李昱岐，王 鳳，徐征和，徐 晶

（濟(jì)南大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，濟(jì)南252000）

0 引 言

對(duì)于作物生長(zhǎng)發(fā)育而言，氮素是必不可少的營(yíng)養(yǎng)元素，在土壤中其主要存在形式包括氨態(tài)氮NH4+-N、硝態(tài)氮NO3--N等[1]；氮素也是影響作物產(chǎn)量的重要因素，增施氮肥可以促進(jìn)我國(guó)糧食產(chǎn)量大幅提高[2-4]。然而，我國(guó)糧食總產(chǎn)量從20 世紀(jì)60年代至21世紀(jì)10年代的50多年間雖然增加了3倍多，但化學(xué)氮肥的施用量卻同步增加將近37倍，利用率僅僅只有30%～35%[5,6]。土壤中的NO3--N不易吸附于土壤膠體，且易溶于水，過(guò)量施肥不僅不會(huì)增加作物產(chǎn)量[7]，還會(huì)導(dǎo)致NO3--N 在灌溉或降雨的作用下淋溶進(jìn)入含水層，對(duì)地下水環(huán)境帶來(lái)不良影響[8-11]。因此，土壤中硝態(tài)氮累積與淋溶長(zhǎng)期以來(lái)一直是研究熱點(diǎn)。

夏玉米是位山引黃灌區(qū)下游主要種植作物之一，由于當(dāng)?shù)厮芾黹L(zhǎng)期未得到顯著改善，逐年增加的化肥用量以及不合理的灌溉管理所導(dǎo)致的養(yǎng)分淋溶損失致使農(nóng)業(yè)面源污染問(wèn)題日益加劇。因此，提出合理的水氮管理模式至關(guān)重要[12]。利用模型對(duì)不同作物進(jìn)行模擬是近年來(lái)研究土壤水氮利用和作物生長(zhǎng)的有效方法[13-15]。如史源等利用了DSSAT模型模擬了不同水平年華北地區(qū)冬小麥水分利用效率，并基于模擬結(jié)果分析評(píng)價(jià)指標(biāo)[16]；江賾偉等利用DNDC 模型對(duì)不同水文年下稻田的水碳管理進(jìn)行優(yōu)化[17]；焦貞等利用SWAP 模型模擬了冬小麥和夏玉米在不同灌溉制度下的土壤含水率及作物產(chǎn)量，并根據(jù)模擬結(jié)果優(yōu)化灌溉制度[18]。相比于其他模型，RZWQM 模型同時(shí)兼顧了農(nóng)業(yè)環(huán)境影響和作物生長(zhǎng)過(guò)程，能更好模擬土壤水分運(yùn)動(dòng)、有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化、溶質(zhì)遷移及作物生長(zhǎng)過(guò)程。如張紅娟等通過(guò)在我國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)地帶的裸燕麥田間試驗(yàn)，優(yōu)化了裸燕麥的作物參數(shù)，證實(shí)了校準(zhǔn)后的RZWQM 模型在模擬裸燕麥生長(zhǎng)研究中的普適性[19]；如李艷等利用RZWQM 模型模擬了華北地區(qū)冬小麥-夏玉米輪作條件下土壤水、氮及作物的動(dòng)態(tài)變化，優(yōu)化了在冬小麥-夏玉米輪作條件下的水肥管理方案[20]。目前，關(guān)于利用RZWQM 模型針對(duì)位山引黃灌區(qū)下游的夏玉米，綜合考慮不同水氮條件下的作物產(chǎn)量、水氮利用效率及淋溶影響，從而提出較優(yōu)的水氮管理模式的相關(guān)研究相對(duì)較少。

因此，本文以位山引黃灌區(qū)下游農(nóng)田為試驗(yàn)區(qū)，利用經(jīng)過(guò)水分、養(yǎng)分以及生長(zhǎng)模塊率定和驗(yàn)證的RZWQM 模型，進(jìn)行不同水氮條件下作物產(chǎn)量、水氮利用和土壤NO3--N 淋溶的模擬研究，尋求更科學(xué)合理、經(jīng)濟(jì)效益更好的夏玉米水氮管理模式，從而為位山引黃灌區(qū)下游農(nóng)田合理水肥施用和環(huán)境污染防控提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

本研究于2019-2020年的夏玉米生長(zhǎng)季在山東省臨清市尚店鎮(zhèn)西荊林村進(jìn)行田間小區(qū)試驗(yàn)。各田間小區(qū)四周用防水塑料薄膜隔開，埋深1 m；試驗(yàn)區(qū)屬于暖溫帶大陸性半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，多年平均氣溫約13 ℃，平均降水量約550 mm；每年7-9月為主要降水時(shí)期，降水量占總降水量的70%左右；研究區(qū)土壤種類為粉壤土，主要理化特性見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)區(qū)土壤理化特性Tab.1 Physical properties of soil in test area

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用水氮兩因素完全組合設(shè)計(jì)。其中，2019年灌溉采用1個(gè)水平，為常規(guī)灌溉166 mm（I2），施肥采用4個(gè)水平，分別為0 kg/hm2（CK）、120 kg/hm2(N1)、180 kg/hm2(N2)和270 kg/hm2(N3)，3次重復(fù)，共12個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積均為24 m2（4 m×6 m）；2020年灌溉采用2 個(gè)水平，分別為灌水減少20%灌溉（I1，133 mm）和常規(guī)灌溉（I2，166 mm），施肥仍采用2019年的4個(gè)水平，3次重復(fù)，共24個(gè)小區(qū)（見(jiàn)表2）。小區(qū)灌溉采用畦灌，夏玉米生育期灌水2次，分別在大喇叭口期和抽絲期各灌50%灌溉量，以水表控制灌水量，灌溉時(shí)檢查土壤表面，以確保不產(chǎn)生徑流；小區(qū)施肥分為2次，為在大喇叭口期一次性施60 kg/hm2磷肥（P2O5）、60 kg/hm2鉀肥（K2O）和50%的氮肥（尿素），在抽絲期追加50%氮肥。供試夏玉米品種為“泛玉298”，以人工播種方式種植，分別于6月29日與7月2日播種，10月2日與10月8日收獲。作物管理方式與當(dāng)?shù)亓?xí)慣一致，且在生長(zhǎng)期間定期防蟲除草。

表2 2019年和2020年夏玉米試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.2 Design of summer maize trials in 2019 and 2020

1.3 取樣與測(cè)定

在播前和夏玉米生長(zhǎng)的拔節(jié)期、抽雄期、灌漿期及成熟期用美國(guó)犀牛取土鉆機(jī)取土，分別取0～20、20～40、40～80 以及80～120 cm 土層土樣，用烘干法測(cè)定土壤含水率。土樣放入封口袋中編號(hào)，密封放入保溫箱帶回實(shí)驗(yàn)室并及時(shí)測(cè)量，測(cè)定土壤樣品的硝態(tài)氮含量，土壤中的NO3--N 采用紫外分光光度法測(cè)定。

1.4 指標(biāo)計(jì)算

（1）土壤儲(chǔ)水量W（mm）為：

式中：ρ為土壤容重；θ為土壤質(zhì)量含水率；Z為土層厚度。

（2）作物耗水量ET(mm)為：

式中：P為作物生育期降水量；ΔW為作物播種前與成熟期土壤儲(chǔ)水量差值；I為灌水量；D為土壤水分深層滲漏量；R為地表徑流；CR為毛管水利用量。其中，針對(duì)本研究ΔW、D可在模型對(duì)土壤含水率與氮素淋溶的模擬過(guò)程中計(jì)算得到；I為設(shè)置的灌溉量；作物生育期內(nèi)降雨和灌水不會(huì)形成徑流，故R為0；由于當(dāng)?shù)氐牡叵滤裆钤?0 m以下，因此毛管上升水可以忽略不計(jì)，CR為0。

（3）作物水分利用效率WUE(kg·hm-2·mm-1)表示為：

式中：Y為作物產(chǎn)量。

（4）氮肥偏生產(chǎn)力PFP(kg/kg)為：

式中：YN為施氮區(qū)產(chǎn)量；F為施氮量。

1.5 RZWQM 模型介紹

RZWQM 模型是環(huán)境管理和農(nóng)業(yè)系統(tǒng)作物模型，能夠較精確的模擬土壤的表層、剖面和淺層或深層的滲漏過(guò)程的硝酸鹽含量。該模型由物理運(yùn)移模塊、養(yǎng)分循環(huán)模塊、作物生長(zhǎng)模塊、殺蟲劑模塊、化學(xué)反應(yīng)模塊和管理模塊這6個(gè)相互影響的子模塊組成[21]。該模型同時(shí)以2 個(gè)時(shí)間尺度進(jìn)行模擬，一是以時(shí)為時(shí)間步長(zhǎng)模擬土壤水分和溶質(zhì)運(yùn)移過(guò)程，二是以日為時(shí)間步長(zhǎng)模擬殺蟲劑模塊、養(yǎng)分模塊及生長(zhǎng)模塊等[20]。本文模型模擬時(shí)先以時(shí)為時(shí)間步長(zhǎng)運(yùn)行水分模塊，隨后以日為時(shí)間步長(zhǎng)運(yùn)行養(yǎng)分模塊及生長(zhǎng)模塊。

1.6 參數(shù)率定及驗(yàn)證

模型輸入初始數(shù)據(jù)主要包括氣象數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)。其中，氣象資料包括降水、氣溫、風(fēng)速與相對(duì)濕度等，土壤數(shù)據(jù)包括土壤含水率、田間持水量、NO3--N 含量、NH4+-N 含量及有機(jī)質(zhì)等。本文利用2019年和2020年的試驗(yàn)數(shù)據(jù)率定和驗(yàn)證模型中的水分、養(yǎng)分及生長(zhǎng)模塊，水分、養(yǎng)分和生長(zhǎng)模塊率定時(shí)分別是比較模擬和實(shí)測(cè)的土壤含水率、硝態(tài)氮含量、作物產(chǎn)量。模型率定效果的評(píng)價(jià)是判斷參數(shù)優(yōu)化的關(guān)鍵，本文利用2 個(gè)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)模型模擬效果，分別為均方根誤差（RMSE） 和平均相對(duì)誤差（MRE）。若模擬效果越好，則RMSE值越小，MRE值也越接近0，MRE值最大可允許偏差為50%[22]，其計(jì)算公式如下所示：

式中：Qi、Pi分別為第i個(gè)實(shí)測(cè)值和模擬值；n為實(shí)測(cè)值或模擬值個(gè)數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 水分模塊的參數(shù)率定及驗(yàn)證

應(yīng)用2019年夏玉米生育期實(shí)測(cè)土壤含水率進(jìn)行模型參數(shù)的率定，以2020年夏玉米生育期實(shí)測(cè)土壤含水率進(jìn)行驗(yàn)證。圖1 和圖2 分別為率定與驗(yàn)證過(guò)程中2019 和2020年不同處理下土壤含水率的模擬值和實(shí)測(cè)值，表3為率定及驗(yàn)證中各土層土壤含水率模擬值與實(shí)測(cè)值的比較結(jié)果。在2019 和2020年夏玉米生長(zhǎng)季，RMSE值呈現(xiàn)0.012～0.041 cm3/cm3的變化水平，且隨土層深度的增加而降低，這說(shuō)明深層的模擬效果明顯好于表層，這可能因?yàn)楸韺油寥酪资芙邓?、耕作條件和灌溉等的影響，土壤含水率波動(dòng)較大，其變化速度大于深層土壤，模擬效果符合實(shí)際[23,24]?？傮w上各處理不同土層含水率的模擬值與實(shí)測(cè)值接近且變化規(guī)律相同，MRE值變化范圍表現(xiàn)均在-25.49%～19.97%合理變化范圍內(nèi)，這說(shuō)明土壤水分模塊能很好的模擬試驗(yàn)區(qū)土壤含水率。率定后模型中的水分參數(shù)見(jiàn)表4。

表3 率定和驗(yàn)證過(guò)程中不同深度土壤含水率的RMSE和MRE值Tab.3 RMSE and MRE values of soil water content at different depths were calibrated and verified

表4 率定后的土壤水分參數(shù)Tab.4 Soil moisture parameters after calibration

圖1 2019年率定期夏玉米季土壤含水率的模擬值和實(shí)測(cè)值Fig.1 Simulation and measured values of soil water content in summer maize season in calibration in 2019

圖2 2020年驗(yàn)證期夏玉米季土壤含水率的模擬值和實(shí)測(cè)值Fig.2 Simulation and measured values of soil water content in summer maize season in validation in 2020

2.2 養(yǎng)分模塊的參數(shù)率定及驗(yàn)證

圖3 和圖4 分別為2019年N2 處理下不同時(shí)間各深度土壤NO3--N 含量的模擬值和實(shí)測(cè)值（率定）及2020年N2I1處理下不同時(shí)間各深度土壤NO3--N 含量的模擬值和實(shí)測(cè)值（驗(yàn)證）。由圖3 可見(jiàn)，在RZWQM 模型率定和驗(yàn)證過(guò)程中，土壤中NO3--N 含量的模擬值與實(shí)測(cè)值相接近且變化趨勢(shì)相同。表5為率定和驗(yàn)證中土壤NO3--N 含量的實(shí)測(cè)值與模擬值的比較結(jié)果。由于受外界環(huán)境因素以及灌水施肥影響，對(duì)上層土壤NO3--N 含量的模擬效果比下層的模擬效果較差，但總體的模擬結(jié)果RMSE和MRE值變化范圍分別在0.44～3.36 mg/kg 和-16.8%～27.42%的可接受范圍內(nèi)，模型對(duì)試驗(yàn)區(qū)各層土壤的NO3--N分布的模擬較好。率定后模型中土壤氮素參數(shù)見(jiàn)表6。

表5 率定和驗(yàn)證過(guò)程中各層土壤NO3--N含量的RMSE和MRE值Tab.5 RMSE and MRE values of NO3--N content in each layer of soil during calibration and verification

表6 率定后土壤氮素參數(shù)Tab.6 Soil nitrogen parameters after calibration

圖3 2019年率定期夏玉米季N2處理下土壤NO3--N含量的模擬值與實(shí)測(cè)值Fig.3 Simulation and measured values of soil NO3--N content under N2 treatment in the summer maize season of 2019

圖4 2020年驗(yàn)證期夏玉米季N2I1處理下土壤NO3--N含量的模擬值與實(shí)測(cè)值Fig.4 Simulation and measured values of soil NO3--N content under N2I1 treatment in the summer maize season of 2020

2.3 生長(zhǎng)模塊的參數(shù)率定及驗(yàn)證

應(yīng)用2019年各處理夏玉米產(chǎn)量進(jìn)行模型參數(shù)的率定，以2020年I1 處理夏夏玉米產(chǎn)量進(jìn)行驗(yàn)證。表7 可見(jiàn)2019年和2020年在各施氮水平下夏玉米產(chǎn)量實(shí)測(cè)值和模擬值比較情況。分析可得，2019年不同處理的夏玉米產(chǎn)量的實(shí)測(cè)值均高于模擬值，且不同施氮水平下夏玉米產(chǎn)量的模擬值與實(shí)測(cè)值之間的差異未達(dá)到顯著性水平，這主要是因?yàn)樵囼?yàn)開始前土壤中有氮素殘留，模型模擬中未進(jìn)行試驗(yàn)前土壤累積氮素的驗(yàn)證，導(dǎo)致夏玉米產(chǎn)量的實(shí)測(cè)值偏高。但模擬值和實(shí)測(cè)值的MRE絕對(duì)值均小于10%，這說(shuō)明RZWQM 模型經(jīng)過(guò)率定后能夠準(zhǔn)確模擬作物產(chǎn)量。率定后作物參數(shù)取值見(jiàn)表8。

表7 不同施氮水平下作物產(chǎn)量實(shí)測(cè)值與模擬值比較Tab.7 Comparison of measured and simulated crop yield under different nitrogen application levels

表8 率定后作物參數(shù)Tab.8 Crop parameters after calibration

2.4 模擬分析

2.4.1 土壤氮素淋溶影響在不同水氮條件下的模擬分析

采用率定及驗(yàn)證后的RZWQM 模型，進(jìn)行不同水氮水平下夏玉米農(nóng)田土壤NO3--N 淋溶的模擬。本文設(shè)置6 個(gè)施氮水平和4 個(gè)灌溉水平，其中施氮水平分別為120、150、180、210、240、270 kg/hm2，灌溉水平分別為100 mm（0.6 I2）、133 mm（0.8 I2）、166 mm（I2）以及199 mm（1.2 I2）。

模型模擬的不同水氮水平下土壤NO3--N 的淋溶量，如圖5所示。由圖5可以看出，在100 mm的灌水條件下，施氮量從120 kg/hm2增加到270 kg/hm2時(shí)，土壤NO3--N淋失量從8.59 kg/hm2增加到10.87 kg/hm-2，而灌水量為199 mm 時(shí)，當(dāng)施氮量從120 kg/hm2增到270 kg/hm2，土壤NO3--N 淋失量從14.48 kg/hm2增加到24.58 kg/hm2。在灌水量一定時(shí)，NO3--N 淋失量隨著施氮量的增加而增加。同樣，NO3--N 淋失量也隨灌水量的增加而增加，施氮量為270 kg/hm2時(shí)，當(dāng)灌水量從100 mm 增加到199 mm，NO3--N 淋失量從10.87 kg/hm2增加到24.58 kg/hm2，在其余施氮條件下土壤NO3--N 淋失量也同樣有這一趨勢(shì)，并且在高施氮量和高灌水量的條件下，土壤NO3--N 的淋失量明顯更大。

圖5 夏玉米季不同水氮條件下NO3--N淋失量模擬Fig.5 Simulation of NO3--N leaching under different water and nitrogen conditions in summer maize season

2.4.2 作物產(chǎn)量及水氮利用效率在不同水氮條件下的模擬分析

夏玉米在不同水氮條件下的產(chǎn)量、水分利用效率及氮肥偏生產(chǎn)力如表9 所示。表9 可見(jiàn)，當(dāng)灌水量小于166 mm 時(shí)，夏玉米的產(chǎn)量和水分利用效率總體上與施氮量正相關(guān)。當(dāng)灌水量不小于166 mm 時(shí)，夏玉米產(chǎn)量和水分利用效率隨施氮量增加呈先增后減趨勢(shì)。在灌水量一定時(shí)，氮肥偏生產(chǎn)力均隨著施氮量的增加而降低，施氮量增加的增產(chǎn)效應(yīng)是有限的。當(dāng)施氮量相同時(shí)，夏玉米的產(chǎn)量、水分利用效率及氮肥偏生產(chǎn)力都隨著灌水量的增加而先增后減，灌水量與施氮量之間有明顯的耦合效應(yīng)，當(dāng)灌水量與施氮量均處于適合的量時(shí)，作物產(chǎn)量才能達(dá)到最大，綜合不同的模擬結(jié)果來(lái)看，當(dāng)灌水量為166 mm，施氮量為180 kg/hm2時(shí)，夏玉米的產(chǎn)量達(dá)到最大值9 979.5 kg/hm2，水分利用效率也達(dá)到最大值25.3 kg/(hm2·mm)。同時(shí)，在施氮量同為180 kg/hm2條件下，灌水量為166 mm 時(shí)氮肥偏生產(chǎn)力相比于其他灌水量下的氮肥偏生產(chǎn)力達(dá)到最大值55.4 kg/kg。該水氮條件是兼顧環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的較優(yōu)的水氮管理模式，在保障夏玉米產(chǎn)量的同時(shí)，使得水分利用效率達(dá)到了最大值，并且氮肥偏生產(chǎn)力也相對(duì)較大，大大降低了土壤NO3--N淋失風(fēng)險(xiǎn)。

表9 夏玉米在不同水氮條件下的產(chǎn)量和水氮利用模擬結(jié)果Tab.9 Yield and water and nitrogen utilization simulation results of summer maize under different water and nitrogen conditions

3 結(jié) 論

（1）模型驗(yàn)證時(shí)，各處理不同土層土壤含水率和NO3--N含量的模擬值和實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)相同且數(shù)值接近，土壤含水率的RMSE和MRE值分別在0.012～0.041 cm3/cm3和-25.49%～19.97%之間變化，土壤NO3--N 含量的RMSE和MRE值變化范圍分別在0.44～3.36 mg/kg 和-16.8%～27.42%；夏玉米產(chǎn)量的實(shí)測(cè)值和模擬值的MRE絕對(duì)值總體小于10%。因此，RZWQM模型可以用于模擬研究區(qū)不同水氮條件對(duì)夏玉米和土壤水氮的影響。

（2）通過(guò)不同水氮條件下土壤NO3--N淋失量的模擬可知，土壤NO3--N 淋失量隨著施氮量和灌水量的增加而增加。在199 mm 的灌水量下，隨著施氮量從120 kg/hm2增加到270 kg/hm2，土壤NO3--N 淋失量由14.48 kg/hm2增加到24.58 kg/hm2；在270 kg/hm2的施氮量下，當(dāng)灌水量從100 mm 增加到199 mm，NO3--N 淋失量增加的幅度更大，由10.87 kg/hm2增加到24.58 kg/hm2，在高施氮量和高灌水量共同作用下，土壤NO3--N的淋失量相對(duì)而言會(huì)更加顯著。

（3）通過(guò)不同水氮條件下夏玉米產(chǎn)量的模擬可知，水氮對(duì)產(chǎn)量有明顯的耦合效應(yīng)。當(dāng)灌水量為166 mm，施氮量為180 kg/hm2時(shí)，夏玉米產(chǎn)量和水分利用效率均達(dá)到最大值，分別為9 979.5 kg/hm2、25.3 kg/(hm2·mm)；同時(shí)，氮肥偏生產(chǎn)力也相對(duì)較高，為55.4 kg/kg；NO3--N 淋失量相對(duì)較低，為15.26 kg/hm2，這在模擬結(jié)果中屬于最優(yōu)化的水氮管理模式。該水氮管理模式可為位山引黃灌區(qū)下游農(nóng)田水肥管理的優(yōu)化提供理論依據(jù)。