全 文 ：应 用 生 态 学 报 年 月 第 卷 第 期
, , 一
农业系统中磷肥残效及磷循环研究
系统磷循环的一个简单模型及其验证
农业
陈 实“ 殷秀岩 张 璐 沈善敏
中国科学院沈阳应用生态研究所 , 沈阳
【摘要 】 根据辽西易早 区碳酸盐褐土上进行的 年 肥试验资料 , 建立和验证了一个简
化的农业系统 循环模型 对 种施 对策进行长时间尺度的模拟预测表明 , 年 次大
剂量施 并辅以每年有机肥还 田的施 模式因土壤有效 水平和施 利用率较高而优
于其它模式
关锐词 农业生态系统 循环 模型 模拟
‘ · , 介
, 勺功 幻 , , ,
” 口 一
, 月妙
, , 一
一 冬
’
·
, , ,
引 言
农业系统中的养分循环是联 系土壤 、
作物 、 人 、 畜禽的纽带 , 特别是有机肥还 田
是养分循环最重要的途径 , 是维持农业系
统时空上连续性的重要手段 , 也是农业 系
统具稳定性和 自调力的基础 , 即“ 循环 ”是
农业系统养分运行的重要环节
由于“ 循环 ”的特殊作用 , 通常的肥料
试验无法再现农业系统养分运行的长期行
为和整体效应 , 为此 , 本文试图在下河套
肥长期试验〔‘
· · 」的基础 上 , 建立 一个简
化的农业系统 循环模型来模拟系统中
的动态行为及长期效应 为研究方便及受
试验资料所限本文未考虑实际中的随机波
动问题而将其视作一确定性过程
材料与方法
试验的设计方案 、 实施过程及采样分析方法
已在前文〔’
·“ , ‘ 介绍 本文重点在于采用 系统分析
方法将农业 系统 循环过程分解为若干相互接
口 而 又相对独立的子过程 , 利用下河套试验的实
测 资料逐个求算出这些子过程的模型结构和参
数值 , 然后按逻辑组装为总体模型 该模型模拟
运行结果既能与试验实测值进行比较验证 , 又 可
给出 运动行为的长期状况
农业系统 循环的基本过程
农业 系统 循环基本过程如 图 所
, 国家“ 七五 ”科技攻关资助项 目
二 , 现在中国科学院成都山地灾害与环境研究所
工作 , 成都
年 月 日收到 , 年 月 日改回
期 陈 实等 农业系统中磷肥残效及磷循环研究
示 , 下河套试验大体上代表了这一典型过
程 从图 可看出 , 随无机和有机肥的施用
而进入土壤的有效 和 与土壤
中原有的有效 主要为过去施 的残效
加上 自然风化 当年释放 及根茬分解 当
年释放 合并为土壤有效 库招 , 它从
两方面 直接影 响 到 作物 从土壤 收 获 的
量 尸 , 首 先 是 影 响 作 物 生 物 学 产 量
’ , 其次也 影 响到 作物 体 内的 浓 度
随时 间推移 , 中一部分 被 土壤
“ 固定 ”而进入无效 库 , 另一部分
至 下季初 仍 保持其 有效性 称为 残 效
。 显然 , 。 占 的 比例与土壤 固
力及 库水平有关
刁
困
二钱卦
「
图
】
农业系统 循环基本过程框图
经作物收获的 , 一 部分
随产品的商品输 出而流 出系统 另一部分
则以根茬 形式直接还 田 而更多部分则
是通过人畜利用 并扣 除在饲喂食用
及粪肥堆沤过程中的损失量 后成为
有机肥中的 材尸 , 后者还 田后 又以一定
比例进入 库从而构成循环
随农产品及其副产物在本系统内就地
消费利用而产生的 流动 如图 粗箭头
所示 被认为是系统内的“ 循环 ”运动 , 其作
用不仅能 归还 并稳定土壤 库容 , 而且
还起着农业系统的反馈 自调机制的作用
农业系统 循环子过程模型及其组装
土壤有效 库 尸 构成模型
土 壤 有 效 库 是 由无机 肥
, 有机 肥 及残效 。 及
当季 由根茬分解 、 风化 、 尘降 、 灌溉等提供
的有效 尸。 等 种来源的有效 构成
由于 种 源对作物有效性不同 , 故
‘’ 曾用“ 新施 肥当量 ”慨念来统一
不同 源 , 即按作物产量反应将 种 源
统一 为新施 无机 肥量 由于 作梅产量
土壤有效 水平的反应 曲线为非线性的 ,
当 种 源的水平差异很大时 , 此法误差
极大 , 而且此法也要求较多的施肥量处理 ,
从而加大了田间试验的工作量 根据作物
对 种 源的表观利用率可估算 种 源
合并后的土壤有效 库 值 , 设 为
作物利用率 的土壤 部分 , 则有
尸一 十日 材尸 下 。 田
式 中 、 、 和 。 分别是 、 材尸 和
。 、 。 的作物表观利用率 , 可用下河套试
验资料来估计
据报道 , 无论小剂量 的 年平均
表观利用率或者大剂量 的 年迭加利
用率都在 左右 , 说明以较长时间尺
度来考虑 的表观利用率时与宾施用方
式无关 而 的表观利用率略高于 ,
约为 今 这里 ,
, 可直
接得到 要估计 。 的表观利用率 下 , 应选
用仅有残效 。 起作用的那部分观测
数据 如 表 计 算 了不 施 小 区 的
。 的表观利用率和一次大剂量施 小
区 第 年后 。 的表观利用率 , 前者
为 左右 , 而后者为 左右 , 后者偏
高的原因在于 。 的水平较高 据此估计
。 的表观利用率 约为
除上述 、 材尸 和 尸 。 种 源外 ,
每年经 由根茬归还 、 降雨 、 灌溉
、 尘降 、 土壤
矿物风 化等原 因而进 入土壤有效 库的
部 分 。 也不可忽视 已有报导指出 , 土
壤年释 量变幅在 一 · 一 , 纯之
间闭
·
考虑 到 下河 套试 验 中不 施 小 区
的土壤有效 库在经过 年耗竭后降
应 用 生 态 学 报 卷
低至 一 · 一 , , 而且该地区降水量
少 , 年均温低 , 作物产量偏低 , 故可推测当
地的 。 不会大于 · 一‘ , 可令 。
· 一
, 。 在土壤中水平较低 , 但
分布均匀 , 因而可推测其表观利用率不会
比残效 尸。 更低 这里 , 令 一 据
衰 土城残效 的衰现和用率
作 侧比 甲 旧 抽 浏
此 , 每年播种期间的 库构成模型可表
示为 一 。
。
由上述模型可计算出各季初的 库
值 表 , 并以表 作为研究土壤有效
库的变化动态的依据
年 度 残效 收获
址
利用率 残效 , 一 收获 一 利用率 , 一
斑
平均
。
。
。
。
,
。
。
。
。
。
。
。
。
吕。 吕
。
。
。。
书 姗
价 赞
。
。
。
。
, 残效 、收获 · 一 , , 一 为 , 处理与 处理之差减值
, 施 后头两年为陡降阶段 , 不能用作估计残效 利用率
农 按吸收 当 折算后的二期土城 值
·
如一
二 肠目 阅 扭 吐 扭 阳
处 理 平 均
一
。
。
作物 收获量 子模型
估计 尸 通常有两种方法 一种是通
过根 吸收方程积分求得 尸 , 此法重视微
观细节机理 , 但所涉及参数较多 , 测定和计
衰 不同处理作物生物产 汀 的动态
算繁锁 另一种方法则是 以地上部生物量
’ 及作物体内 浓度 的乘积来估
计作物 收获量 , 即 一 了 · 夕 ,
为换算系数 , 此法仅需测定生物量 及
作物体 浓度 , 简便易行
为减少由气候 、病虫害等其它非处理
因 素导致的误 差 了 , 为大豆 、 玉米 、 高粱
等 种作物的籽实平均产量与桔秆平均产
量之和 因条件所限 , 未考虑地下部根茬
这种处理方式也正代表了该区 日益风行的
间套作的种植结构 表 为历年各处理的
, 值
﹃了宁曰
枕 沙 一 翻沁 ” 七 忱 明阳 代 川 如 旧 砚 吨 加 ‘ 介 ,
处 理
〔。
平 均
罗
。
, 不包括地下部根茎生物量的风干重
了 , 与土壤有效 库 的关系 , 按
实测数据最小二乘法拟合为单分子反应方
程 一 一 ·
, 这与农业化学上著名的作物产量与
施肥量反应方程 — 习方程
一 · 〔 一 。 · 〕是一致的 , 图
显示 了这一拟合结果
估算 的另一要素是作物体 浓度
期 陈 实等 农业系统中磷肥残效及磷循环研究
东 琳 苏 东
上壤有效 尸创 锥血
· 加
全部进入饲料中 其中 为商品率 , 在下
河套试验中 为 当然 , 在人 、畜利用
及粪肥堆沤腐熟过程中存在 的损失问
题 , 其原因是动物体对 的吸收截留及粪
肥堆贮腐熟过程 中的流 失 据 图 报
道 , 由于 动物 体截 留 , 使饲 料 减 少 约
, 本试验结果表明 , 包括动物体内截留
及堆沤损失所造成的饲料 的总损耗率
为 , 仅比 的估计偏 高 , 这
很可能是堆腐过程的损失率 显然 , 由于
的难移动和 不挥发特性使其堆腐损失很
小 所以过腹还 田的 损失主要 由体内截
留所致
综 上所述 , 有机肥 一 一
, 其中 尸 为输出系统的商品 ,
为饲喂堆腐过程损失 由于 一 尸 ·
、 一 · 故
一 一 〔二
。 一 。 , 可见 仅仅 由
、 和 个参数确定 , 在下河套试验
中 , 可表述为 尸 的经验函数飞而
, 一 , 转化为 的过 程
实际上 由 和 两参数所控制
土壤有效 的残效模型
认为施 残效动态近似一级衰
变方程 考虑到一级反应模型 不
能很好地反映 残效动态的两段性特点
而建议使用双参数经验模型 本试验中施
残效动态也 明显地呈两段性 , 即残效在
最初两年下降很快 , 而后趋于平缓并保持
相 当长时间 , 明显地分为前快后缓的两段
式变化历程 , 故采用能反映此两段性的模
型描述 残 效 。 的 动态 模型 的结构 形
如 。一 , 人 了 ,
在陡降阶段 。 主要受 控制 ,
而 在缓变阶段则主要受 九 口 , 影响 , 因
此可通过分别确定 了 和 几 函数来建立
尸 。 模型
姗细
犷﹄誉,‘巴,飞三合‘,盆
匀滓州封牛浪举
图 作物生物量与土坡有效 库 的关系
也 强 烈地 受土壤 库控 制
〔‘ 〕和 ’ 〕认为 护 与土壤有效
在较大范围内近似呈线性关系 下河套试
验结果表 明 种作物平均 浓度 卵 与
也 呈 直 线 关 系 , 即 ·
· 因此 , 是由
库水平决定的 , 据实测资料计算 与
的关系是典型的 方程 一
〔 一 一 〕 ,
拟合系数 二
综上所述 , 子模型可表示为
〔 一 一 , 〕·
〔 · ·
式中 , 为消除了 限制
的极限生物量 一 , 一 均
为产量响应系数 , 为不施
处理的作物 浓度 , 一 为浓度
响应系数 上式各参数因不同作物而异 , 本
客为反映间套作农业系统特点
, 仅取用大
豆 、 玉米 、 高粱等 种作物的平均值 则
是浓度换算系数 , 一
,
有机肥 转化子模型
作 物收获 经 由两条途径转化
为有机肥 材尸 其一是经济产量中的
经食物链转化为粪肥 , 其二是秸秆还 田
所归还的 下河套试验采取了秸秆过腹
还 田的措施 因此 , 其所有收获 量在经
过扣除其中商品检出量 · 尸 后
应 用 生 态 学 报 卷
对 于 陡降阶段 的 。 动态一般认为
符合一级衰变反应 , 即 一 ,
的参数 、 可用最小二乘法 由本试验
实测数据来估计 , 一 ,
设刚施肥后的 值为 尸 , , 其 陡降阶段
残 效 动 态 即 为 。 一 尸二 ·
, 由图 可见陡降阶段到第 年
后的 。 水平可降至 , 的百分之几 以
下 , 这与下河套及其它试验报道的施 残
效可长达 年 以上甚至 余年是不吻合
的 , 说明在第 年 。 变化已不受 五 函数
控制 , 而是为缓降模型 人 所决定
二
弱加肠巧
已
大剂址施 后时间
,
蕊
户。罗︶‘。,,一﹃另
‘叔神翼刊
一 对 渭 往 叻 ,。
图 土壤残效 陡降阶段的模型拟 合结果
·
许 多缺 土壤 因长年坚持施 而 出
现无效现象 , 土壤有效 水平会积累得相
当高 ’ , 这说明施 残效一方面有衰减的
趋势 , 另一方面也可累积和上升 累积上升
的条件是土壤 的净盈余 , 即归还 大于
收获 用土壤 平衡状况
,
来表示土
壤 中 的收支盈亏情况 , 了 , 一 艺 , ,
。 一 , 并设缓变 阶段 的 。 受
了 , 控制 , 相应有 人 为 的函数 , 由于缺
乏 必要 的数据 , 很难确 定 人 的具体
形式和参数 为简单起见 , 可假设 人 口 ,
与 成正 比 , 即 九 一 夕 · 尸 , 其意
义是 土壤 收 入 以 比例 进 入 。
库 下河套试验曾粗略地估计 出大剂量施
的残余量 实际上就是 了 , 中 , 约有
进 入 。 库而小剂量施 残留量 则
有 进 入 尸。 库 〔, 〕 川 总 结
了英 国 长 期试验 结 果 后 指
出 , 施 残量 中约 进 入 了有 效
库 可见 , 尽 管在不 同条件下具体 比例 不
同 , 但施 残量中总有一定 比例进入有效
库 因此 , 粗略地认为 一 · , 也
是有意义的 在下河套试验中 , 大剂量施
者 , 小剂量施 者 夕 这样 ,
残效模型可写 为 。一 , ·
夕 了 , 夕的值 因施 剂 量 而
异
应 当指 出 , 施 残效的动力学机制 目
前还不清楚 , 故本模型 尚处于经验模型 阶
段 , 有待进一步深入研究
农业系统 循环总体模型组装
根据图 框图模 型 , 可将 各子模型按
其逻辑关系或因果关 系组装接 口 而成总体
模型 组装时也应 充分考虑其时间上的前
后相继 问题 将当前生长季定为 , 其前茬
为 , 一 , 后茬为 , 十 , 这样 , 农业系统 循
环模型可表示如下
,
·
, 召 · , 十 。 。
, 一 一 · 一 一 , · , ·
丈 尸 , , · 「 一 一 一 一 门
。 一 一 、 · 川 · 十 · ,已
, 一 尸卜 尸 , 尸 尸。 一 尸‘
从上述模型可知 , 除输入变量 外 , 模型
中其余各变量均 可 由 推算出 , 而
’
又主要 由残效动态和施肥方式决定 , 故残
效动态可以说是整个 循环的基础 残效
动态主要受土 壤 固 力和土壤 收支状
况支配 , 因此农业系统 循环最重要的组
分仍是土壤 反映 了农业 系统 循环
的投 入水平 , 的高低强烈地 影 响 。
和 ,
·
从而 也强 烈 影 响到 整个 循 环
则代表其循环规模 , 愈大 , 系统 自
调力愈强 , 稳定性和抗逆 力也愈强 材尸 除
期 陈 实等 农业系统中磷肥残效及磷循环研究
以 为基础外 , 主要受商品率 和损失
率 的影响一般而言
, 是相对稳定的 ,
因此 , 的大小决定着 循环的闭合度 典
型无机农业商品率可达 一 以上 , 其
闭合度仅为 一 自给农业的闭合度
则近于 大多数农业类型介于两者之间
循环的总体模型可反映不同土壤类型 、
不 同投 入 水平 、 不 同作物种类 、 不 同闭合
度 、 不同施 方式和循环利用制度等条件
下的 循环行为 , 这 自然有助 于农业系统
表 不同农业系统类型的模拟方案设计
·
, 伴
循环的模拟研究和分析
农业系统 循环模型模拟验证和预测
模拟方案设计
为用 值的实际变化情况来验证总
体模型的有效性 , 模拟方案基本按 田间试
验方案设计 , 各处理实际上代表 了某种类
型的 循环管理对策 , 因此它们的 循环
行为会有本质差别 表
模型验证及模拟预测
处 理 商品率 无机 施用方式
尸
有机 施用方式 尸 构成
尸
代表农业类型
尸一 尸 掠夺耗竭型
每年 尸
每 年初 一
其余年 尸一 。
每 年初 尸一
其余年 尸一 。
尸一 传统施 型
尸
尸。
一
。
尸
十 。
一 尸
十 尸
、,
贮备施 型
一
一 一
一
有机无机结 合型
, 肥用量单位为 · 一 , , 损耗率
图 为 个处理的模拟结果与实测值
间的拟合情况 , 图中实线为模拟结果 , 点线
为实测值 , 均 为土壤 值动态
, 二者符合
较好 , 模型基本有效
图 给 出 了不 同施 肥处理 下连续
年和 年的土壤 动态的模拟结果
次 大 剂 量 施 后 不 循 环 利 用 的 处 理
吸 , 其 高值呈脉冲式跃动 , 低值长期
平稳 , 说明处理 至少可平衡土壤 库 ,
︵几·蟹︶。工﹃,︸召拱体娜书
百“。
义
,
又的︶工一,,二召叔裤璐洲
分 万下
持续时 丫 伪 一 。 稗一
图 不 同处理模拟结果与实测值的拟合验证
由图 可看出 , 不施 处理 的 库
其动态为一耗竭过程 , 经 一 年后 值
已降至接近 。 的水平 , 此后平缓 每 年
棋拟时间 , 饭 “ 脚
图 长期施肥处理的模拟结 果
一
其 水平也高于 处理 每年小剂量施
应 用 生 态 学 报 卷
处理 的 库动态 , 前几年呈下降状
态 , 此后则出现缓慢积累增长势态 , 其
水平总体上高于处理 , , 这显然与每年施
量要在几年后才大于 收获量有关 , 也
说明短期试验无法对土壤 库的长期态
势作出准确预测的局限性
处理 在靠 年一次大剂量施用 肥
培育起较高的 库后 , 每年收获 又 以
有机肥形式循环利用 , 虽然在前几年土壤
库的低值未必优于处理 , , 但总体上
讲 , 处理 始终在积累其 库 , 并维持较
高的水平 若干年后 , 库可积累到富
水平 , 这时施 无效
总之 , 若就 尸 库的水平和动态而言 ,
处理 最好 , 处理 其次 , 处理 较差 , 处
理 最差 , 说明每年投入一定量的新鲜
肥 有机的或无机的 对土壤有效 库的
维持是非常重要的 , 即使是大剂量贮备性
施 也不能例外
参考文献
【 〕 张 璐 、 殷 秀岩 、 沈善敏 农业 系统中磷肥
残效及磷循环研究 磷及其它养分在作物体内
」
的分配 应用生态学报 , 一
沈善敏 国外的长期肥料试验 土壤通报 ,
一 , 一 一
沈善敏 、 殷秀岩 、 张 璐 农业 系统中磷肥
残效及磷循环研究 作物吸收磷量 、 磷肥残效
及 土坡有效磷的变化 应用生态学报 ,
一
沈善敏 论我国磷肥生产与应用对策 土壤
通报 , ‘ 一
殷秀岩 、 张 璐 、 宇万太等 农业系统中磷
肥残效及磷循环研究 投料中碑和氮在饲养
·
堆腐环中的循环率及有机肥料中养分的利用率
应用生态学报 , 一
, ,
加脚 尸亡口 ,
” , 一
,
一
,
钾
优 。 一
,
,
用。 匆
口
邵 刀 。 ‘ 一
八 百二 ‘ 一
,门」组﹃一奋‘尸份
〕
,
工,了」口‘一工,,互