運用WHCNS 模型對農田氮素損失的驗證及分析

杜艾芳DU Ai-fang

（礦冶科技集團有限公司，北京 100160）

0 引言

自1978 年改革開放以來，我國人口數量的增長導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，所以中國正在用僅占世界9%的耕地面積養活世界22%的人[1]。華北地區作為我國農業集約化生產的主要區域，以冬小麥、夏玉米等糧食作物生產為主，每年的糧食產量占全國糧食總產量的22%-25%[2]。

土壤、氣候的特點以及集約化的生產方式造成華北地區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淋失損失外，還會以氨氣形態擴散到大氣中對空氣造成污染，同時農民的經濟收入也因為肥料的浪費而嚴重降低[3]。因此如何及時而又準確的定量農田-作物體系的氮素損失顯得尤為重要。

1 材料與方法

1.1 試驗地點及布置

①試驗地點：位于華北地區的山東省桓臺縣，試驗區地勢平坦，供試土壤為潮褐土。土壤表層0-20cm 為腐殖質層，顏色較深，耕層以下粘化現象明顯。

②試驗布置。本試驗選取符合模型模擬要求的OPT及WS 處理，采用“試錯法”，先用2018-2019 年實測數據率定模型土壤水分和氮素轉化與運移參數，然后用2016-2017 年及2017-2018 年的實測數據來驗證模型。

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

節水（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，基肥同時施96kg P2O5ha-1和100kg K2O ha-1。灌溉量為優化灌溉75mm/次，灌溉方式為漫灌。

1.2 WHCNS 模型參數

WHCNS 模型中水分特征曲線的相關參數見表1。

表1 土壤剖面質地及水力學特性參數

1.3 模型校準與驗證

本試驗選取均方根誤差RMSE、模型模擬效率E 和一致性指數d 來評價模型的模擬值與實測值的吻合程度[5-7]：

式中，Pi為模擬值，Oi為實測值，O 為實測值的平均值，n 為觀測值的個數。

2 結果與分析

2.1 WHCNS 模型對水分滲漏量的模擬效果

由圖1 可知，WHCNS 模型對水分滲漏量的模擬與實測趨勢基本一致，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，之后基本保持水平，到8 月15 日左右呈直線上升趨勢，但拐點捕獲的不夠準確。這與梁浩的結果一致，此模型模擬的土壤水分結果包含飽和流和非飽和流，而實測值采集的主要是非飽和流時的淋溶液，所以土壤水分滲漏量的模擬值應該高于實測值[8]。

圖1 土壤水分滲漏量的模擬和實測累積圖

從三個統計參數來講，兩個處理的各年份模型模擬效率E 均為負值（-0.10 左右），值較小，一致性指數d 維持在0.16-0.29，均方根誤差RMSE 平均為0.36，說明WHCNS模型對于水分滲漏量有很好的模擬效果。

2.2 WHCNS 模型對土壤硝態氮淋失量的模擬效果

從圖2 模擬的結果也可以看出，WHCNS 模型對土壤硝態氮淋失量的模擬與實測趨勢基本一致，硝態氮淋失主要出現在夏玉米生長期，有明顯的增長趨勢，但模擬的主要峰值均比實測值延后。根據前人的研究，該結果是可以接受的[9-11]。

圖2 硝態氮淋失量的模擬和實測累積圖

夏玉米季的土壤硝態氮淋失量的模擬值與實測值均較高于小麥季，說明夏玉米季的模擬效果較好。效率系數E 和一致性指數d 值較小，說明模擬值與實測值的一致性程度較低，這可能是因為實測數據較少，實測值只是針對能抽取出淋溶水時來進行測試的，并沒有很好地展示出土壤動態淋失量的變化，同時運用陶土頭加張力計測淋溶水的方法可能會造成對淋失量的低估。

2.3 WHCNS 模型對氨揮發的模擬效果

WHCNS 模型的模擬結果較好的展示了農田施肥與灌溉后氨揮發的趨勢，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，模擬值的氨揮發量是一條連續的動態曲線，而實測值是根據實際情況測量了每次基肥和追肥之后連續十天的氨揮發量。從圖中可以看出，WHCNS模型很好的捕捉到了土壤氨揮發的峰值，且夏玉米季的峰值明顯高于冬小麥季。這與李凡的研究結果一致[12]。

圖3 土壤氨揮發量的模擬和實測動態圖

效率系數E 和一致性指數d 值較大，說明模型模擬值與實測值有較高的一致性，均方根誤差RMSE 為0.60-0.71，值較小，說明模擬值與實測值的平均值接近。冬小麥季和夏玉米季的氨揮發模擬值均低于實測值，因為實際測量的氨揮發量只有施肥后的兩周，實測值為實際測量值加上其他時期的估測值，會造成一定的誤差。

3 結論

①WHCNS 模型對農田硝態氮淋失的動態變化捕捉較好，總量相對誤差<±10%，但對主要峰值的捕獲有所延遲；對氨揮發的峰值捕獲較好，但總量相對誤差為-41.5%。②WHCNS 模型對夏玉米季的水分滲漏量較好，對硝態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長較短，數據更準確。對于氨揮發的模擬，冬小麥季的模擬效果更好，主要是由于夏玉米季溫度較高，氮素揮發較快。③此模型對于預測未來的氮素損失有一定準確性，可能不適用于整個華北地區。同時此研究并未對模型某些方面準確度不高的應對方法做進一步的探究，因此在此后的研究中研究人員可根據此研究針對模型某些方面模擬準確度低作進一步的內部運行公式的修改，進而完善模型應用準確度。