本文属于类型a，即单项原创研究的学术报告。以下是对该研究的综合报告。
一、研究作者、机构与发表信息
本研究的主要作者为David Nimblad Svensson、Helena Aronsson、Per-Erik Jansson和Elisabet Lewan。其中，David Nimblad Svensson、Helena Aronsson和Elisabet Lewan来自瑞典农业科学大学（Swedish University of Agricultural Sciences）土壤与环境系，Per-Erik Jansson来自瑞典皇家理工学院（KTH Royal Institute of Technology）可持续发展、环境科学与工程系。该研究发表于期刊 Field Crops Research 第326卷，文章编号109856，于2025年3月24日在线发表，DOI为10.1016/j.fcr.2025.109856。
二、研究背景
农业生态系统中，土壤有机氮的矿化（nitrogen mineralization）是作物氮素吸收的重要来源，尤其是对于未施用矿质氮肥的系统。土壤有机氮矿化释放的氮在施肥作物中占作物总吸氮量的一半以上。然而，高矿化速率在裸土期会造成矿质氮积累，进而引发硝酸盐淋溶（nitrate leaching）和反硝化（denitrification）等环境问题。因此，理解并量化长期不同管理措施下土壤碳、氮库的变化及氮通量，对维持土壤肥力、减少氮损失具有重要意义。
作物模型（crop model）是评估气候变化和管理措施变化对产量与氮损失影响的有力工具。然而，大多数土壤-作物模型结构复杂，参数众多，存在较强的不确定性。此外，模型在长期连续运行时必须能够捕捉年际间的遗留效应，这就需要利用长期田间观测数据对模型进行校准和验证。CoupModel是瑞典及北欧地区广泛使用的土壤-植被模型，但其此前主要基于4至7年的短期试验进行参数化，缺乏对几十年尺度的系统评估。
本研究的主要目标是：利用瑞典西南部一个长达35年的长期田间试验（施肥与不施肥春季谷物处理），测试和评估CoupModel在长期尺度上模拟作物产量、排水和硝酸盐淋溶的稳健性；比较两个处理在土壤有机氮动态和年际氮矿化方面的差异；通过蒙特卡洛方法分别对两个处理进行参数校准，揭示管理措施对关键参数后验分布的影响；最后建立并比较两个系统的年均氮收支。
三、研究流程与方法
本研究主要包括以下几个步骤：田间试验数据的收集与整理、气候数据的获取、模型的设置与初始化、参数校准、模型性能评估以及氮收支计算。
1. 田间试验与数据收集
研究依托瑞典农业科学大学长期田间试验项目中的Mellby试验地（R0–8403），该试验地位于瑞典西南部，土壤为砂壤土（sandy loam），表土有机质含量约为5%。试验自1983年开始，设有14个40×40米的大型试验小区，每个小区均设有独立的暗管排水系统。本研究选取其中两个处理：施用矿质氮肥的处理（90–110 kg N ha⁻¹ yr⁻¹，简称为90N处理）和不施氮肥的处理（0N处理）。两个处理主要种植春小麦、春大麦或燕麦，个别年份种植马铃薯、春油菜和黑小麦。秸秆通常移出田间，马铃薯秧在收获前两周化学杀秧后翻压还田。土壤在秋季进行浅耕和翻耕，冬季裸地越冬。
观测数据包括：1984年至2019年的排水量（通过翻斗式流量计连续记录）、排水中总氮和硝态氮浓度及由此计算的年硝态氮淋溶量、作物籽粒和地上部生物量及含氮量。2012年之后仅测定总氮，研究通过2012年之前数据建立的线性回归（r²=0.992）估算硝态氮浓度，硝态氮占总氮的比例约为90%。作物产量和氮含量通过小区内三个重复样方测定。
2. 气候数据
模型驱动所需的气象数据（日气温、降水、空气湿度）来自SMHIGridClim网格数据库，水平分辨率为2.5 km；风速和太阳辐射来自ERA5再分析数据，水平分辨率约为28 km。对气象变量进行了Mann-Kendall趋势检验，结果显示研究期间年均气温显著上升，增速为0.06 °C yr⁻¹，其他变量无显著趋势。
3. 模型设置与初始化
本研究使用CoupModel 6.2.5版本。该模型以热传导和水分运动方程为核心，耦合碳、氮循环过程。土壤剖面分为12层，厚度从5 cm到30 cm不等，总深度达230 cm。排水过程采用Hooghoudt排水方程，深层渗漏以渗流方程表示。蒸散利用Penman-Monteith方程计算，冠层与土壤间的净辐射分配遵循Beer定律。植物生长分为四个生长阶段指数（GSI），通过用户给定的播种、出苗和收获日期控制。有机质分为凋落物库（litter pool）、慢分解库（humus pool）和惰性库（inert pool），均遵循一级动力学分解。由于试验地历史上长期施用过农家肥且土壤C/N比异常高（19–25），研究根据Springob和Kirchmann（2010）的建议，将惰性有机质库的比例设为总有机碳的71%、总有机氮的41%，其分解速率常数极低（10⁻⁷ day⁻¹），而活性库的C/N比设为10，惰性库的C/N比设为35。
4. 参数校准与不确定性分析
研究选取了16个对产量、氮动态和水分运移可能产生重要影响的参数，采用蒙特卡洛方法进行校准。参数值从均匀先验分布中随机抽样，共进行10,000次模型运行。校准目标变量包括：年硝态氮淋溶量、年排水量、籽粒产量、籽粒氮含量、地上部总生物量及其氮含量。校准过程中使用均方根误差（RMSE）、决定系数（R²）和平均误差（ME）等多个指标，对每个处理分别筛选出30个最优参数组合作为“可接受”的后验集合。研究还比较了两个处理间关键参数后验分布的差异，并基于后验集合计算各输出变量的不确定性范围。
5. 氮收支计算
基于每个处理30个可接受参数集的模拟结果，计算了年均氮输入（施肥、大气沉降、种子）、氮输出（收获物、硝态氮淋溶、深层渗漏、反硝化）、土壤有机氮和矿质氮储量变化，以及有机质转化过程中各通量的均值。
四、主要结果
1. 参数校准结果
校准后，大多数参数的后验分布范围明显窄于先验分布，说明观测数据对模型参数具有较强的约束能力。在16个参数中，有6个参数的后验分布在施肥与不施肥处理之间存在显著差异。不施肥处理的慢库分解速率常数（ratecoefhumus）显著高于施肥处理，说明不施肥系统中土壤有机质的分解更快。此外，不施肥处理的叶面积比（leafmassperarea）、氮吸收补偿程度（nuptflexibilitydeg）和临界水势阈值（critthresholddry）也较高，而叶片和茎向籽粒的碳再分配比例（cleaftograin和cstemtograin）在施肥处理中更高。这些差异表明，施肥与否不仅改变了土壤氮供应，还可能影响作物对氮和水分的响应策略以及土壤有机质的周转机制。
2. 排水与硝酸盐淋溶模拟
模型对年排水量的模拟效果较好，施肥和不施肥处理的Nash-Sutcliffe效率系数（NSE）分别为0.67和0.65。模型整体低估了施肥处理的年硝态氮浓度（模拟均值10.81 mg L⁻¹，观测均值13.1 mg L⁻¹），高估了不施肥处理的浓度（模拟均值7.69 mg L⁻¹，观测均值6.53 mg L⁻¹）。观测的年硝态氮淋溶量在施肥处理中平均为3.7 g N m⁻² yr⁻¹，是不施肥处理（1.8 g N m⁻² yr⁻¹）的两倍以上；模拟结果则分别为2.7和1.9 g N m⁻² yr⁻¹。模型在2018年极端干旱年份后成功捕捉到了2019年早期的高浓度硝态氮淋溶，表明模型能够较好地反映干旱年氮素残留的遗留效应。
3. 产量与籽粒氮模拟
观测的施肥处理平均籽粒产量为408 g m⁻²，是不施肥处理（188 g m⁻²）的2.2倍；籽粒氮含量分别为6.6和2.5 g N m⁻²。模型总体略微高估了施肥处理的产量和籽粒氮，低估了不施肥处理的籽粒氮。施肥处理的产量和籽粒氮的年际变化模拟效果优于不施肥处理。在2018年极端干热年份，模型模拟的产量下降幅度小于实际观测值，表明模型可能低估了水热复合胁迫对作物的影响。此外，模型模拟显示不施肥处理的籽粒产量呈现显著下降趋势，而观测数据未表现出显著趋势，这可能是由于模型未考虑病虫害等年际随机因素所致。
4. 土壤有机氮动态与年氮矿化
模型模拟显示，不施肥处理中所有30个后验参数集均预测土壤有机氮下降，施肥处理中有23个参数集预测下降。模拟的35年土壤有机氮变化量在施肥处理中为−8.8 ± 14.7 g N m⁻²，在不施肥处理中为−121.4 ± 11.3 g N m⁻²。年氮矿化量的不确定性范围在施肥处理中更大（2.5–5.6 g N m⁻² yr⁻¹），而不施肥处理为1.7–3.4 g N m⁻² yr⁻¹。施肥处理的年氮矿化量总体高于不施肥处理，尤其在马铃薯种植后的年份。不施肥处理中，21个后验参数集模拟出年氮矿化量的显著下降趋势。
5. 年均氮收支
模拟的年均氮收支显示，两个处理的氮收支均为负值。施肥处理的硝态氮淋溶量是未施肥处理的1.4倍，但由于施肥处理产量更高，单位收获氮的淋溶损失在未施肥处理中更大（0.57 g N/g N，施肥处理为0.29 g N/g N）。施肥处理中输入到凋落物库和慢库的有机氮更多，但慢库的矿化量低于不施肥处理，凋落物的矿化量则高于不施肥处理。
五、结论与意义
本研究利用长达35年的田间观测数据，对CoupModel在施肥与不施肥春季谷物系统中的长期模拟能力进行了系统评估。结果表明，模型总体上能够较好地模拟产量、排水和硝酸盐淋溶的长期趋势和平均值，但对极端年份的产量下降幅度和部分年份的淋溶量年际变化模拟存在不足。模型成功捕捉了2018年极端干旱后的氮素遗留效应。研究还发现，施肥与不施肥处理在关键参数（如慢库分解速率常数、叶面积比、氮吸收灵活性等）的后验分布上存在显著差异，这表明管理措施的变化可能引发土壤-作物系统关键功能的改变，而这些改变目前尚未被模型结构所涵盖。这一发现对作物模型的校准策略具有重要启示：不能假定模型参数在管理措施改变后保持不变，需要在模型中引入土壤微生物群落组成和功能等反馈机制。
研究的科学价值在于，它通过长期数据约束了土壤有机氮矿化和硝酸盐淋溶的模拟不确定性，揭示了参数校准中管理措施依赖性与模型结构局限性之间的张力。应用价值方面，该研究为北欧地区农业系统中氮损失的长期评估和气候变化影响预测提供了方法学参考，也为改进CoupModel等过程模型的作物参数化和土壤有机质模块提供了方向。研究还指出，未来需要更多地下生物量和物候观测数据，以进一步减少模型不确定性，并提高对极端气候事件的模拟能力。
六、研究亮点
本研究的亮点包括：首次利用35年长期试验数据对CoupModel进行系统校准和验证；分别在施肥与不施肥处理下独立校准模型，揭示了管理措施对关键参数后验分布的显著影响；利用后验参数集合量化了土壤有机氮矿化的不确定性范围；建立了两个处理年均氮收支的完整对比；并基于2018年极端干旱事件检验了模型对极端气候的响应能力。此外，研究还明确指出了当前模型在作物物候与水分-热胁迫耦合响应以及地下生物量分配方面的不足，为后续模型改进提供了明确方向。
总体而言，该研究在长期尺度上检验了过程模型模拟农业生态系统氮动态的可靠性，同时揭示了模型参数校准中的管理依赖性这一深层科学问题，具有较高的方法论和理论价值。