## 基于WHCNS模型的东北半干旱黑土农田水氮利用效率与环境效益定量分析

《Plants》：WHCNS Model-Based Quantitative Analysis of Water and Nitrogen Use Efficiencies and Environmental Benefits in Chernozem Farmland

　　

中国东北半干旱黑土农田面临水资源短缺与过量氮（N）肥施用的双重挑战，然而在气候变异性条件下对水–氮利用效率耦合关系及环境权衡的定量认识仍十分有限。本研究以2022—2023年齐齐哈尔田间实测数据对WHCNS（水–热–碳–氮模拟器，Water, Heat, Carbon and Nitrogen Simulator）模型进行校准与验证，量化了涵盖常规施肥、秸秆覆盖和有机肥替代的5种管理措施下的作物产量、水分利用效率（WUE）、系统级氮转化效率（SLNCE）及氮损失。利用2001—2023年降水量情景评估了长期气候适应性。秸秆覆盖使蒸散量降低12.2%，WUE提高至2.09 kg·m^?3。化肥与有机肥配施（T223）获得最高产量（9745.9 kg·ha^?1）和WUE（2.14 kg·m^?3），而化学氮肥减量30%配施秸秆还田（T323）降低了产量和SLNCE，表明氮供应不足。有机替代实现最高SLNCE（35.9 kg·kg^?1），比仅秸秆处理高29.1%。1 m以下硝态氮淋溶可忽略不计，而气态氮损失是主要损失途径并随降雨量增加而增加。SLNCE对降水呈非线性响应，在420–451 mm处达到峰值；极端干旱年份通过氮限制制约产量，而湿润年份增加气态氮损失但维持相对较高的产量。上述结果表明，有机替代可同时提高WUE和SLNCE，为半干旱黑土可持续水氮管理提供了气候适应性策略。

**研究背景与问题提出**

全球气候变化加剧了极端天气事件的发生频率，给农业生产带来严峻挑战。基于CMIP6的最新预估表明，在各SSP情景下中国将持续增温，降水变化呈现空间异质性。东北黑土区贡献了全国约四分之一的商品粮供给，但在全球变暖与区域气候变率的叠加作用下，干旱与热浪不断加剧，其中松嫩平原春玉米频繁遭受干旱威胁。在水资源受限条件下，为维持高产而投入的集约化氮素会增加硝态氮淋溶并削弱玉米生产的环境效益。过程模型为定量研究上述问题提供了可靠框架，自20世纪60年代以来农业系统模拟已从经验方法发展为过程机理与模块化作物系统模型（如APSIM、DSSAT）。WHCNS模型整合了RZWQM、HYDRUS-1D和DAISY的模块，可模拟土壤水、热、碳、氮过程及其与作物生长的耦合，已在东北黑土区初步验证。然而，目前区域模拟研究多集中于华北平原冬小麦–夏玉米轮作和南方稻作区，对东北半干旱黑土农田水氮耦合的系统模拟相对有限；以往研究主要考察水肥管理的优化组合，对半干旱区水氮利用效率之间协同性及其环境效益的定量仍不充分。因此，研究人员选取黑龙江省齐齐哈尔地区典型黑土春玉米农田，利用田间定位试验数据校准验证WHCNS模型适用性，建立多层次水氮管理情景，量化其对玉米产量、水氮利用效率及环境氮损失的影响，并提出两个假设：（1）化肥减量配施有机肥通过养分缓释改善氮供需的时空匹配，从而提高氮利用效率；（2）秸秆覆盖还田通过降低土壤表面蒸发减少蒸散，从而提高水分利用效率。

**关键技术方法**

研究采用WHCNS过程模型，基于2022—2023年齐齐哈尔（47°22′ N、123°55′ E）典型黑土春玉米田间定位试验数据进行参数校准与独立验证，2022年数据用于校准、2023年数据用于验证；采用单因素扰动法（±10%）进行参数敏感性分析以确定校准优先次序，并用归一化均方根误差（nRMSE）、一致性指数（d）和Nash–Sutcliffe效率系数（NSE）评价模拟精度；以2001—2023年降水情景开展长期气候适应性与年际变异情景模拟。试验地为黑龙江齐齐哈尔，供试品种为嫩单19。

**研究结果**

2.1 WHCNS模型参数校准：以CF22处理数据开展敏感性分析，校准后土壤含水量nRMSE为5.77–10.26%、NSE为0.16–0.94，硝态氮（0–60 cm）nRMSE为11.52–20.32%、NSE为0.41–0.92，地上部干物质量nRMSE为13.63–20.69%，表明模型在研究区具有良好适用性，可有效模拟秸秆还田及化肥减量配施秸秆还田下的玉米生长与土壤水氮动态。

2.2 基于WHCNS的秸秆还田下玉米农田水氮平衡模拟：2023年生长季降水579.5 mm，因春旱需90 mm补充灌溉。与全量化肥CK23（蒸散513.9 mm）相比，T123、T223、T323、T423蒸散分别降至451.3、454.8、459.8、460.8 mm，降幅为12.18%、11.50%、10.53%、10.33%。T223产量较T323高24.09%、较T423高7.79%，WUE顺序为T223 > T123 > T423 > CK23 > T323，T223的WUE较CK23高15.05%。氮输出中作物吸氮占61.5–80.1%，T123吸氮最高（260.5 kg N·ha^?1），T323最低（173.9 kg N·ha^?1）；氨挥发以T323最高（75.4 kg N·ha^?1）、T423最低（35.3 kg N·ha^?1）；反硝化以T123最高（41.1 kg N·ha^?1），显著高于其他处理（14.8–16.6 kg N·ha^?1）；1 m以下氮淋溶模拟为零。T423的SLNCE最高，较CK23高5.6%；施氮195 kg·ha^?1时T223的SLNCE较CK23和T123分别高1.5%和3.7%；施氮136.5 kg·ha^?1时T423较T323高29.1%。在不同降水年型情景下，T323氮输出顺序为作物吸氮 > 氨挥发 > 反硝化 > 淋溶，作物吸氮占总氮输出54.20–77.52%，淋溶损失均为零；随年降水量由206.7 mm增至579.5 mm，反硝化由0.2–1.1 kg·ha^?1增至33.6–43.8 kg·ha^?1，氨挥发由34.4–46.0 kg·ha^?1增至75.4–86.4 kg·ha^?1，气态氮损失随降水增加显著上升；相同降水下T323气态氮损失低于T122，表明化肥减量可有效降低气态氮损失，且T323在维持较高SLNCE的同时显著减少气态氮损失。

**讨论部分总结与结论翻译**

讨论首先指出模型参数敏感性受研究区气候、土壤和田间管理条件强烈影响，在其他地区应用WHCNS前需进行本地化校准。秸秆还田与化肥减量均使蒸散降低10–12%，但调控途径不同：前者通过拦截太阳辐射、平抑地温波动、降低近地表风速破坏土壤–大气界面水力连续性以抑制蒸发，并在分解中形成腐殖质改善团聚体结构与持水能力；后者主要通过优化冠层结构减少冗余蒸腾，CK23蒸散最高但产量并非最高，说明无效蒸腾占比较高，而T423与T223分别通过减量与有机无机配施平衡营养生长与生殖生长、优化源库关系。水氮耦合方面，T223高产高WUE源于三方面机制：避免根区无机氮浓度过高而降低渗透胁迫、有机肥缓释改善氮供需同步性、秸秆覆盖改善根区墒情促进养分质流，WUE较CK23高15.05%；T323产量与WUE最低系仅靠秸秆还田而无机肥氮供应不足与释放延迟所致。氮动态方面，模拟1 m以下淋溶为零，作者明确指出WHCNS主要模拟基质流而未显式表征黏质黑土干湿交替下收缩裂隙的优先流，因此该结果可能部分源于模型简化；气态氮损失为主导途径，占氮输出19.9–38.5%，氨挥发单项占12.2–26.7%，T323氨挥发最高与较高pH及早春秸秆分解期氮释放与需求不同步有关，T423最低则与微生物固持铵态氮降低底物供应有关；黑土较高阳离子交换量与有机质有利于铵固持，但偏碱pH使NH₄⁺ ? NH₃平衡向氨偏移。氮效率提升方面，T423通过70%化肥快速供苗期、有机肥矿化补中后期实现互补，作物吸氮201.8 kg N·ha^?1低于T123的260.5 kg N·ha^?1但SLNCE更高；T223的WUE最高而SLNCE（34.5 kg·kg^?1）略低于T423（35.9 kg·kg^?1），显示水氮协同优化存在阈值效应。年际变异方面，2023年SLNCE对年降水量的二次回归呈显著单峰响应（SLNCE = ?0.000185 P² + 0.1913 P ? 23.12，R² = 0.868，p = 0.017），拟合曲线峰值约518 mm，SLNCE在约420–451 mm前上升、湿润年下降，表明单一静态施肥方案难以适应气候变率，水氮管理应向基于实时土壤水分与氮素监测的精准调控智能决策转变。结论翻译如下：秸秆覆盖还田降低了蒸散并提高WUE，支持假设2；仅秸秆覆盖的蒸散降幅最大，而化肥减量配施有机肥维持了较高产量和WUE。化肥减量配施有机肥还通过改善氮供需同步性提高系统级氮转化效率，支持假设1。1 m以下硝态氮淋溶可忽略，气态氮损失主导环境氮输出，其随降水增加而增加，且对降水季节分配的敏感性高于对总降水量的敏感性。WUE与系统级氮转化效率的协同优化呈阈值效应，未来动态水氮管理策略应整合多目标函数与气候年型识别以应对气候变化下农业生产的不确定性。总体而言，两个假设均得到支持；有机替代改善了氮供需同步性和氮转化效率，秸秆还田降低蒸散并提高WUE，但单靠秸秆而无补充氮无法维持产量或氮效率。研究同时指出三方面局限：WHCNS主要模拟基质流而未表征黏质黑土收缩裂隙优先流；模拟仅包含水氮平衡项而未考虑磷、钾；大规模采用有机肥的经济可行性未予量化，未来应结合多目标优化、实时土壤水分与氮素监测及跨降水年型的综合经济评估。