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        DNDC模型在華北平原夏玉米土壤水分研究中的應(yīng)用

        2019-03-28 06:49:02,
        人民珠江 2019年3期
        關(guān)鍵詞:實(shí)測(cè)值夏玉米生育期

        ,

        (山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,山西太谷030801)

        華北平原是中國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地,其作物主要為冬小麥和夏玉米[1]。年降雨量為470~910 mm,降雨分布不均,主要集中在7―9月,該區(qū)約有64%的灌溉用水取自地下,地下水資源不容樂(lè)觀,水資源的嚴(yán)重匱乏限制了該區(qū)的發(fā)展[2]??陀^量化一個(gè)地區(qū)的作物用水效率是節(jié)水灌溉的重要步驟。為此各國(guó)學(xué)者發(fā)明了各種模型以對(duì)作物生長(zhǎng)進(jìn)行評(píng)估。DNDC[3]模型(denitrification-decomposition model,脫氮-分解作用模型)是由美國(guó)新罕布什爾大學(xué)陸地海洋空間研究中心李長(zhǎng)生教授等開(kāi)發(fā)研制并推廣起來(lái)的,DNDC模型原多用于生態(tài)系統(tǒng)光合、土壤碳氮的釋放和淋濕與溫室氣體的排放等。近年來(lái),隨著模型的發(fā)展與應(yīng)用,DNDC模型越來(lái)越多地應(yīng)用于土壤水分、生物量和產(chǎn)量的模擬。陳海心[4]等應(yīng)用DNDC模型模擬關(guān)中地區(qū)作物產(chǎn)量,模型預(yù)測(cè)精度較好。劉寧[5]等利用DNDC模型模擬了溝壟覆膜種植對(duì)土壤水熱及冬小麥產(chǎn)量的影響。韓娟[6]利用DNDC模型模擬陜西省玉米產(chǎn)量及土壤水熱效應(yīng),模擬精度較好。目前,對(duì)于作物水分利用效率評(píng)價(jià)的模型主要有 AquaCrop 模型、DSSAT 模型和 SWAT 模型,而利用DNDC模型在夏玉米騰發(fā)量(ET)及水分利用效率方面的應(yīng)用尚未見(jiàn)報(bào)道。

        本實(shí)驗(yàn)利用2015年夏玉米種植期間的土壤含水率、地上部生物量和產(chǎn)量變化數(shù)據(jù)對(duì)DNDC模型作物參數(shù)進(jìn)行率定,以得到本地化的作物參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù),并以2016年夏玉米數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)價(jià),確定了DNDC模型在華北平原區(qū)夏玉米生長(zhǎng)期間土壤含水率、生物量、產(chǎn)量和ET方面的適用性,以期可以為夏玉米水分利用效率提供一種新的途徑。

        1 材料與方法

        1.1 研究區(qū)概括

        為研究DNDC模型在夏玉米中的適用性,本試驗(yàn)于2015、2016年在中國(guó)水利水電科學(xué)研究院大興區(qū)國(guó)家節(jié)水灌溉中心完成。該試驗(yàn)區(qū)地處北京市南端,隸屬于北京市,區(qū)域面積為1 040 km2。地處北緯39°37.25′,東經(jīng)116°25.51′,屬于半干旱大陸性季風(fēng)氣候,冬季寒冷少雨,夏季炎熱多雨,多年平均降雨量540 mm,降雨多集中在6―9月。該區(qū)全年日照時(shí)數(shù)為2 600 h,大于10℃的有效積溫為4 730℃。該區(qū)屬于海河沖積平原,土壤類型以沙壤土為主,主要種植作物為冬小麥和夏玉米。

        1.2 數(shù)據(jù)獲取

        1.2.1管理數(shù)據(jù)

        試驗(yàn)間供試夏玉米為紀(jì)元168,2015年夏玉米播種日期為6月25日,收獲日期為10月2日。全生育期天數(shù)為100 d,2016年夏玉米播種日期為6月15日,收獲日期為9月27日。由于夏季雨水豐富,夏玉米種植期間除播種前灌溉為60 mm外,整個(gè)生育期期間不進(jìn)行灌水,所有小區(qū)的施肥、耕作措施與當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣一致。

        1.2.2氣象數(shù)據(jù)

        氣象數(shù)據(jù)為模型和計(jì)算ET所需基本數(shù)據(jù),試驗(yàn)站裝有自動(dòng)氣象觀測(cè)站,定時(shí)監(jiān)測(cè)降雨、風(fēng)速、氣溫、空氣濕度和太陽(yáng)輻射等氣象要素,以滿足試驗(yàn)基本要求。

        1.2.3土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)

        土壤水分通過(guò)TRIME-DATA PILOT(德國(guó)IMKO公司)土壤水分測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)定,每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)設(shè)有2根相同距離的TRIME管,定期測(cè)量土壤體積含水率(0~50 cm),降雨和灌水后需加測(cè)一次。

        1.2.4地上部生物量和產(chǎn)量數(shù)據(jù)

        測(cè)定每個(gè)小區(qū)寬度和小區(qū)夏玉米行數(shù),在夏玉米長(zhǎng)出后,以每隔10 d為間隔對(duì)夏玉米生物量進(jìn)行測(cè)定。每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取3株夏玉米,從莖基部剪下,獲得完整冠部,按小區(qū)編號(hào),殺青(105℃)0.5 h,恒溫(75℃)24 h烘至恒重后稱重。收割前在各小區(qū)取l m2的典型樣本,計(jì)算每平方米株數(shù)及千粒重,并計(jì)算樣本內(nèi)玉米產(chǎn)量。

        1.3 ET及用水效率計(jì)算

        采用聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)推薦的作物系數(shù)法計(jì)算夏玉米生長(zhǎng)期間的實(shí)際騰發(fā)量[7]:

        ET=ET0·Kc

        (1)

        式中ET——作物實(shí)際騰發(fā)量,mm/d;ET0——參考作物騰發(fā)量,mm/d;Kc采用FAO推薦的夏玉米作物系數(shù)。

        作物水分生產(chǎn)率WP是評(píng)價(jià)用水效率的指標(biāo)之一,利用WP對(duì)夏玉米的用水效率進(jìn)行評(píng)價(jià),計(jì)算方法為:

        WP=Y/ET

        (2)

        式中WP——作物水分生產(chǎn)率,kg/m3;Y——單位面積糧食產(chǎn)量,kg/hm2;ET——實(shí)際騰發(fā)量,m3/hm2。

        1.4 DNDC模型率定及精度評(píng)價(jià)指標(biāo)

        1.4.1參數(shù)敏感性分析

        參數(shù)敏感性分析是對(duì)參數(shù)進(jìn)行率定的重要步驟,可以大大減少參數(shù)率定過(guò)程的時(shí)間。在模型敏感性分析過(guò)程中,土壤參數(shù)和氣象參數(shù)以實(shí)際數(shù)據(jù)為主,采用獨(dú)立參數(shù)擾動(dòng)法對(duì)夏玉米作物參數(shù)如最高生物量、生物量分配比和生物量碳氮比等作物參數(shù)進(jìn)行敏感性分析。首先假定模型中各參數(shù)相互獨(dú)立,對(duì)原始作物參數(shù)通過(guò)增加和減少20%,確定對(duì)產(chǎn)量和ET的敏感參數(shù),采用相對(duì)敏感度RS表示敏感性大小。

        1.4.2模型參數(shù)率定

        應(yīng)用DNDC模型模擬任一點(diǎn)的生物地球化學(xué)過(guò)程時(shí),只要根據(jù)當(dāng)?shù)胤N植耕作情況輸入氣象、土壤以及作物等數(shù)據(jù)便可進(jìn)行一年至多年的模擬[8]。在模型參數(shù)敏感性分析基礎(chǔ)上,選擇2015年夏玉米種植期間的觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)DNDC模型進(jìn)行率定,最后以2016年夏玉米觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。不斷調(diào)整作物參數(shù),使得土壤含水率、生物量、產(chǎn)量和ET模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果在合理范圍內(nèi)。最終得到適合本地化的夏玉米DNDC作物模型參數(shù)。率定后夏玉米作物模型參數(shù)結(jié)果見(jiàn)表1。

        表1 模型中夏玉米作物參數(shù)率定結(jié)果

        1.4.3模型精度評(píng)價(jià)指標(biāo)

        由DNDC模型模擬出來(lái)的生物量、產(chǎn)量和土壤水分與觀測(cè)值之間的擬合程度選用歸一化均方根誤差(NRMSE)和Willmott[8]的一致性指標(biāo)d。根據(jù)Gjettermanna[9]提出歸一化均方根誤差小于25%表明模擬效果較好,25%~30%為可接受的范圍;d∈(-∞,1),d越接近于1,表明模型模擬結(jié)果越好。以上模型評(píng)價(jià)指標(biāo)具體計(jì)算公式為:

        (3)

        (4)

        2 結(jié)果與分析

        2.1 模型敏感性分析

        以產(chǎn)量和ET為目標(biāo)對(duì)夏玉米作物生長(zhǎng)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析,分析結(jié)果(表2)表明,模型參數(shù)的改動(dòng)對(duì)產(chǎn)量和ET的影響不盡相同,其中,需水量和生長(zhǎng)積溫的整體改變(增大和減小)對(duì)產(chǎn)量的影響較大,最高生物量的增加和生物量分配比例(籽粒)的減少對(duì)產(chǎn)量的影響明顯增大;在對(duì)ET的影響參數(shù)中,生長(zhǎng)積溫和需水量的減少對(duì)ET的影響較大,其他作物參數(shù)影響結(jié)果不是很明顯。

        表2 敏感性分析結(jié)果

        2.2 模型驗(yàn)證

        DNDC模型需要輸入的參數(shù)包括氣候、土壤、農(nóng)作物和農(nóng)田管理等。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)將模型原有參數(shù)與2015年夏玉米生育期實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合,對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行校正。由校正后的模型對(duì)2016年夏玉米的土壤水分、地上部生物量和產(chǎn)量進(jìn)行模擬,并與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較,計(jì)算WP。最后通過(guò)模型評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)模型精度進(jìn)行驗(yàn)證。

        2.2.1夏玉米土壤含水率模擬

        植物吸收水分主要來(lái)源于土壤水,為保證玉米正常出苗,夏玉米播種前灌溉水量為60 mm,種植期間由于雨水充足,不再進(jìn)行灌水。圖1、2為2015、2016年土壤含水率模擬值與實(shí)測(cè)值比較,分析結(jié)果表明:2015、2016年夏玉米模擬與實(shí)測(cè)的一致性指數(shù)分別為0.97、0.99,這些指標(biāo)表明DNDC模型能較好地模擬夏玉米生育期內(nèi)土壤表層(0~20 cm)土壤水含量的動(dòng)態(tài)變化。

        a) 含水率~播種后天數(shù)

        b) 含水率模擬值~實(shí)測(cè)值圖1 2015年土壤含水率模擬值與實(shí)測(cè)值比較

        a) 含水率~播種后天數(shù)

        b) 含水率模擬值~實(shí)測(cè)值圖2 2016年土壤含水率模擬值與實(shí)測(cè)值比較

        2.2.2夏玉米生物量模擬

        在對(duì)夏玉米的生物量模擬過(guò)程中,由圖3、4可知隨著夏玉米生長(zhǎng),地上部生物累計(jì)過(guò)程為前期生長(zhǎng)較快,后期較為緩慢,分析可知,2015、2016年夏玉米地上部生物量模擬值與實(shí)測(cè)值的決定系數(shù)R2同為0.99,歸一均方根誤差NRMSE分別為4.66%、15.43%,一致性指數(shù)d分別為0.99、0.96,這些指標(biāo)值較好,表明DNDC模型對(duì)于夏玉米生物量的模擬效果比較理想。

        a) 生物量~播種后天數(shù)

        b) 生物量模擬值~實(shí)測(cè)值圖3 2015年夏玉米生物量模擬值與實(shí)測(cè)值比較

        a) 生物量~播種后天數(shù)

        b) 生物量模擬值~實(shí)測(cè)值圖4 2016年夏玉米生物量模擬值與實(shí)測(cè)值比較

        2.2.3夏玉米WP模擬與驗(yàn)證

        DNDC模型每次模擬后會(huì)形成1個(gè)年度總結(jié)報(bào)告,其中包括產(chǎn)量和植物生育期蒸騰量,每年的土壤蒸發(fā)量存在于DAY_FieldCrop文件中,對(duì)模型模擬產(chǎn)量和ET值進(jìn)行統(tǒng)計(jì),并與測(cè)量結(jié)果比較,由表3可知2015年夏玉米產(chǎn)量實(shí)測(cè)值和模擬值分別為10 692、10 360 kg,ET分別為320、336 mm。2016年夏玉米產(chǎn)量實(shí)測(cè)值和模擬值分別為11 320、10 830 kg,ET分別為310、319 mm。經(jīng)計(jì)算可得:2015年夏玉米生育期期間WP實(shí)測(cè)值和模擬值分別為3.34、3.08 kg/m3,2016年夏玉米生育期期間WP實(shí)測(cè)值和模擬值分別為3.61、3.39 kg/m3,相對(duì)誤差在6.09%~7.78%之間。

        表3 DNDC模型WP模擬值與實(shí)測(cè)值

        3 討論

        DNDC模型提供了玉米作物的典型生長(zhǎng)特性及作物生長(zhǎng)所需的參數(shù)。通過(guò)對(duì)模型夏玉米相關(guān)參數(shù)進(jìn)行率定和驗(yàn)證, DNDC模型很好地再現(xiàn)了夏玉米生育期的土壤含水率、地上部生物量的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律和產(chǎn)量,模型評(píng)價(jià)指標(biāo)都在合理范圍內(nèi),與韓娟[6]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。夏玉米生育期降水較為豐富,滿足夏玉米生長(zhǎng)所需水分,模型可以充分感知到雨養(yǎng)環(huán)境對(duì)于夏玉米生長(zhǎng)的影響。試驗(yàn)未進(jìn)行灌水處理,并不能代表水分較少情況下夏玉米生長(zhǎng)變化。對(duì)于ET的模擬,夏玉米生育期的蒸騰量只存在于年度總結(jié)報(bào)告上,因此只能進(jìn)行夏玉米整個(gè)生育期騰發(fā)量的對(duì)比,模型模擬ET與彭曼公式計(jì)算值相對(duì)誤差較小,模擬效果較好。對(duì)于WP,模型模擬效果與劉興冉[10]用AquaCrop對(duì)于夏玉米模擬值一致,表明DNDC模型可以應(yīng)用于夏玉米用水效率的研究。雖然模型模擬效果較好,但模型在變化情況下和不同生育期ET方面的模擬效果尚未進(jìn)行,將來(lái)須對(duì)模型進(jìn)行改進(jìn),使之研究更為精確。

        4 結(jié)論

        本文通過(guò)模型的校正和驗(yàn)證試驗(yàn)構(gòu)建了華北地區(qū)夏玉米的DNDC模型數(shù)據(jù)庫(kù)。利用國(guó)家節(jié)水灌溉北京工程技術(shù)研究中心大興試驗(yàn)站2015年夏玉米生長(zhǎng)數(shù)據(jù)對(duì)DNDC模型參數(shù)進(jìn)行了率定,并應(yīng)用于2016年夏玉米,具體結(jié)果如下。

        a) 模型敏感性分析中,生長(zhǎng)積溫和夏玉米需水量對(duì)產(chǎn)量和ET的影響較大。

        b) DNDC模型經(jīng)過(guò)率定和驗(yàn)證后,可以較為準(zhǔn)確地模擬華北地區(qū)夏玉米的土壤含水率和地上部生物量的變化。

        c) 夏玉米生長(zhǎng)期間,產(chǎn)量和ET模擬值與實(shí)測(cè)值相比較,相對(duì)誤差低于5%,模型模擬夏玉米WP分別為3.08、3.39 kg/m3,與實(shí)測(cè)相比,相對(duì)誤差低于8%,表明DNDC模型可以進(jìn)行水分利用效率方面的模擬。

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