作物生产中氮素施用对大气和水体影响的机理研究及建模

Crop nitrogen models are increasingly becoming important in optimising nitrogen fertilizer use in crop production and in controlling agricultural non-point source pollution. The existing models are less mechanistic and unable to obtain satisfactory results. In this study, a multi-interdisciplinary approach based on plant and soil sciences, computing science and computer technology, together with close collabration with internationally renowned scientists, is used to conduct a mechanistic study on water, carbon and nitrogen cycle in the soil-crop system. It is attempted to establish the relationship between crop growth and the environmental factors and nitrogen supply, and to quantify the mechanism governing carbon and nitrogen transfer in soil. A new mechanicstic model will be developed for water and nitrogen dynamics in the soil-plant-atmosphere continuum system. The model will rigorously be tested using the experimental data obtained from this research project and from other sources. The validated model can be used in predicting the effects of nitrogen application in crop production on crop growth, water and greenhouse gases emissions. It will provide a scientific tool to assess the impacts from crop production on the environment.

作物的氮素模型在优化农业资源利用、控制农业非点源污染方面起着日益重要的作用，但目前的模型机理性不强、应用效果差。本项目以土壤-作物系统为研究对象，用植物科学、土壤科学、计算科学和计算机技术等多学科交叉的研究手段，与国际知名同行紧密合作，对土壤-作物系统中水、碳、氮循环展开机理性研究，揭示作物生长与环境因子以及氮素需求量之间的关系，确定影响土壤中碳氮转化的关键因子并量化其相互关系，建立起新的土壤-作物-大气连续系统中水氮耦合动力学理论和模型，利用从本项目和从其他途径获得的实验数据对模型进行严格考证。本项目所建立的模型可以用于在不同的作物生产过程中，预测氮素施用量对作物生长、水体质量和温室气体排放量的影响。为评估农业生产对环境所造成的冲击提供科学依据。

作物的氮素模型在优化农业资源利用、控制农业非点源污染方面起着日益重要的作用。针对目前的模型中存在的机理性不强、应用效果差问题，本研究对土壤-作物系统中水、碳、氮循环中的关键过程展开了机理性研究。在基于大量的作物实验数据的基础上，揭示不同作物在适宜的生长条件下干重的积累规律及与临界氮素含量之间的关系；进一步改进和验证了现有的模拟土壤水运动的算法；提出了基于补偿性根系吸水方法的土壤-作物系统的水分运动模型；对SWMS_2D程序在轴对称条件下土壤水运动的适用性进行了验证；确定模拟土壤中碳氮转化的算法；建立了新的二维土壤-作物-大气连续系统中水氮耦合动力学模型。通过实验数据对模型的考证，发现模型的预测值（土壤含水量、无机氮含量等）均与实测值吻合，各项模型评价指标值（均方差、平均误差和那什效率系数等）满意，说明总体说来模型能够令人满意地解释实测结果。说明本研究所建立的模型能可靠地用于预测在不同的作物生产过程中氮素施用量对作物生长、水体质量和温室气体排放量的影响。