DNDC模型在華北平原夏玉米土壤水分研究中的應用

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(山西農業大學林學院，山西太谷030801)

華北平原是中國重要的糧食生產基地，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，該區約有64%的灌溉用水取自地下，地下水資源不容樂觀，水資源的嚴重匱乏限制了該區的發展[2]。客觀量化一個地區的作物用水效率是節水灌溉的重要步驟。為此各國學者發明了各種模型以對作物生長進行評估。DNDC[3]模型(denitrification-decomposition model，脫氮-分解作用模型)是由美國新罕布什爾大學陸地海洋空間研究中心李長生教授等開發研制并推廣起來的，DNDC模型原多用于生態系統光合、土壤碳氮的釋放和淋濕與溫室氣體的排放等。近年來，隨著模型的發展與應用，DNDC模型越來越多地應用于土壤水分、生物量和產量的模擬。陳海心[4]等應用DNDC模型模擬關中地區作物產量，模型預測精度較好。劉寧[5]等利用DNDC模型模擬了溝壟覆膜種植對土壤水熱及冬小麥產量的影響。韓娟[6]利用DNDC模型模擬陜西省玉米產量及土壤水熱效應，模擬精度較好。目前，對于作物水分利用效率評價的模型主要有 AquaCrop 模型、DSSAT 模型和 SWAT 模型，而利用DNDC模型在夏玉米騰發量(ET)及水分利用效率方面的應用尚未見報道。

本實驗利用2015年夏玉米種植期間的土壤含水率、地上部生物量和產量變化數據對DNDC模型作物參數進行率定，以得到本地化的作物參數數據庫，并以2016年夏玉米數據對模型進行驗證和評價，確定了DNDC模型在華北平原區夏玉米生長期間土壤含水率、生物量、產量和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 研究區概括

為研究DNDC模型在夏玉米中的適用性，本試驗于2015、2016年在中國水利水電科學研究院大興區國家節水灌溉中心完成。該試驗區地處北京市南端，隸屬于北京市，區域面積為1 040 km2。地處北緯39°37.25′，東經116°25.51′，屬于半干旱大陸性季風氣候，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。該區全年日照時數為2 600 h，大于10℃的有效積溫為4 730℃。該區屬于海河沖積平原，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 數據獲取

1.2.1管理數據

試驗間供試夏玉米為紀元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，整個生育期期間不進行灌水，所有小區的施肥、耕作措施與當地農民習慣一致。

1.2.2氣象數據

氣象數據為模型和計算ET所需基本數據，試驗站裝有自動氣象觀測站，定時監測降雨、風速、氣溫、空氣濕度和太陽輻射等氣象要素，以滿足試驗基本要求。

1.2.3土壤水分數據

土壤水分通過TRIME-DATA PILOT(德國IMKO公司)土壤水分測量系統進行測定，每個試驗小區設有2根相同距離的TRIME管，定期測量土壤體積含水率(0～50 cm),降雨和灌水后需加測一次。

1.2.4地上部生物量和產量數據

測定每個小區寬度和小區夏玉米行數，在夏玉米長出后，以每隔10 d為間隔對夏玉米生物量進行測定。每個小區隨機選取3株夏玉米，從莖基部剪下，獲得完整冠部，按小區編號，殺青(105℃)0.5 h，恒溫(75℃)24 h烘至恒重后稱重。收割前在各小區取l m2的典型樣本，計算每平方米株數及千粒重，并計算樣本內玉米產量。

1.3 ET及用水效率計算

采用聯合國糧農組織(FAO)推薦的作物系數法計算夏玉米生長期間的實際騰發量[7]：

ET=ET0·Kc

(1)

式中ET——作物實際騰發量,mm/d；ET0——參考作物騰發量,mm/d；Kc采用FAO推薦的夏玉米作物系數。

作物水分生產率WP是評價用水效率的指標之一，利用WP對夏玉米的用水效率進行評價，計算方法為：

WP=Y/ET

(2)

式中WP——作物水分生產率,kg/m3；Y——單位面積糧食產量,kg/hm2；ET——實際騰發量,m3/hm2。

1.4 DNDC模型率定及精度評價指標

1.4.1參數敏感性分析

參數敏感性分析是對參數進行率定的重要步驟，可以大大減少參數率定過程的時間。在模型敏感性分析過程中，土壤參數和氣象參數以實際數據為主，采用獨立參數擾動法對夏玉米作物參數如最高生物量、生物量分配比和生物量碳氮比等作物參數進行敏感性分析。首先假定模型中各參數相互獨立，對原始作物參數通過增加和減少20%，確定對產量和ET的敏感參數，采用相對敏感度RS表示敏感性大小。

1.4.2模型參數率定

應用DNDC模型模擬任一點的生物地球化學過程時，只要根據當地種植耕作情況輸入氣象、土壤以及作物等數據便可進行一年至多年的模擬[8]。在模型參數敏感性分析基礎上，選擇2015年夏玉米種植期間的觀測數據對DNDC模型進行率定，最后以2016年夏玉米觀測數據進行驗證。不斷調整作物參數，使得土壤含水率、生物量、產量和ET模擬結果與實測結果在合理范圍內。最終得到適合本地化的夏玉米DNDC作物模型參數。率定后夏玉米作物模型參數結果見表1。

表1 模型中夏玉米作物參數率定結果

1.4.3模型精度評價指標

由DNDC模型模擬出來的生物量、產量和土壤水分與觀測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d。根據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，表明模型模擬結果越好。以上模型評價指標具體計算公式為：

(3)

(4)

2 結果與分析

2.1 模型敏感性分析

以產量和ET為目標對夏玉米作物生長參數進行敏感性分析，分析結果(表2)表明，模型參數的改動對產量和ET的影響不盡相同，其中，需水量和生長積溫的整體改變(增大和減小)對產量的影響較大，最高生物量的增加和生物量分配比例(籽粒)的減少對產量的影響明顯增大；在對ET的影響參數中，生長積溫和需水量的減少對ET的影響較大，其他作物參數影響結果不是很明顯。

表2 敏感性分析結果

2.2 模型驗證

DNDC模型需要輸入的參數包括氣候、土壤、農作物和農田管理等。本實驗通過將模型原有參數與2015年夏玉米生育期實測數據結合，對模型參數進行校正。由校正后的模型對2016年夏玉米的土壤水分、地上部生物量和產量進行模擬，并與實測結果進行比較，計算WP。最后通過模型評價指標對模型精度進行驗證。

2.2.1夏玉米土壤含水率模擬

植物吸收水分主要來源于土壤水，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，不再進行灌水。圖1、2為2015、2016年土壤含水率模擬值與實測值比較，分析結果表明：2015、2016年夏玉米模擬與實測的一致性指數分別為0.97、0.99，這些指標表明DNDC模型能較好地模擬夏玉米生育期內土壤表層(0～20 cm)土壤水含量的動態變化。

a) 含水率～播種后天數

b) 含水率模擬值～實測值圖1 2015年土壤含水率模擬值與實測值比較

a) 含水率～播種后天數

b) 含水率模擬值～實測值圖2 2016年土壤含水率模擬值與實測值比較

2.2.2夏玉米生物量模擬

在對夏玉米的生物量模擬過程中，由圖3、4可知隨著夏玉米生長，地上部生物累計過程為前期生長較快，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測值的決定系數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d分別為0.99、0.96，這些指標值較好，表明DNDC模型對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

b) 生物量模擬值～實測值圖3 2015年夏玉米生物量模擬值與實測值比較

a) 生物量～播種后天數

b) 生物量模擬值～實測值圖4 2016年夏玉米生物量模擬值與實測值比較

2.2.3夏玉米WP模擬與驗證

DNDC模型每次模擬后會形成1個年度總結報告，其中包括產量和植物生育期蒸騰量，每年的土壤蒸發量存在于DAY_FieldCrop文件中，對模型模擬產量和ET值進行統計，并與測量結果比較，由表3可知2015年夏玉米產量實測值和模擬值分別為10 692、10 360 kg，ET分別為320、336 mm。2016年夏玉米產量實測值和模擬值分別為11 320、10 830 kg，ET分別為310、319 mm。經計算可得：2015年夏玉米生育期期間WP實測值和模擬值分別為3.34、3.08 kg/m3，2016年夏玉米生育期期間WP實測值和模擬值分別為3.61、3.39 kg/m3，相對誤差在6.09%～7.78%之間。

表3 DNDC模型WP模擬值與實測值

3 討論

DNDC模型提供了玉米作物的典型生長特性及作物生長所需的參數。通過對模型夏玉米相關參數進行率定和驗證， DNDC模型很好地再現了夏玉米生育期的土壤含水率、地上部生物量的動態變化規律和產量，模型評價指標都在合理范圍內，與韓娟[6]的實驗結果相符。夏玉米生育期降水較為豐富，滿足夏玉米生長所需水分，模型可以充分感知到雨養環境對于夏玉米生長的影響。試驗未進行灌水處理，并不能代表水分較少情況下夏玉米生長變化。對于ET的模擬，夏玉米生育期的蒸騰量只存在于年度總結報告上，因此只能進行夏玉米整個生育期騰發量的對比，模型模擬ET與彭曼公式計算值相對誤差較小，模擬效果較好。對于WP，模型模擬效果與劉興冉[10]用AquaCrop對于夏玉米模擬值一致，表明DNDC模型可以應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行，將來須對模型進行改進，使之研究更為精確。

4 結論

本文通過模型的校正和驗證試驗構建了華北地區夏玉米的DNDC模型數據庫。利用國家節水灌溉北京工程技術研究中心大興試驗站2015年夏玉米生長數據對DNDC模型參數進行了率定，并應用于2016年夏玉米，具體結果如下。

a) 模型敏感性分析中，生長積溫和夏玉米需水量對產量和ET的影響較大。

b) DNDC模型經過率定和驗證后，可以較為準確地模擬華北地區夏玉米的土壤含水率和地上部生物量的變化。

c) 夏玉米生長期間，產量和ET模擬值與實測值相比較，相對誤差低于5%，模型模擬夏玉米WP分別為3.08、3.39 kg/m3，與實測相比，相對誤差低于8%,表明DNDC模型可以進行水分利用效率方面的模擬。