RZWQM2模型模拟地膜覆盖时间对棉田氮素迁移特征和氮肥利用效率的影响

夏 文，林 涛，褚晓升，丁奠元，颜 安，尔 晨，汤秋香,*

（1 新疆农业大学农学院/棉花教育部工程研究中心，新疆乌鲁木齐 830052；2 新疆农业科学院经济作物研究所，新疆乌鲁木齐 830091；3 西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院，陕西杨凌 712100；4 扬州大学水利科学与工程学院，江苏扬州 225009；5 新疆草地修复与环境信息重点实验室，新疆乌鲁木齐 830052）

地膜覆盖具有提高氮肥利用效率和作物产量等作用[1-2]。常年覆膜不仅加剧农田残膜污染，还显著增加土壤根区硝态氮的积累[3]，使棉花养分吸收效率下降[4]。使用降解地膜可在一定程度上减轻污染[5]，但在实际应用中存在降解过早导致保水保肥性能变弱等缺陷[6]。在保证棉花生长对土壤水热需求的同时，适时揭膜可增加土壤透气性，有利于有机质分解，提高土壤速效养分的含量，保证作物生长中后期对土壤养分的吸收利用[7-8]。RZWQM2 (Root Zone Water Quality Model-version 2)模型因操作简便、模拟结果准确和代表性广等优点，是模拟和评估农田氮素迁移转化的核心方法[9]。李艳[10]对RZWQM2模型中土壤养分模块进行了校正和验证，结果表明土壤硝态氮模拟值剖面分布趋势和实测值相同，冬小麦季土壤硝态氮含量在0—60 cm土层变化较大，而夏玉米季因大量降水致使土壤硝态氮淋洗出根层。也有研究表明，利用RZWQM2模型模拟预测不同施氮水平在不同降水年型下1 m土壤剖面硝态氮淋失量，发现大降水事件很大程度上增加了累积在农田土壤中的硝态氮的淋溶损失[11-12]。Ma等[13]通过RZWQM2评估施氮量和施氮时间对土壤氮平衡的影响，结果表明模型能够充分模拟不同施氮量所对应的氮素损失，相关系数高于0.83，且对施氮量的响应比对施氮时间大。薛长亮等[14]利用RZWQM2模拟预测农田硝态氮流失和氨挥发，结果显示玉米季氮素通过农田硝态氮流失和氨挥发的平均损失量分别占冬小麦-夏玉米轮作总施氮量的13.0%和17.2%。张芊等[15]利用RZWQM2模型提出减缓硝态氮淋溶的玉米施肥方案，认为轮作周期冬小麦施氮量为233 kg/hm2、玉米施氮量为212 kg/hm2时可以有效控制硝态氮的淋溶损失，且轮作氮肥偏生产力可达到23.2 kg/kg。前人的研究主要集中于利用RZWQM2模型探索不同生态条件下满足作物生长的水肥运筹方案[16-17]。RZWQM2模型现有的覆膜模块，未能从机理上体现对不同地膜覆盖时间下棉田氮素平衡及植株氮养分吸收利用变化规律的模拟，限制了RZWQM2在地膜覆盖潜在价值研究中的应用。因此，本研究依据积温学说，借助RZWQM2模型更好地发挥地膜增产效益促进氮素高效利用，本研究利用RZWQM2模型定量评估地膜覆盖时间对棉田的氮素迁移影响机制，进一步评估预测不同地膜覆盖时间下土壤剖面氮素平衡及不同气候条件下作物对氮素的吸收利用，综合考虑地膜覆盖时间与氮素吸收利用的关系，从而更好地运用RZWQM2模型模拟不同环境下土壤氮素运移，为棉田氮素合理利用、降解地膜生产标准和确定最佳地膜回收时期提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

2017—2018年在新疆阿克苏阿瓦提棉花综合试验基地 (40°06′N，80°44′E)进行田间试验。该区属于温带大陆性干旱气候，海拔1025 m，日照时数2679 h，≥10℃年积温3987.7℃，无霜期211天，年均降水量46.4 mm，蒸发量2900 mm，农业生产完全依赖于灌溉。2017—2018年棉花生育期内气温和太阳辐射量动态变化见图1。试验区土壤质地为砂壤土，播前0—80 cm土层硝态氮含量如表1所示。

图1 2017和2018年棉花生育期内气温和太阳辐射量Fig. 1 Temperature and solar radiation during the growth period of cotton in 2017 and 2018

表1 试验地播前0—80 cm土层硝态氮含量(mg/kg)Table 1 NO3--N content in 0-80 cm soil profile before sowing

1.2 田间试验设计

试验共设置6个地膜覆盖时间处理：40、55、70、85、100 天和全生育期覆盖对照，分别表示为D40、D55、D70、D85、D100和CK。单因子随机区组设计，每处理重复3次。采用无色普通PE地膜(新疆独山子天利高新技术股份有限公司生产)，一膜两管6行的种植模式，株距11 cm。2017年4月8日播种，4月30日出苗，9月21日收获，全生育期167 天；2018年4月15日播种，5月10日出苗，9月25日收获，全生育期164 天。采用“一水一肥”的施肥方式，施肥量(折合纯氮)为300 kg/hm2，基追比为2∶8。其他管理方式同大田。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 气象参数 RZWQM2模型所需气象参数由包含083E空气湿度传感器、0766强制通风罩、034B风速风向传感器、TE525雨量筒、LI190SB光合有效辐射仪、LI200X总辐射仪的高精度自动气象站测定(Campbell Scientific Inc.,USA)。该气象站采用10HZ频率采集原始数据，并提供每30 min的计算均值。

1.3.2 土壤温度 覆膜后将自动地温计(Micro Lite 5032PU，Israel)埋入各处理宽行膜下10 cm处，其测量范围-30℃～80℃，分辨率0.1℃。采集时间为覆膜后至棉花收获期，采样间隔为1 h。

1.3.3 土壤贮水量 土壤贮水量可以系统地评价不同地膜覆盖时间下的土壤水分利用情况。80 cm深土层贮水量计算公式[18]：

式中：W为土壤贮水量(mm)；Wi为第i层土壤体积含水量(cm3/cm3)；Hi为第i层土层厚度(cm)；n为80 cm深土层含水量测定层数。

1.3.4 土壤硝态氮 苗期至吐絮期用土钻于每处理的第2幅膜的窄行、宽行和裸行3个位点，取0—80 cm的土样，每20 cm为一层。采用CaCl2浸提法获得提取液，紫外分光光度计法测定硝态氮的含量[19]。

1.3.5 棉株氮养分吸收量 每小区随机选取有代表性的3株棉花取棉株地上部分，烘干后粉碎，过0.5 mm筛，经H2SO4-H2O2消解定容后，采用奈氏比色法测定棉株的氮含量[20]。

棉株氮养分吸收量=实收单位面积株数×成熟单株干质量×成熟单株含氮量(kg/hm2)。

1.4 模型校正与验证

RZWQM2 模型输入的初始数据包括气象数据(每日最高温度、最低温度、平均相对湿度、风速、降水和净辐射量)、试验田块的物理性质(土壤质地、容重、饱和含水率和萎焉系数等)、土壤化学性质(硝态氮含量、铵态氮含量、土壤有机质等)和试验中田间管理措施(播种时间、播种量、收获时间、灌溉处理、施肥处理和耕作处理等)。

本研究利用2017—2018年全生育期覆盖处理土壤贮水量、硝态氮含量及植株氮养分吸收量的实测数据依次校正RZWQM2模型的水分模块和养分模块。用5个覆盖时期处理的数据对模型进行验证。分别用统计检验中的均方根误差(root mean square error，RMSE)和平均相对误差(mean relative error，MRE)评估模型的可靠性。RMSE和MRE的值越小表明模拟值与实测值的差异越小，当RMSE达到最小值为优，MRE趋近于0模拟效果为优，其计算如式 (2)～(3)[21]。

式中：N为模拟值或实测值个数；Pi和Qi分别为第i个模拟值和实测值。

1.5 模型应用

借助校正与验证后的RZWQM2模型，将地膜覆盖时间55～105 天细化到每3 天为一间隔，模拟计算氮素吸收量。用此模型计算每个地膜处理施肥和未施肥下的棉花氮素吸收量，按照下列公式，计算不同地膜覆盖时间处理下的氮肥利用效率。

氮肥农学效率(kg/kg)=(施氮区籽棉产量-不施氮区籽棉产量)/施氮量；氮生理利用率(kg/kg)=(施氮区籽棉产量-不施氮区籽棉产量)/(施氮区吸收氮量-不施氮区吸收氮量)；氮肥回收率(%)=施氮区吸收氮量-不施氮区吸收氮量)/施氮量×100[22]。

1.6 数据分析

采用DPS Version 7.05 软件和Excel 2016软件进行数据的整理与分析，采用最小显著性差异(LSD)法进行显著性测验。

2 结果与分析

2.1 模型建立与校正

2.1.1 水分模块的建立与校正 利用2017和2018年全生育期覆盖处理下，土壤贮水量的实测数据调整模型的土壤水分参数。校正后的土壤贮水量的模拟值与实测值的变化趋势一致(图2)，土壤贮水量模拟值与实测值的MRE值的变化范围为5.67%～7.42%，RMSE值变化范围为1.41～1.51 mm，达到允许范围。

图2 棉花不同生长天数土壤贮水量实测值与模拟值Fig. 2 Measured and simulated soil water storage quantity at different growth days of cotton

2.1.2 养分模块的建立与校正 利用棉花主要生育时期实际测定的0—80 cm土层土壤硝态氮含量调整模型参数，直至模拟值与实测值之间的MRE值范围在0.12%～0.37%，RMSE值变化范围为2.72～9.47 mg/kg，0—40 cm土壤硝态氮含量实测值与模拟值的离散程度大于40—80 cm相应指标，模拟值大于实测值(图3)。

图3 采用全生育期覆盖对照处理对土壤硝态氮含量实测值进行的模拟值校正Fig. 3 Calibration of simulated values using measured soil nitrate nitrogen content under film mulching across the growing period of cotton (CK)

图4显示，2017和2018年全生育期地膜覆盖条件下，棉株氮养分吸收量的模拟值与实测值之间MRE的变化范围为4.82%～6.52%，RMSE值范围为7.69～12.13 kg/hm2，均在合理误差范围内。

2.2 模型验证

表2显示，2017和2018年各处理土壤贮水量的模拟值与实测值的MRE分别为6.61%～20.08%和6.74%～16.17%，RMSE值在1.14～2.87和1.38～2.76 mm，总体来看，以D100处理的模拟效果最好。

表2 不同地膜覆盖时间下土壤贮水量实测值与模拟值(mm)的拟合度Table 2 Agreement of measured and simulated soil water storage as affected by film mulching days

图4 2017年和2018年地膜覆盖出苗后棉株不同生长天数氮素吸收量的模拟值与实测值Fig. 4 The simulated and measured N uptake amount of cotton at different growing days under film mulching in 2017 and 2018

由表3可知，D40、D55、D70、D85和D100处理的MRE值变化范围分别为0.17%～0.44%、0.11%～0.41%、0.10%～0.33%、0.06%～0.31%和0.07%～0.57%，RMSE值分别为4.81～16.38、3.74～13.45、2.73～8.64、2.05～8.58 和 3.75～17.28 mg/kg。从生育时期来看，花铃期模拟结果较吐絮期差，这可能是由于花铃期棉花处于生殖生长阶段，所需的氮素营养较多，不同地膜覆盖时间下棉花氮素吸收存在差异，而模型未能对这种差异做出很好地响应。

表3 不同地膜覆盖时间下棉花不同生育期土壤硝态氮模拟值与实测值的拟合程度Table 3 The agreement between simulated and measured soil nitrate nitrogen contents at different growth stages of cotton as affected by film mulching days

棉株氮吸收量的模拟值与实测值吻合度均较高(表4)，地膜覆盖时间对棉花氮素积累量影响显著，不同地膜覆盖时间下棉花氮素积累量随覆膜时间的增加而增加，在出苗后100天达到最大值。验证结果表明棉株氮吸收量的MRE值为1.95%～8.39%，RMSE 值在 4.39～24.31 kg/hm2。

表4 不同地膜覆盖时间下棉花氮素吸收量模拟值与实测值(kg/hm2)Table 4 The simulatedand measured Nabsorptionof cotton as affected by film mulching days

综上所述，RZWQM2模型可以较准确地模拟不同地膜覆盖时间下棉田土壤贮水量、土壤硝态氮及棉株氮养分吸收量，模拟结果总体趋势在可信范围内。

2.3 基于模拟值的棉田氮素去向分析

利用校正后的RZWQM2模型，从地膜覆盖55天开始，每3天为一间隔，模拟计算了棉田0—80 cm土壤剖面氮素平衡(表5)。表5表明，2年氮素矿化量和固定量随地膜覆盖时间的增加而增加，其峰值分别为91～93和97～99天，但矿化量的增加量显著高于固定量。随着地膜覆盖时间的延长，氮素总损失量(氨挥发+反硝化+渗漏)随地膜覆盖时间的增加而减少，其中土壤氨挥发和反硝化氮量无明显差异，渗漏量随地膜覆盖时间的增加而减少，因此，渗漏是氮素损失的主要途径，其在总氮损失中的占比最大。 2017—2018年氮素渗漏最小值分别在地膜覆盖94～96和97～99天，较地膜覆盖55～57天分别减少26.81%和44.65%。从减少氮素渗漏的角度看，地膜覆盖时间以94～96和97～99天为宜。

表5 地膜覆盖55～105天棉田0—80 cm土壤剖面氮素平衡Table 5 Nitrogen balance of soil profile in 0-80 cm cotton field after 55-105 days of film mulching

2年棉花氮素吸收量峰值分别出现在94～96和97～99天，分别为383.81和392.51 kg/hm2。综上所述，地膜覆盖时间过长，不利于棉株在不同生育时期氮养分的吸收利用，地膜覆盖时间过短，由于氮素净矿化较少而氮素损失较多造成供植株吸收利用的氮素较少。

2.4 基于模拟值计算的棉花氮素利用率

利用校正后的RZWQM2模型，从地膜覆盖55天开始，每3天为一间隔，模拟计算植株氮养分吸收量和籽棉产量，计算农学效率、生理利用率和回收率(表6)。农学效率、生理利用率和回收率呈先上升后下降趋势。

2017年，农学效率和生理利用率随地膜覆盖时间增加而增加的快速增长期分别为地膜覆盖67～93和58～96天，分别较地膜覆盖55～57天提高126.19%和69.25%，随后农学效率和生理利用率均出现缓慢下降，至地膜覆盖103～105天分别下降6.15%和3.28%。回收率随地膜覆盖时间增加呈平缓增加的趋势，达到峰值后回收率较地膜覆盖55～57天提高22.23%，地膜覆盖97天后回收率随之下降，至地膜覆盖103～105天回收率下降5.12%。2018年，农学效率、生理利用率和回收率随地膜覆盖时间增加而增加的快速增长期分别为地膜覆盖67～96、79～96和70～99天，分别较地膜覆盖55～57天提高66.67%、113.20%和18.83%，随后呈缓慢下降趋势，至地膜覆盖103～105天分别下降9.71%、21.43%和0.88%。综上所述，适当的地膜覆盖时长有利于提高氮素的农学效率、生理利用率和回收率，但过长的地膜覆盖时间反而降低棉花的农学效率和生理利用率。基于2017和2018年度数据模拟的最佳覆盖时间为94～96天。

表6 基于RZWQM2模型模拟的不同地膜覆盖时间棉花氮素利用率Table 6 Nitrogen utilization efficiency based on simulated N uptake with RZWQM2 model under different film mulching time

2.5 基于模型对适宜地膜覆盖时间的评估

以2019和2020年气象数据为基础，利用校正后的RZWQM2模型模拟植株氮素吸收量、氮素农学效率、氮素生理利用率和氮素回收率随地膜覆盖时间的变化(图5)。2019年植株氮素吸收量随地膜覆盖时间的变化均呈先上升后下降的趋势，在地膜覆盖100 天达到峰值，随后降低。氮素农学效率和氮素生理利用率在覆膜40 天最低，在地膜覆盖50～70天缓慢上升，至85～90天达到峰值，之后缓慢下降，2020年变化幅度高于2019年。氮素回收率在地膜覆盖40天最低，在地膜覆盖50～80天缓慢上升，至85～90天达到峰值，之后缓慢下降，2019年变化幅度高于2020年。由此可以看出，RZWQM2模型模拟地膜覆盖时间与棉花氮素利用效率的关系充分考虑了气象因素的影响，评估结果更加客观可靠。

图5 RZWQM2模型模拟的植株氮素吸收及氮肥效率随棉花生长天数的变化Fig. 5 Simulated changes in cotton N uptake and N use efficiency across the growing days using RZWQM2 model

3 讨论

3.1 RZWQM2模拟地膜覆盖时间的适用性

本研究运用RZWQM2模型对不同地膜覆盖时间下新疆棉田土壤氮素迁移及吸收利用进行了模拟和预测。通过依次对水分模块和养分模块参数进行校正，其2017和2018年对不同地膜覆盖时间下全生育期土壤贮水量的模拟结果和实测结果之间的MRE和RMSE值分别在6.61%～20.08%、6.74%～16.17%和1.14～2.87、1.38～2.76 mm，变化误差处于可接受的范围内，表明了模拟结果与实测结果有较为理想的拟合度。模拟数据的变化也与棉花生育期对水分和养分的需求规律相吻合。如出苗后60天是棉花对水分需求较大的时期，此时气温升高，土壤水分蒸发量也较大，故80 cm土层内贮水量变化较大，该时期应为棉田头水灌溉的时间[23]。模型对不同地膜覆盖时间下土壤剖面硝态氮模拟效果有一定的偏差，MRE和RMSE值变化范围分别为0.06%～0.57%和2.05～17.28 mg/kg，可能因为借助RZWQM2模型模拟氮素的运移和转化对灌溉和降水等环境因素的响应较弱[24]。不同地膜覆盖时间下棉株氮素吸收量模拟值与实测值吻合度较高，随着地膜覆盖时间的增加棉株氮素吸收量呈先增大后减小的趋势，且D100处理在整个棉花生育过程中氮素吸收量最大，这与Wang等[25]研究结果一致，适宜的地膜覆盖时间可保证作物生长中后期对土壤养分充分吸收利用，提高养分积累量，但地膜覆盖时间过长也不利于棉花对氮素的吸收利用。模拟结果印证RZWQM2模型已经可以应用于新疆地区不同地膜覆盖时间下氮素迁移转化规律研究，为氮素高效利用提供依据。

3.2 基于RZWQM2的棉田氮素变化过程对不同地膜覆盖时间的响应

影响土壤氮素矿化的最主要环境因子是土壤温度和水分[26]。地膜覆盖下可增加土壤温度和保持水分，改善土壤微生物呼吸，提高土壤氮素的矿化速率，使活性有机氮库下降[8]，进而对土壤氮素有效性产生影响[27]。也有研究表明，地膜覆盖通过提高土壤微生物的活性，进而加快土壤氮素矿化进程[28]。笔者利用验证后的模型将地膜覆盖时间处理以3天为间隔进行细化，模拟研究发现土壤氮素矿化随地膜覆盖时间增加总体呈上升趋势，在地膜覆盖时间超过99天后有少量下降，其原因可能是地膜覆盖时间未超过99天时，对土壤水分和温度均产生了正效应，地膜覆盖大于99天后，植株耗水量增加，土壤水分下降，而温度仍在逐渐升高，在综合影响下土壤氮素矿化速率下降。

氮素的去向主要分为氨挥发、反硝化、渗漏和作物吸收4个方面，其中土壤氮素渗漏的损失取决于土壤剖面上部氮的荷载量与土壤剖面内下行水流的强弱。Liu等[29]研究表明，地膜覆盖可降低氮素的淋溶损失，但Hai等[30]通过对土壤无机氮平衡状况的估算推测，地膜覆盖可能增加表层土壤氮的淋溶损失。Berger等[31]指出，地膜覆盖在一定程度上会影响反硝化作用，但是其氮氧化物排放对地膜覆盖下土壤氮素损失的贡献非常小。本研究结果表明，随地膜覆盖时间增加，土壤氮素渗漏情况总体呈下降趋势，其原因可能是地膜覆盖时间延长促进了作物对水分和氮素的有效利用，进而降低了氮素的渗漏；土壤反硝化在氮素损失总量上占比极低，这与Berger等[31]研究结论一致。适宜的地膜覆盖时间明显增加棉株对氮素的吸收，但该吸收量的来源是土壤氮还是肥料氮仍需要进一步研究。综上，合理的地膜覆盖时间可以促进氮肥向植物可吸收氮进行转化，减少氮素损失。

3.3 RZWQM2模型对不同年份氮素吸收利用分析

利用2017和2018年田间试验对模型进行校正和验证，确定RZWQM2模型可较好的模拟不同地膜覆盖时间下氮素吸收量及氮素利用效率，以2019—2020年的气候条件模拟不同地膜覆盖时间下氮素吸收利用情况。4年间氮素吸收量和氮素利用率随地膜覆盖时间的增加总体呈上升趋势，地膜覆盖时间超过100 天后略有下降，这与多数大田试验报道相同[32-34]。但有学者研究表明，地膜覆盖主要提高了作物对土壤本身养分的吸收，而不是来自当季施用的肥料[35]，其原因可能是地膜覆盖下由于水热条件的改变，作物会优先吸收原本已经存在的比较稳定的有机氮。本试验条件下，在利用RZWQM2模型模拟2019和2020年棉花氮素利用时发现氮素农学效率和氮生理利用率均为2020年变化幅度远大于2019年，而氮肥回收率恰恰相反。比较2年气象数据，2020年较2019年气温高、降水少，笔者认为在高温缺水的条件下，地膜覆盖时间的增加使保墒效果更明显，有较高的水氮利用率，与不施氮条件下的产量差异较大。然而在该条件下棉花氮吸收量差额降低，造成氮肥回收率变化幅度较小。要精确模拟预测棉株氮素吸收利用对地膜覆盖时间的响应情况，应将长时间序列的气象数据与不同栽培措施结合起来，在今后的研究中通过田间试验进一步探究。

4 结论

经过校正与验证，根区水质模型RZWQM2模拟的土壤氮素动态和作物氮素吸收利用值与实测值的均方根误差(RMSE)和平均相对误差(MRE)值均在允许范围之内。利用该模型模拟的棉花氮素吸收量和氮肥利用率随地膜覆盖时间变化的差异反映了气象和土壤因素的影响，因而用该模型评估适宜新疆棉花生产的地膜覆盖时间，是一种客观和可靠的方法。综合考虑，在新疆地区地膜覆盖时间达94～99 d时可提高植株氮素的吸收利用能力，减少资源浪费，减轻残膜污染。