运用WHCNS 模型对农田氮素损失的验证及分析

杜艾芳DU Ai-fang

（矿冶科技集团有限公司，北京 100160）

0 引言

自1978 年改革开放以来，我国人口数量的增长导致粮食需求不断上升，而有限的耕地面积使人均耕地面积逐渐减少，所以中国正在用仅占世界9%的耕地面积养活世界22%的人[1]。华北地区作为我国农业集约化生产的主要区域，以冬小麦、夏玉米等粮食作物生产为主，每年的粮食产量占全国粮食总产量的22%-25%[2]。

土壤、气候的特点以及集约化的生产方式造成华北地区地下水的过量开采和肥料的过量施用，有研究表明过量施用的氮肥除了以硝酸盐形态淋失损失外，还会以氨气形态扩散到大气中对空气造成污染，同时农民的经济收入也因为肥料的浪费而严重降低[3]。因此如何及时而又准确的定量农田-作物体系的氮素损失显得尤为重要。

1 材料与方法

1.1 试验地点及布置

①试验地点：位于华北地区的山东省桓台县，试验区地势平坦，供试土壤为潮褐土。土壤表层0-20cm 为腐殖质层，颜色较深，耕层以下粘化现象明显。

②试验布置。本试验选取符合模型模拟要求的OPT及WS 处理，采用“试错法”，先用2018-2019 年实测数据率定模型土壤水分和氮素转化与运移参数，然后用2016-2017 年及2017-2018 年的实测数据来验证模型。

优化（Optimum-OPT）：冬小麦-夏玉米一年两熟制，两季基肥和追肥各一半，基肥为化肥加有机肥（全氮量1/3的化肥、2/3 的有机肥）。

节水（Water Saving-WS）：冬小麦-夏玉米-春玉米两年三熟制，冬小麦和夏玉米季基肥和追肥各一半，夏玉米季基肥一次，追肥两次，各三分之一。

冬小麦季施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，追肥两次，各三分之一，基肥同时施96kg P2O5ha-1和100kg K2O ha-1。灌溉量为优化灌溉75mm/次，灌溉方式为漫灌。

1.2 WHCNS 模型参数

WHCNS 模型中水分特征曲线的相关参数见表1。

表1 土壤剖面质地及水力学特性参数

1.3 模型校准与验证

本试验选取均方根误差RMSE、模型模拟效率E 和一致性指数d 来评价模型的模拟值与实测值的吻合程度[5-7]：

式中，Pi为模拟值，Oi为实测值，O 为实测值的平均值，n 为观测值的个数。

2 结果与分析

2.1 WHCNS 模型对水分渗漏量的模拟效果

由图1 可知，WHCNS 模型对水分渗漏量的模拟与实测趋势基本一致，除WS 处理的春玉米（图e）以外，其余各年份各处理的模拟值呈现10 月15 日-第二年的2 月15日缓慢增加，到4 月20 日明显升高趋势，之后基本保持水平，到8 月15 日左右呈直线上升趋势，但拐点捕获的不够准确。这与梁浩的结果一致，此模型模拟的土壤水分结果包含饱和流和非饱和流，而实测值采集的主要是非饱和流时的淋溶液，所以土壤水分渗漏量的模拟值应该高于实测值[8]。

图1 土壤水分渗漏量的模拟和实测累积图

从三个统计参数来讲，两个处理的各年份模型模拟效率E 均为负值（-0.10 左右），值较小，一致性指数d 维持在0.16-0.29，均方根误差RMSE 平均为0.36，说明WHCNS模型对于水分渗漏量有很好的模拟效果。

2.2 WHCNS 模型对土壤硝态氮淋失量的模拟效果

从图2 模拟的结果也可以看出，WHCNS 模型对土壤硝态氮淋失量的模拟与实测趋势基本一致，硝态氮淋失主要出现在夏玉米生长期，有明显的增长趋势，但模拟的主要峰值均比实测值延后。根据前人的研究，该结果是可以接受的[9-11]。

图2 硝态氮淋失量的模拟和实测累积图

夏玉米季的土壤硝态氮淋失量的模拟值与实测值均较高于小麦季，说明夏玉米季的模拟效果较好。效率系数E 和一致性指数d 值较小，说明模拟值与实测值的一致性程度较低，这可能是因为实测数据较少，实测值只是针对能抽取出淋溶水时来进行测试的，并没有很好地展示出土壤动态淋失量的变化，同时运用陶土头加张力计测淋溶水的方法可能会造成对淋失量的低估。

2.3 WHCNS 模型对氨挥发的模拟效果

WHCNS 模型的模拟结果较好的展示了农田施肥与灌溉后氨挥发的趋势，能够很好的捕捉施肥和灌溉等重要措施的影响。如图3 所示，模拟值的氨挥发量是一条连续的动态曲线，而实测值是根据实际情况测量了每次基肥和追肥之后连续十天的氨挥发量。从图中可以看出，WHCNS模型很好的捕捉到了土壤氨挥发的峰值，且夏玉米季的峰值明显高于冬小麦季。这与李凡的研究结果一致[12]。

图3 土壤氨挥发量的模拟和实测动态图

效率系数E 和一致性指数d 值较大，说明模型模拟值与实测值有较高的一致性，均方根误差RMSE 为0.60-0.71，值较小，说明模拟值与实测值的平均值接近。冬小麦季和夏玉米季的氨挥发模拟值均低于实测值，因为实际测量的氨挥发量只有施肥后的两周，实测值为实际测量值加上其他时期的估测值，会造成一定的误差。

3 结论

①WHCNS 模型对农田硝态氮淋失的动态变化捕捉较好，总量相对误差<±10%，但对主要峰值的捕获有所延迟；对氨挥发的峰值捕获较好，但总量相对误差为-41.5%。②WHCNS 模型对夏玉米季的水分渗漏量较好，对硝态氮淋失量的模拟有所延后，主要原因是夏玉米季作物种植时长较短，数据更准确。对于氨挥发的模拟，冬小麦季的模拟效果更好，主要是由于夏玉米季温度较高，氮素挥发较快。③此模型对于预测未来的氮素损失有一定准确性，可能不适用于整个华北地区。同时此研究并未对模型某些方面准确度不高的应对方法做进一步的探究，因此在此后的研究中研究人员可根据此研究针对模型某些方面模拟准确度低作进一步的内部运行公式的修改，进而完善模型应用准确度。