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。本书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。
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第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 国内外土壤-作物系统模型研究进展 2
1.2.1 土壤-作物系统模型的发展 2
1.2.2 土壤水和作物生长过程模拟 4
1.2.3 土壤碳氮循环过程模拟 8
1.3 土壤-作物系统模型应用现状 11
1.3.1 农田水氮过程、作物产量及水氮利用效率的模拟分析 12
1.3.2 农田氮素损失的环境效应模拟与评价 16
1.3.3 农业生产决策管理 18
1.4 土壤-作物系统模型研究展望 20
参考文献 22
第2章 土壤-作物系统水热碳氮过程耦合模型的构建 31
2.1 模型框架 31
2.2 土壤水分运动 32
2.3 土壤热传导 33
2.4 土壤无机氮运移 34
2.5 土壤有机质周转 35
2.6 土壤氮素转化 36
2.6.1 尿素水解 36
2.6.2 氨挥发 37
2.6.3 硝化作用 37
2.6.4 反硝化作用 37
2.7 PS123作物模型 38
2.7.1 作物生育期 39
2.7.2 叶面积指数 39
2.7.3 作物光合产物 39
2.7.4 水氮胁迫下的光合产物 40
2.7.5 光合产物分配 40
2.7.6 作物维持呼吸 41
2.7.7 各器官干物质净增加量 41
2.7.8 根系生长 41
2.7.9 根系吸水吸氮及水氮胁迫因子 42
2.8 EPIC作物模型 42
2.9 蔬菜生长模型 44
2.9.1 干物质积累 44
2.9.2 根系吸水吸氮 45
2.9.3 可售卖产量估算 45
2.10 不同耕作方式模拟 46
2.11 WHCNS模型特色 47
参考文献 48
第3章 WHCNS模型验证及与国外模型的比较 50
3.1 数据来源 50
3.2 国外14个相关模型简介 51
3.3 模型评价指数 52
3.4 模型参数 53
3.4.1 土壤水力学和溶质运移参数 53
3.4.2 土壤碳氮转化参数 53
3.4.3 作物参数 54
3.5 模型校验 54
3.6 WHCNS模型与国外模型比较 58
3.7 小结 62
参考文献 62
第4章 WHCNS模型参数敏感度及模拟结果不确定性分析 64
4.1 引言 64
4.2 局部参数敏感度分析 65
4.3 全局参数敏感度分析 67
4.3.1 数据来源 67
4.3.2 Morris筛选方法 68
4.3.3 基于方差的Sobol'方法 69
4.3.4 参数范围与分布 70
4.3.5 模型校验 70
4.3.6 Morris筛选方法分析 71
4.3.7 Sobol'方法分析 74
4.4 硝酸盐淋失量和作物产量的不确定性分析 76
4.5 小结 78
参考文献 79
第5章 土壤水分特征曲线的一种快速获取方法 81
5.1 引言 81
5.2 基本理论 82
5.3 数据来源 83
5.4 模型预测效果评价指标 85
5.5 土壤水分特征曲线高吸力段的模拟 85
5.6 土壤水分特征曲线低吸力段的预测 86
5.7 小结 90
参考文献 90
第6章 基于PEST的模型参数自动优化 93
6.1 引言 93
6.2 田间试验 94
6.3 PEST参数优化方法 95
6.3.1 算法介绍 95
6.3.2 目标函数设置 96
6.3.3 参数敏感度计算 96
6.3.4 PEST软件优化步骤 97
6.3.5 模拟效果评价 97
6.4 参数综合敏感度分析 97
6.5 基于PEST的模型参数优化与评价 98
6.5.1 参数优化结果 98
6.5.2 算法收敛程度 100
6.5.3 模型校验 100
6.6 小结 105
参考文献 105
第7章 荒漠绿洲井灌农田氮素淋失规律及水氮优化管理 107
7.1 引言 107
7.2 数据来源 108
7.2.1 研究区概况 108
7.2.2 测定项目和方法 108
7.3 模型参数 108
7.3.1 土壤水力学和溶质运移参数 108
7.3.2 土壤碳氮转化参数 109
7.3.3 作物参数 110
7.4 模型校验 110
7.5 模型应用 113
7.5.1 农田水分渗漏和硝酸盐淋失动态 113
7.5.2 农田水氮平衡分析 114
7.5.3 荒漠绿洲农田水氮管理措施优化 115
7.6 小结 116
参考文献 117
第8章 不同水肥与栽培管理措施下农田水氮利用效率分析 118
8.1 引言 118
8.2 田间试验 119
8.2.1 试验设计 119
8.2.2 数据测量 120
8.3 模型输入 121
8.4 模型校验 122
8.5 模型应用 135
8.5.1 不同水肥及栽培管理措施对作物产量的影响 135
8.5.2 不同水肥及栽培管理模式下农田水分渗漏和硝酸盐淋失动态 137
8.5.3 不同水肥及栽培管理模式下农田水分平衡及水分利用效率 139
8.5.4 不同水肥及栽培管理模式下农田氮素损失及氮素利用效率 140
8.6 综合指数法评价不同水肥及栽培管理模式 143
8.7 小结 145
参考文献 145
第9章 华北平原不同种植模式下地下水位动态模拟及可持续评价 149
9.1 引言 149
9.2 数据来源 150
9.3 地下水位模拟与情景设置 152
9.3.1 地下水位模拟 152
9.3.2 情景设置 153
9.4 模型校验 153
9.4.1 模型参数 153
9.4.2 校验效果评价 154
9.5 模型应用 156
9.5.1 地下水净消耗 156
9.5.2 地下水位模拟 158
9.5.3 情景分析 159
9.6 不同种植模式维持地下水平衡的可行性 161
9.6.1 水分管理方案对水分利用效率和作物产量的影响 162
9.6.2 不同种植模式下地下水位下降速度和作物产量 162
9.6.3 地下水可持续利用的种植模式 163
9.7 小结 164
参考文献 164
第10章 覆膜旱作稻田土壤水分运动、热传导及作物生长模拟 167
10.1 引言 167
10.2 田间试验 168
10.2.1 试验地概况 168
10.2.2 试验设计和田间管理 169
10.2.3 测定项目和方法 169
10.3 覆膜条件下土壤热传导和水分运动过程模拟的改进 170
10.4 模型输入 172
10.4.1 土壤参数 172
10.4.2 作物参数 173
10.4.3 模型评价指数 173
10.5 参数敏感度分析 174
10.6 模型校验 175
10.6.1 土壤温度 175
10.6.2 土壤储水量 176
10.6.3 作物生长 177
10.7 模拟效果评价 179
10.8 覆膜旱作稻田水平衡和水分利用效率分析 180
10.9 小结 182
参考文献 183
第11章 暗管排水农田水分运动、氮素流失及作物生长模拟 187
11.1 引言 187
11.2 数据来源 189
11.3 暗管排水模块 190
11.4 模型输入 191
11.4.1 水力学参数 191
11.4.2 碳氮转化参数 191
11.4.3 气象数据 192
11.4.4 作物参数 192
11.5 模型校验 192
11.5.1 土壤储水量 192
11.5.2 作物生长 193
11.5.3 暗管排水 195
11.5.4 氮素流失 196
11.5.5 暗管排水长期模拟 196
11.6 暗管排水条件下农田氮肥优化管理 197
11.7 小结 199
参考文献 200
第12章 WHCNS用户手册 203
12.1 系统简介 203
12.2 模型输入文件 204
12.2.1 土壤模块soilmodel_in.xls 204
12.2.2 气象模块weather_in.xls 207
12.2.3 作物模块cropbase_in.xls 208
12.2.4 田间管理模块manage_in.xls 211
12.2.5 有机碳氮模块organic_in.xls 212
12.3 辅助工具 213
12.3.1 情景分析scenario.xls 213
12.3.2 WHCNS_PEST参数自动优化工具 215
12.4 模型输出结果 216
12.4.1 土壤水分溶质输出soilmodel_out.xls 217
12.4.2 作物输出cropmodel_out.xls 219
12.4.3 水分平衡输出waterbal_out.xls 222
12.4.4 氮平衡输出Nbal_out.xls 223
12.4.5 有机质输出organic_out.xls 224
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