应用RZWQM模型模拟华北玉米土壤剖面水氮迁移及淋溶特征

以河北石家庄大河实验站玉米-小麦轮作系统为研究对象,应用RZWQM模型对玉米季土壤剖面水分和硝态氮含量、硝态氮淋溶和氨挥发特征以及作物产量进行模拟,提出控制硝态氮淋溶的玉米施肥方案。设置冬小麦-夏玉米轮作周期施氮量分别为575、400、215、0 kg·hm-24个处理,应用轮作周期施氮量为575 kg·hm-2处理玉米季土壤剖面含水量、硝态氮和产量数据进行模型参数率定,应用其他3个施肥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均方根误差方差分别为0.003 6、0.010 6 cm3·cm-3,4个处理土壤剖面硝态氮RMSE分别为6.56、7.30、3.64、1.53mg·kg-1。在模型参数率定和验证的基础上,开展了RZWQM模型对轮作制度下玉米季土壤硝态氮淋溶和氮挥发的预测,虽然预测结果与实际值存在偏差,但在总体上RZWQM模型可以较好地模拟华北石家庄地区土壤剖面水氮的迁移转化,并且可为日后进一步准确预测和估算更大地区的土壤硝态氮淋溶提供一种便捷可靠的方法。

随机漂移粒子群算法的RZWQM替代模型参数优化

根区水质量模型(Root Zone Water Quality Model,RZWQM)被广泛应用于刻画土壤水文循环过程对作物生长的影响,并通过模型率定模拟指导农业生产管理。然而RZWQM模型的一次率定需要较长时间,在可接受时间范围内找到一组合适的模型参数是一件较困难的工作;同时传统的模型参数试错法依赖于使用者的专业知识和经验,也需要多次尝试才能达到较满意的模拟效果。提出使用稀疏网格方法建立RZWQM模型的近似替代模型,并使用随机漂移粒子群优化算法对替代模型进行自动参数优化,将优化后的参数用于RZWQM模型的实际应用模拟。替代模型近似精度高,率定速度快,大大节省了模型参数优化的计算开销。最后将提出的稀疏网格近似替代模型方法结合随机漂移粒子群优化算法使用美国爱荷华州5年玉米-大豆间中的作物产量、排水流量、NO-3-N流失量田间实测数据进行了验证分析。结果显示该方法能够极大地提高模型参数优化效率和节省人力;同时,通过模型性能评价指标PBIAS、NSE和RSR的数值比较也表明该方法优化后的RZWQM模型性能要好于传统试错法的模型性能。

RZWQM模型介绍及其应用进展

首先总述了美国RZWQM的研制过程、模拟功能以及模拟的流程,随后分别介绍了RZWQM 6个主要过程:物理过程、土壤化学过程、养分过程、杀虫剂过程、作物生长过程和管理过程;讨论了模型应用过程的注意事项,并探讨了RZWQM98新版本特征;最后对RZWQM模型的应用进展进行了综述,认为RZWQM在模拟作物生长和水分、养分和杀虫剂在作物根区内的运移是很有用的工具。

利用RZWQM-CERES模拟华北平原农田土壤水分动态及其对作物产量的影响

农业系统模型是农业生产多元目标优化管理的重要工具,但由于系统模型过程复杂,参数众多,校正和验证工作一直是模型研究的重点和难点。本文利用RZWQM(Root Zone Water Quality Model)与CERES(Crop Environment Resource Synthesis)的结合模型RZWQM-CERES模拟土壤水分及作物产量进行了参数优化和验证,结果表明,RZWQM-CERES在禹城站和栾城站模拟不同灌溉处理土壤贮水量与测定值呈相似的变化趋势,均方根差(RMSE)分别为2.38～2.70cm及3.49～3.73cm;作物产量模拟结果与实测值对土壤水分的响应趋势一致(R2=0.83***,n=22),其中在禹城站模拟小麦和玉米产量的RMSE分别为550kghm?2和580kghm-2,栾城站模拟小麦产量的RMSE为670kghm-2。以上结果表明RZWQM-CERES可作为华北平原模拟和分析土壤水分对作物产量影响的有效工具。本文初步建立了一套适合华北平原作物生产的模型参数,为利用RZWQM-CERES建立农田水分优化调控策略奠定了基础,并探讨了模型评价过程中应注意的问题。

基于RZWQM模型的石羊河流域春小麦灌溉制度优化

为探讨石羊河流域春小麦适宜灌水上限及不同生育期计划湿润层深度,在该地区开展田间试验。利用田间试验资料对RZWQM(root zone water quality model)模型进行率定和验证,并应用模型模拟了灌水上限及不同生育阶段计划湿润层深度对春小麦籽粒产量、灌水量、籽粒灌溉水利用效率及灌水次数的影响。结果表明:不同灌水处理间产量差异较小,但所需灌水量有较大差异,存在节水空间;灌水上限对于灌水量的影响要远远大于对产量的影响,灌水上限的降低会增加灌水次数,从而提高小麦产量;适宜的计划湿润层深度可以保证灌溉水尽可能多的分布于根系吸收范围内,避免浪费,达到节水目的;试验证明,通过调控灌水上限和各生育期计划湿润层深度可以达到节水增产的目的。综合考虑各控制因素对产量、所需灌水量及籽粒灌溉水利用效率的影响,建议该地区春小麦灌溉制度为:灌水上限选择80%田间持水量,苗期计划湿润层深度为30 cm,拔节期计划湿润层深度为60 cm,抽穗期计划湿润层深度为50 cm,灌浆期计划湿润层深度为70 cm。

基于RZWQM模型的华北平原冬小麦-夏玉米土壤硝态氮淋溶和氨挥发评估方法研究

硝态氮淋溶和氨挥发是华北平原农田因施肥所引起的最重要的氮损失途径,直接监测法的过程复杂且需要消耗大量人力物力,如何建立科学准确的损失量与土壤性质之间的关系,以支撑管理部门便捷快速估算各途径氮损失量成为迫切需要解决的问题。利用已经通过华北平原冬小麦-夏玉米长期定位试验数据进行参数率定验证的RZWQM模型,输出不同施肥水平下1 m内土壤硝态氮残留量、硝态氮淋溶量和氨挥发量,通过回归分析构建了土壤硝态氮淋溶量和氨挥发量分别与1 m内土壤硝态氮残留量之间的函数关系,并利用华北地区研究文献中实测数据对函数准确率进行分析,得出在华北平原2个函数平均准确率分别为70. 9%和71. 2%,该方法可供管理部门在估算和管理华北地区面源污染发生量过程中推广使用。

基于RZWQM模型的夏玉米水氮管理优化及淋溶过程模拟

为优化我国华北平原地区夏玉米种植的水氮管理方案,利用通过位山引黄灌区下游临清市2019-2020年夏玉米田间试验得到的数据,在RZWQM模型中对水分、养分以及生长模块进行参数率定和验证。结果表明:经过模拟参数优化后,土壤含水率、NO_(3)^(-)-N含量与作物产量的均方根误差(RMSE)和平均相对误差值(MRE)均在可接受范围内。利用校准后的RZWQM模型,模拟24种不同水氮条件下的作物产量、水氮利用效率和NO_(3)^(-)-N淋溶过程,综合考虑作物产量、水氮利用以及环境效应,推荐水氮管理方案为灌水量166 mm、施氮量180 kg/hm^(2),研究为位山引黄灌区下游的农田水肥管理优化提供了理论依据。

冬小麦测墒补灌下土壤氮素迁移特征模拟研究

【目的】探究冬小麦测墒补灌条件下土壤氮素迁移特征。【方法】基于田间试验,设置4个灌溉处理,灌水上下限分别为田间持水率的60%~70%(W1)、70%~80%(W2)、80%~90%(W3)和不灌溉处理(CK),施氮量均为240 kg/hm^(2)。利用田间试验数据对RZWQM 2模型进行率定、验证,进而模拟水氮调控对土壤硝态氮累积量和氮素利用的影响。【结果】土壤剖面含水率、土壤硝态氮量和产量的标准均方根误差(NRMSE)分别为9.3%~25.0%、0.3%~29.7%、4.03%~11.19%,平均相对误差(MRE)分别为8.0%~24.2%、1.4%~30.4%、5.29%~11.98%,一致性指标(D)均高于0.65;基于验证后的RZWQM 2模型,在W1、W2、W3测墒补灌条件下,设置5个氮素施用水平(180、200、220、240kg/hm^(2)和260kg/hm^(2)),W2、W3处理的土壤硝态氮累积量较W1处理分别增加了30.9%~59.7%、49.6%~79.6%;W2条件下,将施氮量控制在220~240kg/hm^(2)更有利于土壤硝态氮在0~1m土层内的累积,累积量为108.30~125.10kg/hm^(2)。【结论】RZWQM2模型可用于模拟冬小麦测墒补灌条件下的土壤氮素迁移,测墒补灌W2和施氮量220~240 kg/hm^(2)为合理的水氮管理措施。

大棚控制排水对土壤水氮变化的影响

农田排水技术能够解决大棚种植条件下的次生盐渍化问题,因此得到了较广泛的应用。为了分析大棚控制排水条件下的土壤水分和土壤氮素的变化规律,在田间试验的基础上,采用RZWQM(rootzonewaterqualitymodel)模型对不同控制排水处理下的土壤水分含量、土壤氮素含量及氨挥发过程等进行了模拟校正和验证,并利用模型对不同控制排水条件(不同暗管间距和不同控制出口深度)下的水氮变化情况进行了分析。模型在校正阶段的分层含水率模拟均方根误差(RMSE)为0.038～0.050cm3/cm3,验证阶段的分层含水率模拟均方误差(RMSE)为0.040～0.081cm3/cm3。结果表明:RZWQM模型能够较好的模拟田间水肥变化情况;控制排水对地下水位的控制效果显著但没有对作物的水分利用产生太大影响;不同暗管间距和控制深度下,暗管排水总量、排氮总量和渗漏氮总量都受到了极显著的影响,氮肥利用效率则受暗管间距影响而对控制深度不敏感。

根区水质模型在黄土高原旱区冬小麦氮肥管理中的适用性分析

为利用作物模型模拟寻找田间尺度上合理的氮肥管理措施,该研究利用黄土高原旱区多年冬小麦-春玉米轮作试验(2004-2011)和两年冬小麦施肥试验(2010-2012)对根区水质模型(root zone water quality model-version 2,RZWQM2)进行率定和验证,验证该模型在当地的适用性;并结合当地56 a历史气象数据,利用模型模拟研究旱区冬小麦在不同降水年型下最佳氮肥管理模式。结果表明RZWQM2在不同降水年型下均可以较好地模拟黄土高原旱区作物生长发育、产量指标和土壤水分的动态变化,并且能够较好地模拟不同施肥方式下冬小麦的产量和氮素指标;黄土高原旱区120~150 kg/hm^2(以N计)的底肥基本可以满足不同降雨年型下冬小麦稳产高产的需要;冬小麦单次追肥的最佳追肥时期为返青期至拔节期;在90 kg/hm^2底施氮肥的基础上,丰水年54~72 kg/hm^2的追氮量,平水年36~54 kg/hm^2的追氮量,干旱年18~36 kg/hm^2的追氮量,不但可以满足冬小麦高产的要求,并且维持氮素收获指数在较高水平。

基于RZWQM模型模拟太行山低山丘陵区农田土壤硝态氮迁移及淋溶规律

太行山低山丘陵区是华北平原地下水补给区,近年来山区农田面积增加,农田过量氮肥投入造成地下水硝酸盐浓度逐年升高,因此,研究典型农田土壤氮淋溶过程对保护补给区地下水具有重要意义.本文以位于太行山低山丘陵区的中国科学院太行山生态试验站冬小麦-夏玉米轮作农田为研究对象,应用根区水质模型(root zone water quality model,RZWQM)对太行山低山丘陵区2015～2016年冬小麦-夏玉米的1个轮作周期内1m土壤剖面水分和硝态氮运移进行模拟.结果表明,土壤硝态氮淋溶主要发生在夏玉米季(雨季),当全年施氮量为300 kg·hm^(-2)时,夏玉米季硝态氮淋失量达到59. 9 kg·hm^(-2),而冬小麦生长季硝态氮淋失量仅为2. 12 kg·hm^(-2).不同施氮量和不同降水年型下玉米季土壤硝态氮淋溶模拟结果表明,当施氮量为0、300和450 kg·hm^(-2)时,2016年(丰水年)极端降水后,玉米季土壤硝态氮潜在淋失量分别为10. 5、59. 9和136. 5kg·hm^(-2);当全年施氮量为300 kg·hm^(-2)时,2013(枯水年)、2015(平水年)和2016年(丰水年)玉米季硝态氮淋失量分别占轮作周期总施氮量的9%、10%和20%;当全年施氮量为450 kg·hm^(-2)时,2013(枯水年)、2015(平水年)和2016年(丰水年)玉米季硝态氮淋失量分别占总施氮量的11%、17%和30%,表明大降水事件不仅对地下水形成大量补给,很大程度上也增加了累积在农田土壤中的硝态氮淋溶损失,增加了对区域地下水硝酸盐潜在污染威胁.