全 文 ：中国生态农业学报 2015年 2月 第 23卷 第 2期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Feb. 2015, 23(2): 150−158


* 公益性行业(环保)科技项目(201309035-1)和“十二五”国家科技支撑计划课题(2012BAD15B02)资助
** 通讯作者: 王风, 主要从事面源污染防控研究, E-mail: wangfeng_530@163.com; 杨德光, 主要从事玉米栽培及逆境胁迫研究, E-mail:
deguangyang@sina.com
薛长亮, 主要从事面源污染及控制研究。E-mail: kila215@163.com
收稿日期: 2014−08−14 接受日期: 2014−11−05
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DOI: 10.13930/j.cnki.cjea.140934
RZWQM模拟小麦−玉米轮作系统氮素
运移及损失特征*
薛长亮1,2 张克强2 杨德光1** 张国印3 王国平4 王 风2**
(1. 东北农业大学农学院 哈尔滨 150030; 2. 农业部环境保护科研监测所 天津 300191;
3. 河北省农林科学院农业资源环境研究所 石家庄 050051; 4. 湖北省赤壁市农业行政执法大队 赤壁 437300)
摘 要 本文以位于华北平原的河北省农林科学院大河试验站冬小麦−夏玉米轮作系统为研究对象, 应用
RZWQM(Root Zone Water Quality Model)模型对华北地区 2010年冬小麦−夏玉米的 1个轮作周期内土壤剖面水分
和剖面硝态氮累积、作物产量、硝态氮淋失以及氨挥发进行模型模拟。本文利用并通过 RZWQM模型在不同梯
度施肥情况下讨论了施肥量对小麦−玉米轮作体系中硝态氮淋溶和氨挥发特性, 并尝试通过拟合出的回归曲线
来确定施氮量和硝态氮淋失和氨挥发之间的关系。设置冬小麦−夏玉米轮作周期施纯氮量分别为 575 kg⋅hm−2
(N3)、400 kg⋅hm−2(N2)、215 kg⋅hm−2(N1)和 0 kg⋅hm−2 (N0)4个处理, 应用轮作周期中玉米数据进行模型参数率
定, 应用小麦进行模型参数的验证。结果表明: 模型的玉米率定以及小麦验证的过程中结果偏差均在可接受范
围内, 剖面水分率定均方误差(RMSE)最高为 0.019 cm3⋅cm−3, 平均相对误差(MRE)最高为 15.98%; 剖面硝态氮
累积验证结果 RMSE平均值为 4.580 mg⋅kg−1, MRE平均值为 52.63%。在模型验证的小麦−玉米季土壤基础上,
硝态氮淋溶和氮挥发都与施氮量呈一定线性相关关系。综上结论, 本试验结果能较好地模拟华北地区土壤剖
面水分、硝态氮积累, 以及施氮量对土壤硝态氮淋失和氨挥发的影响, 为预测和估算土壤适宜施氮量提供了便
捷可靠的方法。但 RZWQM模型验证参数过程还需要进一步的校正与完善。
关键词 华北地区 RZWQM模型 冬小麦−夏玉米轮作 氮素淋溶 施肥量
中图分类号: S513 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2015)02-0150-09
RZWQM simulation of nitrogen transport and loss under winter wheat/
summer maize rotation system in the North China Plain
XUE Changliang1,2, ZHANG Keqiang2, YANG Deguang1, ZHANG Guoyin3,
WANG Guoping4, WANG Feng2
(1. College of Agronomy, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China; 2. Institute of Agro-Environmental Protection,
Ministry of Agriculture, Tianjin 300191, China; 3. Institute of Agro-Resources and Environment, Hebei Academy of Agricultural
and Forestry Sciences, Shijiazhuang 050051, China; 4. Chibi City Agricultural Administrative Law Enforcement Unit, Hubei
Province, Chibi 437300, China)
Abstract Rational management measures involving crop selection, tillage, crop rotation, fertilization, etc. are important for prevention
of contamination and protection of soil and water resources. A number of field studies conducted under subsurface drainage conditions
with various management practices have focused on reducing N loss through runoff. Also several models have been developed to
evaluate the effects of the management measures on N loss through runoff. Models such as SWAT, DNDC and RZWQM were
developed to simulate physical, chemical and biological responses of root-zone soil system to various agricultural management
practices. Most of these models have been extensively tested under various soil, climate and agricultural management conditions.
They have been used to assess the effects of agricultural practices on crop production or crop rotation systems and the related water
第 2期 薛长亮等: RZWQM模拟小麦−玉米轮作系统氮素运移及损失特征 151


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and nitrate transport processes. In this study, the Root Zone Water Quality Model (RZWQM) was used to simulate water and nitrate
nitrogen accumulations in the soil profile, nitrate nitrogen leaching and ammonia volatilization and yield of winter wheat/summer
maize rotation systems in the North China Plain. The objective of the study was to explore the feasibility of predicting optimum
nitrogen fertilization process using the RZWQM. A rotation trial of winter wheat and summer maize was conducted on Dahe
Experiment Station of Hebei Academy of Agricultural and Forestry Sciences. Four nitrogen fertilizer rates [575 kg·hm−2 (N3), 400
kg·hm−2 (N2), 215 kg·hm−2 (N1), and 0 kg·hm−2 (N0)] were set for the winter wheat/summer maize rotation system. While data for
maize was used to calibrate the RZWQM, data for wheat was used to validate the model. The results showed the deviations in the
model calibration and validation were acceptable. The Root Mean Square Error (RMSE) of soil water content was as low as 0.019
cm3⋅cm−3 and the Mean Relative Error (MRE) was 15.98%. RMSE and MRE for accumulated soil nitrate were 4.580 mg⋅kg−1 and
52.63%, respectively. There were significant linear correlations between nitrogen use and nitrate leaching as well as ammonia
volatilization in winter wheat/summer maize rotation systems. In summary, the RZWQM effectively simulated the transport
processes of water and nitrogen in the soil profile in the North China Plain. Thus the study provided a convenient and reliable method
of prediction and estimation of transport processes of water and fertilizer in root-zone soil. Irrespectively, there was the need for
further research on extended RZWQM model application and robust calibration of critical parameters to increase the model
simulation efficiency.
Keywords North China; RZWQM; Winter wheat/summer maize rotation; Nitrogen leaching; Fertilizer application rate
(Received Aug. 14, 2014; accepted Nov. 5, 2014)
近年来农田普遍增施化肥以及不合理的农业管
理措施, 致使施用的氮肥以氨挥发和硝态氮地下淋
失等形式损失情况加重。由此导致的地下水资源污
染问题日益突出[1−2]。土壤剖面残留较高的氮素易形
成垂直向下运移的趋势 [3], 并伴随灌溉与降雨下渗
造成地下水污染[4]。如何在保护地下水水质和防控
非点源污染的同时合理进行农田施肥成为国内外学
者研究的热点问题[5−6]。目前, 计算和评估农田淋溶
的方法一般为通过淋溶盘取淋溶液或测土壤水势 ,
但这仅能测定点上数据, 区域代表性差, 且该方法
推广不便。而模型模拟法的优势在于操作简单、模
拟准确和代表性强等优点成为评估和预测淋溶的核
心方法, 目前应用较多的模型有LEACHM(Leaching
Estimation and Chemistry Model)[7]、SWAT(Soil Water
Assessment Tool)[8−9]等, 其中, 美国康奈尔大学开发
的LEACHM模型主要描述土壤中水分、氮素及农药迁
移转化, 包括LEACHM-P、LEACHM-C、LEACHM-N、
LEACHM-B、LEACHM-W 5个子模型。SWAT模型
中采用的SCS径流曲线数法和Green-Ampt下渗法 ,
使硝酸盐可以在地表径流和侧向流动中损失的量用
自由水中硝酸盐浓度差减所得到, 方法较麻烦。其
他比如GLEAMS和PAPRAN模型等, 只定义了一级
动力学氨化和零级动力学硝化过程, 部分参数为默
认参数, 而且没有考虑植物残茬硝化过程。与国外相
比, 国内关于模型的研究起步较晚。对综合分析作物
生产和土壤氮素运移相结合方面都还有待加强[10−11]。
而RZWQM(Root Zone Water Quality Model)模型与
以上模型相比, 既考虑到了灌溉、施肥、农药等不
同管理措施, 又综合评价对土壤−作物系统的影响,
在国内外得到了广泛应用。耦合了农业生产管理以
及环境影响的模块 , 具有6个主要模块组成部分和
时间分析部分, 其中水分就可以从降雨、灌溉、蒸
散发、渗滤、径流量和再分配等过程进行综合考虑,
以及相应的养分和植物生长模块进行综合分析, 已
成为预测和评估农田氮素淋溶的新工具[12]。
RZWQM 模型是由美国农业部农业系统研究所
(USDA-ARS, Great Plain System Research Unit)于
1992年推出的农业系统作物和环境管理模型。整合
并考虑了作物根区所有对作物生长的物理、生物和
化学过程的影响[13−14], 在中国华北地区已经尝试进
行一些应用。Wang等[15]应用该模型优化污水灌溉条
件下冬小麦−夏玉米施肥措施。Fang 等[16−17]模拟了
不同灌溉制度下作物产量及水分利用效率。已有研
究多侧重于灌溉和水分利用效率研究方面, 而国内
应用该模型对农田施肥过程硝态氮淋溶的评估虽然
有专家进行研究, 但还处于初级阶段[18−19]。由于该
模型对田间实测数据指标要求较高且有覆盖性, 所
以根据实测数据对模型参数验证后可以应用在华北
平原其他数据缺乏的田间进行验证或推广[20]。为此,
本文将农田作物产量、不同梯度下施肥量和氮素损
失量结合起来, 利用 RZWQM 模拟小麦−玉米轮作
系统氮素运移及损失, 讨论农田氮肥的合理施用和
应用。同时为利用 RZWQM模型进行华北地区农田
硝态氮淋溶预测开辟新的思路和估算方法。
1 研究区域概况与研究方法
1.1 研究区域概况
冬小麦−夏玉米轮作试验在河北省农林科学院
152 中国生态农业学报 2015 第 23卷


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大河试验站进行。该地区属于中温带大陆性季风气
候, 年均气温12.9 ℃, 年均降水量569.8 mm, 其中
春季降雨量较少 , 7—9月份降水量占全年总降水
量的70%。土壤类型为黏壤质洪冲积石灰性褐土, 土
壤剖面基本理化性状和土壤机械组成见表 1。
田间施肥试验从2003年度开始, 由于模型所需气
象数据于2009年有监测记录, 土壤理化性质也基本稳
定, 本文以2010年田间种植的玉米实测数据输入模
型进行模型参数率定, 以2010年冬小麦模型输出数
据与实测值进行比较, 进而进行模型参数验证部分。
表 1 研究区土壤基本理化性状和机械组成特征
Table 1 Soil basic physical and chemical properties and mechanical characteristics in the study area
理化性质 Physical and chemical property 机械组成 Mechanical composition (%)
土壤深度
Soil depth
(cm)
土壤容重
Bulk density
(g⋅cm−3)
田间持水率
Field water
content
(%)
体积含水率
Volumetric
water content
(cm3⋅cm−3)
饱和导水率
Saturated hydraulic
conductivity
(cm⋅h−1)
土壤 pH
Soil pH
初始硝态氮
Initial
NO3−-N
(mg⋅kg−1)
初始铵态氮
Initial
NH4+-N
(mg⋅kg−1)
砂粒
Sand
壤粒
Silt
黏粒
Clay
0~20 1.45 28.08 17.06 0.32 8.2 13.10 0.91 0.20 0.65 0.15
20~40 1.50 27.52 16.17 1.20 8.3 9.95 1.20 0.12 0.65 0.23
40~60 1.51 26.52 16.38 1.47 8.3 6.58 0.88 0.09 0.66 0.25
60~80 1.46 27.78 15.37 1.40 8.0 8.20 1.03 0.09 0.64 0.27
80~100 1.49 25.24 14.19 1.61 8.1 11.22 1.64 0.06 0.58 0.36

1.2 试验设计与指标测定方法
设置4个冬小麦−夏玉米轮作周期施氮量, 分别为
0 kg(N)⋅hm−2(N0)、215 kg(N)⋅hm−2(N1)、400 kg(N)⋅hm−2
(N2)和575 kg(N)⋅hm−2(N3)。每个处理设4次重复, 随
机区组排列。小区面积为44 m2。氮肥、磷肥和钾肥分
别为尿素、过磷酸钙和氯化钾。小麦季氮肥施用量分
别为0 kg(N)⋅hm−2、150 kg(N)⋅hm−2、250 kg(N)⋅hm−2和
350 kg(N)⋅hm−2, 磷肥施用量225 kg(P2O5)⋅hm−2, 钾肥
施用量105 kg(K2O)⋅hm−2; 氮肥于小麦播前和拔节期
分2次施用, 底追各半, 磷钾肥做底肥一次施用。玉
米季对应施氮量分别为0 kg(N)⋅hm−2、65 kg(N)⋅hm−2、
150 kg(N)⋅hm−2和 225 kg(N)⋅hm−2, 钾肥施用量
52.5 kg(K2O)⋅hm−2; 氮肥在大喇叭口期和抽雄期
分2次施用 , 钾肥在玉米大喇叭口期一次施用。玉
米收获施以小区计算产量 , 且采集1 m深土壤剖面
样品 , 20 cm为一层 , 分别测定土壤含水率和土壤
硝态氮含量 , 采用1 mol⋅L−1 KCl浸提比色法测定
硝态氮。
1.3 试验模型简介
RZWQM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、土壤养分运移以及作物生
长进行综合模拟的模型。RZWQM模型由6个模块组
成: 物理模块、化学模块、养分模块、作物生长模
块、杀虫剂模块和管理模块。其中包括“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
移及营养化学过程以“时”尺度计算, 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 ; 然后再计算杀虫剂迁移转化过程(本文不涉
及)、碳氮迁移转化过程和土壤物质平衡过程; 最后
运行植物生长模块。RZWQM能够模拟土壤氮转化
的主要过程, 包括作物氮残留、有机态的矿化、氮
素固定、氮素淋溶、氨挥发、硝化和反硝化等。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, 以及针对性
地实行优化施肥措施来削减损失。
模型初始输入数据包括当地全年的气象数据
和土壤基本数据(如表1)。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、土壤含水率、剖面硝态氮和铵态氮
初始含量。
1.4 模型结果评价
模型参数的率定遵循先水分模块, 然后养分模
块, 最后作物模块的顺序[21]。模型率定效果的评价是
判定参数优化的关键, 不同统计指标各有优缺点[22]。
本文在模型参数率定过程中采用归一化误差(均方
根差/平均值)进行参数优化 [12], 即不断改变参数值
以减小模拟结果和实测结果的差异, 当归一化误差
数值最小时, 模型选定的参数作为最终率定结果。选
用 2个指标评价模型运行的结果: 1)均方误差(RMSE),
属于绝对误差指标, 反映模拟效果的绝对无偏性和
极值效应; 2)平均相对误差(MRE), 属于相对误差指
标, 反映模拟效果的相对无偏性。模型参数率定和
验证的效果通过 RMSE 和 MRE 体现, 当有量纲
RMSE 达到最小值为优, 模型参数率定和验证过程
中, MRE 值最大偏差可以达到 50%, 为可允许偏差
第 2期 薛长亮等: RZWQM模拟小麦−玉米轮作系统氮素运移及损失特征 153


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范围, 而 MRE愈趋近于 0, 模拟效果愈较为优。计
算公式如下:
( )2
1
1RMSE
N
i i
i
P Q
N =
= −∑ (1)
RE 100%i i
i
P Q
Q
−= × (2)
1
1MRE
N
i
i
RE
N =
= ∑ (3)
式中: N是观测值的个数, Qi表示第i个观测值, Pi表示
第i个观测值的模拟值。
2 结果与分析
2.1 模型水分参数率定与验证
应用2010年玉米处理剖面实测水分数据进行模
型参数的率定 , 以小麦处理进行模型的参数验证。
在水分调节过程中, 可调节参数包括土壤表面水分
蒸发系数、土壤表面板结情况、地下水位线高度和
微调土壤饱和导水率等。经过数据率定结果, 2010
年玉米收获时土壤剖面含水率模拟值与实测值变化
趋势相同, 可以继续对小麦数据进行验证工作。其中,
2010年玉米处理中在0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm、
60~80 cm和80~100 cm土层的率定结果RMSE值分别为
0.012 3 cm3⋅cm−3、0.011 6 cm3⋅cm−3、0.011 0 cm3⋅cm−3、
0.004 6 cm3⋅cm−3和0.014 8 cm3⋅cm−3, MRE分别为
−7.82%、−8.54%、−7.42%、3.08%和9.10%。在2010
年小麦N3处理下在0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm、
60~80 cm和80~100 cm土层的剖面含水率验证结果表
明, RMSE分别为0.019 3 cm3⋅cm−3、0.017 0 cm3⋅cm−3、
0.007 0 cm3⋅cm−3、0.006 3 cm3⋅cm−3和0.015 5 cm3⋅cm−3,
MRE分别为15.09%、15.98%、6.45%、5.29%和12.34%
(其他验证处理见图1)。方差分析表明, 验证结果上
部土层含水率实测值和模拟值能够较好地吻合, 效
果稍优于下部土层, 可能因为土壤上部水肥累积量
较小易于率定, 下层土壤机械组成分布不均。但实
测值与模拟值之间差异不显著, 模型水分模块可以
较好地反映土壤实际含水率。

图 1 2010年小麦土壤含水量验证
Fig. 1 Verification of soil water content of wheat in 2010
N1、N2、N3和 N4分别表示施肥量为 0 kg⋅hm−2、215 kg⋅hm−2、400 kg⋅hm−2和 575 kg⋅hm−2的处理, 下同。图中分别表示小麦季不同土
壤剖面含水量在不同施氮浓度下的变化情况。N1, N2, N3 and N4 indicate the treatments of fertilizer rates for 0 kg⋅hm−2, 215 kg⋅hm−2, 400 kg⋅hm−2
and 575 kg⋅hm−2. The same below. The figures represent the changes of soil water contents in different soil profiles under different nitrogen
application rates in wheat season.

2.2 模型土壤硝态氮参数率定与验证
2010年玉米4个处理下土壤剖面硝态氮率定下
模拟值与实测值变化趋势基本相同(图2), 影响率定
的参数分别为土壤温度、质地、有机质、土壤微生
物降解速率和土壤的C︰N等。0~20 cm、20~40 cm、
40~60 cm、60~80 cm和80~100 cm土层平均RMSE值为
7.50 mg⋅kg−1、3.38 mg⋅kg−1、3.28 mg⋅kg−1、5.59 mg⋅kg−1、
4.18 mg⋅kg−1, MRE平均值分别为−18.78%、13.33%、
10.84%、−40.78%、−30.88%。分析结果表明, 土壤
下层硝态氮迁移规律由土壤中许多因素影响和制约,
所以导致下层土壤模拟偏差较大。
同时在小麦季进行硝态氮验证工作(图3), 0~20 cm、
20~40 cm、40~60 cm、60~80 cm和80~100 cm土层平均
RMSE值为3.37 mg⋅kg−1、6.28 mg⋅kg−1、4.42 mg⋅kg−1、
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5.56 mg⋅kg−1、3.27 mg⋅kg−1, MRE平均值分别为12.62%、
45.31%、56.69%、67.42%、81.09%。分析结果表明, 由
于小麦季节降雨少, 地下部分硝态氮淋失不稳定, 产
生了较大误差, 模拟结果总体趋势在可接受范围内。

图 2 2010年玉米土壤硝态氮率定
Fig. 2 Calibration of soil nitrate nitrogen content of maize in 2010
图中分别表示玉米季不同土壤剖面硝态氮浓度在不同施氮条件下的变化情况。The figures represent the changes of nitrate nitrogen
contents in different soil profiles under different nitrogen application rates in corn season.

图 3 2010年小麦土壤硝态氮验证
Fig. 3 Verification of soil nitrate content of wheat in 2010
图中分别表示小麦季不同土壤剖面硝态氮浓度在不同施氮条件下的变化情况。The figures represent the changes of nitrate nitrogen
contents in different soil profiles under different nitrogen application rates in wheat season.

2.3 作物产量的率定和验证
对土壤剖面含水量和硝态氮含量进行参数率定
和验证后, 就可以进行作物产量率定和验证。玉米
作物率定参数包括出苗到成熟热量变化、光周期增
长量、吐丝到生理成熟时间、每株粒数和籽粒灌浆
速率等。2010年小麦−玉米轮作作物产量模型模拟值
与实测值比较见图4。其中, 玉米产量各处理的产量
模拟值均小于实测值, 不同处理间产量模拟值和不
同处理间实测值差异均不显著, 主要是因为试验开
始前施氮量很大, 导致土壤残留和积累的氮素已经
能够满足作物生长需要; 另外模型没有设定和验证
作物前茬还田所积累的养分, 导致模拟水平普遍偏
低。小麦生长季作物产量情况模拟良好, 其中N1处
理小麦实测中某一次重复的产量高于其他处理, 导
第 2期 薛长亮等: RZWQM模拟小麦−玉米轮作系统氮素运移及损失特征 155


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图 4 2010年不同施氮量下玉米−小麦季产量模拟情况(a: 玉米产量; b: 小麦产量)
Fig. 4 Simulated maize yield (a) and wheat yield (b) in 2010 of winter wheat/summer maize rotation system under different nitrogen
application rates
致差异过大, 没有根据施氮量规律而变化。对于其
他处理, 模型在产量验证阶段模拟良好。
2.4 土壤氨挥发和淋溶预测
对土壤剖面的水分、氮素、作物产量等参数率
定和验证后, 模型主要参数就被确定下来, 以此可
以开展不同施氮量下土壤氨挥发和硝态氮淋溶的预
测研究。在玉米−小麦轮作周期内通过模型对土壤硝
态氮进行的预测结果表明, 土壤硝态氮淋失情况与
施氮量呈线性关系。轮作周期内全年施氮量分别为
575 kg⋅hm−2、400 kg⋅hm−2、215 kg⋅hm−2和 0 kg⋅hm−2
时, 全年土壤硝态氮淋失量分别为 128.29 kg⋅hm−2、
92.98 kg⋅hm−2、58.31 kg⋅hm−2和 7.78 kg⋅hm−2。硝态
氮损失约占玉米季施氮量的 22%。
在玉米−小麦轮作周期内氨挥发的模拟预测结
果表明 , 全年土壤 4 个处理下氨挥发量依次为
144.31 kg⋅hm−2、114.69 kg⋅hm−2、64.18 kg⋅hm−2和
2.01 kg⋅hm−2。氨挥发量占总施氮量的 24%。
利用模型分别进行不同施氮量氮素损失模拟 ,
把不同损失情况进行线性回归分析。玉米季土壤硝
态氮淋失量和氨挥发量与施氮量呈线性关系。而小
麦季氨挥发量与施氮量为非线性关系(图 5), 土壤剖
面氨挥量在施氮量为 400 kg⋅hm−2时达到最大, 这一

图 5 RZWQM模型预测的玉米季(a、c)和小麦季(b、d)硝态氮淋溶(a、b)和氨挥发(c、d)与施氮量的关系
Fig. 5 Relationships between nitrogen application rate with
nitrate leaching (a, b) and ammonia volatilization (c, d) of maize (a, c) and wheat (b, c) of winter wheat/summer maize rotation
system according to the RZWQM
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结果说明, 氨挥发量是否随着施氮量而增加？是否
因土壤表层累计氮素过多而达到最大值？以及为何
会产生这种现象值得更多讨论和分析。
3 讨论与结论
应用RZWQM模型对河北省农林科学院大河试
验站冬小麦−夏玉米轮作系统不同施氮水平下土壤
水分以及氨挥发和硝态氮淋溶特征进行了模拟和预
测, 依次对模型的水分模块、养分模块和作物模块
进行了参数率定和验证, 结果表明模拟结果在可接
受范围内 , 同时证实RZWQM模型可应用于华北平
原施肥条件下土壤氮素淋溶和氨挥发预测和评估 ,
进而用于土壤氮素迁移转化规律的研究, 与前人的
研究结果一致[23]。
为防止施肥量过大而导致的地下水污染, 欧共
体(CEC)研究作物产量和氮素损失关系后 , 提出并
推荐“最佳施肥量”以此控制养分损失[24−26]。土壤淋
溶特性研究表明, 促使硝态氮淋溶损失的载体是水
分, 来源包括灌溉和降雨, 此外耕作方式等会通过
改变土壤孔隙度而影响作物对水分的吸收。在华北
地区 , 玉米生育期较短且降水量和降水强度较大 ,
硝态氮淋失量与降水量呈显著相关关系 , 推荐玉
米季合理范围内的最大施氮量为180 kg⋅hm−2[27−28]。在
河北辛集和北京昌平的长期试验可以证实 , 冬小
麦−夏玉米轮作过程中过量施氮导致氮素在根区以
下积累且发生淋失, 在昌平试验点作物施氮肥增加
到390 kg⋅hm−2时, 作物产量未继续提高且氮素淋溶
加剧[29], 此结论与本文中的模型模拟结果相近，但与
本试验实测值有一定差异。中国科学院封丘农业生态
开放试验站的研究结果表明, 冬小麦−夏玉米轮作体
系全年施氮量为400 kg⋅hm−2时, 经过3年试验2 m土
体累积硝态氮260~418 kg⋅hm−2, 继续增大施氮量将
造成地下水严重污染[30]。河南省浚县原种农场冬小
麦施氮量为210 kg⋅hm−2时获得的产量与270 kg⋅hm−2
基本持平[31]。
合理的施氮量不仅对作物高产具有重要作用, 而
且可以控制和减少氮素损失及污染, 以往的试验结果
表明氮素损失与施肥量之间存在一定的关联[32]。本研
究表明, 玉米季土壤硝态氮淋溶和氨挥发随着施氮
量增大而增大, 具有正相关关系, 相关系数R2分别
为0.998 7和0.991 0, SAS分析均达到显著水平。小麦
硝态氮淋溶和氨态氮挥发量与施氮量的相关系数R2
分别为0.945 9和0.982 9, 全年施氮量为400 kg⋅hm−2
时小麦氨挥发达到极大值。玉米种植季降雨较多且
强度较大, 盈余的肥料随降水入渗到下部土层。因
此 , 冬小麦−夏玉米轮作系统内部作物因季节和降
水关系需要分别进行考察, 即轮作周期内氮素迁移
转化总体过程固然重要, 也应重视各轮作作物单独
的氮素转化过程。本研究中虽然前茬小麦季施氮量
大于玉米季, 但由于降水期集中在玉米季, 导致土
壤下层硝态氮累积量和淋溶量增多, 模型在模拟阶
段只是以“天”计数为单位, 在轮作季综合预测土壤
氮素淋溶方面还有待结合整个作物周期的生长情况
进行分析。
RZWQM模型不仅可对不同施氮量下土壤剖面
水分和氮素迁移特征进行模拟, 同时也可用于评估硝
态氮淋溶和氨挥发损失以及作物产量[33]。总体预测结
果基本符合当地实际。研究结果表明, 2010年玉米季施
氮量65 kg⋅hm−2时玉米实测产量最高、模拟产量与其他
施氮量相近, 推断全年总施氮量为215 kg⋅hm−2可获得
较高的玉米产量。从玉米产量、氮素利用以及土壤
硝态氮积累综合考虑, 全年合理施氮量应该控制在
195~260 kg⋅hm−2范围内。通过模型模拟结果和实测
值对比以及华北地区其他专家的研究结果可进一步
说明华北地区可以并应该优化施氮量。
华北平原地区河北省农林科学院大河试验站
2010年冬小麦−夏玉米轮作试验, 通过RZWQM模型
对土壤剖面含水量、硝态氮含量以及作物产量等指
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模拟结果具有一定参考价值 ,
并且为预测施肥量与氮素损失之间关系提供了一个
更简单可用的方法。模拟结果表明, 玉米−小麦轮作
周期内硝态氮淋溶和氨挥发平均损失量占全年施氮
量的22%和24%。同时本文利用当地施肥量和氮素损
失关系进行了线性回归曲线, 也为当地预测氮素损
失提出了一定的理论依据。
本研究在大田条件下土壤氮素运移的模型模拟
得到了较为理想的结果。根据此结果, 推算出华北
地区玉米−小麦轮作周期施氮量在 215 kg⋅hm−2左右
时可有效控制硝态氮的淋溶损失同时获得高产。此
外, 在以后的研究中，还应进一步完善 RZWQM 模
型的应用, 在更宽泛参数率定的基础上, 拓展模型
的预测功能, 使其发挥更重要的作用。
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