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

沈仕洲,张克强,王 风①,赖睿特,颜 青,杨涵博

(1.农业部环境保护科研监测所,天津 300191;2.农业部大理农业环境科学观测实验站,云南 大理 671000)

农田氮肥普遍增施导致氨挥发和硝态氮淋溶等损失量和损失程度呈现加剧状态,已成为导致地下水资源污染的重要来源[1-2]。土壤剖面残留较多的氮素易形成垂直向下运移的趋势[3],并伴随灌溉和降雨下渗造成硝态氮淋溶[4]。如何在保护地下水水质和防控农业面源污染的同时合理进行农田施肥已成为国内外学者研究的热点[5-6]。目前,国内外计算和评估农田氮素淋溶和氨挥发的方法主要分为两种:(1)在农田尺度上多利用田间监测试验结果估算氮素损失[7],但是这种方法需要设置专门的田间试验小区进行长期监测,过程耗时又复杂,而且仅能测定点上数据,区域代表性差,且该方法不便于执法部门推广使用;(2)在流域尺度上的氮素损失量估算基本上是引用国外非点源污染模型,然后根据国内研究区的具体状况对模型参数进行优化,从而模拟出流域的氮素输出量。模型模拟法也是目前研究的热点,因为其具有操作简单、模拟准确和代表性广等优点而成为评估和预测氮素输出的核心方法。目前,国内用于氮素损失评估的模型有SWAT(soil and water assessment)、AnnAGNPS、ANSWERS和RZWQM(root zone water quality model)[8]。其中,RZWQM 模型耦合了农业生产管理和环境影响模块,成为预测和评估农田氮素淋溶的新工具[9]。目前,薛长亮等[10]运用RZWQM模型对华北平原土壤剖面含水量、硝态氮含量和作物产量等指标进行率定和验证后,证实华北地区可以应用RZWQM模型进行评估和预测工作,在模拟硝态氮淋溶和氨挥发过程中该模型模拟结果具有一定的参考价值。但对于管理部门来说,如果以运用RZWQM模型预测得到的面源污染发生量作为管理和执法依据,需要将很多参数输入模型中,使用较复杂且需要专业知识,因此,该模型不适用于管理部门的日常监管。目前,国内外鲜有可用于管理执法的简单快捷的面源污染发生量估算经验方法,因此,笔者在已经通过率定验证的RZQWM模型基础上,通过建立较易测定获取的1 m内土体硝态氮残留量分别与较难监测获得的土壤硝态氮淋溶量和土壤氨挥发量之间的函数关系,提供了一种科学准确、便捷快速的农田面源污染发生量估算方法,并利用华北平原10篇相关文献中的24组施肥量梯度田间试验实测数据对土壤硝态氮淋溶量函数准确率进行分析,利用8篇相关文献中的15组施肥量梯度田间试验数据对土壤氨挥发量函数准确率进行分析,为管理部门应用简单快捷的面源污染发生量估算方法提供技术支撑。

1 研究方法

1.1 函数建立的基础

所应用的函数是基于RZWQM模型进行回归分析建立的,RZWQM模型是美国农业部大平原系统研究所研发的能够对土壤根区水质、土壤养分运移和作物生长进行综合模拟的模型。RZWQM模型由物理、化学、养分、作物生长、杀虫剂和管理6个模块组成。RZWQM模型使用了“日”和“时”两个时间尺度,以“日”为尺度计算离子、肥料、灌溉水、耕地措施,以及潜在蒸散发和蒸腾量。水分迁移和营养化学过程则以“时”尺度进行计算,包括土壤水分的再分配、营养盐的迁移转化、渗滤、径流、杀虫剂淋洗、热量损耗、实际蒸散量、植物养分吸收过程等;然后计算杀虫剂迁移转化过程、碳氮迁移转化过程和土壤物质平衡过程;最后运行作物生长模块。RZWQM模型能够模拟包括作物氮残留、有机态矿化、氮素固定、氮素淋溶、氨挥发、硝化和反硝化等土壤氮转化的主要过程。该模型可以较好地模拟氮素的迁移转化,更加方便快捷地获得氮素淋溶数值和评估淋溶情况,以及有针对性地实行优化施肥措施来削减损失。该模型初始输入数据包括气象数据和土壤基本数据,其中,气象数据包括模拟期间日降水、日最高温、日最低温、风速、相对空气湿度等,土壤基本数据包括土层容重、田间持水量、土壤pH值、土壤含水率以及剖面硝态氮和铵态氮初始含量。

1.2 函数建立的思路

应用基于河北夏玉米-冬小麦长期定位试验监测数据验证完成的RZWQM模型[10],在对不同施肥量试验处理土壤剖面含水量、土壤剖面养分迁移转化以及冬小麦和夏玉米产量与生物量等参数进行率定与验证的基础上,得到适合华北冬小麦-夏玉米系统模型模拟的系列参数,同时也证实RZWQM模型可以用于土壤剖面水分和养分迁移转化过程的模拟。笔者基于以上模型参数率定与验证研究结论,进一步开发模型的预测功能,即通过设置不同施肥量情景模式,运行模型输出获得一系列土壤硝态氮淋溶量和氨挥发量数据,对这些通常难于监测的指标进行回归分析,将各途径面源污染发生量与作物收获后1 m内土壤硝态氮残留量进行拟合建立函数关系,将简单的易于测定的指标用于反馈估算面源污染发生量,为管理部门提供简易可行的监管方法。

1.3 验证文献数据库的建立

为了对土壤硝态氮淋溶量函数和土壤氨挥发量函数准确率进行验证,查询华北地区范围内相关的10篇文献中24组田间实测数据对建立的土壤淋溶量函数准确率进行分析,并查询8篇文献中15组田间实测数据对建立的土壤氨挥发量函数准确率进行分析,实测数据主要包括田间试验中的施氮量、土壤硝态氮淋溶量和土壤氨挥发量。验证文献数据库具体信息见表1[11-19，4]和表2[20-27]。

表1相关文献土壤硝态氮淋溶量田间试验实测数据

Table1Thedataofsoilnitratenitrogenleachinginthefieldexperiment

来源文献试验地点土壤硝态氮淋溶量或施氮量/(kg·hm-2)处理1处理2处理3处理4[11]河北保定15.3/75(麦季)37.2/150(麦季)43.4/225(麦季)69.6/300(麦季) [12]河北辛集、北京昌平122.4/300(辛集,全年)157.3/300(昌平,全年)320.2/555(昌平,全年)[13]甘肃兰州98.2/187.5(全年)175.8/375(全年)[14]河北保定37.2/150(全年)66.4/300(全年)[15]河北石家庄21.8/75(全年)54.6/150(全年)[16]河北曲周36.2/139(全年)110.2/240(全年)[17]山东惠民82.3/225(全年)121.7/375(全年)[18]山东龙口42.1/105(全年)52.1/168(全年)88.1/195(全年)99.1/240(全年) [19]陕西杨凌35/196(全年)42/224(全年)[4]河北曲周82.2/450(全年)

表2 相关文献土壤氨挥发量田间试验实测数据

2 结果与分析

2.1 1 m内土壤硝态氮残留量分别与硝态氮淋溶量和土壤氨挥发量间的函数关系

根据已完成率定和验证的RZWQM模型参数,运用RZWQM模型模拟不同作物生长季施氮量与土壤硝态氮淋溶量、氨挥发量和1 m内土壤硝态氮残留量等一系列对应数据。对较容易采集测定的作物收获期1 m内土壤硝态氮残留量分别与生育期土壤硝态氮淋溶量和土壤氨挥发量进行回归分析发现,作物收获期1 m内土壤硝态氮残留量分别与土壤硝态氮淋溶量和土壤氨挥发量均呈线性正相关关系(图1),且均达显著水平(P<0.05)。其中,冬小麦-夏玉米轮作周期土壤硝态氮淋溶量与1 m内土壤硝态氮残留量,以及土壤氨挥发量与1 m内土壤硝态氮残留量函数关系分别为Y1=0.302 5X1+18.458(R2=0.968 2,n=13)和Y2=0.379 1X1+13.471(R2=0.943 3,n=13)。其中,Y1为轮作周期土壤硝态氮淋溶量,kg·hm-2;X1为轮作周期玉米收获后硝态氮残留量,kg·hm-2;Y2为轮作周期土壤氨挥发量,kg·hm-2。小麦种植季土壤硝态氮淋溶量与1 m内土壤硝态氮残留量,以及土壤氨挥发量与1 m内土壤硝态氮残留量函数关系分别为Y3=0.110 1X2+5.376 9(R2=0.946 2,n=10)和Y4=0.139 3X2+2.814 4(R2=0.924 4,n=10),其中,Y3为麦季硝态氮淋溶量,kg·hm-2;X2为麦季收获后1 m内土壤硝态氮残留量,kg·hm-2;Y4为麦季土壤氨挥发量,kg·hm-2。由此可知,通过采集测定作物收获后土壤剖面硝态氮残留量,则可快速计算得到土壤硝态氮淋溶量和土壤氨挥发量。

图1 应用RZWMQ模型预测得到的土壤硝态氮淋溶量和氨挥发损失特征

2.2 硝态氮淋溶量函数关系准确率分析

利用表3中的文献数据对3.1节中确定的1 m内土壤硝态氮残留量与硝态氮淋溶量函数关系准确率进行验证可以得出,函数准确率变化范围为39%～94%,平均准确率为70.9%。准确率在较大范围内变动,准确率因试验地点变化而变化,总体趋势表现为试验地点越接近河北石家庄,函数准确率越高,河北石家庄试验点平均准确率高达90.5%,河北保定、河北曲周、山东惠民等邻近试验点验证准确率也均在68.0%以上。而距河北石家庄越远的试验点,其函数准确率越低,如兰州、昌平等试验点准确率均低于55%。

2.3 氨挥发量函数关系的准确率分析

利用表4中的文献数据对3.1节中确定的1 m内土壤硝态氮残留量与土壤氨挥发量函数关系准确率进行分析可以得出,函数准确率变化范围为34%～97%,平均准确率为71.2%。与1 m内土壤硝态氮残留量和硝态氮淋溶量函数准确率相同,1 m内土壤硝态氮残留量与氨挥发量函数准确率因试验地点变化而变化,总体趋势表现为试验地点越接近河北石家庄,函数准确率就越高,试验地点为河北保定的函数平均准确率高达90.0%,河北栾城、河北曲周等邻近试验点验证准确率也均在70.0%以上。而距河北石家庄越远、轮作模式差异越大的试验点,其函数准确率就越低,如湖北南湖稻麦轮作试验点函数平均准确率低于60%。

3 讨论

在中国华北地区甚至全国范围内施肥量过大导致地下水污染情况已经屡见不鲜,欧洲共同体委员会(Commission of the European Community,CEC)已经指明农田的“最佳施肥量”对作物稳产和氮素损失关系的重要性[28-30],所以华北地区合理的施肥量对保证作物稳产并减少氮损失尤为重要。目前,已有大量关于施肥量与氮素损失量之间关系的研究,但在这些研究中对氮素损失的监测都较为复杂,对施肥量的记录也需准确,因此很难用于管理部门的日常管理和执法中。笔者基于RZWQM模型提出了华北平原农业面源污染量简易函数关系,以1 m内土壤硝态氮残留量作为简易监测指标,通过1 m 内土壤硝态氮残留量计算硝态氮淋溶量和氨挥发量。

表3硝态氮淋溶量函数关系准确率验证

Table3Accuracyverificationofnitratenitrogenleachingfunction

来源文献试验地点淋溶量/施氮量/(kg·hm-2)模拟结果/(kg·hm-2)准确率/%平均准确率/% [11]河北保定15.3/75(麦季)12.1/757968.8 37.2/150(麦季)22.48/1506043.4/225(麦季)32.3/2257469.6/300(麦季)43.04/30062[12]河北辛集、北京昌平122.4/300(辛集,全年)75.85/3006249.7 157.3/300(昌平,全年)75.85/30048320.2/555(昌平,全年)123.96/55539[13]甘肃兰州98.2/187.5(全年)52/187.55352.0 175.8/375(全年)90/37551[14]河北保定37.2/150(全年)47.33/1507983.5 66.4/300(全年)75.85/30088[15]河北石家庄21.8/75(全年)23.2/759490.5 54.6/150(全年)47.33/15087[16]河北曲周36.2/139(全年)44/1398269.5 110.2/240(全年)63/24057[17]山东惠民82.3/225(全年)60/2257373.5 121.7/375(全年)90/37574[18]山东龙口42.1/105(全年)30.2/1057274.2 52.1/168(全年)48.9/1689488.1/195(全年)57/1956599.1/240(全年)65/24066[19]陕西杨凌35/196(全年)57/1966165.5 42/224(全年)60/22470[4]河北曲周82.2/450(全年)100.68/4508282.0

表4氨挥发量函数关系准确率验证

Table4Accuracyverificationofammoniavolatilizationfunction

来源文献试验地点挥发量/施氮量/(kg·hm-2)模拟结果/(kg·hm-2)准确率/%平均准确率/% [20]山东泰安10.31/60(玉米季)5/604840.0 14.62/240(玉米季)38/2403827.03/480(玉米季)80/48034[21]河北保定80/300(全年)88.75/3009090.0 [22]河北衡水24.92/300(麦季)49.66/3005059.5 27.8/240(玉米季)40.32/24069[23]湖北南湖17.05/225(麦季)30/2255759.5 13.03/157(麦季)21/15762[24]北京海淀45.1/300(麦季)39.24/3008774.5 80/300(玉米季)49.66/30062[25]河北栾城60.1/400(全年)69.13/4008787.0 [26]河北曲周30/180(玉米季)23/1807777.0 [27]北京海淀22/120(全年)15/1206882.3 33/240(全年)40.32/2408264.5/360(全年)62.5/36097

同时,笔者运用近年区域内相关研究文献数据对函数进行验证,结果表明该函数关系平均准确率在70%左右,且应用区域地理位置越接近函数率定所采用数据的来源区域,则准确率越高,这主要是因为建立该函数基础的RZWQM模型主要是运用河北石家庄大河试验站的长期定位试验数据进行模型参数率定验证得到的,越接近该试验点的地区,其土壤、气象等条件也越相似,因而函数准确率就越高。总体来看,在华北平原冬小麦-夏玉米轮作体系中此面源污染估算方法简便直接,并且节约时间和成本。此外,虽然与传统方法相比该方法准确率有一定降低,但是在整个区域的平均准确率可达70%,能满足管理部门监管的需要。

目前,此函数关系仅仅是基于河北石家庄大河试验站长期定位试验数据提出的,函数关系中仅涉及1 m内土壤硝态氮残留量一个因素,在今后的应用中,可对函数关系做进一步改进,即基于各自区域的田间试验数据,运用RZWQM模型得到针对区域的函数关系,同时可在函数中增加降雨量、土壤pH等对氮素淋溶和氨挥发影响较大的因素作为变量,提高函数的准确性。

4 结论

基于经过华北平原相关长期定位试验数据率定验证的RZWQM模型,提出以华北平原冬小麦-夏玉米轮作农田1 m内土壤硝态氮残留量作为简易监测指标,获取农田硝态氮淋溶量和氨挥发量的函数关系,得出以下结论:

(1)华北平原冬小麦-夏玉米轮作农田淋溶损失估算:全年硝态氮淋溶量由玉米收获后硝态氮残留量与0.302 5的乘积再与18.458相加得到,麦季硝态氮淋溶量由小麦收获后硝态氮残留量与0.110 1 的乘积再与5.376 9相加得到,玉米季硝态氮淋溶量为全年硝态氮淋溶量与麦季硝态氮淋溶量的差值。

(2)华北平原冬小麦-夏玉米轮作农田氨挥发损失估算:全年氨挥发量由玉米收获后硝态氮残留量与0.379 1的乘积再与13.47 1相加得到,麦季氨挥发量由小麦收获后硝态氮残留量与0.139 3的乘积再与2.814 4相加得到,玉米季氨挥发量为全年氨挥发量与麦季氨挥发量的差值。