评估了不同入流速率（0.76-1.08 L/s）和茎间距（0.9-1.7 cm）对植被过滤带（VFS）中NO-3-N水平截留与垂直淋失的影响。结果表明，1.7 cm茎间距可平衡建设成本与污染物拦截效率，为半干旱区VFS设计提供科学依据。

　　

随着农业和畜牧业的发展，岱海盆地面临严重的面源污染问题，特别是氮素通过地表径流和垂直渗透进入水体，导致湖泊富营养化。植被过滤带（VFS）作为有效的农业管理措施，虽能拦截水平迁移的污染物，但垂直方向的氮素流失机制尚不明确。此外，极端降雨事件频发进一步挑战VFS的拦截效能，而现有模型如VFSMOD和HYDRUS-1D分别擅长模拟水平径流和垂直溶质运移，但两者的耦合应用鲜有研究。

内蒙古自治区岱海流域节水防污试验站的研究人员通过耦合VFSMOD与HYDRUS-1D模型，以径流深度为链接参数，系统评估了不同入流速率（低0.76 L/s、中0.90 L/s、高1.08 L/s）和茎间距（低0.9 cm、中1.2 cm、高1.7 cm）对VFS中水氮二维动态的影响。研究采用田间试验与数值模拟结合的方法，通过自动气象站、紫外分光光度法（UV-1800）和张力计（WP4C）等设备监测径流、沉积物及NO^-₃-N浓度，并利用RMSE、NSE和R2验证模型精度。

3.1. 模型评估

耦合模型对径流、沉积物和土壤NO^-₃-N的模拟结果与实测数据高度吻合，校准期RMSE分别为0.06-0.08 m3、3.63-4.36 kg和0.02-0.04 mg/cm3，验证期RMSE为0.08-0.13 m3、4.14-5.59 kg和0.04-0.09 mg/cm3，证实模型可有效模拟VFS中污染物迁移过程。

3.2. 径流深度响应

高入流速率（HF）和宽茎间距（HS）显著增加径流深度和持续时间。HF下累积径流深度较中、低入流速率分别增加71.8%和130.3%，而HS较中、低茎间距增加57.6%和89.9%。径流峰值在HF和LS下分别提高3.54 mm和2.70 mm。

3.3. 污染物输出动态

入流速率和茎间距增加均导致径流、沉积物和NO^-₃-N输出量上升。入流速率提升20%时，三者输出量分别增加约30%、40%和30%；茎间距增加30%时，沉积物输出敏感性最高（90.8%）。

3.4. 土壤NO^-₃-N分布

高压渗透阶段（实验开始1小时内），0-20 cm土层NO^-₃-N浓度增幅最大，HF较LF高38.0%。再分布阶段（1-48小时），浅层浓度下降25%，而20-60 cm层增加50%，表明氮素向深层迁移。

3.5. NO^-₃-N通量变化

HF和LS下100 cm土层峰值通量分别达0.38 mg/cm^-1/h和0.34 mg/cm^-1/h，较MF和MS高40.7%和25.9%。48小时累积通量在HF和LS下分别增加39.8%和38.1%。

3.6. 迁移路径转变

入流速率从0.49 L/s增至1.26 L/s时，垂直输送比例（P_{VDRVDR从28.6%降至6.6%，显示植被密度调控氮素迁移路径的关键作用。}

结论与意义

研究首次通过模型耦合揭示了VFS中水氮的二维迁移机制：低入流速率和密植条件下水平拦截占优，而高入流和疏植促进垂直淋失。1.7 cm茎间距被确定为阈值，可兼顾成本与拦截效率。这一成果为半干旱区VFS设计提供了量化依据，尤其对岱海盆地等面临面源污染与地下水风险并存的区域具有重要实践价值。未来需结合植被根系特征和长期气候数据，进一步优化模型参数。