硕士论文-应用DSSAT模型评价土壤硝态氮淋洗风险——以北京.pdf

中国农业大学 硕士学位论文 应用DSSAT模型评价土壤硝态氮淋洗风险以北京大兴区为例 姓名：丁妍 申请学位级别：硕士 专业：水文学及水资源 指导教师：任理 20070601 摘要 本文基于长序列气象资料及北京大兴区大量土壤采样资料的基础上，利用作物生长模拟模型 D S S A T 3 5 ，联合G I S 技术，来评价北京大兴区水、氮利用状况，为冬小麦夏玉米的水肥管理决策 提供定量化、有效化的手段。 本文选择在与研究区域北京大兴区拥有相似土壤气候条件，种植相同品种，且存在丰富的田 间试验资料的海淀区东北旺乡进行模型作物品种参数的校正作物品种参数校正的结果良好 在东北旺5 年冬小麦夏玉米的轮作模拟结果较好的验证了模型的有效性，每年作物产量、吸 氮量模拟值基本与实测值相当。每年作物收获后0 - 2 1 0 e m 土壤各层中硝态氮浓度的变化显示，由 于采取传统氮肥处理，连续多年每季作物均投入高达3 0 0 k g h a 的氮肥，导致土壤中1 0 0 e r a 以下 ( 作物主根区之外) 硝态氮含量持续增加，这些硝态氮游离出了根区，很难被作物吸收，伴随着 灌溉或强降雨，很可能向下淋洗。 在大兴区6 个剖面分别进行1 9 6 1 - 2 0 0 3 年冬小麦一夏玉米轮作模拟的平均结果显示：采用优化氮 肥处理方式比采用传统氮肥方式节省了6 0 以上的氮肥，但是两种方式处理的历年作物产量基本 相同。然而采用传统氮肥处理的每季硝态氮淋洗量显著高于优化氮肥处理。线性相关分析显示夏 玉米生育期内降雨量与当年硝态氮淋洗量之间显著相关。 利用A r c V i e w 软件与D S S A T 模型链接而成的决策支持系统A E G I S W I N 对模型在区域尺度上 模拟的应用进行了初步探讨。 关键词：D S S A T 模型，氮淋洗，作物品种参数 A b s t r a c t 1 1 1 r o n g ht h eu o fp r o c e s s - b a s e dc r o pm o d e lD S S A T 3 5a n dc o m b i n i n gw i t hG 1 S a n db a s i n gO n l o n g - s e r i a lm e t e o r o l o g i c a ld a t aa n dv o l m n e s o f s o i lp r o f i l e sd a t a , W ea s s e s s e dt h eW a t e l a n dn i t r o g e n o u s f e r t i l i z e rU S ei nw i n t e rw h e a ta n di R l m n l c rm a i z eo f B e i j i n gD a x i n gd i s t r i c t D u et ol a c ko f d e t a i lc r o pg r o w i n gd a t ai no u rs t u d ya r e a s , w eh a v et oc h o o s eD o n g b e i w a n gf o rt h e c a l i b r a t i o no f t h em o d e lc r o pg e n e t i cc o e f f i c i e n t s ，w h i c ho w n ss i m i l a rm e t e o r o l o g i c a la n ds o i lc o n d i t i o n a sD a x i n gD i s t r i c t ，a n dt h el k a m eg e n e t i cc r o p s G e n e t i cp a r a m e t e r sf i tw e l lt ot h em e a s u r e d p h o n o l o g i c a la n dy i e l dd a t ao f t h ec r o p s T ot e s tt h ev a l i d i t yo f t h em o d e l si ns i m u l a t i n gw a t e ra n dn i t r o g e n o u sf e r t i l i z e ru s e ，w es i m u l a t e d t h ew i n t e rw h e a t - s u m m e rm a i z er o t a t i o nf r o m1 9 9 9t o2 0 0 4 T h er e s u l t ss h o w e dag o o df i ti ny i e l da n d Nu p t a k ey e a r sb e f w e e ns i m u l a t e da n dm e a s u r e dd a t a T h ec h a n g eo ft h ec o n c e n t r a t i o no fn i t r a t e n i t r o g e ni ne a c hl a y e r so f0 - 2 1 0 c ms o i lp r o f i l ea f t e rt h eh a r v e s to fc r o pr e v e a l e dt h a ta sa r e s u l to f t a k i n gt h et r a d i t i o n a lf e r t i l i z a t i o nf o re a c hc r o pg r o w i n gs e a s o n , t h ec o n c e n t r a t i o no fn i t r a t en i t r o g e n b e l o wI O O e mw a gi n c r e a s i n gy e a r l y , a n di fm e e t i n gb i gi r r i g a t i o na m o u u to fh e a v yp r e c i p i t a t i o n , t h i s d i s t r i c tm a yh a v ea h i g hN o il e a c h i n gr i s k T h ea v e r a g es i m u l a t e dr e s u l t so fs i xp r o f i l e si nB e i j i n gD a x i n gD i s t r i c tf o rt h ew i n t e rw h e a t - s u m m e rm a i z er o t a t i o n sf r o m1 9 6 1t o2 0 0 3s h o w st h a t ：T h eo p t i m i z e df e r t i l i z a t i o ns a v e da b o u t6 0 f e r t i l i z e rc o m p a r e dt ot h et r a d i t i o n a if e r t i l i z a t i o n , a l t h o u g ht h et w od i f f e r e n tf e r t i l i z a t i o nl e a dt ot h e s i m i l a ry i e l d H o w e v e r , t h eN O l e a c h e de a c hy e a r l yo ft h et r a d i t i o n a lf e r t i l i z a t i o nw a sr e m a r k a b l y h i g h e rt h a nt h eo p t i m i z e df e r t i l i z a t i o n T h el i n e a rc o r r e l a t i o na n a l y s i si n d i c a t e dt h a tt h et o o l e a c h e d i ns u m m e rm a i z eg r o w i n gs e a s o nh a ds i g n i f i c a n tc o r r e l a t i o nw i t ht h ep r e c i p i t a t i o n U s i n gD S S A Tm o d e la n dc o m b i n i n gw i t hG I S ，w et o o kap i l o ts t L l d yi nt h ea p p l i c a t i o no f r e g i o n a i s i r e u l a t i o ni n2 0 0 0s u m m e rm a i z eg r o w i n gs e a s o n K e yw o r d s ：D S S A TM O D E LNl e a c h e 正c r o pg e n e t i cc o e f f i c i e n t 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 躲 唧 时阃：司年D 6 B f B 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，U p ：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 导师签名： 时间： 时间： 中国农业大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景与研究意义 第一章绪论 由于人口众多和水土资源短缺，中国正面临着粮食生产、资源可持续利用和生态环境保护的 巨大压力。2 0 0 1 年，农业用水占全国总用水量的6 8 7 ( 农田灌溉用水占9 1 1 ) ( 中国水资源公 报，2 0 0 1 ) 。海河流域水资源总量3 7 2 亿立方米，人均水资源占有量3 0 5 m 3 ，仅为全国平均的1 ，7 、 世界的1 2 7 ( 水利部规划计划司) 。水资源量不足严重制约着我国华北平原农业、经济的长期可持 续发展( 刘昌明。何希吾，1 9 9 6 ) 华北平原冬小麦生长在干旱少雨季节，是需要灌溉水最多的作 物，约占北方农业总用水量的7 0 以上( 兰林旺和周殿玺，1 9 9 5 ) 。在冬小麦整个生育期当中， 农民通常灌水2 5 次，总灌水量通常大于3 0 0m i l l ( c h e n , 2 0 0 3 ) 。 氮素是农业生产中最主要的养分限制因子，氮肥对作物的增产效果十分显著。增加氮肥的施 用置是提高农作物产量的重要措施氮素通过不同途径进入土壤系统，在土壤中经过各种转化和 迁移过程后又以不同形式离开十壤系统，如图1 1 ( 邵孝侯。缨大宏1 9 9 4 ) 所示一土壤是水体 氮素的直接污染源，土壤氮素的转化、形态和数量直接影响水体氮的污染，特别是土壤中硝态氮 的流失可能造成地表水和地下水的氮污染。 近2 0 年来的农业生产统计资料表明，我国主要通过扩大耕地面积、增加肥料投入和较高的灌 溉水量等经营方式提高粮食产量。f 1 2 0 世纪8 0 年代以来，我国的化肥用量一直在持续上升，2 0 0 2 年全国化肥用量为3 9 6 0 万吨，其中氮肥用量2 5 4 3 万吨，占世界氮肥用量的近3 0 ( F A O ，2 0 0 2 ) 。 我国是世界上氮肥用量最大的国家，但是由于氮肥旖用量及施用方式的不合理，不仅导致作物体 内硝酸盐含量增加，降低了产品质量，造成氮肥资源的浪费，而且增加了N 2 0 等温室气体的排放 量，水体的富营养化以及地下水的硝酸盐污染，危及人们的健康( 朱济成等，1 9 8 6 ：沈善敏，1 9 9 4 ： 朱兆良，2 0 0 0 ：张庆忠等，2 0 0 2 ) 。 投入产出比低或氮肥利用效率低是我国目前氮肥使用中存在的主要问题之一。我国1 9 5 8 年到 1 9 6 2 年平均用氮量为4 5 - 6 0k g a l a ，小麦玉米的氮肥利_ 目J 效率分别为3 8 和6 3 ，而1 9 8 1 1 9 8 3 年平 均用氮薰增至1 2 0k g h a ，小麦玉米的氮肥利用效率却降为3 0 和3 3 ( 中国农科院土肥所，1 9 8 6 ) 。 朱兆良等( 1 9 9 2 ) 在总结全国7 8 2 个田间试验的基础上发现中国主要农作物小麦水稻玉米对氮肥 的利用效率只有2 8 - 4 1 ，并且里不断下降的趋势。从1 9 8 4 年到1 9 9 4 年的1 0 年间，我国化肥使用 量增加了9 0 7 ，而粮食产量只增加了9 O ( 中国农业年鉴，1 9 8 4 - - 1 9 9 4 ) 。氮肥的利用效率低不 仅导致施肥的增产效益和经济效益下降，而且也对生态环境造成威胁，因此，提高氮肥的利用率 和增产效果、降低其对环境的不利影响也是一项重要而紧迫的任务( 朱兆良等，2 0 0 3 ) 冬小麦夏玉米轮作是华北平原最为重要的粮食种植制度之一为了“保证”获得作物高产，农 民常常盲目使用大量的无机氮肥。据赵久然等( 1 9 9 7 ) 报道，北京顺义和通州两个区的冬小麦、 夏玉米每年的氮肥用量分别达到了3 0 9 l 【g ，I l a 和2 5 6k g h a 。而北京郊区主要作物的氮肥当季利用率 仅为1 6 - 2 2 ( 李新慧，1 9 9 9 ) ，低于全国水平3 0 - 4 1 ( 朱兆良，文启孝，1 9 9 2 ) 。 土星奎：! ! ：查兰翟土主竺兰兰要= ：竺芝 硝酸盐作为一种典型的非点源污染物，对其在土壤中的迁移动态的研究是近几十年水文学研 究的熟点之一，涉及到多学科的知识的交融，受到生态学、土壤学、农学、环境科学等多学科 的广泛关注在全球、区域、地方等不同尺度。评价非点源污染物对环境的影响是可持续农业同 时也是环境保护的关键要素( C o r w i na n dW a g e n e t , 1 9 9 6 ) 。 研究农田氮素淋失的迁移规律，为提出合理的农田水肥管理措施提供科学依据。对解决人类 生存环境恶化问题，促进可持续农业发展具有现实意义。农田生态系统中水氮过程不可避免地受 到自然要素如天气要素及灌溉施肥等人为要素的影响。本论文的研究意义在于，基于长序列气象 资料及北京大兴区大量土壤采样资料，利用作物生长模拟模型D S S A T ，联合G I s 技术，模拟冬小 麦、夏玉米的生长过程，分析各生育期对水分及氮肥的需求情况，为合理灌溉和施肥，提高产量， 节约资源和防止环境污染提供一定的理论依据和预测方法。 大 气 地地 表下 水水 图l - l 氮肥在土壤一植物系统中的转化迁移 2 查 输出 收获 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 国内外研究进展 1 2 1 潮土硝态氮淋失研究进展 氮素的淋失是指土壤中的氮随水向下移动至根系活动层以下。从而不能被作物根系吸收所造 成的氮素损失。农业学家定义氮淋失为氮移动出了作物的根区，但是环境学家定义氮素进入了水 体。土壤中氮素的累积和迁移受到施肥量和施肥方式以及残留的硝酸盐，土壤有机氮矿化、降雨、 灌溉、土壤质地和土壤物理化学性质的影响，所以变异很大，而且，淋洗作用是一种累进的过程， 在当季未被淋失的氮，以后可继续下移而损失；已淋失的氮在此后的旱季中又可随水分的向上移 动而重新进入根系活动层供作物吸收。所以仅仅通过一个季度或两个季度来计算硝态氮淋失是很 困难的( 朱兆良，2 0 0 0 ：J ue ta 1 ，2 0 0 4 ) 氨素的移动性大，不易在土壤中驻留，未被作物吸收利用的硝态氮极易向下淋失( S u p r a y o g o c ta 1 ，2 0 0 2 ) 。施入土壤中未被作物吸收的氮素常以淋洗、田闻排水、地表径流等方式进入水体， 硝酸根离子不能被土壤胶体和粘土矿物所吸附，在土壤硝酸盐含量较高和水分运移良好的条件下 极易发生淋溶损失，在灌区和多雨地区，土壤残留硝态氮的淋失是造成地下水污染的重要原因。 硝酸盐淋失必须具备两个条件：一是土壤中有硝酸盐的积累；二是有下渗的水流。以往对降雨量 在4 0 0 - 7 0 0m m 左右的中国北方地区土壤中氮素的淋失注意不够，主要原因是认为这些地区降雨 量较少，淋失不可能发生或不起主要作用。事实上这些地区降雨虽少，却主要集中在6 - 9 胄J 内，强 度大的降雨不仅会引起氮素的地表径流损失，还会使表层的硝态氮下渗到相当深度( 巨晓棠等， 2 0 0 3 ) 。 下面是近些年国内研究潮土硝态氮淋失的研究情况介绍： 孙昭荣等( 1 9 9 3 ) 在北京褐潮土( 冬小麦一夏玉米一年两季轮作) 上连续七年( 8 6 - 9 2 ) 的观 测结果表明，不施氮，随下渗水而损失的氮量不到1 5k g h a ，施氮量为1 5 0 k g h a ，3 0 0k g h a 时， 随下渗水而损失的氮量分别占施氮量的2 0 1 0 o - 2 7 9 ，2 4 5 ( 1 - 1 。5 m 土体) 。 袁锋明等( 1 9 9 5 ) 利用养分渗滤池研究了北京潮土地区春小麦一夏玉米连作期间硝态氮在土壤 剖面中移动的时空动态。结果显示，在春小麦期间只有个别处理硝态氮在O - 2 0 c m 和2 0 - 4 0 c m 土体 中有显著移动，而夏玉米期间在0 1 3 0 c m 的土体中硝态氮发生了“波浪式”的移动。淋失主要发生 于7 、8 两月。以7 月末一8 月上旬为最。相关分析表明淋洗水量与当时的降雨量显著线性相关。 范丙全等( 1 9 9 8 ) 1 9 9 2 1 9 9 5 在河北省衡水市邓庄乡壤质潮土上进行了灌水为主处理、氮用 量为副处理，各5 水平的定位试验，结果表明，氮肥用量是硝态氮淋溶损失的决定因素，冬小麦 施氮1 5 0 k g ：h a 不发生淋溶，施氮2 2 5 3 0 0 k g ，l l a 则淋溶增强。预计降水导致大量硝态氮淋溶损失 黄满湘( 2 0 0 2 ) 等通过土柱渗滤试验、大田小区肥料试验研究了北京地区冬小麦夏玉米连作 条件下土壤剖面N 0 3 N 的累积和淋失，大田处理施氮肥1 2 0 、2 4 0 、3 6 0 k g b a 的表观淋失量分别为 各自旄肥量的0 3 3 、1 0 3 、3 1 9 ( 2 4 1 、5 5 2 、1 7 1 2 k g h a ) ( 以2 m 为淋失界面，1 9 9 9 年降 雨少于正常年份) ：暑奎：! ! ：奎兰要土耋竺兰兰要= 要誊竺 巨晓棠等( 2 0 0 3 ) 在中国农业大学科学园试验农场和海淀区东北旺农场。通过田问试验研究 了冬小麦，夏玉米轮作中硝态氮在土壤剖面的累积及移动氟平衡的计算结果显示冬小麦，夏 玉米轮作中氨紊表观损失的数量与相应旋氮处理试验前后1 0 0 - 3 0 0 咖土体中硝态氮的增量基本相 当，因此硝态氮向深层移动可能是冬小麦，夏玉米轮作体系中氮肥的主要损失途径。 刘宏斌等( 2 0 0 4 ) 采用G P S 定位、深层土钻取样的方法，研究了北京市2 5 4 + 深层土壤剖面 硝态氮的空问分布特征与蒙积状况9 3 个冬小麦- 夏玉米轮作地块土壤硝态氦累积量平均为4 5 9 M h a ，其中，0 9 0 c m 根区土壤为1 8 8k g h a ，占0 4 0 0c m 土壤剖面累积总量的4 0 9 ；0 2 0 0 c m 土层为3 l lk g h a ，占6 7 7 ；2 0 0 4 0 0 咖土层达1 4 8k g h a ，接近冬小麦夏玉米轮作周期内 作物吸氮量的一半，占全剖面累积量的3 2 3 张云贵等( 2 0 0 5 ) 利用河北辛集潮土( 2 年) 和北京昌平褐潮土( 9 年) 两个长期定位施肥试验 研究了华北平原冬小麦夏玉米轮作体系下农田氮素平衡和硝态氮淋失风险。单施氮肥时，辛集和 昌平土壤硝态氮峰值分别达2 0 7 和3 0 0 m g k g ，出现在1 6 0 2 0 0e m 和9 0 - 1 2 0 啪土层；硝态氮累 积量高且大部分集中在根区外土壤，硝态氮淋失风险大。氮磷或氮磷钾肥配施时，硝态氮峰值出 现深度上移3 0 - 4 0 c m ，根区和根区外土壤硝态氮累积量均大幅降低，淋失风险明显减弱；在氮磷 或氮磷钾肥基础上适量施用有机肥时，硝态氮峰值出现深度进一步上移至根区土壤，深层土壤硝 态氮累积量显著下降，淋失风险低。过量施用有机肥或过量施用氮肥时，深层土壤硝态氮累积量 大幅增加，甚至超过单施氮肥处理，淋失风险大大增强。研究结果表明，氮磷钾肥与有机肥配合 施用是提高作物产量、控制农田硝态氮淋失的重要途径。 1 2 2 硝态氮淋洗模型研究进展 在过去，推荐最佳的氮肥和灌溉的管理措施大部分是根据作物产量，很少考虑硝态氮淋失的 影响，但最佳的管理措施需要既考虑硝态氮淋失的量，还要考虑怎样有效的在不同气候条件下减 少硝态氮淋失。这些信息一直比较匮乏，因为长期定位实验研究要消耗大量的人力物力。一个可 行的能得到这些资料的方法就是使用结合土壤、气象、管理措旌信息的仿真模型来预报作物的生 长。及氮在根区的运动( P a n ge ta 1 1 9 9 8 ) 。 模拟氮素循环的模型在过去的2 0 多年得到了广泛的应用，它可以帮助评价农业系统中硝态氮 淋洗，土壤残余硝态氮，肥料中氮素的需求量，土壤中有机氮的状况以及气态氮的排放。这些模 型已经与其他一些相关的过程相耦合，如水和溶质的运移，作物生长，土壤化学，温度时段，和 更加完整的作物系统的模型管理措施。这些模型的核心是土壤，气象，模型系数等数据及田问， 农场，区域管理措施的情景( S h a f f e rM J ，2 0 0 2 ) 国外比较著名的可以用于评价氮淋洗的模型有： N T R M ，N L E A P ，S O I L N ，D A I S Y ，C E R E S ，R Z W Q M ，L E A C H M 等。这其中大部分模型都是 建立在土壤水分和硝态氮运动的物理理论的基础上，然而它们在不同的土壤、作物管理系统及气 候条件下进行广泛应用前，都需要进行校正。表l l 为国外模拟硝态氮模型介绍。 4 ：曼奎些奎：竺土兰竺兰三至= 要箜鲨 襄1 1 国外模拟硝态氯淋洗横型介绍( 唐国勇等2 0 0 5 ) 模型模型介绍 N T R M经验模型。主要用于评估土壤侵蚀对土壤生产力、植物竞争、作物产量和水质的影响该模型没有模 拟环境因子等对N 循环过程的影响，只适用于小时空尺度内N 循环过程的定量研究该模型未将土壤 有机N 进行分组，用回归方法建立了矿化过程，腐殖化过程、硝化过程、尿素水解，硝酸盐淋失过程 的方程；植物吸收N 与吸水量成线性关系 N L E A P 该模型可模拟硝酸盐的淋失，用于评估水质，能与G I s 结合该模型以天为步长，适用于有机N 中长 期模拟预测模型将土壤有机N 分为3 个组分库，其中矿化、腐殖化，反硝化、氨挥发、硝酸盐淋失过 程用一级动力学方程模拟；用l o g i 蚶c 曲线模拟作物吸N 量；用零级动力学方程模拟硝化过程 S O I L N 该模型主要用于评估施用N 对环境的影响早期版本中将土壤有机氨分为3 个组分库用一级动力学方 程模拟矿化、腐殖化、硝化过程；用零缓动力学方程模拟反硝化过程；用l o g i s t i c 曲线模拟植物吸N 量并 模拟氨挥发过程和硝酸盐淋失过程 D A I S Y该模型主要用于评估农家肥，泥浆等吉N 化合物的施用对环境的影响该模型以日为步长，适用于短 期土壤N 动态的模拟，早期版本中并未对土壤有机氮进行分组，新版本中将有机N 分为6 个库。用一缓 动力学方程模拟矿化和腐殖化过程；用米氏方程模拟硝化过程；植物吸N 量取决于植物潜在需求和土 壤供应量；也简单地模拟了硝酸盐淋失过程。 C E R E S该模型由一系列作物生长子模型构成，各子模型中的概念、模拟方法和影响因子相同主要用来模拟 作物的生长及其与之有关的过程模型中将土壤有机氮分为腐殖质库和新鲜有机残体库矿化和腐殖 化、反硝化、氨挥发过程用一级动力学方程模拟；硝化过程用米氏方程模拟；模型详细地模拟作物对 N 的吸收过程。( C E R E S 系列模型为D S S A T 模型的一部份) R Z W Q M该模型主要特色就是能模拟不同农业管理措施及其对水质和作物产量的影响模型将土壤有机氮分为 5 个组分库用包含微生物生长的一级动力学方程模拟矿化和腐殖化过程；用一级动力学曲线模拟反 硝化过程，氨挥发过程；用米氏方程模拟作物吸N 量；用零级动力学过程模拟硝化过程；模型详细地 模拟了硝酸盐淋失过程 以下是近十几年D S S A T 模型在世界一些地区的应用情况： G a b r i e l l e 等( 1 9 9 5 ) 利用C E R E S 模型中的水量平衡模块来检验不同土壤气象条件下的耕作系 统，以分析土壤作物系统中的氮素的损失 中国农业大学硕十学位论文 第一章绪论 B o o R i n 埔V e r h a g e n ( 1 9 9 7 ) 汞J 用D S S A T ，结合G l s 技术，在田间及农场尺度研究了荷兰降低大 麦田中硝态氮淋失的管理措施。 P a n g 等( 1 9 9 7 ) 采用C E R E S - M a i z e 模型，在美国加州典型的半干旱条件下，研究了灌溉措 施( 包括均匀性) 和氮肥管理措施在玉米产量和硝态氮淋失量方面的关系。结果表明：灌溉均匀 度低时只有提高施肥量才能保证产量达到均匀灌溉的水平。P a n g 等( 1 9 9 8 ) 将C E R E S M a i z e 模 型应用于美国明尼苏达的冰水沉积土壤。评估不同水肥处理条件下氮淋失风险，采用3 1 年的气象 资料，得出结论当灌溉需水亏缺3 0 时对玉米产量影响很小但却能有效减少水分渗漏和氮淋失 影响。氮淋失风险性的影响因素依次为灌溉制度 天气变化= 施氮量。 G a r r i s o n 等( 1 9 9 9 ) 将一个瓦管捧水的子程序整合进C E R E S - M a i z e 模型里，并以美国爱荷华 州瓦管捧水田问的土壤水，土壤一氮，瓦管捧水和瓦管氮损失来评价这个新程序。分析工作建立 在美国爱荷华州N a s h u a1 9 9 3 1 9 9 6 年3 6 个田块，5 个处理的实验资料基础上，9 4 - 9 5 年的资料用 于校正模型，9 3 - 9 6 的资料用于验证模型。结果显示这个新程序可以很好的应用于人工捧干田。 H e i n e m a n n 等( 2 0 0 2 ) 以D S S A T ，A E G I S W I N 为工具，研究了巴西P a t n a 的T i b a g i 流域最 重要作物的灌溉需求，年径流和年硝态氮淋失。它假定同一县的农场都采用相同的管理措施。研 究结果显示：在T i b a g i 流域，最大年灌溉量，径流量及硝态氮淋失量分别为：2 2 9 6 9 m 3 y r ，3 11 5 2 m y r ，1 4 8 8 tN y rC v r 表示年) 。 A s a d i 等( 2 0 0 3 ) 运用C E R E S - M a i z e ( o f D S S A TV 3 5 ) ，模拟了泰国中心地区的硝态氮淋失 状况，认为此模型可以很好地应用于研究热带地区在灌溉条件下的硝态氮淋失 E i t z i n g e r 等( 2 0 0 3 ) 用C E R E S - w h e a t 模型来研究不同气象条件改变的情景下，土壤水分平衡 和水压对冬小麦生长的影响。研究区域为有相似气候条件和土壤蓄水能力的A ( 捷克东南部) ，B ( 澳大利弧东北部) 两地点，结果显示两地模拟的产量最敏感的生长时期是小麦的灌浆期。 F e d 舐c oS a u ( 2 0 0 4 ) 等用D S S A T 模型来评价不同的潜在蒸散( E o ) 方程和在土面蒸发与作物 蒸腾之间来划分E 0 的不同方法。结论为：P r i e s t l e y - T a y l o r ( P T ) 是比较好的，但是趋向于过高估计 E T ，P e n m a n F A O ( P - F A 0 2 4 ) 是最不精确的，P e n m a n - M o n t e i t hr e f e r e n c e ( P M - R E F ) 在本实验地点 对蚕豆给出了很好的预测，但在其他地点趋向于过低估计E T ，P M 的动力学形式也给出了很好 的预测结果。 H a s c g a w a 等( 2 0 0 5 ) 采用C E R E S - w h e a t 模型来模拟冬季地中海地区氮素的动力学过程。预 测结果表明：平均氮淋失量在高的豆类覆盖作物系统( 1 0 8l 【gNh a 1 ) 最高，不施肥的小麦休耕 系统( 5 4 k g Nh a ) 最低。 G a b r i e l l e 等( 2 0 0 5 ) 采用一个确定性的土壤作物模型，在一个用三种不同城市垃圾堆肥改善 过的可耕地上，模拟C - N 的动力学过程。比较实验与模拟数据发现，最开始的4 年，C E R E S 模型可 以很好的预测土壤湿度。土壤无机氮的动力学过程及无机碳的改变。 6 土曼銮：! ! ：奎兰翟土兰竺兰三至= 要笙兰 Y a n g 等( 2 0 0 6 ) 利用D s s A T w h e a t 和D s s A T M a i z e 模型分析了中国太行山地区1 9 8 7 - 2 0 0 1 年 问，小麦、玉米两种作物的耗水情况，比较模型模拟的农业用水量和地下水变化量之问的趋势， 研究显示：种植地每耗水l O O m m 会引起地下水下降0 6 4 m N a k a y a m a J E ( 2 0 0 6 ) 将D S S A T 模型与N I C E 模型耦合模拟了中国华北平原灌溉对地下水流 动态变化的影响模型很好的再现了夏玉米和冬小麦土壤含水量，蒸散和作物生长状况，正确 地分析了作物需水量。特别的，联合模型比利用统计用水资料更好地再现地下水位变化故在不 需要详细用水统计资料的情况下，该联合模型会成为一个非常有效的工具，用以分析和评价流 域的水分变化 选择以D S S A T 模型为研究工具，有以下几个原因： 1 D S S A T 模型是一个过程模型，很强的作物模拟组分，它的输入部分需要的数据比较简单，易 满足不同种类的土壤。1 j C E R E S 一系列模型是以日为步长递增的模型，可以模拟不同的灌溉管 理措施对作物产量、氮吸收、硝态氮淋失的影响，而且在不同的气象条件下的不同土壤上都 得到了广泛的应用。 2 D S S A T 模型在中国华北平原地区已经有应用( W ue t a 1 ，1 9 8 9 ；张艳红等，2 0 0 4 ：姚风梅等， 2 0 0 5 ；N a k a y a m ac t a 1 。2 0 0 6 ；Y a n ge t a 1 ，2 0 0 6 ) 故模型在实验区域有适用性。 3 D S S A T 模型有联合地理信息系统( G I S ) 的模块，是很好的可以用于区域尺度上分析的工具 ( B o o l t i n k 和V e r h a g e n 1 9 9 7 ：H e i n e m a n n 等，2 0 0 2 ) 近几十年，G I S 技术飞速发展，并广泛地应用于环境领域，越来越多的是与模型相结合，从 而使我们在空间尺度上，从微观尺度到宏观尺度，可以动态地描述完整的自然过程( C o r w i na n d W a g e n e t 1 9 9 6 ；W a g e n e ta n dH u s t o n , 1 9 9 6 ) 。许多溶质运移模型是在田块尺度上发展起来的，而现 在却更多地考虑应用到区域或更大尺度上，伴随着尺度提升会出现很多问题( A d d i s c o t tc t a 1 - 1 9 9 5 ) ： 1 尺度提升很可能意味着参数变异性的增大。 2 随着尺度提升，我们不仅要考虑土壤本身的变异性，还要考虑由土地利用而引起的外来的变 异性 3 参数的测定即使是变异性很强的参数在小田块尺度也是有测量可行性的，但是在一个区域 大尺度上，相同的参数往往很难去测定。 4 一般而言，在尺度提升的情况下，完全的验证模型变得越来越不可能。 硝态氮淋失有很大的时空变异性，当我们研究这一类问题时，现今主要的挑战就是如何保持 其空间变异性而实现从田块尺度到区域尺度的提升，确定在不同尺度转化过程中影响不确定性的 主要来源。 虽然D S S A T 在中国华北平原已有应用，但主要集中于作物品种的确定，对不同灌溉策略的分 析，作物需水量对地下水影响的分析( W ue t a 1 ，1 9 8 9 ；张艳红等，2 0 0 4 ：姚风梅等，2 0 0 5 ：N a k a y a m a e t a 1 ，2 0 0 6 ；Y a n ge t a 1 ，2 0 0 6 ) ，很少有利用D S S A T 模型对氮素管理方面的数值模拟研究，而在世 7 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 界很多地区的学者已经利用该模型在氮素管理方面做了大量的研究工作( G a b r i e l l ee ta 1 ，1 9 9 5 ； P a n ge t8 1 ，1 9 9 7 , 1 9 9 8 ；H e i n e m a n ne ta 1 , 2 0 0 2 ) 本研究将以D S S A 碟型为研究工具，结合长时间序列的气象资料，分析大兴区点尺度上水氮 利用情况，同时联合G I S 技术，考虑土壤的空间变异性。从田块尺度提升到区域尺度，对北京大 兴区水、氮平衡状况傲初步的探讨 1 3 研究目标、内容及技术路线 1 3 1 研究目标 1 )利用D S S A T 模型软件( V E R S I O N3 5 ) ，以北京大兴区为研究区域，利用已经掌握的土壤， 气象等数据，分析评价点尺度上大兴区的水氮利用状况。 利用D S S A T 模型软件( V E R S I O N3 5 ) ，联合G I S 技术，进行北京大兴区区域尺度上水氮行 为的初步模拟。 1 3 2 研究内容 1 ) 北京大兴区点尺度长时间序列作物轮作模拟 利用收集的2 0 0 0 年北京大兴区6 个剖面土壤数据，1 9 6 1 - 2 0 0 4 年问的气象数据，及相应的作 物资料，在点尺度运行模型，分析大兴区的水氮利用状况。 2 )北京大兴区区域尺度上水氮行为模拟 结合G I S 技术，初步模拟北京大兴区农田尺度上的水氮状况，评价硝态氮淋洗风险。 1 3 3 拟解决的关键问题 1 ) 寻求模型作物参数校正的方法。 2 ) 寻求D S S A T 模拟模型和G I S 技术相结合的途径，以解决冬小麦、夏玉米生长过程中氮肥管理 优化决策问题。 1 3 4 研究方法和技术路线 本课题基于北京大兴区大量的土壤表层资料、长序列气象资料，以D s s A ”5 的C E R E S - M A I Z E 及C E R E S - W H E A T 模拟模型为核心，在查阅大量相关国内外文献的基础上，并参照其他学者相关 的研究成果，进行模型参数的校正，为冬小麦夏玉米的水肥管理决策提供定量化、有效化的手段 整体技术路线如下( 图1 - 2 ) ： 8 ：曼奎些銮：竺圭：竺鲨三至= 三耋兰 圈1 2研究的技术路线圈 9 中国农业大学硕+ 学位论文第二章D S S A T 3 5 模型介绍 第二章D S S A T 3 5 模型介绍 2 1D S S A T 模型简介 农业技术推广决策支持系统D S S A T ( D e f i s i o nS u p p o r tS y s t e mf o rA g r o t e c l m o l o g yT r a n s f e r ) 是在 国际农业技术转让基准网络I B S N A T ( I n t e m a t i o n a lB e n c h m a r kS i t e sN e t w o r kf o rA g r o t e c h n o l o g y T r a n s f e r ) 计划的资助下开发出来的综合计算机系统( U e h a r a a n d T s u j i ，1 9 9 8 ) ，其目的是加速农业 技术的推广和为发展中国家合理有效地利用自然资源提供决策和对策 D S S A T 模型是一系列独立程序的集合，作物模型是它的核心( 见图2 1 ) ，拥有不同气象、 土壤、实验情况，实测值及作物品种资料的数据库，以便于模型可以在不同情况下适用。该模型 由3 个部分构成：( 1 ) 数据库管理系统，用于不同数据组的输入、存贮和调用；( 2 ) 作物模型，用 来模拟环境因子相互作用下，某一遗传型作物品种的生长发育过程以及其水肥利用情况的程序集； ( 3 ) 应用程序群，用以分析和显示长期的农学模拟试验( 罗群英等，1 9 9 6 ) 。 固2 - 1D S S A T 3 5 模型的结构田( J o n e se t a l , 2 0 0 3 ) 1 0 ：曼查：! ! ：銮：2 圭兰竺兰三兰三兰2 ：竺：兰：2 筌 D S S A T 3 5 具有鲜明的应用特色D S S A T 系列模型虽然有一些通用模块，但是每一个作物都 有自己的模块。它囊括了著名的C E R E S ( c r o pe n v i r o n m e n tr e s o u t e xs y n t h e s i s ) 等一系列作物模型 目前共能模拟1 6 种作物。本研究所使用的就是C E R E S - W H E A T 及C E R E S - M A I Z E 模型。 以C E R E S 模型为例作物模型是其核心该模型模拟了作物营养生长和生殖生长发育过程， 包括发芽到开花，叶片出现次序、开花时期、籽粒生理成熟和收获。以日为步长，计算作物的发 育速度，根、茎、叶的伸长和扩展速率，群体截获光量和干物质在植株各器官中的分配量，植株 所吸收的水分和氮素等。同时还计算了水分和氮素的亏缺对植株光合、蒸腾作用及叶片生长速度 等的影响。人们可以通过调整灌水量和施肥量来减轻水分和氮素对植株的胁迫，以使水肥合适， 达到预期的产量( 曹永华，1 9 9 1 ) 。模型包括一个一维土壤水平衡模型以模拟潜在蒸散、实际土 壤蒸发、植物蒸腾、根系吸水、径流、土壤渗漏、以及不同土层的土壤水流等( R i m h i e 等，1 9 9 8 ) 此外还包括一个一维的土壤氮素平衡模块。以模拟植物残茬和有机质的矿化作用、固定、硝化和 反硝化、氮素运移等过程，及硝态氮的淋溶、氮素根系吸收等过程( G o d w i n 等，1 9 9 8 ) 。 D S S A T 包含3 种不同类型的分析程序。有评估生长季内不同管理措施的分析程序；有分析跨 年度的不同作物轮作效应的分析程序；有链接G I S 以分析大田内或农田间的空间变异性的空间分 析程序( 林忠辉等，2 0 0 3 a ) 。D S S A T 除了估算产量之外，还可以进行包括产量构成要素形成过 程、投入、资源利用的经济分析，以及计算环境负荷和评价潜在污染的可能性等，以形成替代管 理措施和决策咨询策略。 在空间应用方面，D s s A T 模型还开发T G I S 辅助的A E G I S W I N ( A g r i c u l t u r a la n dE n v i r o n m e n t a l G e o g r a p M cI n f o r m a t i o nS y s t e mF o rW i n d o w s ) ，它是由A r c V i e w ( 地理信息系统软件，美国环境系 统研究所产品) 与D S S A T 链接而成的决策支持系统( E n g e le ta 1 ，1 9 9 7 ) 。A E G l S W I N 的主要 目标是联结已有的作物模型和地理制图工具产生新的决策系统，为土地特征、土地利用管理及农 业生产空间变化的分析和可视化服务( 潘学标，2 0 0 3 ) A E G I S W I N 可以从M S W i n d o w s 界面启动，用户首先要为D S S A T 模型的农场或地区输入一个 多边形土层或产生一个图形文件，在多边形的属性表中用户必须加入定义土壤和气象站的代码。 土壤代码代表多变形的土壤剖面特征；气象站代码代表特定多边形的气象条件。系统假定在每个 多边形内土壤和气象条件是均质的。在作物模型调用之前，必须在D S S A T 系统中建立定义的土壤、 气象条件的数据库。其次，用户要为地图上的每个多边形定义作物管理情景，一个土地利用图可 以伴有几个关于试验详细记录文件( 由D S S A T 模型提供的专用程序生成) ，每个文件代表不同的 土地利用计划。当特定的土层生成其作物管理文件后，A E G I S W I N 能运行模拟所选择的几个地块 或全部地块。模型输出文件中的内容可以用于分析和可视化的变量，包括花期，生理成熟期，产 量，总蒸散量，生长季氮淋失总量等。 中国农业大学硕十学位论文 第二章D S S A T 3 5 模型介绍 2 2D S S A T 模型基本原理介绍 2 2 1 土壤水分平衡模块原理( R i t c h i e ，1 9 9 8 ；J o n e sa n dK