《Agronomy》：Modified Water Retention Model for Attapulgite-Amended Soils and Its Application to Maize Yield Prediction on the Chinese Loess Plateau
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摘要
水分保持有效性仍然是中国黄土高原植被恢复和农业生产力面临的主要制约因素。凹凸棒石（ATP）作为一种土壤改良剂，在改善土壤保水性和作物生长方面具有相当大的潜力，但其效果可能取决于土壤质地和气候水分可利用性。本研究评估了五种ATP施用量（0%、1%、2%
摘要
水分保持有效性仍然是中国黄土高原植被恢复和农业生产力面临的主要制约因素。凹凸棒石（ATP）作为一种土壤改良剂，在改善土壤保水性和作物生长方面具有相当大的潜力，但其效果可能取决于土壤质地和气候水分可利用性。本研究评估了五种ATP施用量（0%、1%、2%、3%和4%，质量比）对三种代表性土壤（黏壤土、壤土和砂质壤土）的水力性质和玉米（Zea mays L.）籽粒产量的影响。通过测定土壤水分特征曲线和开展田间玉米试验，量化了ATP添加对水文和农艺响应的影响。进一步对经典van Genuchten（VG）模型进行修正，引入依赖于ATP施用量的参数关系，以更好地表征ATP改良土壤的保水行为。修正模型在描述土壤含水量与基质吸力关系方面始终比原始VG模型更为精确。将所获得的土壤水力参数纳入DSSAT作物系统模型，该模型利用2019年和2020年杨凌的田间观测数据进行校准和评估。随后，利用校准后的模型模拟了2011—2020年三个代表性站点（杨凌（黏壤土）、长武（壤土）和延安（砂质壤土））ATP施用对玉米产量的响应。模拟产量响应随土壤质地和年际气候条件变化显著。在黏壤土中，玉米产量通常随ATP施用量增加而降低，但在相对干旱年份出现正向响应。在砂质壤土中，ATP施用在大多数年份普遍增加玉米产量，而壤土的产量响应表现出较强的年际变异性。这些对比鲜明的响应表明，ATP的农艺有效性取决于土壤保水增强与当地气候水分可利用性之间的平衡。总体而言，所建立的土壤水力—作物耦合建模框架为制定特定地点的ATP管理策略提供了机理性基础，并强调了在水资源有限的农业生态系统中，使土壤改良剂与土壤质地和气候条件相匹配的重要性。
凹凸棒石改良土壤的水分保持建模与作物产量响应：基于修正van Genuchten模型与DSSAT耦合的研究解读
**研究背景与科学问题**
中国黄土高原是世界上水土流失和生态退化最为严重的地区之一，同时广泛分布着雨养旱作农业。该区域土壤以粉粒含量高、结构松散为特征，加之年降水量有限且季节分配极不均衡，导致土壤保水能力低下、蒸发损失严重。水资源可利用性不足因此成为制约该区域植被恢复和农业生产力的首要限制因素。在有限供水条件下提高土壤水分利用效率、维持并提升作物产量，是黄土高原可持续旱作农业面临的长期而紧迫的科学挑战。
添加土壤改良剂是提高土壤水分利用效率和作物产量的重要途径之一。凹凸棒石（Attapulgite, ATP）是一种常见的黏土矿物，因其独特的胶体特性和晶体结构，能够改善土壤的物理化学性质。然而，现有研究大多将ATP添加对土壤水力性质的影响与其对作物生长的影响分别进行研究，缺乏系统性的整合分析。此外，传统van Genuchten（VG）模型主要适用于未改良土壤或孔隙结构相对稳定的土壤。ATP作为一种强吸水性的胶体黏土矿物，其添加会显著改变土壤孔隙大小分布、比表面积和颗粒表面物理化学性质，可能导致改良土壤的水分特征曲线偏离传统VG模型的描述能力。因此，需要发展能够准确表征ATP改良土壤保水特性的修正模型。
同时，大多数关于土壤改良剂的研究基于单一土壤类型和数年田间试验，其结论的有效性有待进一步验证。将土壤水力特性与作物生长响应耦合，对于推动农业水分管理从定性评估走向定量预测至关重要。DSSAT作物模型作为一种广泛应用的基于过程的作物建模框架，能够整合气候、土壤、作物基因型和管理措施对作物生长和产量形成的影响。然而，将ATP引起的土壤水力参数变化纳入DSSAT模型以预测作物产量响应，迄今仍鲜有探索。黄土高原土壤质地的显著空间变异性与降水量的强烈年际波动相互作用，使得ATP施用对玉米产量的长期效应及其对土壤类型和气候变率的依赖性仍缺乏定量认识。
**研究内容与总体思路**
该研究发表于《Agronomy》期刊。研究人员选取黄土高原三种典型质地土壤，即杨凌黏壤土、长武壤土和延安砂质壤土，设置五种ATP施用量（0%、1%、2%、3%和4%，质量比），开展室内土壤水分特征曲线测定和田间玉米试验。基于实测数据构建并验证了修正的van Genuchten保水模型，将模型导出的水力参数耦合至DSSAT-CERES-Maize模型中，利用杨凌2019—2020年实测产量数据进行校准和评估，进而对2011—2020年三个站点不同气候情景下的玉米产量进行模拟，以评价ATP施用对玉米产量的影响并确定适宜施用量。相比以往研究，该工作在理论上通过引入反映ATP添加效应的参数修正了经典VG模型，在实践上将修正模型与DSSAT模型耦合进行产量模拟，并开展了跨站点十年情景模拟，为干旱半干旱地区土壤改良剂优化施用提供了科学依据。
**主要关键技术方法**
该研究采用的主要技术方法包括：利用高速离心机测定不同基质吸力下的土壤水分特征曲线；采用遗传算法对修正VG模型的非线性参数进行全局优化估计；利用DSSAT-CERES-Maize模型进行玉米生长与产量模拟，其中品种遗传参数采用模型内置的广义似然不确定性估计（Generalized Likelihood Uncertainty Estimation, GLUE）程序进行校准；模型精度评估采用纳什-苏特克利夫效率系数（Nash-Sutcliffe efficiency, NSE）、残差质量系数（coefficient of residual mass, CRM）、平均绝对百分比误差（mean absolute percentage error, MAPE）、决定系数（R2）和均方根误差（root mean square error, RMSE）等统计指标。田间试验数据来源于杨凌西北农林科技大学灌溉试验站2019—2020年夏玉米试验，供试品种为郑单958。长武和延安站点的气象数据分别来自陕西长武农田生态系统国家野外科学观测研究站和陕西黄土高原地球关键带国家观测研究站。
**研究结果**
**修正水分特征曲线模型的参数化与精度评估**
研究人员比较了三种土壤在不同ATP施用量下的土壤水分特征曲线（SWCCs）。在给定基质吸力下，黏壤土的持水量普遍高于其他两种土壤，而砂质壤土的含水量相对较低。将实测吸力范围划分为低吸力（<100 cm）、中吸力（100—3000 cm）和高吸力（>3000 cm）三个区间进行对比分析发现，含水量变化在低吸力区间最为显著，中吸力区间变化趋于平缓规律。通过遗传算法优化修正模型的参数，并采用统计误差指标评价模拟值与实测值的吻合程度。与原始VG模型相比，修正模型的NSE值更接近1，CRM和MAPE值更接近0，表明修正模型在不同ATP处理下对土壤水分特征曲线的描述更为精确。所有处理的R2值接近1，RMSE值低于0.1，进一步验证了模拟与实测土壤含水量之间的一致性。
**作物遗传参数确定**
研究人员利用DSSAT模型的GLUE参数估计工具对玉米品种遗传参数进行校准。其中，郑单958的遗传系数参考已有研究初始化后利用杨凌田间数据进行校准；长武地区‘先玉335’和延安地区‘沈单10’的遗传参数取自黄土高原同区域的已发表研究结果。GLUE框架作为一种基于似然度不确定性分析的全局参数搜索方法，从预设先验分布中随机采样参数组合并重复运行模型，通过似然度量评估模拟与观测数据的吻合程度，能够有效避免局部优化方法收敛于局部最优解的问题，适用于校准多个交互作用的作物模型参数。
**模型验证与适用性评价**
利用杨凌2019年和2020年玉米产量和叶面积指数（Leaf Area Index, LAI）数据对校准后DSSAT模型的性能进行评估。产量模拟方面，2019年和2020年模拟值与实测值的决定系数R2分别为0.93和0.997，归一化均方根误差（nRMSE）分别为0.49%和1.15%，两个生长季的R2值均超过0.90，nRMSE值低于5%。LAI模拟方面，R2值超过0.90，nRMSE值低于20%。这些结果表明校准后的模型能够较好地再现不同ATP施用量下玉米产量和LAI的观测变异，说明参数化方案捕捉了试验系统中土壤水力条件与作物生长之间的主要关系。但需要指出的是，由于同一数据集同时用于参数校准和性能评估，这些结果反映的是模型拟合优度而非独立的模型验证，模型超出试验条件的外推应用应保持谨慎。
**不同区域和年份类型下玉米产量预测与合理施用量确定**
利用校准后的CERES-Maize模型对2011—2020年杨凌、长武和延安三地不同ATP施用量下玉米产量的响应进行了模拟。产量对ATP施用的响应表现出显著的年际和站点差异。在杨凌（黏壤土），2011年、2014年和2017年玉米产量随ATP施用量增加而降低；2015年和2019年产量先增后降，最大响应出现在约3% ATP处；2012年、2013年、2016年和2018年响应较为复杂，超出试验范围的探索性模拟显示产量响应在约6%—8% ATP处出现转折。在长武（壤土），2013年和2015年产量随ATP施用量增加而持续下降；2014年、2016年和2020年出现非单调响应，探索性模拟显示约6% ATP处存在转折点；而2011年、2012年、2017年、2018年和2019年产量在约4% ATP以内随施用量增加而上升，之后响应减弱或方向改变。在延安（砂质壤土），大多数年份玉米产量在0—10% ATP模拟范围内随施用量增加而上升，表现出更强烈的正向响应，这与粗质地土壤保水能力有限、作物生长更易受水分制约有关。但2012年、2013年和2018年约6% ATP处以及2014年约8% ATP处出现转折点，此后模拟产量趋于平稳或略有下降。
综合不同年份类型的分析表明：在湿润年份，杨凌地区ATP施用对玉米产量有负面影响，延安地区有正面影响，长武地区响应因年份而异；在正常年份，三个地区产量响应各异，长武和延安地区ATP施用对产量有累积效应，杨凌地区在4% ATP以内也有累积效应；在干旱年份，三个地区玉米产量均随ATP施用量增加而提高。
**讨论与结论**
研究讨论指出，ATP通过增加土壤小孔隙比例和比表面积来增强土壤持水能力和有效含水量。然而，过量施用尤其是在湿润条件下，可能降低土壤通气性和饱和导水率，抑制作物根系水分吸收，从而对产量产生不利影响。在杨凌地区降水相对充沛、黏壤土本身持水能力较高的情况下，湿润年份过量施用ATP可能进一步增加土壤保水而减少通气，对玉米生长产生负面影响；而在正常和干旱年份，ATP改善的土壤保水能力可以缓解水分限制。延安地区降水较少、蒸发需求高、土壤储水能力有限，ATP施用增加的小孔隙和比表面积有助于提高土壤保水和植物有效含水量，缓解作物水分胁迫，因此产量响应更为积极。长武土壤黏粒含量居中，湿润年份超过4%的ATP施用倾向于降低产量。
综合三个地区不同年份类型的产量分析，在实验验证范围（0—4%）内，杨凌地区推荐ATP施用量低于4%；探索性模拟显示长武约6%、延安约8%处可能出现响应转折，但这些高施用量结果属于模型外推，需通过田间试验进一步验证。该研究建立的耦合修正保水模型水力参数与DSSAT产量模拟的方法框架，定量整合了土壤改良剂对土壤水力性质的影响与作物生长响应之间的关系，能够基于有限的田间试验数据实现跨年份、跨气候情景的模拟外推，可为干旱半干旱地区的农业研究提供方法论参考。
