《土壤—植物系统n素循环模型研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《土壤—植物系统n素循环模型研究（8页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、上壤一植物系统N素循环模型研究 宇万太 ( 中科院沈阳生态试验站. 沈阳 110 0 1 5 1 摘耍本文简要介绍了英国洛桑试验站早地农田土壤N循环镇1 1 -S u n d ia l ,该棋型将 土墩N库划分为 1 3 个分室， 其中输入部分由3个分室组成， 输出部分由4 个分室组成， 转化部 分由5个分室组成( 其中植物N库中又含有一个表征其直接进入土城中的R O分室) 。 所谓土坡 N V i 环就是 N在这1 3 个分室中的迁移、 转化。该模型将N转化的每一个过程均用一种简化的 函数关系表达， 模型的可操作性较强， 模型的结果真实准确， 尤其是在处理与徽生物有关的矿化 一固持过程更是如
2、此。 模型的参数物理意义明确， 具有很好的易测性。 该模型是目前有关土坡 一植物系统V循环研究中较成功的模型之一 关 链词N 循 环柑 v针 JJ.刁尸1!-JdlJ.J，esJ，.，1.J.目月，月月，11 随着科学进步和研究手段改进， 土壤N素循环的研究已逐步从定性向定量化方向发 展， 这一转变的标志是土壤N循环模型在研究中的应用。 目前虽有大量的土壤 N模型提出， 但由于 研究者的专业背景和目 的不同， 模型无论在概念 上， 还是在 复杂程度上 都有很大的差 异， 其可行 性也众说不 一。 本文将 要介 绍的 是英国洛桑试验站旱地土 壤N循环模型 -S u n d i - a l ( S
3、 i m u l a t io n o f N it r o g e n D y n a m i c I n A r a b l e L a n d ) 。 该 模 型 主 要 描 述 的 是 土 坡 植 物 系 统中N的各 种流向 和转化过程。 就 模型的类型而言， 它属于应用模型， 是将土壤 植物 系统中 N循环的全部过程均考虑在内， 利用洛桑试验站著名的几组长期肥料试验资料， 结 合1 5 N标 记技术， 同时采用系统分析的方法， 经过主成分筛选， 将每一个N转化过程都用一 种非常简化的函数关系式来表达， 可操作性非常强， 这里将其模拟过程作简要介绍， 试图为 国内研究者提供些借鉴. 1
4、 S u n d ia l 棋型的结构 S u n d i a l 模型在结构上由1 3 个分室组成， 按 其功能可将其分成三个部分， 即 输入部分， 由3 个分室组成; 转化部分， 由5个分室组成; 输出部分， 由 4 个分室组成。详见图 1 , 转化部分的5个分室均包括输入、 输出两部分， 直接归还到土攘中的植物 N被认为进 入R O分室中， 这一部分主要包括根中含有的N, 根分泌物中的 N, 作物生长过程中脱落物 中的N从及秸壳和根茬中的N。 如果考虑秸杆还田， 其内部含有的N也进入到R O分室中。 模型的运行步长为周， 周未每一分室中N的含量是根据该周内该室N的输入和输出来决定 的。建
5、立模型需要的环境数据包括- 一 周平均温度、 周降雨量和燕发量。 另外根据洛桑站 B r o a d b a l k 1 5 0 年连作小麦试验观测得出， 在作物吸收的N中， 来自种子、 降水、 干沉降、 共生 或非共生固N几部分之和的 量是。 . 8 k g N “ h m - Z 周一 ， 尽管除施肥以 及上述几种N外， 还有其它的输入， 但在此均忽略不计， 施肥是根据农时来确定的并且可以是N认- -NM k g h m “ Z ) 或N H 厂- N( F , k g h r n - ) , 3 0 2 : = A l 2 祖拟过程中N转化顺序 在土壤植物系统中， N转化涉及到很多生物过
6、程， 并且这些转化过程在系统中是同 时存在的， 为了简化起见， 必须对这些生物过程规定一个先后顺序( s . e ) 对按态N而言， 固持作用硝化作用植物吸收; 对硝态N而言， 固持作周反硝化作用、 淋溶作用 植物吸收。 其中铁态N的固持作用要先于硝态 N发生， 硝化作用先于反硝化作用发生， 作物对按 态N和硝态 N的吸收无任何优先而言。另外通过对土壤剖面的分析表明， 作物很难将土体 中的N消 耗殆尽， 因 此在模拟过程中需要规定一个最低含量， 即低于此数值， 上述的任何过 程均不能发生.对按态 N和硝态N而言， 分别用NR m 和 N R m 4 来表示该数值。 。俞 入 爪 分 ” 卜 输
7、 出 IS;) 图 1 土壤一植物系统N循环棋型结构 3 模拟过程 3 . 1 研化作用 N H , + -N进入 土壤以两种方式: 通过土壤有机N的矿 化分解, M N ( k g h m z 周一 ) 。 通过按态无机肥料的施入， F A N ( k g h m “ z ) a N H , + 进入土壤之后， 由 于硝化作用形成N 0 3 -N， 一 周内 形成N O , 以下方程式表达: P二N, ( 1 -e - “) 式中 P为一周内形成的 N 0 3 - -N数量; m为温度 转换系数。 m=4 7 . 9 / C l +e l o s i a + 3 8 . 3 勺 式中 T为该
8、周的平均气温; S为土坡湿度转换系数 -N的数量可用 ( 1 ) ( 2) . 3 03 . .阅脚门口.口.口口月.甲.，甲 S二1 一( 卜一S o ) ( O , -L ; ) / ( 4) ; 一0) 式中 S o 是一 1 5 巴 时土壤湿度转换系 数; S ,。 一一1 5巴时矿化N累积量/ - - 0 . 3 巴时矿化 N累积量， 此处S o =o . 6 , , ; t 土层的含水量; 小 ， : 是 一1 巴时 土层的含水量; ,y ; A该士层的有效水含量; 如果 叭、 二 叭则 S =I ; q 为比 例常数， 此处4 二 。 . 6 ; N 、 为该周初始时该层次土壤
9、N H, 一N数最。 ( 3 ) 此方程是假设土壤有充足的硝化细菌来进行硝化作用， 这显然是不准确的。 尤其是施肥 初期更是如此， 此时硝化作用看成零。 3 . 2 有机质的分解 模3v 1+ 首先 模拟的 是有机碳在各 个子库中的分解 情况， 然后根据C ; N来计算分解出多少 N, 这种方法的缺点是由根系输入的 C量我们很难知道， 优点是可以很好地把土壤固持作用 和反硝化作用加以模拟 ， ” 。 ，.口.J.口门 用架 表示土壤有机质分解的模 型结构见图 果秸杆未移走) 中的碳， 2 ， 其中的 R O库包括残茬、 谷壳和秸杆( 如 数为r / 周， 而B I O - - C分解同样形成B
10、 I O , H U M和C O : ， 分解 速度常数则为h / 周， 经过三个 分室分解之后， 转化成 13 1 0为a , HU M 为R . C O , 部朴则h 1 一a 一Q 单位时间( 一周) 内RO室有机C分解量为 C= = C o ( 1 一e - 月 m ) 式中 ( 4 ) C 。为R O室有机C分解量 5为土壤湿度转换系数 r 为 R ( ) 室中有机质的分解速率 土坡结构也会影响土坡有机 C , 为随着枯粒的增加l c o 的周转， 并且这种影响主要表现在对 C O : 的影响， 因 : 的形成量减少。 ( 每 单位物料分解形成的C O , -C量)/( 每单位物料分
11、解形成的B I O -C 和 =( I 一， 一 户 ) / ( Q 十 0 ) 二 0 . 7 1 4 ( 1 . 8 5 - t 一 1 . 8 0 e 一 o . m 8 6 K ) 式中K是x ( a + P ) , 该周R O库分解之后 有净N降放; 如 果Z x ( a + p ) ， 该周R O库 分解 之后有固持作用发生， 首先是N H , - - N被固持， 其次是N O , - -N 。 如 果某 一星 期N H ; 十 一 N和N O , _ N都变成了。 ， 此时意味着R O分室停止分解, r =0 , 3 NO , - -N的淋客 溶解在土壤 溶液中的 硝态N可以随
12、水向底层渗 透， 而其它形式的N即N H , + -N和任 何形式的有机N均很 难发生 淋溶损失， 而 硝态N很难通过扩散作用向 低浓度区 域运动。 如 果土壤不是处在田间持水量， 其降雨( R W) 将从土坡表层向下层运动， 直到他们都达到田间 持水址。 当某一层土壤N O 。 一 N溶淋 发生时， 进入到下一层次N O , - N的数量可用 下式 求出: L=NV R/ Ru C ( 1 3 ) 式中 I是移到下层中硝态 N数址; N r, 是该层次中 N O -N数量; R是该层中多余的水量( m m) 即高于该层次饱和含水员以外的水量; R , c 是田间持水量时的水分含址( m m)
13、 , . 3 0 6 巧 在。 一5 0 , 5 0 -x 1 0 0 和1 0 。 一1 5 。 三个土层中， 每一层次中 均有很少部分N O :-N是不 能被淋溶的， 这个值用N R E S 、 表示， N R E S 、 与土壤类型有关。 对旱田土壤而言， N O , -N还可以通过土壤缝隙流和地表径流途径损失， 但这种损失 一般均发生在施肥三周之内 I - a w e s 等人发现如果施肥之后赶上大雨， 肥料中的 N很快移 到 B r o a d b a l k的排水沟中。 当肥料N从土表进入土壤结构中时， 通过缝隙流损失的N O， 一 N量将减少， 这种由 于缝隙流作用损失的N O
14、, - - N量可用下式 表达。 L a =a EF N ( R -R C R lr ) ( 1 4 ) 式中 L 。 为肥料中 的N O , -N经缝隙 流作用发生的淋 溶损 失量 。 为缝隙流系 数即 每m m多余降 水导致的缝隙流量 F N 为周降雨址 R m n 是一个临界值， 超过此即产生缝隙流 E 是一个与施肥有关的参数n s 7 施肥当周E - - 1 : 施肥第二周E-0 . 6 7 , 施肥第三周C- =0 . 3 3 ; 施肥第四周之后E=o e 表达式中的侧流系数 。 既与土壤的容重特性有关， 也与土壤的表面特性有关， 容重特性 主要表现在 土壤大孔隙占的比例， 土壤的表
15、而 特性主要表现在发 生地表径流的可能性。 3 . 7 反峭化作用 土层在一特定的时段内( 比如某一周) , NO , -N的反硝化数量与该土层 C O ， 的释放 盘成一定的比例关系， 与该土层中N O , - -N的含量也成一定的比例关系。 值得注意的是在讨论反硝化问题时， 下述几点应给予很好的关注c m 反硝化作用仅发生在0 -2 5 c m的土层中， 每年进入该层次的土壤有机质 s o %可以分 解。 对某一 特定 层次 而言， 当土壤 水分含量 达到 最大持 水量时， 反硝化作用 速率最大， 如 果该层 次未达到田 间持水 量， 则反硝 化速率降低， 其下 降速率为帅f - d Nr
16、 o 如果某层土壤的N 0 3 -N数量低于N R E S N ， 则无 反硝化作用。 对某一特定的土层( 比 如。 一5 c m ) ， 一周内通过反硝 化损失的N盘( D k g h m - ) 可用 下式计算。 D=0 ( w/ 5 ) N N ( ( 一哄) / f) ( 1 5 ) 式中 0 为反硝化系 数; w是该周内R O , B I O和H U M 各 室释放的C O ; 总量 3 . 8 按态N的挥发 施肥之后， 无论是化肥还是有机肥， 都可以发生N H , -N的损失， 同 时当作物枯萎 M落 时也可能发生NH , -N的挥发损失， 尤其在以下两种情况下N H , - N挥发损失更易发生口 QN H 厂N肥料施用在湿润的石灰性土壤上， 而且
