稻麦轮作区土壤水氮运移与作物生长耦合模拟研究

水稻-冬小麦轮作体系主要分布在我国长江中下游地区,目前约有1300万hm2的种植面积,总产量1158万t,占我国粮食总产量的38%(中国统计年鉴,2008),在我国粮食生产中占有重要地位.以太湖流域为典型的稻麦轮作区主要通过大量施用氮肥来实现粮食增产和稳产,目前稻麦两季氮肥用量达550~650kgNhm-2,氮肥增量施用的增产效果已不显著,而由此带来的地表和地下水体污染却日趋严重,农业生产与环境保护之间的矛盾日益突出.稻麦轮作农田周期性的淹水-排水过程、氧化-还原条件的交替变化等直接影响到土壤中水分、氮素的迁移转化,进而影响到水稻、小麦对水分和氮素的吸收利用.将稻麦轮作体系地下水位以上完整土壤剖面内水氮迁移转化与作物生长过程作为一个有机整体进行研究有助于更全面、更准确地揭示水旱轮作农田物质循环过程及其与作物生长和环境保护间的关系,具有十分重要的理论意义和实际价值.
本研究针对以上问题开展研究工作,以太湖流域的典型稻麦轮作区-江苏常熟市为研究对象,于2007-2010年在中国科学院常熟生态实验站进行小区定位试验,对水稻、小麦设置4个不同施氮水平NO(稻季OkgNhm-2/麦季0kgNhm-2)、N1(稻季125kgNhm-2/麦季94kgNhm-2)、N2(225kgNhm-2/169kgNhm-2)和N3(325kgNhm-2/244kgNhm-2),明确发生在土体内以及土壤与作物间的水氮迁移、转化过程;在田间试验数据基础上,通过改编CERES-WHEAT与CERES-RICE模型,构建稻麦轮作农田土壤水氮迁移与作物生长耦合模型,从机理上模拟水旱轮作系统内水氮迁移转化过程及其与作物生长间的耦合关系,预测氮肥的主要去向和施用效果,获得可兼顾农学和环境效益的氮素投入方案;将耦合模型与GIS结合,预测常熟地区作物生产潜力和适宜施氮量的空间分布.本研究的主要结论如下:
(1)田间试验结果表明,稻麦轮作农田水氮迁移特征具有鲜明特色,作物生长所需水肥条件也较特殊.通过对稻麦轮作农田的长期定位检测,获取了水旱轮作系统水氮迁移和作物生长动态数据序列,查明了完整土壤剖面内水氮迁移特征及作物生长发育规律.
水旱轮作条件下土壤水分变化动态不同.稻季土壤除后期晒田期外基本处于水分饱和状态;麦季虽然不进行灌溉,但各层土壤水分含量基本维持在田间持水量附近,可满足作物生长的水分需求.
稻季与麦季主要无机氮素形态不同.稻季施氮后田面水NH4+-N浓度迅速升高,可达32.0mgL-1,是稻季氮素损失的主要来源;稻季与麦季土壤剖面NH4+-N浓度多低于2.0mgL-1,且各氮肥处理间差异不显著.麦季土壤无机氮以NO3--N为主,浓度可达14.0mgL-1,远高于稻季土壤剖面NO3--N浓度.稻季和麦季80cm处土壤溶液NO3--N浓度多低于1.0mgL-1,大量氮素淋洗可能只发生在稻季灌水泡田初期及麦季强降雨后.
水稻、小麦叶面积指数(LAI)、地上部生物量、地上部吸氮量均随施氮量的增加而增加,且增长趋势与土壤剖面中无机氮变化呈负相关(平均相关系数为-0.64),作物吸氮高峰期与氮肥施入时期同步可有效降低氮肥损失.水稻N0、N1、N2和N3处理三年平均产量分别为6348、7801、8622和8870kghm-2;小麦分别为3312、5070、6022和6252kghm-2.N0、N1、N2和N3处理的年平均氮素表观损失量分别为0、109、137和224kgNhm-2.综合考虑边际产量、氮肥利用效率、氮素表观损失量等指标,常熟地区稻麦轮作农田施氮量以N2处理较佳,即水稻施氮量225kgNhm-2,小麦施氮量169kgNhm-2.
(2)利用2007年稻季和2007-2008年麦季的田间实测数据对构建的稻麦轮作农田土壤水氮运移与作物生长耦合模型进行了校准;利用2008年稻季、2009年稻季和2008-2009年麦季的田间实测数据对模型进行了验证,其对土壤水氮迁移过程和作物生长发育规律的模拟精度较高,所建模型可满足实际应用的需要.
麦季土壤水分含量模拟值与实测值之间均方根误差(RMSE)为3.5%;稻季除后期晒田外,模拟的土壤水分含量基本处于饱和状态,与田间实际条件相吻合.稻季田面水、土壤剖面NH4+-N以及麦季土壤剖面NO3--N浓度的模拟值与实测值吻合度较高.稻季田面水、20cm、40cm与80cm土层NH4+-N的RMSE分别为4.26mgL-1、0.35mgL-1、0.14mgL-1、0.17mgL-1;麦季20cm、40cm与80cm土层NO3--N的RMSE分别为1.03mgL-1、0.98mgL-1、0.36mgL-1:稻季NO3-N以及麦季NH4+-N的模拟精度稍低,但也在实测值误差限范围内.
模型对作物地上部生物量、产量、LAI和地上部吸氮量的模拟精度很高,水稻RMSE分别为1162kghm-2、296kghm-2、0.98、44kgNhm-2;小麦RMSE分别为1544kghm-2、222kghm-2、0.80、41kghm-2,可很好地描述大田条件下作物的生长发育动态.N2处理与N3处理差异均不显著,与田间实测趋势相同.
(3)通过构建的稻麦轮作农田土壤水氮运移与作物生长耦合模型,模拟了水旱轮作农田氮素平衡状况;并与GIS结合,预测了区域尺度作物生产潜力.
模拟结果表明,常熟地区稻麦轮作农田在年施氮量由0增加到569kgNhm-2时,年氮素损失量由11kgNhm-2增加到了166kgNhm-2;稻季氨挥发占当季氮素总损失的32.7~45.8%,反硝化占27.3~40.9%,径流与淋洗所占比例稍低,为23.1~30.2%;麦季淋洗占当季氮素总损失的30.4~55.4%,氨挥发占36.5~50.7%,径流及反硝化所占比例较小,为8.2~10.2%.模型计算的兼顾生产、经济与环境效益的水稻适宜施氮量为251kgNhm-2,小麦为188kgNhm-2.模型与GIS集成预测结果表明,常熟地区作物生产潜力较高,水稻平均8346kghm-2,小麦平均6387kghm-2.在常熟地区主要土壤类型中,黄泥土年适宜施氮量在300kgNhm-2左右;乌栅土年适宜施氮量在500kgNhm-2左右;白土、潮土等土壤结构性较差,需氮量接近600kgNhm-2;模型计算出的常熟地区适宜施氮量总体反映了不同土壤类型的实际需肥规律.