基于HYDRUS模型的闽江口湿地沉积物铵态氮与硝态氮迁移转化数值模拟研究

本研究针对河口湿地沉积物中NH4+-N和NO3?-N在潮汐作用下的迁移转化机制，通过构建HYDRUS数值模型，揭示了不同潮滩位置和季节中氮转化参数的时空分布规律，发现夏季矿化、硝化和反硝化系数普遍高于秋季，且反硝化作用随淹水深度增加而增强。该研究为河口湿地氮循环管理提供了理论依据和建模方法。

　　

河口湿地作为陆海交汇的关键地带，其沉积物中的氮循环过程对维持生态系统平衡具有重要意义。铵态氮（NH₄⁺-N）和硝态氮（NO₃^?-N）作为溶解性无机氮（DIN）的主要形态，不仅直接影响初级生产力，还通过反硝化、厌氧氨氧化（anammox）等过程参与温室气体排放和水体富营养化调控。然而，受潮汐波动、季节性水文变化及人类活动（如氮肥输入）的多重影响，湿地沉积物中氮的迁移转化机制复杂且动态变化显著。传统野外实验虽能提供实测数据，但存在时间分辨率低、连续性差等局限，难以捕捉潮汐周期中氮转化的动态细节。因此，构建能够模拟复杂边界条件的数值模型，成为揭示河口湿地氮行为机制的关键手段。

在此背景下，本研究以闽江口湿地为研究对象，基于HYDRUS模型开展了潮汐驱动下沉积物中NH₄⁺-N和NO₃^?-N迁移转化的数值模拟研究。通过整合野外监测数据与模型反演，量化了不同潮滩位置和土壤深度下的氮转化参数，并揭示了淹水深度与溶质浓度对氮淋失的调控作用。该研究发表于《Geoderma》，为河口湿地氮管理提供了科学依据。

研究团队主要采用了以下技术方法：基于HYDRUS软件构建水-溶质耦合模型，通过Richards方程描述土壤水分运动，对流-弥散方程模拟氮迁移；利用闽江口湿地2013年5月、8月、11月的野外监测数据（包括NH₄⁺-N、NO₃^?-N含量、土壤体积重量、颗粒组成及潮位数据）进行参数率定；采用敏感性分析（扰动参数±10%）评估关键参数影响；通过逆建模优化矿化系数（γ_w,2）、硝化系数（μ'_w,2）和反硝化系数（μ'_w,3）等转化参数。

3.1. 模拟结果的可行性分析

模型校准后，NH₄⁺-N和NO₃^?-N的模拟值与实测值吻合较好（R²=0.70–0.76）。敏感性分析显示，矿化系数对NH₄⁺-N影响最大（灵敏度0.85），饱和含水率（θ_s）和形状参数（n）对NO₃^?-N迁移具高敏感性。氮转化参数呈现明显时空异质性：夏季（8月）矿化、硝化和反硝化系数普遍高于秋季（11月）；随土壤深度增加，硝化和矿化作用减弱，反硝化增强；淹水深度增加时，反硝化和矿化系数呈上升趋势。

3.2. 湿地沉积物中NH₄⁺-N和NO₃^?-N的时空变化

NH₄⁺-N浓度在5月、8月和11月分别为24.51–45.71 g m^?3、25.67–57.60 g m^?3和20.03–42.60 g m^?3。高潮滩（A–C）在春夏季因淹水频繁导致NH₄⁺-N积累，而秋季低温及盐度升高抑制其吸附。NO₃^?-N浓度范围分别为0.52–3.40 g m^?3、1.14–2.86 g m^?3和0.58–4.87 g m^?3，高潮滩因暴露时间长、氧化条件促进硝化作用，使其浓度显著高于中潮滩（D–F）。垂直分布上，NH₄⁺-N在浅层积累明显，而NO₃^?-N分布较为均匀。

3.3. 湿地沉积物中NO₃^?-N淋失的影响因素

相关性分析表明，淹水深度和溶质浓度是控制NO₃^?-N淋失的关键因子。高潮滩因高程较高、暴露时间长，初始NO₃^?-N含量高，淋失强度大（p<0.05）。粘土含量（Clay%）通过影响土壤持水性间接促进淋失。秋季（11月）因植被吸收减弱及反硝化速率降低，NO₃^?-N淋失量显著高于春夏季。

3.4. 潮汐作用下沉积物中的NO₃^?-N淋失

NO₃^?-N淋失与潮位波动呈滞后性响应（约2天），大潮期间淋失强度随潮位上升而增加，小潮期间中潮滩淋失波动更为显著。高潮滩在11月的淋失量显著高于其他月份（p<0.05），主要因低温抑制生物吸收及反硝化作用。

本研究通过HYDRUS模型成功揭示了闽江口湿地沉积物中氮迁移的时空动态及潮汐驱动机制。结果表明，夏季氮转化活性更高，反硝化作用随深度和淹水程度增强；高潮滩是氮淋失的主要源区，且秋季淋失风险显著提升。该模型为河口湿地氮循环模拟提供了可靠工具，成果对优化湿地生态系统管理、控制氮污染扩散具有重要实践价值。未来需进一步耦合氧传输模块及侧向水氮交换过程，以提升复杂环境下的模拟精度。