孫增慧 韓霽昌 毛忠安 王歡元 胡 雅
(1.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)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)
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(nóng)業(yè)活動和過度放牧導(dǎo)致毛烏素地區(qū)草地嚴(yán)重退化、土地沙化及生產(chǎn)力低下等問題頻發(fā)。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(jié)構(gòu)松散,是由古生代二疊紀(jì)、中生代三疊紀(jì)、侏羅紀(jì)和白堊紀(jì)的厚層砂巖、砂頁巖和泥質(zhì)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(jié)程度及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度差,易受侵蝕和發(fā)生水土流失,被稱為“環(huán)境癌癥”[2-5]。探索和開發(fā)適用于毛烏素沙地砒砂巖和沙土地的整理模式,是該地區(qū)社會和環(huán)境發(fā)展的迫切需求。
很多學(xué)者研究表明,砒砂巖與沙復(fù)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?yōu)橘Y源。風(fēng)沙土通體無結(jié)構(gòu),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(nóng)業(yè)生產(chǎn)[10]。然而,目前關(guān)于砒砂巖與沙混合成土的研究多集中在復(fù)配土的物理性狀,對作物產(chǎn)量的影響研究較少。此外,大田作物產(chǎn)量研究試驗周期長、難度大,系統(tǒng)研究長期條件下砒砂巖改良風(fēng)沙土對作物產(chǎn)量的影響耗費人力物力,不利于研究的進(jìn)一步開展,而模型模擬則提供了一種新方法。
農(nóng)業(yè)系統(tǒng)模型整合了土壤-作物-大氣連續(xù)系統(tǒng)中的土壤水分運移、養(yǎng)分循環(huán)、熱量傳遞等復(fù)雜機(jī)理過程,是評價和擴(kuò)展試驗結(jié)果的重要手段[11]。美國農(nóng)業(yè)部開發(fā)的RZWQM2(Root zone water quality model 2)模型,整合了作物根區(qū)所有影響作物生長的物理、化學(xué)和生物過程[12-16]。在模擬農(nóng)田水分、養(yǎng)分循環(huán)和作物生長發(fā)育方面具有明顯的優(yōu)勢,已成為評價農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境的重要工具[17-19]。通過對模型參數(shù)的率定,模型能夠較準(zhǔn)確預(yù)測不同土壤、氣候以及施肥灌溉處理下作物產(chǎn)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(qū)已經(jīng)進(jìn)行了一些應(yīng)用嘗試,如WANG等[23]利用RZWQM2模型優(yōu)化污水灌溉條件下冬小麥-夏玉米的施肥措施;文獻(xiàn)[24-26]模擬了不同灌溉制度下作物產(chǎn)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(zhuǎn)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(qū)不同土壤質(zhì)地類型以及灌溉制度對作物產(chǎn)量的影響。已有的研究多側(cè)重于灌溉和施肥量的利用效率,應(yīng)用模型評估風(fēng)沙土改良模式對作物產(chǎn)量影響的研究還鮮有報道。因此,本文利用2年田間試驗數(shù)據(jù)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(fēng)沙土對作物產(chǎn)量的影響,分析砒砂巖與沙不同配比后土壤水分的動態(tài)變化和作物產(chǎn)量的變化特征,探索砒砂巖改良風(fēng)沙土不同配比對作物產(chǎn)量影響的規(guī)律,提出增產(chǎn)效果較優(yōu)的砒砂巖改良風(fēng)沙土的復(fù)配模式,以期為毛烏素沙地砒砂巖改良風(fēng)沙土提供科學(xué)依據(jù)。
試驗田位于陜西省榆林市榆陽區(qū)小紀(jì)汗鄉(xiāng)(109°29′28″E,38°28′23″N,海拔1 210 m)。該地區(qū)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(fēng)氣候。試驗所用的砒砂巖與風(fēng)沙土均取自當(dāng)?shù)兀┰囃寥览砘誀钜姳?。
圖1 試驗區(qū)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(jìn)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(qū)0~30 cm的土壤全部替換為按比例充分混合的復(fù)配土壤。每個試驗小區(qū)面積為50 m2(5 m×10 m),設(shè)3個重復(fù),采用完全隨機(jī)區(qū)組排列。小區(qū)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(jìn)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(qū)均采用當(dāng)?shù)剞r(nóng)民傳統(tǒng)的水肥管理措施。
表1 試驗區(qū)風(fēng)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
1.2.1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(qū)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(chǎn)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(chǎn)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(shù)為單位土地面積上植物葉片總面積占土地面積的倍數(shù),即葉面積指數(shù)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(qū)選取1 m2內(nèi)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(zhì)量,測定生物量。產(chǎn)量測定是在玉米成熟期,每個小區(qū)取20 m2樣方,全部收獲測定其產(chǎn)量。最后產(chǎn)量換算為含水率為14%的標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)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(shù)
1.3.1模型概述
RZWQM2模型是由美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)系統(tǒng)研究所開發(fā)的一個農(nóng)業(yè)綜合性模型。它包括的生物、物理、化學(xué)過程可以用來預(yù)測水力及化學(xué)響應(yīng)并評價農(nóng)業(yè)管理對作物產(chǎn)量及土壤水質(zhì)的影響。模型由6個子模塊組成,包括物理運移模塊、化學(xué)反應(yīng)模塊、養(yǎng)分循環(huán)模塊、殺蟲劑反應(yīng)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(jìn)行模擬:①以日為時間步長,計算養(yǎng)分、有機(jī)肥以及灌溉和耕作方式對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的影響,同時計算土壤蒸發(fā)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(xué)物質(zhì)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?yún)?shù)
RZWQM2模型需要輸入農(nóng)田管理、氣象數(shù)據(jù)、作物相關(guān)參數(shù)及土壤數(shù)據(jù)。農(nóng)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(shù)據(jù)從榆林氣象站獲取,包括最高氣溫、最低氣溫、風(fēng)速、相對濕度、日照時數(shù)和降水?dāng)?shù)據(jù)。作物參數(shù)首先采用模型中與實驗區(qū)玉米最相近的作物品種參數(shù)缺省值,其他參數(shù)采用模型默認(rèn)值。土壤質(zhì)地、飽和導(dǎo)水率、水分特征曲線為實測數(shù)據(jù)。
模型校正過程中首先對模型的土壤水分模塊進(jìn)行校正,然后校正作物參數(shù)模塊。利用2012年的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行模型參數(shù)校正,用2013年的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行模型參數(shù)驗證。首先將實測的土壤飽和導(dǎo)水率、田間持水量、萎蔫點以及土壤水分特征曲線等水力學(xué)參數(shù)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(diào)整土壤剖面水力參數(shù)的取值,從而保證模型校正結(jié)果在允許的誤差范圍內(nèi)(表2)。
表2 砒砂巖與沙不同比例混合后土壤性狀及水力學(xué)參數(shù)Tab.2 Primary physical properties of three compound soils in study site
作物品種參數(shù)采用RZWQM2自帶的PEST參數(shù)調(diào)試程序調(diào)試玉米參數(shù)P1、P2、P5、G2、G3和PHINT(表3),優(yōu)化玉米生育期、作物產(chǎn)量和生物量的模擬結(jié)果。在模型驗證過程中利用3個評價指標(biāo)來評價模型的模擬結(jié)果:模擬和實測結(jié)果的均方根誤差(RMSE)、決定系數(shù)(R2)和模型有效系數(shù)(ME),當(dāng)ME值為1時模型模擬效果最優(yōu)。相關(guān)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(shù)
表3 玉米作物品種遺傳參數(shù)Tab.3 Genetic parameters of corn
以2012年的試驗實測數(shù)據(jù)作為初始條件,應(yīng)用1990—2013年逐日氣象數(shù)據(jù)模擬24 a砒砂巖改良風(fēng)沙土不同復(fù)配比例的作物生長情況和耗水規(guī)律。模擬試驗中不考慮養(yǎng)分對玉米的脅迫,假設(shè)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(shè)定雨養(yǎng)(無灌溉)和充分灌溉2種方式,分析砒砂巖改良風(fēng)沙土不同復(fù)配比例處理下的玉米產(chǎn)量潛力規(guī)律和增產(chǎn)潛力。
對2012年試驗數(shù)據(jù)進(jìn)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(shù)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(jié)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(fēng)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(shù)進(jìn)行校正,結(jié)果表明,T1、T2和T3處理作物產(chǎn)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(shù)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(fēng)沙土不同配比下葉面積指數(shù)、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
利用2013年的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)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(shù)ME分別介于0.538~0.985、0.408~0.735和0.381~0.989之間(表4)??傮w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(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(jié)果一致,同樣的結(jié)果在丁晉利等[21]和孫懷衛(wèi)等[29]的研究結(jié)果中出現(xiàn)。T1、T2和T3處理土壤貯水量模擬結(jié)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(chǎn)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(shù)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(chǎn)量模擬結(jié)果的RMSE在550~670 kg/hm2之間,生物量模擬結(jié)果的RMSE在1 370~1 880 kg/hm2之間,與本研究的結(jié)果相似。表明本研究模擬砒砂巖改良風(fēng)沙土處理下土壤含水量、作物生長狀況和產(chǎn)量的模擬效果均較優(yōu)。
模擬結(jié)果表明,雨養(yǎng)條件下,T2處理24 a的平均產(chǎn)量顯著高于(P<0.01)T1和T3處理(圖4),T1與T3之間的產(chǎn)量差異不顯著(P>0.05)。T1處理24 a的平均產(chǎn)量為2 551 kg/hm2,變化范圍為650~5 561 kg/hm2,變異系數(shù)(CV)為52.4%;T2處理24 a的平均產(chǎn)量為3 527 kg/hm2,變化范圍為880~7 206 kg/hm2,變異系數(shù)為52.0%;T3處理24 a的平均產(chǎn)量為2 924 kg/hm2,變化范圍747~6 517 kg/hm2,變異系數(shù)為54.0%。試驗區(qū)玉米生育期內(nèi)(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(shù)為29.0%,屬半干旱氣候。該地區(qū)雨養(yǎng)條件下,作物產(chǎn)量主要受降水的影響,降水相對豐富的年份,作物產(chǎn)量相對較高[31],這與本研究模擬的結(jié)果一致。
圖4 1990—2013年砒砂巖改良風(fēng)沙土不同配比下玉米模擬產(chǎn)量Fig.4 Simulated potential yield of corn in three compound soils from 1990 to 2013
在充分灌溉條件下,T1、T2和T3處理之間模擬產(chǎn)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(fēng)沙土措施中,玉米產(chǎn)量不受砒砂巖與沙復(fù)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(chǎn)量不受土壤質(zhì)地類型的影響。模擬的1990—2013年間玉米平均產(chǎn)量8 623 kg/hm2,變化范圍7 076~10 546 kg/hm2,變異系數(shù)為9.99%,表明該地區(qū)的光溫條件較適宜玉米生長。T1處理產(chǎn)量差(充分灌溉產(chǎn)量與雨養(yǎng)產(chǎn)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(shù)為21.9%;T2處理產(chǎn)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(shù)為36.1%;T3處理產(chǎn)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(shù)為27.7%。T1、T2和T3處理的雨養(yǎng)產(chǎn)量分別只達(dá)到充分灌溉條件下產(chǎn)量的30%、41%和34%。SUN等[27]在降雨較豐富的東北風(fēng)沙土區(qū)模擬得到雨養(yǎng)產(chǎn)量達(dá)到充分灌溉條件下產(chǎn)量的67%。本研究中T1、T2和T3處理的產(chǎn)量差均較大,這是由于該地區(qū)降雨較少。但相比于T1和T3處理,T2的產(chǎn)量差最小,這說明T2處理相對于其他處理,有較好的增產(chǎn)效果。
砒砂巖改良風(fēng)沙土中,砒砂巖含量不同導(dǎo)致土壤容重、水力學(xué)參數(shù)有所差異,從而影響農(nóng)田降水入滲和土壤水分蒸發(fā)條件,致使不同砒砂巖改良風(fēng)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(fēng)沙土的質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)、飽和導(dǎo)水率等特性均有明顯的改善[8]。隨著砒砂巖比例的繼續(xù)增大,改良的風(fēng)沙土飽和導(dǎo)水率迅速降低,在砒砂巖風(fēng)沙土混合比例為(1∶5)~(1∶2)范圍時,飽和導(dǎo)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(dǎo)致土壤排水孔隙受阻,導(dǎo)致土壤的導(dǎo)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(fēng)沙土處理的土壤水分狀況,結(jié)果顯現(xiàn)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(jié)期,VT-R6表示抽穗期至成熟期)。這可能是T2處理玉米產(chǎn)量優(yōu)于其他2個處理的原因之一。薛江[34]研究發(fā)現(xiàn),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(qiáng),但會導(dǎo)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(jié)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(xù)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(chǎn)量。這與WANG等[35]和馬文梅[36]的研究結(jié)果一致。
圖5 1990—2013年砒砂巖改良風(fēng)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(xiàn)了砒砂巖改良風(fēng)沙土作物產(chǎn)量和土壤水分的多年動態(tài)變化,較好地模擬了不同砒砂巖改良風(fēng)沙土措施的蓄水保墑效果,但由于未對氮素模塊進(jìn)行校驗,對于RZWQM2模型的養(yǎng)分模塊計算缺乏數(shù)據(jù)來反演參數(shù),因此參數(shù)可能有待調(diào)整。另外,RZWQM2模型本身未考慮砒砂巖與風(fēng)沙土之間可能發(fā)生的理化反應(yīng),因此,也有待進(jìn)一步修正。建議的砒砂巖與沙復(fù)配比例可以達(dá)到增產(chǎn)的目的,但受試驗處理數(shù)量的影響,無法確定該復(fù)配模式是否達(dá)到了最優(yōu),在后續(xù)的研究中需要增加水平梯度,使結(jié)果盡可能地接近最優(yōu)。另外,建議在該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)充灌溉,使砒砂巖改良風(fēng)沙土復(fù)配增產(chǎn)的效果更加顯著。
(1)RZWQM2模型能夠較好地模擬砒砂巖改良風(fēng)沙土措施下土壤水分長期動態(tài)變化和作物的生長狀況,可作為評價砒砂巖改良風(fēng)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(jié)果與觀測值的的RMSE分別為6.4、5.2、8.3 mm;產(chǎn)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(fēng)沙土措施的多年的玉米產(chǎn)量模擬結(jié)果表明,T2處理24 a的平均產(chǎn)量比T1處理高976 kg/hm2,比T3處理高603 kg/hm2。多年模擬結(jié)果表明,T2處理在砒砂巖改良風(fēng)沙土措施中玉米增產(chǎn)效果較優(yōu)。