基于DNDC模型的秸稈還田量與氮肥的耦合效應(yīng)對夏玉米農(nóng)田N₂O排放的影響研究

靳帥 史永暉 葉桂香 王良 陳國慶

摘要：N₂O是一種重要的溫室氣體，農(nóng)田已成為其重要排放來源。為明確秸稈還田量與氮肥的耦合效應(yīng)對夏玉米農(nóng)田N₂O排放的影響，本試驗利用農(nóng)田實測N₂O排放數(shù)據(jù)對DNDC模型進行驗證，并利用該模型研究了秸稈還田量與氮肥施用量對N₂O排放的耦合效應(yīng)。結(jié)果表明，秸稈還田與氮肥均有利于N₂O排放，玉米大喇叭口期與乳熟期增量最大；秸稈還田量和氮肥對N₂O排放的影響有疊加作用，且隨著施氮量的增加，疊加作用越明顯；在高氮條件（N30）下每增加1875kg/h㎡的秸稈還田量，N₂O排放量增加0.033kg/h㎡，是低氮條件下的1.65倍。本研究結(jié)果可為黃淮海地區(qū)夏玉米農(nóng)田N₂O減排措施的研究提供科學(xué)依據(jù)，具有一定的實踐價值。

關(guān)鍵詞：DNDC模型；N₂O；秸稈還田；氮肥；夏玉米

中圖分類號：S513.01

文獻標(biāo)識號：A 文章編號：1001-4942（2016）02-0068-06

N₂O是一種重要的溫室氣體，對全球溫室效應(yīng)的貢獻約為6% （IPCC，2001），其增溫效應(yīng)是CO₂的150～200倍。農(nóng)田是N₂O排放的最主要來源，在源庫收支平衡中起主導(dǎo)作用。其排放或吸收速率受土壤、氣象、農(nóng)作管理等因素的影響。

秸稈還田是當(dāng)前廣泛應(yīng)用的農(nóng)田管理措施，對改善土壤理化性狀、改良土壤、提高產(chǎn)量均具有重要的意義，是影響農(nóng)田土壤N₂O排放的最關(guān)鍵因素。目前，關(guān)于秸稈還田對土壤理化性質(zhì)、作物產(chǎn)量、肥效影響的研究較多，國內(nèi)外對于秸稈還田對N₂O排放的影響持不同觀點，有學(xué)者認為秸稈還田對N₂O的排放有促進作用，同時有人認為小麥秸稈還田降低了N₂O的排放量，也有學(xué)者認為秸稈還田對于N₂O排放的影響與氮肥的施用量有關(guān)。關(guān)于氮肥施用對于N₂O排放影響的研究較成熟，普遍認為氮肥施用量增加有利于N₂O排放；但就氮肥施用和秸稈還田的耦合作用對N₂O排放影響的研究較少。

DNDC（Denitrification-Decomposition）模型是目前國際上應(yīng)用較為廣泛的生物地球化學(xué)循環(huán)模型之一。由土壤氣候、植物生長、有機質(zhì)分解、硝化、反硝化和發(fā)酵6個子模型組成，可以模擬區(qū)域尺度內(nèi)碳氮元素的運移過程，估算植物生長系統(tǒng)中溫室氣體的排放，是一種評估減排措施的有效工具。國內(nèi)外學(xué)者對其進行了大量的驗證分析。本研究通過大田試驗驗證DNDC模型，利用DNDC模型模擬秸稈還田量與氮肥的耦合效應(yīng)對夏玉米農(nóng)田N₂O排放的影響，可為黃淮海地區(qū)夏玉米農(nóng)田N₂O減排措施提供理論與技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 田間驗證試驗

試驗于2012～2013年在山東省泰安市大汶口鎮(zhèn)試驗田（東經(jīng)117°3′57″，北緯35°58′8″）進行。土壤類型為棕壤，有機質(zhì)含量22.93 g/kg、全氮0.82g/kg、水解氮85.87mg/kg、有效磷27.48mg/kg、速效鉀129.70mg/kg、有效硫43.35mg/kg。冬小麥夏玉米輪作，一年兩熟。夏玉米6月17日播種，品種為鄭單958，種植密度75000株/h㎡。小麥秸稈還田量為7500kg/h㎡。試驗設(shè)置4個施氮水平，分別為0、150、300、450kg/h㎡，并記為NO、N10、N20、N30。隨機區(qū)組排列，重復(fù)3次。小區(qū)長21m，寬8m。試驗用氮肥為尿素，其中40%做基肥于播種期施人，60%做追肥于大喇叭口期施人。

N₂O取樣采用靜態(tài)箱法測定，采集周期為7天（第二次測量時降雨，延后3天），采集時間為上午8：00～12：00。降水后，加大采集密度，每天測定一次，持續(xù)一周。取氣前1min蓋上箱體并用水密封，打開風(fēng)扇電源，風(fēng)扇運行使箱內(nèi)氣體混合均勻。用50 mL醫(yī)用注射器連續(xù)采集0～15～30～45min4針氣樣，用氣相色譜法測定。

N₂O通量計算公式為：式中，F(xiàn)為N₂O排放通量[mg/（㎡·h）]，T為箱內(nèi)溫度（℃），28為每摩爾N，0分子中N的質(zhì)量數(shù)，22.4為溫度273 K時的N₂O摩爾體積，H為采樣箱高度（cm），c為N₂O氣體濃度（μL/L），t為關(guān)箱時間（min），dc/dt為采樣箱內(nèi)N₂O氣體濃度的變化率[μL/（L·min）]。

1.2 模型參數(shù)校正

DNDC模型根據(jù)土壤中各項環(huán)境因子計算土壤各層剖面中微生物硝化、反硝化和發(fā)酵過程的速率，其中反硝化作用子模型模擬以每小時為時間步長的反硝化過程，并計算N₂O的釋放通量。

模型輸入數(shù)據(jù)分為氣象數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、農(nóng)作管理數(shù)據(jù)三類，氣象數(shù)據(jù)由試驗地點氣象站監(jiān)測獲得，大氣中NH₃（以N計）和CO₂的背景值使用模型推薦值為0.06μg/m?和350mg/L。土壤質(zhì)地、pH值、表層土壤有機碳含量、初始硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量等參數(shù)通過取樣測定得到；而土壤中的粘粒粒組、田間持水量通過校正得到。田間管理數(shù)據(jù)包括施肥、灌溉等，均來自實際管理方案。利用試錯法對參數(shù)進行校正。試錯法即根據(jù)已確定數(shù)據(jù)，對需校正的部分數(shù)據(jù)在一定范圍內(nèi)逐個更改取值，取均方根差最小時的參數(shù)值作為模型的最終參數(shù)值，校正后的數(shù)據(jù)如表1所示。

1.3 DNDC模型驗證方法

關(guān)于模型驗證，N₂O的日排放量可以從長期排放量角度來觀察模型的優(yōu)劣，故可以利用皮爾遜相關(guān)系數(shù)（R）與均方根誤差（RMSE）來表示DNDC對N₂O排放的模擬效果（公式1），并觀察DNDC對N₂O釋放峰的捕獲情況來對模擬結(jié)果進行分析。式中，Oi為第i項觀測值，O為觀測平均值，Si為第i項實測值，S為實測平均值，n為觀測次數(shù)。

1.4 模擬試驗處理

在模型模擬試驗中，設(shè)置5個秸稈還田梯度（0、1875、3750、5625、7500kg/h㎡）與4個氮肥梯度（0、150、300、450kg/h㎡）。并就3個秸稈還田梯度（0、3750、7500kg/h㎡）分析秸稈還田對土壤水分和有機質(zhì)的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 DNDC模型驗證

如圖1所示，在4個氮肥處理中，DNDC模型較好地捕獲了由降雨、施肥及灌溉產(chǎn)生的N₂O釋放峰，實測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)在形成時間、持續(xù)時間與峰值大小上均一致。4個處理的相關(guān)系數(shù)分別為0.8409、0.8226、0.8698、0.8463，經(jīng)t檢驗（P<0.05），4組數(shù)據(jù)相關(guān)性均達到顯著水平，模擬結(jié)果與實際值的變化趨勢一致?？傮w來說，DNDC模型可以較好地擬合出N₂O在玉米生長期內(nèi)的排放情況。

2.2 氮肥用量對土壤N₂O排放的影響

由表2可知，在不同氮肥處理下，夏玉米生長期內(nèi)N₂O總排放量差異較大，NO、N10、N20、N30處理下分別為0.46、0.92、1.33、1.55 kg/h㎡，低氮處理（N10）的N₂O排放量是不施氮（NO）的2倍，高氮處理（N30）的N₂O排放量是不施氮（NO）的3.37倍，隨施氮量的增加N₂O的排放量呈明顯上升趨勢。但在氮肥水平較高時N₂O排放量的差異較小，高氮處理（N30）的N₂O排放量僅比中氮處理（N20）的高16%。

由圖2可知，不同施氮量造成的N₂O排放量差異主要體現(xiàn)在玉米大喇叭口期、小喇叭口期與乳熟期的排放峰值的大小上。與不施氮相比，高氮處理所造成的N₂O的排放增量為1.09kg/h㎡，這3個時期排放峰值的增量占總增量的53%。經(jīng)模型模擬，大喇叭口期、小喇叭口期的排放峰受降雨和基肥的控制，乳熟期排放峰受降雨和追肥的控制。

2.3 秸稈還田對土壤N₂O排放的影響

由表3可知，不同秸稈還田處理下，夏玉米生長期內(nèi)N₂O的排放總量隨秸稈還田量的增加而增加，最大秸稈還田量處理比不還田處理高13%，隨秸稈還田量的增加，平均每增加l875kg/h㎡的秸稈還田量，僅增加0.012kg/h㎡的N₂O排放量。

由圖3可知，N₂O排放量差異主要體現(xiàn)在玉米生長期后半部即玉米生長的花粒期，在乳熟期的排放峰中最為明顯，在玉米生長的中前期N₂O的排放量差異并不大。

2.4 秸稈還田與氮肥施用對土壤N₂O排放的影響

表4數(shù)據(jù)顯示了秸稈還田與氮肥施用對土壤N₂O排放的影響（其中N0組數(shù)據(jù)即為2.3中單獨分析的秸稈還田組數(shù)據(jù)，故不再列出）。由表4可知，在秸稈還田、氮肥施用雙因素處理中，N₂O的排放量比單因素時的增量要大，進行少量秸稈還田（1875kg/h㎡）與不進行秸稈還田相比，N₂O排放量增加0.06kg/h㎡，增幅較大。秸稈還田時，在低氮條件下每增加1875kg/h㎡的秸稈還田量，會增加0.01～0.03kg/h㎡的N₂O排放量，平均增加0.02kg/h㎡；在中氮條件下每增加1875kg/㎡的秸稈還田量，會增加0.01～0.03kg/h㎡的N₂O排放量，平均增加0.02kg/h㎡；在高氮條件（N30）下每增加1875kg/h㎡的秸稈還田量，會增加0.02～0.04kg/h㎡的N₂O排放量，平均增加0.033kg/h㎡，其平均增量均大于只進行秸稈還田而不施用氮肥時的增量，且高氮條件下增量最大。故兩種因素對N₂O的排放有疊加效應(yīng)，在高氮條件下這種疊加效應(yīng)最明顯。

N₂O在玉米不同生育期內(nèi)排放量存在較大差異，穗期排放量最大，花粒期次之，苗期最小。不同處理間N₂O排放量的差異主要集中在大喇叭口期與乳熟期。

2.5 秸稈還田量對土壤水分和有機質(zhì)的影響

有研究表明，N₂O的排放主要與氣候條件、氮肥、玉米生長吸收等因素有關(guān)，其排放峰主要受降雨和施肥因素控制。不同因素通過影響土壤各項理化性質(zhì)、改變硝化反應(yīng)與反硝化反應(yīng)速率來影響N₂O排放。

經(jīng)DNDC模型模擬，秸稈還田影響土壤水分含量變化（圖4），秸稈還田條件下的含水量較高。還田量越大，土壤含水量越高。在8月19日玉米開花之前，各處理水分含量差異不大；而在玉米開花之后，各處理間出現(xiàn)了較大的含水量差異，并持續(xù)到玉米生育期結(jié)束，而秸稈還田造成N₂O排放量的差異也集中于花粒期，這與上文關(guān)于N₂O排放的分析結(jié)果一致。秸稈還田使地表水分蒸發(fā)減少，致使土壤水分含量增加，硝化反應(yīng)速度增加，N₂O排放量增大，這與王秀斌等關(guān)于N₂O排放的分析結(jié)果一致。

秸稈還田對土壤有機質(zhì)有一定影響（表5），秸稈覆蓋在土壤表面，對土壤有機質(zhì)積累有利，而有機質(zhì)積累對N₂O的排放有促進作用。與不進行秸稈還田相比，秸稈還田僅對0～10cm土壤的有機質(zhì)含量有影響，完全還田處理組（7500kg/h㎡）的有機質(zhì)含量僅增加了0.07個百分點?？梢姸唐诘慕斩掃€田對于土壤有機質(zhì)含量影響并不大，故土壤有機質(zhì)的變化并不是影響N₂O排放的主要因素，這也可能與小麥C/N比較大、難以分解有關(guān)。

3 結(jié)論與討論

就模擬結(jié)果來看，N₂O的排放方式為“插入式”排放，其排放過程由一個個排放峰組成，排放峰之間的背景排放值比較低。采用靜態(tài)箱法進行N₂O排放測定，這種方法決定了兩次測定點的間隔比較大，再考慮N₂O的“插入式”排放方式，就造成了對于N₂O排放值的測定有時會有較大誤差，故在玉米生長初期降水之后的數(shù)天內(nèi)對N₂O排放值每天進行一次測定。更改模型參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，排放峰的形成主要與降水和基肥施用有關(guān)，增加降水量、降水中的氮濃度、施肥量可以增強該排放峰，更改降水和施肥時間可以使該排放峰提前或延后。但該模型存在一定的缺陷，其過慢地模擬N₂O在玉米生長初期排放峰中的下降趨勢，根據(jù)實測值，該排放峰下降時只持續(xù)2～3天，在第二或第三天就已經(jīng)下降到背景值的水平，而DNDC模型認為該排放峰在5～6天后才結(jié)束，該現(xiàn)象說明DNDC模型可能有其系統(tǒng)誤差，也有可能與試驗方法有關(guān)。

土壤N₂O排放的基本條件是土壤中有充足的有效氮，故氮肥施用量是影響N₂O排放的重要因素。短期內(nèi)秸稈還田影響土壤水分含量等指標(biāo)，使土壤具有良好的通透性和保水性能，為N₂O的排放提供了良好環(huán)境，故兩因素形成了疊加效應(yīng)。在高氮條件下土壤有效氮較多，同時進行秸稈還田處理則會導(dǎo)致N₂O的排放量大幅增加。

綜上所述，秸稈還田與氮肥施用均有利于夏玉米田N₂O的排放，不同處理中N₂O的排放量差異主要存在于玉米的花粒期，且兩因素有疊加效應(yīng)，在高氮條件下秸稈還田更有利于N₂O的排放。