胡克林团队：为农田土壤-作物系统过程定量化研究提供有力工具|荐书

导  读

粮食安全、资源高效利用与生态环境保护是当前我国农业生产面临的重大问题。要解决这些问题就需要从生态学的角度对我国农田土壤-作物系统中的各个过程进行量化，模型无疑是解决该类问题最有效的方法之一。

来源：科学出版社公号（2019年9月7日）

本文摘编自《农田土壤-作物系统过程模型及应用》（胡克林等著. 北京：科学出版社,2019.8）一书“前言”“第2 章 土壤-作物系统水热碳氮过程耦合模型的构建”，有删减，标题为编者所加。

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国外学者对土壤-作物系统模型的研究已经有半个多世纪的历史，并且建立了一些比较成熟的土壤-作物系统模型，主要有EPIC、CENTURY、WOFOST、DAISY、DNDC、APSIM、RZWQM、DSSAT、WNMM、HYDRUS-1D、AquaCrop 等模型。由于各模型构建的功能侧重点和假设条件不同，都具有各自特定的适用范围，大部分模型使用困难、维护性和移植性差，不适用于我国的气候、土壤、环境条件及农业管理特点。而国内在这方面的研究起步较晚，其中研发的模型以农田水分、水盐、水氮管理、作物生长等方面的居多，缺少系统性和综合性，不能适应当前我国高度集约化的农业生产特点。因此，迫切需要构建适合我国气候、土壤、环境条件和农艺管理措施的土壤-作物系统过程模型。

▲ 农田氮素循环示意图

 中国农业大学胡克林教授及其科研团队吸收和借鉴了国际上相关主流模型的原理方法，并结合我国的气候、土壤、环境及农业管理特点进行了改进与完善，构建了农田土壤-作物系统过程模型WHCNS（soil water heat carbon nitrogen simulator）。该模型主要包括气象、土壤水分运动、土壤热传导、土壤氮素运移转化、有机质周转、作物生长发育和田间管理等模块，通过使用面向对象的C 编程技术将这些模块有机地结合在一起，各模块可以单独运行，也可作为一个整体运行，各主要模块之间的关系及主要输出见图。

▲ 土壤-作物系统水热碳氮过程耦合模型框图

WHCNS 模型特色

1）本模型在构建的过程中，借鉴和吸收了当前一些主流模型的主要模块，如水分运动和热传导过程采用了HYDRUS-1D 模型中的相关模块，土壤碳氮循环过程采用了DAISY 模型中的土壤有机质周转模块，作物模型可选择荷兰瓦赫宁根大学的PS123 通用作物模型或者EPIC 作物模型，并对其初级光合产物模拟进行了水分和氮素胁迫因子的修正。

2）考虑到描述水分运动常用的Richards 方程难以解决强降雨或高灌溉量时（华北地区经常出现）水分难以入渗的问题，本模型对水分运动过程进行了分解，入渗过程采用了改进的Green-Ampt 模型，再分配过程采用了Richards 方程。对于作物根系吸水，不仅考虑了主动吸水，还考虑了补偿性吸水机制。

3）输入输出十分简便，所有的输入和输出文件全部采用*.xls 格式文件，便于模拟结果与实测结果直接对比；水分特征曲线参数可以输入van Genuchten模型参数，也可以输入土壤饱和含水量、田间持水量和萎蔫系数等简单参数；土壤氮素初始浓度可以输入质量单位或体积单位。

4）该模型能够适应当前华北地区高度集约化的农业管理措施，如保护性耕作、覆膜、不同轮作方式、作物高密度、高水肥投入的特点；设置有多种灌溉方式（8种）和施肥方法（3 种）；同时能模拟大田和蔬菜作物的生长发育过程。

5）采用了灵活多变的计算方法，对于溶质运移方程的求解采用了更加稳定和收敛快的广义迎风差分方法，对于Richards 方程的求解则采用了六点隐式差分方法。 

6）模型设计结构化，便于移植、扩展和维护，其他模型的一些功能可以很容易地扩展到本模型中，如情景分析模块。另外，本模型已经与PEST 程序实现完全耦合，可以很方便地自动优化模型参数，便于用户使用。

本书中的模型软件WHCNS，读者可通过如下网址下载： 

http://lalq.cau.edu.cn/channels/196.html

该模型适用于我国高度集约化的农业生产系统，能够用于模拟不同农田管理措施（灌溉、施肥、耕作、栽培、轮作、秸秆还田等）下土壤-作物系统中水热运动、氮素去向、有机质周转、温室气体排放和作物生长发育等过程。同时针对当前模型应用中的“瓶颈”问题（参数获取及校准），对土壤水力学参数获取的最新方法及PEST 模型参数的自动优化过程进行了介绍，极大地方便了用户的使用。

▲ WHCNS模型的部分应用案例

《农田土壤-作物系统过程模型及应用》（胡克林等著. 北京：科学出版社,2019.8）一书对WHCNS 模型的基本原理进行了较为系统的阐述，并提供了其在多方面应用的实际案例。具有多学科交叉和系统性强的特点，为我国农田土壤-作物系统过程定量化研究提供了一个强有力的工具。

本书可供农业生态学、土壤学、植物营养学、环境科学、农学、农业气象与资源环境信息技术等专业领域的科研人员、大专院校师生及相关管理部门参考。

ISBN 978-7-03-061912-9

责任编辑：李秀伟 闫小敏

 本书对农田土壤-作物系统过程模型（WHCNS）的基本原理、构建方法、功能特点及其应用进行了较全面的介绍，主要包括：WHCNS 模型中的土壤水分运动、热传导、碳氮循环过程和作物生长发育过程模拟；PEST参数自动优化工具与WHCNS 模型的耦合过程；土壤水力学参数的快速获取方法；模型在农田水肥优化管理、地下水动态模拟中的实际应用案例，以及在水稻覆膜栽培和暗管排水等方面的拓展应用。