土体构型是发育在土壤剖面尺度上的物理非均质现象,是整个土体各层次的分布、排列和组合状况,一般由自然和人为作用形成;其作为农业生产重要的立地条件之一,对水分、养分在土壤中的储存、运移以及作物的根系生长都有相当重要的影响,同时也在较大程度上决定了农田的地力水平和农作物产量。本研究依托于中国科学院STS课题和国家自然科学基金项目,以中国科学院封丘农业生态试验站内实测数据和河南省封丘县1200 km2区域内118组土壤剖面实测数据为研究基础,结合以往土壤调查数据,分析研究区垂向土体的土壤质地,确定不同土体构型的分布状况;通过实时试验得到的研究区土壤理化性质、土壤水氮含量等资料,对研究区土壤水分与氮素时空变化特征进行分析并探讨其成因;利用Hydrus-1D模型对研究区土壤水分运动和氮素运移过程进行模拟,并借助于平衡方程和估算模型计算不同土体构型中的水量储存和氮素淋失;对县域范围内的土体构型分布状况进行分析,并用Hydrus-1D软件对其中分布面积较大的几种构型中的水氮运移进行数值模拟,进而结合其它土壤资料和当地种植方式评估其环境风险。这对封丘县及黄淮海平原潮土区的不同土体构型水分与氮素环境风险及农业种植改良有重要意义。本研究得出以下主要结论:(1)通过对中国科学院封丘生态农业试验站内典型潮土构型0~2 m间的土壤采样分析,获取了典型潮土构型的垂向土层质地分布。封丘站内的典型潮土构型浅层质地偏粗,60~90 cm左右出现一层厚度适中的粘土层,向下质地偏中细,属于黄淮海平原主要土类中比较典型的“蒙金土”构型。(2)对中国科学院封丘生态农业试验站内试验地的16个小区进行土壤水氮的长期观测,得到了一个完整的冬小麦—夏玉米轮作期内农田土壤含水量与硝态氮、铵态氮含量数据。土体垂向含水量在时空分布上明显受到灌溉时间和土体构型的影响,在3月至4月、7月至8月出现两次峰值,60~90 cm处粘土层持水能力较强,含水量最高且变化相对平稳;而硝态氮含量的两个峰值出现在施肥和降水之后,浅层硝态氮含量受施肥的影响较大,中层及以下变化趋势较为平稳,60~90 cm处硝态氮含量一直保持在最高水平。铵态氮由于自身吸附性质在土层中变化并不剧烈,但仍会受到施肥的影响。(3)利用Hydrus-1D软件对土壤水分和硝态氮时空变化进行数值模拟,经校正与验证,获得了拟合度较高的水氮模拟模型。全年0~2 m土体中的水储量在450~700mm之间,趋势波动不大,玉米季水储量大于小麦季,2 m处全年均有水分下渗,且玉米季的下渗量明显大于小麦季;全年0~2 m土体中硝态氮累积量均超过50kg/hm2,且累积量随着施肥量的增大而上升,硝态氮淋失量随施肥量增加而增大,玉米季淋失量明显大于小麦季,2 m处出现了较大的氮素下渗。(4)基于对县域范围内多个采样点的土壤粒径分析,借助垂向层次概化图像及土壤图,得到县域范围内土体构型分布状况:县域0~2 m剖面深度范围内,轻壤土与壤土体积占比最大,二者相加超过了50%,其余的依照分布量排序为砂土、粘土和砂壤土;土体构型分布概况以中-细-粗构型为最多,分布概率达到32.31%,其次是中-中-粗、中-中-细、中-中-中,细-细-细,所占比例都超过了10%。(5)利用Hydrus-1D模型对区域内面积占比大的构型进行变上边界水氮模拟,灌水(降雨)和施肥量的上升会使土层中水氮储量上升,下行增强,实施少量多次灌溉有助于减缓水分与氮素向2 m以下的渗漏,但在缺少保水保肥层的砂质构型中,一般的改良措施无法起到很大的作用,2 m以下土层及地下水污染风险较大。