流域水-氮循环机理与分布式耦合模拟研究

Water cycle is the main driving force and migration carrier of nitrogen cycle. Water - nitrogen cycle coupling research is not only the significant demand of non-point source pollution treatment and farmland environmental construction in our country, but also the frontier scientific issue in water cycle and biogeochemical contact. Watershed is the basic scale to study the water cycle and its associated processes. For the scientific understanding and systematic analysis of processes and interaction laws of watershed water - nitrogen cycle, the project attempts to study the processes, coupling mechanism, mechanism of action and evolution of watershed water - nitrogen cycle from the four levels of experimental research, the mechanism analysis, numerical simulation and attribution recognition, to develop watershed water - nitrogen cycle coupling simulation technology, enrich basic theory and simulation methods of watershed water cycle and its associated processes, provide support for efficient use and scientific regulation of watershed water - nitrogen resource. The main contents of the research include: ①Farmland soil water - nitrogen migration experiments and numerical simulation; ②Resolving watershed water cycle and its associated nitrogen migration process; ③Distributed watershed water - nitrogen cycle coupled simulation; ④Water - nitrogen cycle and its evolution attributing of a typical watershed. Expected innovation: first, the resolution of water - nitrogen cycle coupling mechanism for the whole process on watershed scale; second, the distributed watershed - nitrogen simulation method based on water - nitrogen cycle processes coupling.

水循环是氮循环的主要动力和运移载体，水-氮耦合研究不仅是我国面源污染治理和农田环境建设的重大实践需求，也是水循环与生物地球化学联系的前沿科学问题。流域是研究水循环及其伴生过程的基本尺度，为科学认知流域水-氮循环机理，系统解析水-氮循环过程与相互作用规律，项目拟从试验研究、机理剖析、数值模拟和归因识别四个层面研究流域水-氮循环过程、耦合机制、作用机理与演变规律，研发流域水-氮循环分布式耦合模拟技术，丰富流域水循环及其伴生过程基础理论与模拟方法，为流域水-氮资源高效利用和科学调控提供支撑。项目主要研究内容包括：①典型农田土壤水-氮运移试验与数值模拟；②流域水循环及其伴生氮素运移过程解析；③流域水-氮循环分布式耦合模拟；④典型流域水-氮循环及其演变归因。预期创新点：一是流域尺度水-氮循环耦合机制全过程解析；二是基于过程耦合的流域水-氮循环分布式模拟方法。

水循环是氮循环的主要动力和运移载体，水-氮耦合研究不仅是我国面源污染治理和农田环境建设的重大实践需求，也是水循环与生物地球化学联系的前沿科学问题。流域是研究水循环及其伴生过程的基本尺度，为科学认知流域水-氮循环机理，系统解析水-氮循环过程与相互作用规律，项目拟从试验研究、机理剖析、数值模拟和归因识别四个层面研究流域水-氮循环过程、耦合机制、作用机理与演变规律，研发流域水-氮循环分布式耦合模拟技术，丰富流域水循环及其伴生过程基础理论与模拟方法，为流域水-氮资源高效利用和科学调控提供支撑。项目主要研究内容包括：①典型农田土壤水-氮运移试验与数值模拟；②流域水循环及其伴生氮素运移过程解析；③流域水-氮循环分布式耦合模拟；④典型流域水-氮循环及其演变归因。经过四年的研究，项目取得了以下三方面的成果：一是在循环机理层面，基于试验观测分析，系统提出了伴随水循环过程的氮素运移机理及其相互耦合机制，解析了氮循环伴随着水循环的大气过程、地表过程、土壤过程和地下过程的同步运动机制，为研究流域水-氮循环耦合模拟与调控奠定了理论基础。二是在模型技术层面，基于已有WACM模型平台，研发了考虑“自然-社会”影响的具有物理机制的流域水-氮循环分布式耦合模拟新方法，为定量化系统研究流域/区域尺度水-氮循环通量及其演变归因提供了技术平台。三是在实践应用层面，开发的水循环、氮循环模型成功应用于海河流域北系，系统解析了海河北系水循环与氮循环通量演变特征，对比了水循环通量与氮循环通量在山区与平原区的差异性，定量研究了水循环要素与氮循环要素之间的相关关系，定量提出自然与人类活动因素对区域水循环与氮循环演变的贡献率，为科学制定水、氮资源调控策略，促进跨学科交叉融合，具有重要的理论价值和实践意义。