根系水质模型中土壤与作物参数优化及其不确定性评价

农业系统模型参数优化存在很高的不确定性,是模型应用研究的重点和难点。该研究利用自动优化程序PEST(parameter estimation software)对根系水质模型(root zone water quality model,RZWQM)中土壤参数(土壤水力学参数和根系生长参数)和作物遗传参数进行了优化,结果表明PEST优化模拟结果明显优于传统试错法的校正结果,且具有较高的参数优化效率。模型参数优化不确定性评价表明校正数据和参数初始值的选择、土壤水力学参数估算方法、不同类型参数间的相互作用以及优化目标方程(误差来源计算)都明显影响模型模拟结果。以上过程中土壤水力学参数优化值差异较小,但其土壤水分特征曲线却明显不同。通过以上评价分析提高了RZWQM相关参数优化结果的可靠性及其模拟功能,降低了模型参数优化的不确定性,为PEST优化其他模型参数提供了重要支持。

应用根系层水质模型分析冬小麦-夏玉米轮作体系的农田水氮利用效率 Ⅰ:模型参数的灵敏度分析与标定

本文利用禹城试验站田间试验数据对根系层水质模型的输入参数进行了灵敏度分析和标定。参数标定后的模拟结果与实测结果的对比显示:土壤体积含水量模拟值的均方根差和平均相对误差分别为0.069cm3·cm-3和-8.57%;土壤硝态氮含量模拟值的均方根差和平均相对误差分别为41.41mg/kg和-69.56%;在冬小麦-夏玉米轮作体系下,作物吸氮量模拟值的均方根差和平均相对误差分别为97.8kg/hm2和50.6%;作物地上部生物量和产量模拟值的均方根差分别为2392kg/hm2和2239kg/hm2,平均相对误差分别为32.8%和22.2%;叶面积指数模拟值的均方根差和平均相对误差分别为2.83和243.8%。模拟结果表明:RZWQM能够较好地模拟冬小麦-夏玉米轮作体系中土壤水动态和作物地上部生物量及产量,可用于模拟分析农田水氮利用效率。但该模型在禹城试验站对土壤硝态氮含量和叶面积指数模拟精度欠佳的原因有待进一步分析。

应用根系层水质模型分析冬小麦-夏玉米轮作体系的农田水氮利用效率Ⅱ:模型的验证与情景分析

在就禹城试验站对根系层水质模型(RZWQM)的参数进行灵敏度分析和标定的基础上,模拟了1960—2005年该试验站冬小麦-夏玉米轮作条件下的冬小麦和夏玉米产量、水分利用效率及氮肥偏生产力,并将模拟的冬小麦和夏玉米产量与禹城市农业统计年鉴显示的1985—2005年的产量进行了对比。结果表明:经过标定后的RZ WQM能够较好地模拟夏玉米产量(平均相对误差为-13.3%),可以模拟冬小麦产量在年际间的变化趋势(平均相对误差-54.2%)。针对所设计的9种节水省氮的灌溉与施氮方案开展了多组情景模拟分析,结果显示较好的情景是:冬小麦在播前、拔节和开花期各灌溉75mm的水;夏玉米当平水年和丰水年时在播前灌溉一次56mm的水,当枯水年时在播前和抽穗期各灌溉84mm的水,当特枯水年时在播前和抽穗期各灌溉111mm的水。冬小麦在播前和拔节期分别施氮77.7kg/hm2和155.3kg/hm2,整个生育期施氮量为233kg/hm2;夏玉米在苗期(播后5d)和大喇叭口期各施氮70.7kg/m2和141.3kg/hm2,整个生育期施氮量为212kg/hm2。这样优化的灌溉与施氮方案能够取得较好的增产效果和较高的水氮利用效率,即:冬小麦-夏玉米轮作体系的粮食产量为10 302kg/hm2、水分利用效率为1.40kg/m3、氮肥偏生产力为23.2kg/kg。