運(yùn)用WHCNS 模型對(duì)農(nóng)田氮素?fù)p失的驗(yàn)證及分析

杜艾芳DU Ai-fang

（礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160）

0 引言

自1978 年改革開放以來，我國(guó)人口數(shù)量的增長(zhǎng)導(dǎo)致糧食需求不斷上升，而有限的耕地面積使人均耕地面積逐漸減少，所以中國(guó)正在用僅占世界9%的耕地面積養(yǎng)活世界22%的人[1]。華北地區(qū)作為我國(guó)農(nóng)業(yè)集約化生產(chǎn)的主要區(qū)域，以冬小麥、夏玉米等糧食作物生產(chǎn)為主，每年的糧食產(chǎn)量占全國(guó)糧食總產(chǎn)量的22%-25%[2]。

土壤、氣候的特點(diǎn)以及集約化的生產(chǎn)方式造成華北地區(qū)地下水的過量開采和肥料的過量施用，有研究表明過量施用的氮肥除了以硝酸鹽形態(tài)淋失損失外，還會(huì)以氨氣形態(tài)擴(kuò)散到大氣中對(duì)空氣造成污染，同時(shí)農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)收入也因?yàn)榉柿系睦速M(fèi)而嚴(yán)重降低[3]。因此如何及時(shí)而又準(zhǔn)確的定量農(nóng)田-作物體系的氮素?fù)p失顯得尤為重要。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)及布置

①試驗(yàn)地點(diǎn)：位于華北地區(qū)的山東省桓臺(tái)縣，試驗(yàn)區(qū)地勢(shì)平坦，供試土壤為潮褐土。土壤表層0-20cm 為腐殖質(zhì)層，顏色較深，耕層以下粘化現(xiàn)象明顯。

②試驗(yàn)布置。本試驗(yàn)選取符合模型模擬要求的OPT及WS 處理，采用“試錯(cuò)法”，先用2018-2019 年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)率定模型土壤水分和氮素轉(zhuǎn)化與運(yùn)移參數(shù)，然后用2016-2017 年及2017-2018 年的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來驗(yàn)證模型。

優(yōu)化（Optimum-OPT）：冬小麥-夏玉米一年兩熟制，兩季基肥和追肥各一半，基肥為化肥加有機(jī)肥（全氮量1/3的化肥、2/3 的有機(jī)肥）。

節(jié)水（Water Saving-WS）：冬小麥-夏玉米-春玉米兩年三熟制，冬小麥和夏玉米季基肥和追肥各一半，夏玉米季基肥一次，追肥兩次，各三分之一。

冬小麥季施112kg P2O5ha-1和60kg K2O ha-1，夏玉米季施80kg P2O5ha-1和60kg K2O ha-1。春玉米季氮肥平衡施肥，基肥一次，追肥兩次，各三分之一，基肥同時(shí)施96kg P2O5ha-1和100kg K2O ha-1。灌溉量為優(yōu)化灌溉75mm/次，灌溉方式為漫灌。

1.2 WHCNS 模型參數(shù)

WHCNS 模型中水分特征曲線的相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 土壤剖面質(zhì)地及水力學(xué)特性參數(shù)

1.3 模型校準(zhǔn)與驗(yàn)證

本試驗(yàn)選取均方根誤差RMSE、模型模擬效率E 和一致性指數(shù)d 來評(píng)價(jià)模型的模擬值與實(shí)測(cè)值的吻合程度[5-7]：

式中，Pi為模擬值，Oi為實(shí)測(cè)值，O 為實(shí)測(cè)值的平均值，n 為觀測(cè)值的個(gè)數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 WHCNS 模型對(duì)水分滲漏量的模擬效果

由圖1 可知，WHCNS 模型對(duì)水分滲漏量的模擬與實(shí)測(cè)趨勢(shì)基本一致，除WS 處理的春玉米（圖e）以外，其余各年份各處理的模擬值呈現(xiàn)10 月15 日-第二年的2 月15日緩慢增加，到4 月20 日明顯升高趨勢(shì)，之后基本保持水平，到8 月15 日左右呈直線上升趨勢(shì)，但拐點(diǎn)捕獲的不夠準(zhǔn)確。這與梁浩的結(jié)果一致，此模型模擬的土壤水分結(jié)果包含飽和流和非飽和流，而實(shí)測(cè)值采集的主要是非飽和流時(shí)的淋溶液，所以土壤水分滲漏量的模擬值應(yīng)該高于實(shí)測(cè)值[8]。

圖1 土壤水分滲漏量的模擬和實(shí)測(cè)累積圖

從三個(gè)統(tǒng)計(jì)參數(shù)來講，兩個(gè)處理的各年份模型模擬效率E 均為負(fù)值（-0.10 左右），值較小，一致性指數(shù)d 維持在0.16-0.29，均方根誤差RMSE 平均為0.36，說明WHCNS模型對(duì)于水分滲漏量有很好的模擬效果。

2.2 WHCNS 模型對(duì)土壤硝態(tài)氮淋失量的模擬效果

從圖2 模擬的結(jié)果也可以看出，WHCNS 模型對(duì)土壤硝態(tài)氮淋失量的模擬與實(shí)測(cè)趨勢(shì)基本一致，硝態(tài)氮淋失主要出現(xiàn)在夏玉米生長(zhǎng)期，有明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)，但模擬的主要峰值均比實(shí)測(cè)值延后。根據(jù)前人的研究，該結(jié)果是可以接受的[9-11]。

圖2 硝態(tài)氮淋失量的模擬和實(shí)測(cè)累積圖

夏玉米季的土壤硝態(tài)氮淋失量的模擬值與實(shí)測(cè)值均較高于小麥季，說明夏玉米季的模擬效果較好。效率系數(shù)E 和一致性指數(shù)d 值較小，說明模擬值與實(shí)測(cè)值的一致性程度較低，這可能是因?yàn)閷?shí)測(cè)數(shù)據(jù)較少，實(shí)測(cè)值只是針對(duì)能抽取出淋溶水時(shí)來進(jìn)行測(cè)試的，并沒有很好地展示出土壤動(dòng)態(tài)淋失量的變化，同時(shí)運(yùn)用陶土頭加張力計(jì)測(cè)淋溶水的方法可能會(huì)造成對(duì)淋失量的低估。

2.3 WHCNS 模型對(duì)氨揮發(fā)的模擬效果

WHCNS 模型的模擬結(jié)果較好的展示了農(nóng)田施肥與灌溉后氨揮發(fā)的趨勢(shì)，能夠很好的捕捉施肥和灌溉等重要措施的影響。如圖3 所示，模擬值的氨揮發(fā)量是一條連續(xù)的動(dòng)態(tài)曲線，而實(shí)測(cè)值是根據(jù)實(shí)際情況測(cè)量了每次基肥和追肥之后連續(xù)十天的氨揮發(fā)量。從圖中可以看出，WHCNS模型很好的捕捉到了土壤氨揮發(fā)的峰值，且夏玉米季的峰值明顯高于冬小麥季。這與李凡的研究結(jié)果一致[12]。

圖3 土壤氨揮發(fā)量的模擬和實(shí)測(cè)動(dòng)態(tài)圖

效率系數(shù)E 和一致性指數(shù)d 值較大，說明模型模擬值與實(shí)測(cè)值有較高的一致性，均方根誤差RMSE 為0.60-0.71，值較小，說明模擬值與實(shí)測(cè)值的平均值接近。冬小麥季和夏玉米季的氨揮發(fā)模擬值均低于實(shí)測(cè)值，因?yàn)閷?shí)際測(cè)量的氨揮發(fā)量只有施肥后的兩周，實(shí)測(cè)值為實(shí)際測(cè)量值加上其他時(shí)期的估測(cè)值，會(huì)造成一定的誤差。

3 結(jié)論

①WHCNS 模型對(duì)農(nóng)田硝態(tài)氮淋失的動(dòng)態(tài)變化捕捉較好，總量相對(duì)誤差<±10%，但對(duì)主要峰值的捕獲有所延遲；對(duì)氨揮發(fā)的峰值捕獲較好，但總量相對(duì)誤差為-41.5%。②WHCNS 模型對(duì)夏玉米季的水分滲漏量較好，對(duì)硝態(tài)氮淋失量的模擬有所延后，主要原因是夏玉米季作物種植時(shí)長(zhǎng)較短，數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。對(duì)于氨揮發(fā)的模擬，冬小麥季的模擬效果更好，主要是由于夏玉米季溫度較高，氮素?fù)]發(fā)較快。③此模型對(duì)于預(yù)測(cè)未來的氮素?fù)p失有一定準(zhǔn)確性，可能不適用于整個(gè)華北地區(qū)。同時(shí)此研究并未對(duì)模型某些方面準(zhǔn)確度不高的應(yīng)對(duì)方法做進(jìn)一步的探究，因此在此后的研究中研究人員可根據(jù)此研究針對(duì)模型某些方面模擬準(zhǔn)確度低作進(jìn)一步的內(nèi)部運(yùn)行公式的修改，進(jìn)而完善模型應(yīng)用準(zhǔn)確度。