稻田面源污染氮素流失是水體富營養(yǎng)化的重要來源。田面水是降雨和人為排水驅動下稻田氮素徑流流失的“起點”。田面水總氮（TN）濃度變化普遍符合一級動力學（Ct=C0·e-kt），受當?shù)丨h(huán)境背景和人為農藝管理的影響，其初始濃度（C0）和衰減系數(shù)（k）具有時空異質性，從而導致基于單點試驗獲取的參數(shù)無法實現(xiàn)環(huán)境和人為管理變化條件下的田面水氮素動態(tài)模擬。作為稻田氮素流失的重要初始條件，田面水氮素動態(tài)模擬可以科學指導氮素流失風險識別、預警與應急調控，減少多點監(jiān)測的人力物力成本。 針對上述問題和需求，中國科學院精密測量科學與技術創(chuàng)新研究院面源污染研究團隊聯(lián)合中國農業(yè)科學院農業(yè)資源與農業(yè)區(qū)劃研究所，基于多點研究系統(tǒng)解析了稻田田面水氮素動態(tài)變化規(guī)律，提出了國家尺度稻田田面水氮素動態(tài)模擬方法，揭示了稻田氮素流失防控關鍵期以及影響初始濃度和衰減系數(shù)的關鍵因子。結果表明：1）施肥后7天是稻田氮素流失防控的關鍵期，第7天田面水TN濃度普遍降低80%-95%；在我國三大水稻主產區(qū)，長江流域TN濃度最高，其次為東北稻區(qū)和東南沿海；不同生育期衰減系數(shù)k表現(xiàn)為穗肥期>分蘗期>基肥期；除穗肥期東南沿海稻區(qū)平均衰減系數(shù)高于長江流域和東北稻區(qū)外，基肥期和分蘗期衰減系數(shù)k均表現(xiàn)為長江流域（0.33；0.31）>東南沿海（0.24；0.29）>東北平原（0.22；0.23）（圖1）。2）施氮量、土壤pH、土壤有機質含量、土壤質地是影響初始濃度C0和衰減系數(shù)k變化的關鍵因子，通過定量表達C0和k改進一級動力學方程，構建了分區(qū)、分生育期的日尺度田面水氮素動態(tài)變化模型；基于69個單點精度驗證，決定系數(shù)R2為0.64-0.93，模擬結果時空分布均與多點監(jiān)測結果一致，該模型在國家尺度不同水稻產區(qū)和生育期應用良好（圖2）。3）基于新方法實現(xiàn)了國家尺度稻田田面水氮素逐日動態(tài)變化模擬（圖3）。以基肥期前7天為例，施肥后第1天TN濃度較高的地區(qū)主要分布在施肥量高的長江流域，施肥后第2天起東北稻區(qū)較低的衰減速率導致其TN濃度偏高；施肥后第7天全國田面水TN濃度平均降低約90%。結合降雨和農藝措施分析，長江流域施肥量大與降雨量大耦合，氮素流失的潛在風險最高，需針對關鍵期重點防控；東北稻區(qū)TN濃度偏高，但降雨量小，合理控制人為排水可有效減少氮素損失。 上述研究成果以“Improved estimation of nitrogen dynamics in paddy surface water in China”為題發(fā)表于環(huán)境科學與生態(tài)學TOP期刊Journal of Environmental Management上（IF=6.789），精密測量院阮舒荷博士為第一作者，莊艷華副研究員（2018年會員）、杜耘研究員為共同通訊；同時授權發(fā)明2項。該研究得到國家重點研發(fā)計劃、湖北省自然科學基金（杰出青年項目）、國家自然科學基金、中國科學院青年創(chuàng)新促進會等項目資助。 成果： Shuhe Ruan, Yanhua Zhuang*, Liang Zhang, Sisi Li, Jingrui Chen, Weijia Wen, Limei Zhai, Hongbin Liu, Yun Du*. Improved estimation of nitrogen dynamics in paddy surface water in China. Journal of Environmental Management, 2022, 312: 114932. 文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2022.114932 莊艷華; 張亮; 劉宏斌; 翟麗梅; 范先鵬; 李旭東; 胡萬里; 張富林; 陳靜蕊. 基于稻田面源污染關鍵風險時期的田溝塘聯(lián)合調控方法, 發(fā)明, 專利號: ZL 201810389822.1, 授權時間: 2020.12.3. 莊艷華; 張亮; 劉宏斌; 翟麗梅; 杜耘. 面向用戶的稻田水量水質遠程調控方法, 發(fā)明, 專利號: ZL201710605360.8, 授權時間: 2020.5.8. 
圖1 基于多點試驗的中國稻田田面水TN變化特征：a-c分別為東北稻區(qū)、長江流域和東南沿海水稻種植區(qū)田面水TN濃度；d.水稻三大主產區(qū)田面水總氮衰減系數(shù)k
圖2 基于多點數(shù)據(jù)驗證的改進的一級動力學模型精度：a.基肥期；b.分蘗肥期；c.穗肥期
圖3 國家尺度稻田田面水TN濃度時空分布模擬：a-g分別為施肥后1-7天
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