研究背景：

不可忽视的微地形因子

水稻是全球近半数人口的主粮，氮肥对维持产量至关重要。然而，中国氮肥用量占全球近三分之一，氮素利用率偏低，由此引发的农业面源污染问题日益严峻。随着气候变化导致极端降雨事件频发，这一问题更加突出。长期以来，田间微地形对水氮运移的调控作用被忽视。微地形差异会改变地表水分布与滞留时间，进而影响土壤氧化还原条件、微生物活性及溶质迁移路径。尤其是在极端降雨条件下，大量雨水在短时间内输入田间，微地形效应被显著放大，传统的管理模式已难以应对。

研究方法：

HYDRUS-3D精细刻画三维水氮过程

图1 稻田试验总体布局信息：（a）研究区域地理信息；（b）三维示意图；（c）纵剖面示意图。

本研究在湖北屈家岭开展2022—2023年连续两年的稻田试验，监测了不同微地形位置，即低洼区A1/A5、高地A2/A3和过渡区A4的地表水深度，以及0至30厘米深度土壤中NH₄+_-N和NO₃^--N浓度的动态变化（图1）。研究创新性地采用HYDRUS-3D模型，构建了三维水流动与氮素运移模型。与以往常用的HYDRUS-1D或2D模型不同，3D模型能够捕捉田块尺度的地形起伏，同时模拟垂向入渗与侧向水流及溶质运移过程。模型模拟的地表水深度RMSE小于0.5 cm，R²大于0.8；不同深度氮浓度模拟的RMSE多低于2 mg·L^-1 NH4⁺-N和0.4 mg·L^-1 NO₃^--N，R²多高于0.8，验证了模型的可靠性。

研究关键发现：

三类微地形，三类氮素流失风险

图2 稻田不同地形条件下氮素（NH₄⁺-N和NO₃^--N）的转化动力学与淋溶风险解析

模拟结果揭示了微地形对氮素运移路径的系统性差异（图2）：

低洼区A1/A5：由于排水不畅、淹水时间长，反硝化作用占主导，氮素主要通过反硝化和侧向径流流失。极端降雨后，低洼区NH₄⁺-N峰值浓度可达28.6—32.6 mg·L^-1。同时，厌氧条件下高浓度NH₄⁺-N会竞争性抑制水稻对Ca²⁺、Mg²⁺等阳离子的吸收，导致部分水稻出现叶片黄化等症状。

高地A2/A3：排水良好、土壤通气性强，硝化作用活跃，NH4+-N快速转化为NO₃^--N。由于NO₃^--N带负电荷、不易被土壤吸附，在降雨或灌溉驱动下容易向深层土壤（20—30 cm）淋失。2023年高温加速了硝化作用，高地NO₃^--N峰值浓度较2022年升高约7.7%。

过渡区A4：兼具接收高地径流输入和向低洼区输出溶质的“双向通量”特征，是氮素在田块内横向迁移的关键通道，极端降雨后6—12小时内可出现短暂的氮素富集。

未来启示：

低洼区应减少氮肥用量或采用控释肥，避免施肥后立即强排；高地可适量增加施肥频次，配合硝化抑制剂，并避免暴雨后立即排水；过渡区应建设生态拦截沟渠，截留径流中的氮素。

论文信息

Microtopography-Driven Nitrogen Pollution in Rice Fields Under Extreme Rainfall: Mechanisms and Environmental Risks Revealed by Experiments and HYDRUS-3D Simulation

Jin Wu, Juxiu Tong*, Xiaoying Sun

Hydrological Processes

DOI：10.1002/hyp.70564

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期刊介绍

Hydrological Processes (HYP) 是一本国际水文学期刊，专注发表水在环境中运移与储存机制，以及水与地质、生物地球化学、大气和生态系统相互作用的原创性研究论文。期刊致力于推动对水文过程的深入理解，欢迎清晰阐释水文过程作用与机制的研究成果，是水文科学领域的重要国际学术交流平台。

2025 JIF：3.1 ｜ CiteScore：5

https://onlinelibrary.wiley.com/journal/10991085

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