APEX模型在玉米残茬管理与覆盖作物模拟中的应用探索：机制解析与农业环境调控启示

推荐：本研究针对农业管理实践中覆盖作物(CCs)和玉米残茬对水-沉积物-养分调控的复杂机制，通过农业政策/环境扩展模型(APEX)的系统性模拟，揭示了CCs通过降低76-81%侵蚀风险、调节垂直养分分布的关键作用，同时发现残茬收获效率(HE)主导微生物介导的碳氮磷循环。研究为优化可持续农业实践提供了机理模型验证框架。

　　

在全球面临农业面源污染加剧和气候变化挑战的背景下，如何平衡粮食生产与生态环境保护的矛盾成为关键科学问题。加拿大研究团队在《Agricultural Systems》发表的研究，通过农业政策/环境扩展模型(Agricultural Policy/Environmental eXtender Model, APEX)的深度解析，揭示了覆盖作物(Cover Crops, CCs)与玉米残茬管理对水-土-养分系统的调控机制。

研究采用APEX1501版本(2023-09-22)构建单字段模型，模拟加拿大安大略省南部30年玉米-覆盖作物轮作系统。通过控制变量法设置24种管理情景（4种CCs类型×6种残茬收获效率HE梯度），结合固定与动态气象数据，监测数百个涉及植物生长、水分平衡、侵蚀及养分循环的变量。关键技术包括：基于NRCS曲线数法的径流模拟、Penman-Monteith潜在蒸散发计算、Phoenix碳氮矿化模型及Armen-Kemanian反硝化算法。

植物生长与残茬动态
模型成功复现安大略地区玉米生物量(16-22 t/ha)，但需调整CCs热单位参数。LEAP年效应揭示日历差异可导致生物量波动，而CCs使玉米生物量平均提升0.4 t/ha。根部分布显示，残茬管理显著影响0.35m以下土层碳沉积，HE≤20%时表层残茬量增加47%。

水文与侵蚀调控
CCs使年径流减少12-18mm，但HE增加会抵消该效应。MUSLE模型显示CCs降低76-81%侵蚀风险，而耕作操作可使春季可蚀性提高3倍。值得注意的是，残茬通过降低土壤温度减少蒸发，但该机制未在模型方程中明确体现。

养分垂直分异
氮磷动态呈现显著层化特征：HE主导0-35cm土层活性磷库变化(+22%)，而CCs影响深层(>58cm)稳定磷形态。CCs使侵蚀相关磷损失减少31%，但微生物介导的矿化速率主要受HE调控，最大日矿化率在HE=80%时降低19%。

讨论与启示
研究揭示了APEX在单作物模拟中的可靠性，但也暴露了多物种互作、微量物质平衡等机制缺陷。特别发现：1) 覆盖作物与残茬具有时序互补性——CCs提供春季侵蚀保护，残茬维持秋冬碳汇；2) 垂直养分分布模拟表明1.27m以下土层可能成为"养分陷阱"；3) BMP效率评估需考虑缓冲效应而非简单削减率，模型显示34%的CCs情景会出现日尺度负效率（即流量增加），这实际反映了洪峰延迟的生态功能。

该研究为农业管理决策提供了三重价值：首先证实机理模型可解析CCs/残茬的差异化作用路径；其次提出深层碳氮埋藏是气候智能农业的新研究方向；最后为流域模型开发了更精确的BMP参数化方法。未来需重点优化根际过程、多物种竞争及微量物质追踪等模块，以充分发挥APEX在可持续农业设计中的潜力。