耦合农业水文模型揭示滴灌马铃薯系统中磷钾动态运移规律及其优化管理策略

《Agricultural Water Management》：Modelling phosphorus and potassium dynamics in drip-irrigated potato systems using coupled agro-hydrological model

　　本研究针对干旱半干旱区滴灌施肥系统中磷(P)和钾(K)动态尚不明确的问题，通过耦合DSSAT与HYDRUS-2D模型，系统探究了半干旱条件下马铃薯滴灌施肥系统中P和K的行为。结果表明，P和K因土壤强烈吸附作用而垂直移动有限（P≤13 cm，K≤15 cm），K表现出更大的侧向运移（≤35 cm）。将施肥次数由2次增至4次，可使养分有效性提高30–40%，维持块茎产量（30.2–31.5 t ha-1），并将养分吸收效率提升15–20%。该集成模型为精准水肥管理、提升资源利用效率及减少环境风险提供了实用见解。

　　

在全球干旱半干旱地区，农业系统正面临着气候变化、水资源短缺和资源管理效率低下的日益严峻的挑战。这些压力威胁着粮食安全和环境可持续性，尤其是在那些依赖过度用水和不合理养分管理的传统灌溉实践地区。滴灌结合施肥（Fertigation）技术作为一种有前景的解决方案应运而生，它能够将水和养分精确地直接输送到作物根区，从而最大限度地减少损失，提高资源利用效率，并使养分供应与作物需求同步——这些关键优势在水资源有限、投入成本高昂且稀缺的环境中至关重要。

磷（P）和钾（K）是作物生长必需的大量营养元素，然而，与已被广泛研究的氮（N）相比，它们在滴灌条件下的土壤动态行为仍知之甚少。尽管许多研究利用像HYDRUS这样的模型来准确模拟硝酸盐淋溶和水流，但这些工作往往忽略了P和K的独特行为，或者简单地从以氮为中心的模型中推断结论。这构成了一个关键的知识空白，因为P和K表现出根本不同的传输机制——P以扩散为主，K则是扩散-质流结合——以及反应活性，因此需要量身定制的建模方法。此外，在干旱半干旱环境中常见的石灰性和石膏质土壤会加剧P和K的固定/吸附作用，强调了进行时空分辨管理的必要性。

为了解决这一知识空白，并超越以氮为中心的建模范式，研究人员开展了一项创新性的研究。他们将田间实验与先进的DSSAT-HYDRUS-2D耦合模型相结合，旨在独特地捕捉滴灌施肥马铃薯系统中水、P和K的耦合动态——包括它们独特的吸附化学和植物吸收模式。

为了回答上述问题，研究人员在伊朗卡拉杰的土壤与水研究所实验站进行了细致的田间试验。研究聚焦于滴灌施肥的马铃薯系统，监测了土壤水分含量、养分分布和作物生长等指标。核心研究方法在于耦合了两个成熟的模型：DSSAT（农艺作物生长模型）和HYDRUS-2D（土壤水文和溶质运移模型）。这种耦合并非简单叠加，而是采用了一种单向耦合策略，将DSSAT模拟的每日叶面积指数（LAI）和潜在蒸散量（ETp）作为HYDRUS-2D的动态边界条件，从而更生理准确地模拟土壤-植物-大气连续体中的水分和养分过程。研究首先对HYDRUS-2D模型进行水流模块的校准和验证，然后在此基础上校准溶质运移模块（针对可溶性P和K浓度），并最终用独立的有效P和K测量数据进行验证。此外，还进行了敏感性分析和不同施肥及灌溉情景的模拟，以评估优化管理策略的效果。

主要技术方法概述

本研究的关键技术方法包括：1) 田间试验设计：在典型半干旱区设置滴灌马铃薯试验，系统监测土壤水分（采用时域反射计TDR）、养分（可溶性及有效态P、K）时空分布及作物生长参数（如叶面积指数LAI、产量）。2) 土壤理化性质表征：详细测定土壤剖面各层次的物理（如颗粒组成、容重、饱和导水率K_s）和化学性质（如pH、电导率EC、阳离子交换量CEC、有效养分含量）。3) 模型耦合与应用：采用DSSAT-SUBSTOR-Potato模型模拟作物生长动态，并将其输出的LAI和ETp动态导入HYDRUS-2D模型，用于模拟二维空间下的变饱和土壤水流（基于Richards方程）和溶质运移（基于对流-弥散方程，并考虑线性吸附K_d）。4) 模型校准与验证：采用逆求解方法优化土壤水力参数（van Genuchten-Mualem模型参数）和溶质运移参数（纵向弥散度D_L、横向弥散度D_T、吸附系数K_d），并利用独立的观测数据进行验证。5) 敏感性分析与情景模拟：通过单因素敏感性分析识别关键参数，并设置不同施肥次数、浓度和灌溉量的管理情景，评估其对养分动态和作物产量的影响。

3.1. 土壤、水和施肥液成分

土壤剖面分析揭示了理化性质随深度的明显变化。表层（0-15 cm）显示出较高的可溶性离子和有效P含量，而深层（65-100 cm）尽管质地较粗，有效K含量却较高，表明可能存在淋溶或矿物风化。土壤pH在整个剖面保持中性（7.8-7.9）。施肥液成分分析显示，施肥后灌溉水的pH降低，电导率（EC）升高，NH₄⁺、NO₃^-和K⁺浓度显著增加，而Ca²⁺和Mg²⁺下降，提示存在养分失衡的潜在风险。

3.2. 土壤水力和水动力特性

土壤饱和导水率（K_s）随深度显著增加，与砂含量增加和持水性降低相关。土壤水力特性参数通过实验室测定和RETC软件优化获得。这些特性是模拟水分和溶质运移的基础。

3.3. 作物生长模拟

DSSAT模型估算的马铃薯潜在蒸散量（ETp）为350.6 mm。在生长早期，由于LAI低、冠层覆盖度小，土壤蒸发是水分损失的主要组成部分。模型模拟的LAI和最终块茎产量（31.53 t ha^-1）与观测值（30.15 t ha^-1）吻合良好，验证了DSSAT模型在马铃薯生长模拟中的可靠性。

3.4. 水文模拟

3.4.1. 敏感性分析：敏感性分析表明，土壤水分预测对上层土壤的水力参数（如饱和含水率θ_s、孔隙大小分布指数n）最敏感。溶质运移预测则对纵向弥散度（D_L）、横向弥散度（D_T）和吸附系数（K_d）高度敏感。

3.4.2. 模型校准与验证：

3.4.2.1. 土壤水分含量：HYDRUS-2D模型对土壤水分含量的模拟取得了良好效果，在校准和验证期，多数观测节点的模拟值与观测值吻合较好，模型效率系数（Ce）较高，均方根误差（RMSE）较低。

3.4.2.2. 溶质浓度动态：模型成功模拟了P和K在土壤中的二维运移和分布。结果表明，P和K的垂直运动非常有限（P ≤ 13 cm, K ≤ 15 cm），但侧向运移范围较大（K可达35 cm）。P由于强烈的土壤吸附作用，其移动性比K更弱。模型对可溶性和有效态P、K浓度的模拟在校准和验证阶段总体可靠，尽管对K，特别是有效K的模拟不确定性稍大，这与其更复杂的土壤化学行为有关。

3.5. 情景分析

通过模拟不同管理情景发现：将总施肥量分成四次施用（情景2），相较于两次高浓度施用（情景1），能在根区维持更长时间的营养供应，降低峰值固定或淋失风险，同时保持块茎产量。仅增加灌溉水量（情景3）对P和K的运移距离影响不大。这表明，增加施肥频率（分次施用）是提高养分利用效率的关键管理措施，而非单纯提高施肥浓度。

3.6. 对可持续养分管理和政策的影响

本研究结果为优化滴灌施肥提供了具体的操作蓝图，即采用高频次、低浓度的分次施肥策略，可以显著提高养分利用率，减少环境损失，对于在干旱半干旱地区实现农业可持续发展、保障粮食安全和保护水资源具有重要意义。该模型框架可作为有力的决策支持工具，为制定精准农业最佳管理实践（BMP）和相关政策提供科学依据。

本研究通过耦合田间试验与农业水文模型，成功地量化并模拟了滴灌马铃薯系统中磷和钾的独特运移规律。核心结论指出，由于强烈的土壤吸附作用，磷和钾在垂直方向上的移动性极其有限，主要累积在浅层根区（0-20 cm），而钾因吸附较弱表现出比磷更大的侧向运移能力。这一发现颠覆了仅基于氮素行为的管理经验，强调了针对磷钾特性进行精准管理的必要性。

研究最重要的实践意义在于验证了高频次、低浓度的分次施肥策略的优越性。该策略能有效同步养分供应与作物需求，将养分有效性提高30-40%，养分吸收效率提升15-20%，同时维持高产（30.2-31.5 t ha^-1），并显著降低因固定或淋失造成的环境风险。相比之下，单纯增加施肥浓度或灌溉水量对改善养分在根区内的分布效果不佳。

综上所述，这项研究不仅提供了一个经过验证的、可靠的模型工具（耦合DSSAT-HYDRUS-2D）来理解和预测滴灌系统中的水肥动态，更重要的是为干旱半干旱地区马铃薯生产的精准水肥管理提供了直接、可操作的指导方案。它有力地证明，通过优化施肥时机和频率，而非盲目增加投入，可以实现资源高效利用、环境友好和农业可持续性的共赢。这项研究成果已发表在农林科学领域的知名期刊《Agricultural Water Management》上，为全球范围内应对水资源短缺和面源污染挑战的精准农业实践提供了重要的科学依据和技术路径。