长久以来，氮素被当作农业生产的一个限制性因素来研究，但随着氮肥的大量使用所带来的一系列环境问题的出现，农业上越来越多地要求减少氮肥施用对环境的影响。这就对农业研究提出了新的挑战，如何找到一种合适的生产方法，在保证产量的同时，减少由于氮肥施用而造成的污染。而氮素循环模型，能够比较全面地描述土壤—作物系统中的氮素循环过程，有助于我们了解氮素循环中各个过程之间的相互联系，找到合适的施肥方法，因此被越来越多的研究者所重视。　　 国外已经建成了很多的旱地模型，但早地模型却不太适合用于稻田系统。水稻土是我国主要的土壤类型，由于它是在特殊的干湿交替的水分环境，以及耕地、耙地等特殊的耕作措施中发育而成的，因此它不同于那些长期淹水的土壤，也不同于那些只受地下水影响的旱地土壤。对稻田氮素循环的模拟，不能完全套用旱地模型。　　 本学位论文通过查阅国内外大量关于氮素循环模型的资料，紧紧抓住稻田的特殊环境，建立了稻田土壤—作物体系的氮素循环模型。在模型中，所有的运移过程都是一维的，在垂直方向上把土壤分为一系列的土层，每层的厚度可以不同。整个模型由三个子模型所构成：水分运动模块、氮素模块以及作物生长模块。在每天的模拟循环中，模型需要输入气象数据、田间管理数据、土壤属性数据以及作物生长数据，模拟蒸腾蒸发、土壤水流、土壤含水率变化、作物生长、氮素迁移转化等过程，并把模拟结果输出到不同的文件夹中。　　 在土壤水分模块中，考虑了不同深度土壤中可能存在的饱和流和非饱和流两种情况。对于非饱和流状态，土壤水在土层之间的流动受到土水势的控制，水分向土水势低的方向流动，在模型中把土壤水流考虑为Darcy流，因此水流通量密度可以表示为土水势和非饱和导水率的函数。对于饱和流状态，情况要简单一些，其流动受到饱和导水率和压力势的影响，但在该层之上所有饱和层的压力势都要考虑其中。　　 氮素模块分为两个过程，一个是氮素的迁移过程，另一个是氮素的转化过程。在氮素的迁移过程中，考虑了可溶性的NO3-，NH4+，和尿素随水分运动而发生的运移。对氮素迁移过程使用经典的对流—弥散方程模拟，在模型中使用数值解法对其求解。在氮素转化过程中，氮素在土壤—作物体系中可能有不同的存在形式，并通过氮素循环的各个过程相互转化。在模型中考虑了六个主要的氮素转化过程，即：尿素水解、硝化、反硝化、矿化、铵离子的吸附解吸以及氨挥发。　　 对于作物生长模块，借鉴了IRRI的ORYZA水稻生长模型，根系对氮素的吸收、干物质生产、生长期发育以及叶面积指数等都在此模块中计算。每天的光合作用生产率通过入射辐射、叶面积指数、温度计算出来。减去呼吸消耗就得到了每日净生产率，生长的干物质则根据作物的发育阶段被分配到不同的器官。　　 使用该模型对三年的田间试验进行了模拟验证，实测值和模拟值达到了较好的吻合。耕作层中的铵态氮模拟值与实测值的R2为0.8495。在模拟水稻生产中，总干物种、穗、叶、茎的模拟值与实测值R2都在0.97以上，根的R2为0.8865。在施肥270 kg N/ha的水平下，所模拟氮素循环各个过程中，氨挥发损失为41.2～47.6kg N/ha，反硝化损失为48.7～57.6 kg N/ha，淋失为7.6～9.3 kg N/ha。对于土壤中氮素循环以及水稻生长的模拟，都得到了较好的模拟结果。