基于APSIM模型的半干旱地区小麦氮肥优化施用深度与用量研究

《Agricultural Water Management》：Modeling optimal nitrogen application rate and placement for maximizing wheat yield in a semi-arid environment using APSIM

本研究针对半干旱黄土高原地区小麦氮肥利用率低、产量不稳的问题，利用APSIM-Wheat模型模拟不同氮肥施用深度(NAD)和用量(NAA)对小麦产量和氮肥农学效率(AEN)的影响。研究发现20-23cm深度配合120-150kg ha-1用量可显著提高小麦产量16.5%和AEN31.7%，为半干旱区小麦氮肥精准管理提供了理论依据。

　　

在广袤的黄土高原上，小麦作为主要粮食作物养育着千千万万的人民。然而这片半干旱地区的农民们长期面临着一个棘手难题：尽管氮肥施用量高达150kg ha^-1，远超世界平均水平，但小麦产量却不足世界平均值的三分之二。更令人担忧的是，传统的浅层施肥方式（0-10cm）导致氮肥大量流失，不仅造成资源浪费，还带来环境污染。这种"高投入、低产出"的困境背后，究竟隐藏着怎样的科学问题？

原来，半干旱地区降水稀少且分布不均，浅层施肥使氮素在作物生长前期就通过氨挥发和硝化作用大量损失，而后期又面临营养不足的窘境。同时，坡耕地地形加剧了氮素随径流流失的风险。面对复杂的气候-土壤-作物互作系统，传统田间试验难以全面评估不同施肥策略的长期效果。为此，甘肃省农业科学院的科研团队引入农业系统模拟器(APSIM)这一强大工具，开展了一项创新性研究。

研究人员首先通过2012-2017年的田间试验数据对APSIM-Wheat模型进行校准和验证，确保模型能够准确模拟小麦物候期、生物量、产量以及土壤水氮动态。在此基础上，利用1990-2020年的气象数据，系统模拟了不同氮肥用量（0、60、120、150、180kg ha^-1）和施肥深度（10、20、30、40cm）组合下的小麦产量响应。研究还引入了产量变异系数(CV)和可持续产量指数(SYI)来评估生产系统的稳定性和可持续性。

关键技术方法包括：1）基于田间试验数据的APSIM模型校准与验证；2）利用31年气象数据的长时期模拟；3）氮肥农学效率(AE_N)计算；4）产量稳定性和可持续性评价指标（CV和SYI）分析；5）二元二次回归方程建立氮肥用量、深度与产量的定量关系。

研究结果方面，模型验证显示APSIM能够可靠模拟小麦生长（R²>0.9，NRMSE<20%）。在不同降水年型下，氮肥施用深度对产量影响显著：正常年和丰水年，适当增加深度可提高产量，而干旱年效果不显著。定量分析表明，丰水年最佳施肥深度为22.7cm，用量245kg ha^-1；正常年则为20.6cm和235kg ha^-1。值得注意的是，增加施肥深度对产量稳定性无显著影响，但能提高可持续性（SYI提高12.9%）。

综合考虑产量、生物量和氮肥效率，研究推荐20-23cm深度配合120-150kg ha^-1用量的优化方案，较农民传统实践可提高产量16.5%、生物量5.3%、氮肥农学效率31.7%。这一方案既考虑了生产效益，又兼顾了资源效率和环境可持续性。

讨论部分指出，适度深施能减少氨挥发和氮素损失，促进作物后期对深层水肥的利用，从而平衡营养生长与生殖生长。然而在干旱年份，水分仍是主要限制因子，深施肥效受限。研究还强调，APSIM模型虽然能很好模拟水氮动态，但对极端天气下作物生理响应的模拟仍需完善。

该研究的创新之处在于首次系统量化了半干旱地区氮肥施用深度与用量的协同效应，为智能施肥装备研发提供了理论支撑。研究成果对推动黄土高原农业绿色高质量发展具有重要意义，也为类似生态区作物养分管理提供了可借鉴的方法论。随着气候变化加剧，这种基于模型优化的精准施肥策略将愈发重要，为实现粮食安全与环境保护双赢开辟了新途径。