中文摘要：

农田土壤硝态氮淋失风险的定量化研究对生态农业和精准农业的建立至关重要，该研究中的科学难题之一是对大尺度条件下土壤水氮运移动态的精确模拟和预报，其科学问题的提法为在土壤特性空间变异性分析的基础上，通过对点尺度的非饱和流动与化学物质运移和转化的数学模型进行尺度提升并借助于RS与GIS技术，使之能够描述大尺度下土壤硝态氮的淋失。这是地下水文学领域具有挑战性的应用基础研究问题，对该问题的深入研究，将为区域土壤硝态氮淋失机理的科学认识提供有力的定量分析手段。本研究分别以永乐店和禹城实验站内面积为27m×27m和40m×40m的一块农田为背景，在大量采样、测试的基础上，应用地质统计学描述参数的空间结构关系；由点尺度的机理模型得到硝态氮淋失的时空分布；运用尺度提升方法，寻求农田尺度的等价参数；与RS和GIS技术相结合，探讨模型的多尺度数值解，对北京东郊和山东德州地区的农田土壤硝态氮淋失风险进行预报。

结论摘要：

农田土壤硝态氮淋失风险的定量化研究对生态和精准农业的建立至关重要。在本项目的支持下，我们在田间大量采样的基础上，开展了考虑水力学和矿化参数空间变异条件下的土壤水氮运移的数值分析；探讨了等效土体有效水力参数的估算。我们还在田间使用不同尺寸的双环入渗仪测量了土壤饱和水力传导度，并通过详细的数值模拟探讨了内环直径对测量饱和水力传导度的尺寸效应。我们提出了一种求解非均质多孔介质中饱和水流问题的有限体积多尺度有限元方法，该方法基于有限体积离散和多尺度基函数之间的一种有效耦合。它无需分辨所有的小尺度信息就能在粗尺度网格上有效地抓住解的大尺度结构。为求解非均质系数定义在细尺度上的井驱动的饱和水流问题，我们进一步提出了一种修改的多尺度有限元方法。该方法使用服从于一般边界条件的局部井驱动的水流问题的细尺度解来确定井附近区域的多尺度基函数的边界条件。我们还提出了模拟非均质多孔介质中非饱和水流问题的一种多尺度有限元线性化格式，该格式能够在一个粗尺度网格上精确而有效地获得具有非均质系数的Richards方程的大尺度解。我们还应用SWAP模型、GIS和RS对区域尺度土壤水分动态进行了初步的模拟研究。