砒砂巖改良風沙土對作物產量影響的RZWQM2模型模擬

孫增慧 韓霽昌 毛忠安 王歡元 胡 雅

(1.陜西省土地工程建設集團有限責任公司，西安 710075； 2.陜西省土地整治重點實驗室，西安 710064；3.國土資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室，西安 710075)

0 引言

毛烏素沙地位于鄂爾多斯高原東南部和陜北黃土高原以北，總面積3.98萬km2，是我國四大沙地之一[1]。不合理的農業活動和過度放牧導致毛烏素地區草地嚴重退化、土地沙化及生產力低下等問題頻發。砒砂巖是毛烏素沙地一種重要的伴生巖，總面積約1.67萬km2，其巖層結構松散，是由古生代二疊紀、中生代三疊紀、侏羅紀和白堊紀的厚層砂巖、砂頁巖和泥質砂巖混合組成。砒砂巖巖層厚度小、壓力低，成巖程度低、沙粒間膠結程度及結構強度差，易受侵蝕和發生水土流失，被稱為“環境癌癥”[2-5]。探索和開發適用于毛烏素沙地砒砂巖和沙土地的整理模式，是該地區社會和環境發展的迫切需求。

很多學者研究表明，砒砂巖與沙復配可以形成新土壤[6-8]。主要是在毛烏素沙地就地取材，將砒砂巖與沙這兩種“危害”變為資源。風沙土通體無結構，干濕狀況下均有較大的透水性，其保水性能差；砒砂巖因含有大量的蒙脫石，在遇水時迅速膨脹，有較好的持水和保水性能，可作為一種天然的保水劑[9]。將砒砂巖與沙按不同比例混合，可得到具有保水透氣的混合土壤，滿足農業生產[10]。然而，目前關于砒砂巖與沙混合成土的研究多集中在復配土的物理性狀，對作物產量的影響研究較少。此外，大田作物產量研究試驗周期長、難度大，系統研究長期條件下砒砂巖改良風沙土對作物產量的影響耗費人力物力，不利于研究的進一步開展，而模型模擬則提供了一種新方法。

農業系統模型整合了土壤-作物-大氣連續系統中的土壤水分運移、養分循環、熱量傳遞等復雜機理過程，是評價和擴展試驗結果的重要手段[11]。美國農業部開發的RZWQM2(Root zone water quality model 2)模型，整合了作物根區所有影響作物生長的物理、化學和生物過程[12-16]。在模擬農田水分、養分循環和作物生長發育方面具有明顯的優勢，已成為評價農業生產和生態環境的重要工具[17-19]。通過對模型參數的率定，模型能夠較準確預測不同土壤、氣候以及施肥灌溉處理下作物產量差異及土壤含水量狀況等[20-22]。該模型在我國華北和東北地區已經進行了一些應用嘗試，如WANG等[23]利用RZWQM2模型優化污水灌溉條件下冬小麥-夏玉米的施肥措施；文獻[24-26]模擬了不同灌溉制度下作物產量及水分利用效率；丁晉利等[21]利用RZWQM2模型模擬了耕作方式轉變對土壤蓄水保墑的影響，SUN等[27]和LI等[28]研究了東北地區不同土壤質地類型以及灌溉制度對作物產量的影響。已有的研究多側重于灌溉和施肥量的利用效率，應用模型評估風沙土改良模式對作物產量影響的研究還鮮有報道。因此，本文利用2年田間試驗數據率定和驗證RZWQM2模型，并利用率定和驗證后的模型模擬多年砒砂巖改良風沙土對作物產量的影響，分析砒砂巖與沙不同配比后土壤水分的動態變化和作物產量的變化特征，探索砒砂巖改良風沙土不同配比對作物產量影響的規律，提出增產效果較優的砒砂巖改良風沙土的復配模式，以期為毛烏素沙地砒砂巖改良風沙土提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況與試驗設計

試驗田位于陜西省榆林市榆陽區小紀汗鄉(109°29′28″E，38°28′23″N，海拔1 210 m)。該地區位于陜西北部，毛烏素沙漠南端。年均氣溫8.1℃，大于等于10℃的積溫3 307.5℃，年均無霜期154 d，年均降水量413.9 mm，65%的降水集中在7—9月(圖1)。年均日照時間2 879 h。屬于典型中溫帶半干旱大陸性季風氣候。試驗所用的砒砂巖與風沙土均取自當地，供試土壤理化性狀見表1。

圖1 試驗區每月降水量和累積降水量Fig.1 Monthly precipitation and accumulation in 2012 and 2013 at Yulin Experimental Station

田間試驗在2012年和2013年進行。將采集的砒砂巖與沙按照體積比1∶1(T1)、1∶2(T2)和1∶5(T3)充分混合，待用。在2012年玉米種植前，將每個試驗小區0～30 cm的土壤全部替換為按比例充分混合的復配土壤。每個試驗小區面積為50 m2(5 m×10 m)，設3個重復，采用完全隨機區組排列。小區種植玉米品種為“先玉335”，播種密度為60 000株/hm2，行距60 cm。每年播種時間為5月中旬，9月下旬進行收獲。播種前施入基肥(磷酸二銨300 kg/hm2、尿素150 kg/hm2)。所有小區均采用當地農民傳統的水肥管理措施。

表1 試驗區風沙土和砒砂巖物理性狀Tab.1 Primary physical properties of aeolian sandy soil and Pisha sandstone in study site

1.2 測定項目與方法

1.2.1土壤含水量

土壤體積含水量采用時域反射儀TDR (Trime-IPH，IMKO)測定，探頭長度20 cm。測定管為長200 cm、直徑8 cm的PVC管，使用配套安裝工具垂直埋于測定位置。測定點位于玉米行間，所測定土層深度分別為0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm和100～120 cm。所有小區每7 d測定一次土壤體積含水量，降雨后加測。

1.2.2玉米生長與產量

試驗過程中，按生育期測定玉米葉面積及地上部生物量，成熟期測定產量。葉面積采用測量尺直接量取葉長和最大葉寬，通過葉長、最大葉寬和0.75的乘積計算得到。葉面積指數為單位土地面積上植物葉片總面積占土地面積的倍數，即葉面積指數等于葉片總面積除以土地面積。地上部生物量測定是在各生育期每小區選取1 m2內的植株，將地上部取回實驗室，105℃下殺青1 h，之后在75℃下干燥48 h后稱干質量，測定生物量。產量測定是在玉米成熟期，每個小區取20 m2樣方，全部收獲測定其產量。最后產量換算為含水率為14%的標準值。

1.2.3土壤貯水量

土壤貯水量客觀地反映了土壤水分的真實值，可以系統地研究不同時段各試驗處理的土壤水分情況。1.2 m深土層貯水量計算公式為

(1)

式中W——土壤貯水量，mm

Wi——第i層土壤體積含水量，cm3/cm3

Hi——第i層土層厚度，cm

n——1.2 m深土層含水量測定層數

1.3 RZWQM2模型

1.3.1模型概述

RZWQM2模型是由美國農業部農業系統研究所開發的一個農業綜合性模型。它包括的生物、物理、化學過程可以用來預測水力及化學響應并評價農業管理對作物產量及土壤水質的影響。模型由6個子模塊組成，包括物理運移模塊、化學反應模塊、養分循環模塊、殺蟲劑反應模塊、作物生長和管理操作模塊，各模塊間相互影響。模型中的物理模塊用Green-Ampt方程描述土壤水分入滲過程；V-G模型描述土壤水分特征曲線；Richards方程描述分層土壤間水分再分布情況。選擇DSSAT 4.0模型中的CERES-Maize模型來模擬玉米生長情況。模型同時以2個時間尺度進行模擬：①以日為時間步長，計算養分、有機肥以及灌溉和耕作方式對農業生產系統的影響，同時計算土壤蒸發和作物蒸騰以及潛在蒸散。②以小時為時間步長，模擬土壤水分運移過程，主要包括土壤水分的再分布、化學物質入滲、傳輸和徑流以及殺蟲劑的淋失、熱量傳輸和植物氮素吸收。

1.3.2模型輸入參數

RZWQM2模型需要輸入農田管理、氣象數據、作物相關參數及土壤數據。農田管理包括播種與收獲日期、密度、水肥管理等。1990—2013年的逐日氣象數據從榆林氣象站獲取，包括最高氣溫、最低氣溫、風速、相對濕度、日照時數和降水數據。作物參數首先采用模型中與實驗區玉米最相近的作物品種參數缺省值，其他參數采用模型默認值。土壤質地、飽和導水率、水分特征曲線為實測數據。

1.4 模型的校正與驗證

模型校正過程中首先對模型的土壤水分模塊進行校正，然后校正作物參數模塊。利用2012年的試驗數據進行模型參數校正，用2013年的試驗數據進行模型參數驗證。首先將實測的土壤飽和導水率、田間持水量、萎蔫點以及土壤水分特征曲線等水力學參數作為初始條件輸入模型，通過比較土壤分層含水量模擬效果，采用試錯法手動調整土壤剖面水力參數的取值，從而保證模型校正結果在允許的誤差范圍內(表2)。

表2 砒砂巖與沙不同比例混合后土壤性狀及水力學參數Tab.2 Primary physical properties of three compound soils in study site

作物品種參數采用RZWQM2自帶的PEST參數調試程序調試玉米參數P1、P2、P5、G2、G3和PHINT(表3)，優化玉米生育期、作物產量和生物量的模擬結果。在模型驗證過程中利用3個評價指標來評價模型的模擬結果：模擬和實測結果的均方根誤差(RMSE)、決定系數(R2)和模型有效系數(ME)，當ME值為1時模型模擬效果最優。相關計算公式為

(2)

(3)

(4)

式中Pi——第i個模擬值

Oi——第i個觀測值

Oavg——觀測平均值

Pavg——模擬平均值

N——觀測值或者模擬值的個數

表3 玉米作物品種遺傳參數Tab.3 Genetic parameters of corn

1.5 作物產量模擬

以2012年的試驗實測數據作為初始條件，應用1990—2013年逐日氣象數據模擬24 a砒砂巖改良風沙土不同復配比例的作物生長情況和耗水規律。模擬試驗中不考慮養分對玉米的脅迫，假設每年玉米播種、收獲的日期都相同，分別在5月上旬和9月下旬。通過在RZWQM2模型中設定雨養(無灌溉)和充分灌溉2種方式，分析砒砂巖改良風沙土不同復配比例處理下的玉米產量潛力規律和增產潛力。

2 結果與分析

2.1 模型率定

對2012年試驗數據進行率定，RZWQM2模型對T1、T2和T3處理土壤剖面分層土壤水分(0～120 cm)的模擬值與田間實測值相近，其中RMSE分別為0.011～0.021 cm3/cm3、0.017～0.042 cm3/cm3和0.014～0.032 cm3/cm3，模型有效系數ME分別介于0.444～0.801、0.462～0.787和0.394～0.883之間(表4)。各處理模擬的土壤貯水量(0～120 cm)結果與觀測值呈相似的變化趨勢(圖2)，T1、T2和T3處理的RMSE分別為4.6、4.8、7.5 mm；R2分別為0.89、0.96和0.90；ME分別為0.86、0.92和0.78。

圖2 砒砂巖改良風沙土不同配比下土壤貯水量(0～120 cm)實測值與模擬值對比Fig.2 Comparison of measured and simulated soil water storages (0～120 cm depth) in three treatments

土壤水分模擬校正后，對作物參數進行校正，結果表明，T1、T2和T3處理作物產量的模擬值與觀測值相似，其RMSE分別為249、98、84 kg/hm2。T1、T2和T3處理葉面積指數的模擬值與實測值相近(圖3)，其中RMSE分別為0.15、0.14和0.10，R2分別為0.97、0.97和1，ME分別為0.96、0.97和0.99。T1、T2和T3處理作物生物量的模擬值與實測值相近(圖3)，其中RMSE分別為643、512、1 245 kg/hm2，R2均為0.99，ME分別為0.98、0.99和0.91。

圖3 砒砂巖改良風沙土不同配比下葉面積指數、地上生物量實測值與模擬值對比Fig.3 Comparison of measured and simulated leaf area index and above-ground biomass in three treatments

2.2 模型驗證

利用2013年的試驗數據進行模型驗證，RZWQM2模型對T1、T2和T3處理土壤剖面不同深度土壤水分的模擬值與田間實測值的RMSE分別為0.009～0.026 cm3/cm3、0.011～0.017 cm3/cm3和0.008～0.029 cm3/cm3，模型有效系數ME分別介于0.538～0.985、0.408～0.735和0.381～0.989之間(表4)。總體來看，各處理分層土壤含水量模擬效果均較好。但從不同土層比較，模擬效果最差的出現在表層0～20 cm，房全孝等[24]和SUN等[27]在模擬土壤水分隨深度的變化時，也發現由于土壤表層屬性變化會造成模擬時誤差較大，且土壤含水量的模擬效果隨著土壤深度的增加逐步改善，這與本研究結果一致，同樣的結果在丁晉利等[21]和孫懷衛等[29]的研究結果中出現。T1、T2和T3處理土壤貯水量模擬結果與觀測值的RMSE分別為6.4、5.2、8.3 mm；R2分別為0.54、0.88和0.83；ME分別為0.69、0.77和0.64。T1、T2和T3處理產量驗證過程中模擬值與實測值間的RMSE分別為71、485、123 kg/hm2。不同處理葉面積指數模擬值與實測值的RMSE分別為0.12、0.12和0.10；R2分別為0.99、0.98和0.99，ME分別為0.98、0.98和0.99(圖3)。不同處理地上生物量模擬值與實測值的RMSE分別為886、598、1 461 kg/hm2；R2分別為0.99、1和0.90，ME分別為0.97、0.99和0.86。在房全孝等[24]和HU等[30]研究中，作物產量模擬結果的RMSE在550～670 kg/hm2之間，生物量模擬結果的RMSE在1 370～1 880 kg/hm2之間，與本研究的結果相似。表明本研究模擬砒砂巖改良風沙土處理下土壤含水量、作物生長狀況和產量的模擬效果均較優。

2.3 雨養產量模擬分析

模擬結果表明，雨養條件下，T2處理24 a的平均產量顯著高于(P<0.01)T1和T3處理(圖4)，T1與T3之間的產量差異不顯著(P>0.05)。T1處理24 a的平均產量為2 551 kg/hm2，變化范圍為650～5 561 kg/hm2，變異系數(CV)為52.4%；T2處理24 a的平均產量為3 527 kg/hm2，變化范圍為880～7 206 kg/hm2，變異系數為52.0%；T3處理24 a的平均產量為2 924 kg/hm2，變化范圍747～6 517 kg/hm2，變異系數為54.0%。試驗區玉米生育期內(5—9月)年均降水量350.6 mm，變化范圍為215.9～552.4 mm，變異系數為29.0%，屬半干旱氣候。該地區雨養條件下，作物產量主要受降水的影響，降水相對豐富的年份，作物產量相對較高[31]，這與本研究模擬的結果一致。

圖4 1990—2013年砒砂巖改良風沙土不同配比下玉米模擬產量Fig.4 Simulated potential yield of corn in three compound soils from 1990 to 2013

2.4 充分灌溉產量與產量差分析

在充分灌溉條件下，T1、T2和T3處理之間模擬產量并無差異(圖4)。這表明在水分充分滿足的情況下，砒砂巖改良風沙土措施中，玉米產量不受砒砂巖與沙復配比例的影響。SUN等[27]和LIU等[32]研究也得出了在充分灌溉條件下，作物產量不受土壤質地類型的影響。模擬的1990—2013年間玉米平均產量8 623 kg/hm2，變化范圍7 076～10 546 kg/hm2，變異系數為9.99%，表明該地區的光溫條件較適宜玉米生長。T1處理產量差(充分灌溉產量與雨養產量差值)24 a平均值為6 071 kg/hm2，變化范圍為3 078～8 181 kg/hm2，變異系數為21.9%；T2處理產量差平均值為5 096 kg/hm2，變化范圍為1 433～8 069 kg/hm2，變異系數為36.1%；T3處理產量差平均值為5 689 kg/hm2，變化范圍為2 122～8 202 kg/hm2，變異系數為27.7%。T1、T2和T3處理的雨養產量分別只達到充分灌溉條件下產量的30%、41%和34%。SUN等[27]在降雨較豐富的東北風沙土區模擬得到雨養產量達到充分灌溉條件下產量的67%。本研究中T1、T2和T3處理的產量差均較大，這是由于該地區降雨較少。但相比于T1和T3處理，T2的產量差最小，這說明T2處理相對于其他處理，有較好的增產效果。

3 討論

砒砂巖改良風沙土中，砒砂巖含量不同導致土壤容重、水力學參數有所差異，從而影響農田降水入滲和土壤水分蒸發條件，致使不同砒砂巖改良風沙土處理的蓄水保墑能力不同。有研究表明，隨著砒砂巖含量的增加，砒砂巖改良風沙土的質地、有機質、飽和導水率等特性均有明顯的改善[8]。隨著砒砂巖比例的繼續增大，改良的風沙土飽和導水率迅速降低，在砒砂巖風沙土混合比例為(1∶5)～(1∶2)范圍時，飽和導水率降低的趨勢迅速減緩。另外，隨著砒砂巖含量的增加，改良土的毛管孔隙度也不斷升高。毛管孔隙度的增加，增加了土壤保水和持水的能力，從而可為作物生長提供良好的水分條件[1]。但由于砒砂巖中含有大量的鈣蒙脫石，其膨脹性會在一定程度上導致土壤排水孔隙受阻，導致土壤的導水能力下降、通透性變差，從而不利于作物生長[33]。

本文通過RZWQM2模擬1990—2013年不同砒砂巖改良風沙土處理的土壤水分狀況，結果顯現T2處理相對于T1和T3處理具有較高的相對土壤含水量(圖5，圖中VE-V7表示苗期，V8-V20表示拔節期，VT-R6表示抽穗期至成熟期)。這可能是T2處理玉米產量優于其他2個處理的原因之一。薛江[34]研究發現，添加砒砂巖可增加土壤的持水性，且添加比例越高，土壤持水性越強，但會導致土壤供水能力的下降，這與本研究模擬的相對土壤含水量結果一致。本研究中，隨著砒砂巖含量的增加，土壤田間持水量增大(表2)，但砒砂巖含量持續增加，土壤的相對含水量則降低(圖5)，反而制約作物的生長和降低作物產量。這與WANG等[35]和馬文梅[36]的研究結果一致。

圖5 1990—2013年砒砂巖改良風沙土不同配比下平均相對土壤含水量Fig.5 Simulated mean relative soil water content in root zone at different growth stages in T1, T2 and T3 treatments of 1990—2013

雖然本文利用RZWQM2模型實現了砒砂巖改良風沙土作物產量和土壤水分的多年動態變化，較好地模擬了不同砒砂巖改良風沙土措施的蓄水保墑效果，但由于未對氮素模塊進行校驗，對于RZWQM2模型的養分模塊計算缺乏數據來反演參數，因此參數可能有待調整。另外，RZWQM2模型本身未考慮砒砂巖與風沙土之間可能發生的理化反應，因此，也有待進一步修正。建議的砒砂巖與沙復配比例可以達到增產的目的，但受試驗處理數量的影響，無法確定該復配模式是否達到了最優，在后續的研究中需要增加水平梯度，使結果盡可能地接近最優。另外，建議在該地區農業生產中進行適當補充灌溉，使砒砂巖改良風沙土復配增產的效果更加顯著。

4 結論

(1)RZWQM2模型能夠較好地模擬砒砂巖改良風沙土措施下土壤水分長期動態變化和作物的生長狀況，可作為評價砒砂巖改良風沙土的一種有效方法。在模型校驗過程中，T1、T2和T3處理土壤貯水量模擬結果與觀測值的的RMSE分別為6.4、5.2、8.3 mm；產量模擬值與實測值間的RMSE為71、485、123 kg/hm2。

(2)利用校驗后的RZWQM2模型對不同砒砂巖改良風沙土措施的多年的玉米產量模擬結果表明，T2處理24 a的平均產量比T1處理高976 kg/hm2，比T3處理高603 kg/hm2。多年模擬結果表明，T2處理在砒砂巖改良風沙土措施中玉米增產效果較優。