土壤-作物-大气系统水热碳氮过程耦合模型构建

定量描述农田生态系统中土壤水分动态、碳氮循环过程和作物生长发育规律，对水氮资源高效利用、作物生产决策和环境保护具有十分重要的意义。该文在总结前人研究成果的基础上，引用了联合国粮食及农业组织的气象模块、荷兰的PS123作物模型和丹麦的Daisy模型的碳氮循环模块；借鉴了RZWQM和Hydrus-1D的水分溶质运移模块的相关理论，并在其基础上进行了修改与完善，构建了土壤-作物-大气系统水热碳氮耦合模拟模型WHCNS（soil water heat carbon and nitrogen simulation）。该模型以天为步长，考虑了气象条件、作物生物学特性和田间管理驱动。土壤水分入渗和再分布过程分别采用Green-Ampt模型和Richards方程来描述。土壤氮素运移使用对流-弥散方程来描述，源汇项中考虑碳氮循环的各个过程（有机质矿化、生物固持、尿素水解、氨挥发、硝化、反硝化和作物吸收等），在根系吸水吸氮源汇项中引入了补偿性吸收机制。有机质模块完全来自Daisy模型,将有机质库划分为3个快库和3个慢库。利用改进的荷兰PS123模型实现了作物生长发育进程、干物质生产、干物质分配及作物产量的模拟，通过水氮胁迫校准因子来实现水氮限制下作物产量的模拟。最后应用华北地区（山东泰安）冬小麦-夏玉米轮作体系2a的田间观测数据对该模型进行了校验。结果表明，剖面土壤水分和硝态氮浓度、叶面积指数、作物产量与实测值均吻合良好，模拟误差均在合理范围之内，特别是对产量的模拟较好，均方根误差为206～319 kg/hm2，相关系数为0.90，模型效率值均大于0.75，一致性指数值均大于0.9。WHCNS模型能够较好地模拟土壤水分动态、氮素运移及去向、作物生长发育等过程，表明该模型适用于中国华北地区高度集约化的农田生产系统。