RZWQM模型模拟北方旱作大田作物氮素运移及损失特征

摘要

我国大田作物普遍过量施用氮素，造成淋溶和气态损失，成为当前我国面临的重要环境问题之一，有效控制氮肥施用以及减少氮肥损失已是一项刻不容缓的任务。应用田间试验实测数据和模型模拟的技术方法来寻求施氮量对大田作物氮素迁移转化特征和作物产量的评估方法是较成熟的方法，比传统的方法更加经济便捷，结果也更加准确可靠。本文应用Root Zone Water Quality Model(RZWQM)模拟了不同施氮量对作物产量及土壤氮素运移行为的影响，特别关注了东北玉米种植区和华北冬小麦-夏玉米轮作区土壤硝态氮迁移转化规律、土壤硝态氮淋溶和土壤氨挥发等重要过程。从而得出了优化的施肥模式。
　　本文以位于华北平原的河北省农林科学院大河试验站冬小麦-夏玉米轮作系统和东北沈阳地区砂壤土种植的玉米为研究对象，应用RZWQM模型分别对华北地区2009-2011年冬小麦-夏玉米系统和2009-2014年东北单作玉米季土壤剖面水分和硝态氮动态、硝态氮淋溶、土壤氨挥发和作物产量进行模型参数率定、验证，并尝试通过拟合出的回归曲线来确定施氮量和土壤硝态氮淋溶与氨挥发之间的关系。
　　(1)冬小麦-夏玉米轮作系统田间试验共4个处理:总施纯氮量分别为575kg·hm-2(N3)、400kg·hm-2(N2)、215kg·hm-2(N1)和0kg·hm-2(N0)4个处理，应用轮作周期中玉米季实测数据进行模型参数率定，应用小麦季实测数据进行模型参数的验证。结果表明:模型的玉米率定以及小麦验证的过程中结果偏差均在可接受范围内，土壤剖面水分率定均方误差(RMSE)最高为0.019cm3·cm-3，平均相对误差(MRE)最高为15.98％;剖面硝态氮累积量验证结果RMSE值平均为4.580mg·kg-1，MRE平均值为52.63％。在小麦-玉米系统模型参数率定和验证的基础上，预测发现土壤硝态氮淋溶量和氮挥发量均与施氮量里一定线性关系。随后，进一步深化细致分析和模拟玉米季特征。应用轮作周期施氮量为575 kg·hm-2处理2009-2011年连续3年的玉米季土壤剖面含水量和硝态氮含量，作物产量实测数据进行模型参数率定，应用其他3个施肥水平处理进行模型参数的验证。结果表明:率定与验证过程中土壤剖面含水量RMSE分别为0.0036cm3·cm-3和0.0106cm3·cm-3，4个处理土壤剖面硝态氮累积量RMSE分别为6.56mg·kg-1、7.30mg·kg-1、3.64mg·kg-1和1.53mg·kg-1。
　　(2)东北沈阳地区砂壤土种植玉米试验共3个处理:习惯施氮量（T1:N240kg·hm-2）、习惯施氮量减量10％（T2:N216kg·hm-2）、习惯施氮量减量20％(T3:N192kg·hm-2)。应用2009年不同处理玉米季土壤含水量、土壤剖面硝态氮含量、作物产量等实测数据进行模型参数率定，然后应用2014年玉米季对应实测数据进行模型参数验证，最后开展预测功能。结果表明:模型参数率定过程T1、T2、T3处理土壤硝态氮RMSE值分别为2.77kg·hm-2、6.17kg·hm-2和6.59kg·hm-2。
　　综上，模型参数的率定和验证过程都表明土壤含水量、硝态氮浓度和产量方面模型的模拟良好。模型参数率定和验证的基础上开展了RZWQM模型对华北地区玉米季土壤硝态氮淋溶和氮挥发的预测，可以较好的模拟华北地区土壤剖面水氮的迁移转化，为更为准确预测和估算更大尺度区域土壤硝态氮淋溶与氨挥发提供一个便捷可靠的方法。同时通过对东北地区的模型预测结果发现RZWQM能较好的模拟东北沈阳地区的作物地下部分土层的硝态氮运移及分布情况，探索了RZWQM模型在东北地区的模拟以及预测拓展的可行性。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 研究背景

1．2 农田模型研究概况

1．2．1 国外研究进展

1．2．2 国内研究进展

1．3 RZWQM模型研究概况

1．4 本文研究目标和内容

1．4．1 研究目标

1．4．2 研究内容

2 材料与方法

2．1 RZWQM模型组成

2．1．1 物理模块

2．1．2 化学模块

2．1．3 养分模块

2．1．4 作物模块

2．1．5 杀虫剂模块

2．1．6 管理模块

2．2 RZWQM模型运行流程

3 结果与分析

3．1 试验区概况

3．1．1 华北试验区概况

3．1．2 东北试验区概况

3．1．3 田间指标测定

3．2 模型率定与验证

3．2．1 率定所需数据

3．2．2 率定与验证要求

3．3 养分模块率定与验证

3．4 作物生长率定与验证

3．5 模型拓展预测

4 讨论

4．1 养分参数调节对作物产量模拟影响

4．2 氮素模拟结果与华北-东北地区作物产量关系

4．2．1 华北单年轮作概况分析

4．2．2 华北三年连作概况分析

4．2．3 东北作物种植概况分析

4．3 氮素施用量对作物生产种植的影响

5结论与展望

5．1 结论

5．2 创新点与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文