氣候變化對松嫩平原西部土壤有機碳及作物產量的影響研究

周文強+孫麗+臧淑英

摘要：松嫩平原為我國高產糧區(qū)，但其西部由于沙化、鹽堿化日趨加重而減產明顯。本文以松嫩平原西部為研究區(qū)，運用DNDC模型對其進行了2015年表層土壤有機碳及作物產量的模擬，并對不同氣候情景下研究區(qū)土壤有機碳儲量變化和作物產量進行了模擬。研究表明：松嫩平原西部表層土壤中有機碳總約為儲量7794.42萬t，其變化均值為-225.18kgC·ha-1，研究區(qū)為“碳源”；研究區(qū)作物產量均值為3576.167kgC·ha-1，實際作物產量約為8.94t·ha-1，總產量約為3429.83t。研究區(qū)表層土壤有機碳儲量和作物產量在空間分布上均表現(xiàn)為由西北向西南、東南遞減的趨勢。溫度的升高、降水的增多，都會造成研究區(qū)內土壤有機碳儲量減少；空氣中CO2濃度升高，土壤有機碳儲量則會增加。溫度升高、降水增加、空氣中CO2濃度升高，均會造成研究區(qū)作物減產。

關鍵詞：松嫩平原西部；DNDC模型；土壤有機碳；作物產量

中圖分類號：X16 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2017）02-0031-06

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2017.02.005

引言

近年來，隨著溫室效應的加重，全球變暖、冰川融化、降水增多已成為不可逆轉的趨勢。而隨著氣候的變化，相應的對農田生態(tài)系統(tǒng)產生了極其深遠的影響。土壤有機碳（Soil organic carbon，SOC）作為農田生態(tài)系統(tǒng)中重要的碳庫和營養(yǎng)元素庫，是土壤質量以及土壤功能的核心，不僅直接影響著土壤肥力和土地生產力，也影響著CO2的排放，與氣候變化直接相關[1]。然而土壤有機碳的轉變過程非常緩慢，但近年來受到了氣候的影響。氣候的變化正日益深化對土壤有機碳的影響[2]。

本文以松嫩平原西部地區(qū)為例，采用DNDC模型模擬其表層土壤有機碳儲量及其變化，并估算該區(qū)域作物產量，為研究區(qū)土壤培肥和土壤碳循環(huán)研究提供依據。同時對該研究區(qū)進行不同氣候情景模式下的模擬，以此來尋找氣候變化對表層土壤有機碳儲量及作物產量的影響。

1 材料和方法

1.1 DNDC模型介紹

DNDC模型（Denitrification-Decomposition model，脫氮-分解作用模型）是美國新罕布什爾大學陸地海洋空間研究中心李長生教授等開發(fā)研制并推廣起來的。DNDC 模型由兩個部分組成：第一部分包含土壤環(huán)境、植物生長、有機質分解三個子模型，其作用是根據輸入的氣象、土壤、植被、土地利用和農田耕作管理數(shù)據預測植物-土壤系統(tǒng)中諸環(huán)境因子的動態(tài)變化（土壤溫度、土壤濕度、pH、氧化還原潛力Eh等）；第二部分包含硝化反應、脫氮反應、發(fā)酵反應三個子模型，這部分的作用是由土壤環(huán)境因子來預測微生物參與上述三個化學反應的速率。6個子模型以日為時間步長，互相傳遞信息，以模擬真實世界中環(huán)境條件-植物生長-土壤化學變化間的相互作用。應用DNDC模型模擬任一點的生物地球化學過程時，只要根據當?shù)胤N植耕作情況輸入氣象、土壤以及作物等數(shù)據，便可進行一年至多年的模擬[3]。

1.2 研究區(qū)概況

松嫩平原西部 （43° 59′～47° 52′ E、121° 38′～125° 45′ N），總面積6. 71×104 km2，屬半干旱半濕潤地區(qū)，年降水量350～400 mm之間，年均溫2～5. 6℃。隨著過度開墾和過度放牧，以及一些不合理的農田耕作措施，使得松嫩平原西部地區(qū)沙化、鹽堿化日趨嚴重，土壤生產力也有所下降，因此，對該區(qū)域的生態(tài)恢復就顯得尤為重要[4]。

1.3 試驗設計

通過兩次土壤采樣，以及室內理化實驗分析得到研究區(qū)內土壤的相關理化性質，進而進行DNDC模型模擬。相關的氣象數(shù)據來源于中國氣象數(shù)據共享網。

1.4 模型驗證

模型精度驗證方法選擇均方根誤差法RMSE（Root-mea-square Error）來驗證模型的精度。RMSE是觀測值與模擬值偏差的平方和觀測次數(shù)比值的平方根，公式如下：

式中OBSi為觀測值，SMi為模擬值，OBSi為觀測平均值，n為樣本容量。RMSEn的值越小，表明模擬值與實測值的一致性越好。模擬值與實測值之間的偏差越小，模型的模擬結果越準確可靠。一般研究中多采用如下參考：（1）RMSEn值小于10%，表明模擬值與預測值一致性非常好；（2）RMSEn介于10%～20%之間，說明模擬結果較好，若介于20%～30%之間表明模擬效果一般；（3）RMSEn大于30%表明模擬效果差，模擬值與實測值偏差大[5]。

1.5 敏感性分析

有機碳含量及其變化是外界氣候條件和人為的耕作管理措施共同作用下的結果。但本文主要研究的是外界不同氣候條件對土壤有機碳含量的影響，因此選取的變更因子，包括氣溫、日平均降水量以及空氣中CO2的濃度。

各因子的變更系數(shù)均為相對于實際±10%。

2 結果與討論

2.1 研究區(qū)SOC儲量及其變化

本研究應用DNDC點位模式選取研究區(qū)24個樣點按模型要輸入所需數(shù)據后對土壤有機碳含量（單位：kgC/ha）進行了情景模擬，并根據第二次野外考察所得實測數(shù)據進行RMSEn的計算得=11.949%。按照上述標準，模擬結果較好，能夠進行下一步的模擬分析。

基于DNDC模型的區(qū)域模擬主要應用Arcgis10.1中泰森多邊形模塊將研究區(qū)域分成48個單元，之后將各個區(qū)域中參數(shù)信息按要求輸入后進行模擬。模型模擬完成后，將輸出數(shù)據整理得出各個子單元中不同作物類型下單位面積表層土壤有機碳含量、土壤有機碳儲量變化。經計算，研究區(qū)土壤中有機碳儲量平均值為20317.41kgC·ha-1，總儲量約為7794.42萬噸C。在研究區(qū)廣大的區(qū)域內，土壤中有機碳儲量基本介于2638.31～88357.46kgC·ha-1之間，其在區(qū)域內最高值與最低值之比達到了33.5，可見研究區(qū)有機碳儲量分布極不均勻。而研究區(qū)內表層土壤有機碳儲量變化主要介于-535.86～350.75kgC·ha-1之間，其均值為-225.18kgC·ha-1，故研究區(qū)的農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是一個“碳源”。

在2015年，研究區(qū)內有機碳變化分布總體上呈現(xiàn)減少的趨勢，僅有部分地區(qū)略有增加，表現(xiàn)為“碳源”。其中，在研究區(qū)西北部的龍江、齊齊哈爾以及中部的大安、乾安、前郭地區(qū)減少最為明顯，均達到了-535.86～-254.2kgC·ha-1。龍江、齊齊哈爾以及周邊地區(qū)，由于有機碳儲量基數(shù)較大，經過一個作物生長季的消耗，而相應的補給較少，故有機碳含量大量減少；而大安、乾安和前郭地區(qū)這是研究區(qū)內沙化、鹽堿化趨勢加重的區(qū)域，故有機碳流失較大。而研究區(qū)西南部通榆、長嶺地區(qū)雖然也是鹽堿化較為嚴重的地區(qū)，但由于人為因素的補充，故有機碳變化不大，甚至略有盈余。

2.2 不同情景模式下土壤有機碳儲量變化的模擬

利用DNDC模型蒙特卡洛測試方法來進行不同氣候條件下土壤有機碳儲量變化的模擬。在輸入項目溫度中鍵入誤差值0.1（表示溫度的誤差在其已輸入值的±10%），根據模擬結果做出圖2，得出溫度（Temp）與土壤有機碳儲量變化減少趨勢相同，即溫度增高，SOC儲量減少的越多；反之，溫度降低，土壤中SOC儲量減少的趨勢在減緩。溫度的變化直接影響著研究區(qū)土壤SOC的儲量，但研究區(qū)土壤有機碳儲量一直處于負增長，即始終是“碳源”。

在輸入項目降水中鍵入誤差值0.1（表示降水的誤差在其已輸入值的±10%），根據模擬結果做出圖3，得出降水（Prec）與土壤有機碳儲量變化減少趨勢也相同，即降水越多，SOC儲量減少的也越多；而隨著降水的減少，土壤中SOC儲量減少的趨勢在減緩。

在輸入項目CO2濃度中鍵入誤差值0.1（表示空氣中CO2濃度的誤差在其已輸入值的±10%），根據模擬結果做出圖4，得出CO2濃度（ppm）與土壤有機碳儲量變化減少的趨勢相反，即空氣中CO2含量增高，SOC儲量減少的趨勢在放緩，土壤中SOC儲量會增高。

根據以上對研究區(qū)3種不同氣候條件下的情景模擬，我們可以看出氣候對土壤中SOC儲量的變化產生著直接的影響。在當代全球氣候變暖的大環(huán)境下，研究區(qū)土壤中SOC儲量減少的趨勢在加重，而隨著SOC儲量的減少，研究區(qū)土壤沙化、鹽堿化的趨勢也會隨之加重。

2.3 研究區(qū)作物產量的模擬與驗證

按要求將DNDC模型所需參數(shù)數(shù)據輸入輸入模型后，經模擬得出48個單元格點中單位面積作物純碳的產量，研究區(qū)單位面積作物純碳產量基本在2500～4500kgC·ha-1之間，經計算其平均值為3576.167kgC·ha-1。由于DNDC模型默認作物實際產量與作物碳產量之間換算系數(shù)為0.4，則研究區(qū)實際作物產量約為8.94t·ha-1，總產量約為3429.83t。

2.4 不同情景模式下研究區(qū)作物產量的模擬

研究區(qū)作物產量的模擬同樣利用DNDC模型的蒙特卡洛測試方法來完成。不同氣候條件可能對研究區(qū)內的作物產量產生不同的影響。在輸入項目溫度中鍵入誤差值0.1，其他條件保持不變，根據模擬結果做出圖5，得到溫度（Temp）對作物產量變化的影響。我們發(fā)現(xiàn)，溫度變化與作物產量變化是成反比的。溫度升高，作物產量減少；相反，溫度降低，作物產量增加。經計算，溫度每升高1℃，研究區(qū)內作物大約減產12.69 kgC·ha-1。

在其他條件保持不變的情況下，分別在輸入項目降水和CO2中鍵入誤差值0.1，根據模擬結果做出圖6、圖7，分別得到降水（Prec）以及CO2濃度（ppm）對作物產量變化的影響。我們發(fā)現(xiàn)，降水和空氣中CO2濃度的變化與作物產量變化是成反比的，并且影響特別大。降水增多10%，減產大約583.24kgC·ha-1；而空氣中CO2濃度增多10%，減產大約407.23kgC·ha-1。當降水減少或者空氣中CO2濃度降低時，研究區(qū)作物產量會得到一定程度上的提升。

溫度以及降水的變化，對研究區(qū)表層土壤SOC儲量變化和作物產量變化的影響是一致的，都呈反比。特別需要指出的是空氣中CO2濃度，其與研究區(qū)表層土壤SOC儲量變化呈正比，但與研究區(qū)作物產量變化呈相比。究其原因，可能是空氣中CO2濃度對作物本身的影響要明顯高于對土壤的影響。

2.5 作物產量、土壤有機碳儲量及其變化相關分析

經過SPSS19.0軟件分析后，對研究區(qū)作物產量、土壤有機碳儲量及其變化進行了相關性分析，得到表1。

結果表明研究區(qū)作物產量與土壤有機碳儲量在0.1水平上呈顯著正相關，與其有機碳儲量變化在0.1水平上呈顯著負相關。雖然上表對作物產量與土壤有機碳儲量及其儲量變化間相關性進行表述，但上表未體現(xiàn)出土壤有機碳儲量與其儲量變化間在0.1水平上呈顯著負相關，相關系數(shù)-0.88。

3 結論

（1）通過DNDC模型點位模擬，將得到的模擬值與實測值進行了精度驗證，其RMSEn值為11.949%，表明在松嫩平原西部進行DNDC模擬結果較好，DNDC模型可用于該區(qū)域的模擬。

（2）松嫩平原西部表層土壤中有機碳儲量基本介于2638.31～88357.46kgC·ha-1之間，總儲量約為7794.42萬t。而表層土壤有機碳儲量變化介于-535.86～350.75kgC·ha-1之間，均值為-225.18kgC·ha-1，研究區(qū)的農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是一個“碳源”。

（3）松嫩平原西部單位面積作物純碳產量基本在2500～4500kgC·ha-1之間，均產3576.167kgC·ha-1，研究區(qū)實際作物產量約為8.94t·ha-1，總產量約為3429.83t。

（4）經過不同氣候情景下的模擬，溫度的升高、降水的增多，都會造成研究區(qū)內土壤有機碳儲量減少；空氣中CO2濃度升高，土壤有機碳儲量則會增加。溫度、降水以及CO2濃度與研究區(qū)作物產量均呈反比，即溫度升高、降水增加、空氣中CO2濃度升高，均會造成研究區(qū)作物減產。

參考文獻

[1]陳海心，孫本華，馮浩，趙英，張延.應用DNDC模型模擬關中地區(qū)農田長期施肥條件下土壤碳含量及作物產量[J].農業(yè)環(huán)境科學學報，2014，09：1782-1790.

[2]劉力，阮榮平. 氣候變暖對糧食安全的影響綜述[J]. 江蘇農業(yè)科學，：1-5.

[3]李長生. 生物地球化學的概念與方法──DNDC模型的發(fā)展[J]. 第四紀研究，2001，02：89-99.

[4]劉殿偉，宋開山，王丹丹，張樹清. 近50年來松嫩平原西部土地利用變化及驅動力分析[J]. 地理科學，2006，03：277-283.

[5]王德營，姚艷敏，司海青，唐鵬欽. 黑土有機碳變化的DNDC模擬預測[J]. 中國生態(tài)農業(yè)學報，2014，03：277-283.

[6]楊黎，王立剛，李虎，邱建軍，劉慧穎. 基于DNDC模型的東北地區(qū)春玉米農田固碳減排措施研究[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學報，2014，01：75-86.

[7]張明園，魏燕華，孔凡磊，陳阜，張海林. 耕作方式對華北農田土壤有機碳儲量及溫室氣體排放的影響[J]. 農業(yè)工程學報，2012，06：203-209.

[8]李悅，郭李萍，謝立勇，黃樹青，徐玉秀，趙迅. 不同農作管理措施對東北地區(qū)農田土壤有機碳未來變化的模擬研究[J]. 中國農業(yè)科學，2015，03：501-513.