基于DNDC模型的冬小麥-夏玉米農(nóng)田滴灌施肥優(yōu)化措施研究

陳 靜，王迎春，李 虎*，王立剛，吳永常，韋文珊

（1 中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟與發(fā)展研究所，北京 100081；2 中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081）

N2O在大氣中的含量很低，但是其單分子全球增溫潛勢是CO2的298倍[1]，被列為排在二氧化碳、甲烷之后的第三大溫室氣體，農(nóng)業(yè)土壤排放的N2O約占人類活動N2O排放總量的52%[2]。氣象因素、土壤特征和農(nóng)田管理措施均可能影響土壤中硝化和反硝化的過程，進而影響N2O排放，其中化學氮肥施用是影響N2O排放的主要因素[3]。最近幾十年，我國由于施氮所產(chǎn)生的N2O排放已經(jīng)占到全球排放量的25%～30%，對全球氣候變暖產(chǎn)生了重大影響[4]。滴灌施肥是一種具有節(jié)水、節(jié)肥和減排效果的農(nóng)田管理技術(shù)，與傳統(tǒng)灌溉和施肥方式相比能顯著提高14%～35%的水分利用效率[5-7]和30%左右的肥料利用效率[8-9]，同時能減少30%～75%的N2O排放[10-13]，但是也有研究結(jié)果顯示由于滴灌施肥較高的灌溉頻率[14-15]和增加了土壤中硝態(tài)氮的累積[16]反而會增加N2O排放。因此，科學地制定和實施滴灌施肥管理措施，在保障作物產(chǎn)量的同時減少溫室氣體排放，對于促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。準確地估算不同滴灌施肥管理條件下的作物產(chǎn)量和溫室氣體排放是科學制定和實施管理方案的基礎(chǔ)。模型作為田間觀測方法的補充，能對作物系統(tǒng)復雜生物地球化學等過程進行定量評價，又具有現(xiàn)場監(jiān)測所欠缺的預測功能，越來越被世界各地廣泛應(yīng)用[17]。其中DNDC (Denitrification-Decomposition) 模型由于在模擬作物生長與溫室氣體排放上的良好表現(xiàn)，是各國科學家重點關(guān)注的模型之一[18-22]，現(xiàn)已成為尋求控制和減少農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放技術(shù)措施的有效工具[23]。

華北平原是我國重要的糧食產(chǎn)區(qū)，過量施肥所引發(fā)的農(nóng)業(yè)面源污染問題正威脅區(qū)域生態(tài)安全[24-25]，在農(nóng)民習慣種植條件下，華北平原冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)年N2O排放量可達 N 4.1～7.6 kg/hm2[25-26]。滴灌施肥技術(shù)在我國大田作物上的應(yīng)用示范面積正逐漸擴大，到2020年在華北地區(qū)應(yīng)用滴灌施肥等水肥一體化技術(shù)的小麥、玉米農(nóng)田將達到2000萬畝[27]。因此通過優(yōu)化華北地區(qū)小麥-玉米農(nóng)田滴灌施肥管理措施，能有效減少華北平原冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)N2O排放，進而減少對氣候變暖的影響。

滴灌施肥管理在滴灌施肥頻率和滴灌施肥量上都具有很大的靈活性，因此田間試驗處理局限性可能對增產(chǎn)和減排效果的科學評估帶來偏差，進而錯過最優(yōu)的增產(chǎn)減排方案。本研究針對田間觀測的局限性，在利用田間觀測數(shù)據(jù)對DNDC模型進行驗證的基礎(chǔ)上，應(yīng)用DNDC模型評價不同滴灌施肥方案對華北典型冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)作物產(chǎn)量和溫室氣體凈排放的綜合影響。綜合考慮作物產(chǎn)量和N2O排放提出優(yōu)化的冬小麥-夏玉米體系滴灌施肥制度，分析優(yōu)化滴灌施肥措施下的N2O減排成效和經(jīng)濟效益，以期為滴灌施肥技術(shù)在華北平原的推廣應(yīng)用提供科學依據(jù)和方法參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地點概況

本試驗于2012—2013年在山東省桓臺縣新城鎮(zhèn)逯家村長期試驗基地 (北緯 36°57ˊ30"，東經(jīng)117°58ˊ15") 進行，屬半干旱半濕潤暖溫帶大陸性季風氣候。試驗區(qū)主要種植制度為冬小麥/夏玉米輪作，本試驗在已連續(xù)多年實施免耕和秸稈還田管理的冬小麥-夏玉米輪作農(nóng)田上進行。供試農(nóng)田土壤質(zhì)地為粉土壤，其他基礎(chǔ)理化性質(zhì)見表1。

表1 試驗地土壤理化性質(zhì)Table 1 Soil physical-chemical proprieties of the experimental plots

1.2 試驗設(shè)計

本研究共設(shè)計2組試驗，分別為測熵補灌試驗和生育期滴灌施肥試驗。其中測熵補灌試驗中施肥量固定，生育期滴灌施肥試驗中灌溉方案固定。2個試驗共同設(shè)置1個常規(guī)地面灌溉+肥料撒施處理 (CWF)和常規(guī)地面灌溉不施肥 (CK) 作為對照，CWF處理灌溉、施肥量和時間與當?shù)剞r(nóng)民習慣一致，冬小麥季施氮270 kg/hm2(底施N 120 kg/hm2，拔節(jié)期追施N 150 kg/hm2)，夏玉米季施氮330 kg/hm2(底施N 120 kg/hm2，大喇叭口期追施N 210 kg/hm2)，底肥為NPK復合肥料，追肥為尿素。灌水定額為每次90 mm，冬小麥季灌3次水，夏玉米季灌1次水。

1.2.1 測熵補灌試驗 (第1組試驗) 綜合計劃濕潤深度、濕潤區(qū)比例、灌溉系統(tǒng)效率等影響測墑補灌量的不確定因素，以灌溉系數(shù)為計量，設(shè)置了5個灌溉處理，分別為W1 (灌溉系數(shù)0.5)、W2 (灌溉系數(shù)0.75)、W3 (灌溉系數(shù)1)、W4 (灌溉系數(shù)1.5) 和W5 (灌溉系數(shù) 2)。灌水量 (mm) 由公式Q= 10a×H×(θfc-θ0) 計算得出[28]。式中：a為灌溉系數(shù)；H為土壤計劃濕潤層的深度 (cm)，本試驗計劃濕潤深度為40 cm；θfc為田間持水量 (體積含水量)；θ0為灌溉前計劃濕潤深度土壤體積含水量，灌溉下限為85%田間持水量。根據(jù)上述公式計算得出不同灌溉系數(shù)處理的灌溉量。每個小區(qū)灌水量由單獨的水表計量，不同時期具體灌水量如表2。施肥方案選擇試驗2中的N2處理 (表2)。

1.2.2 生育期滴灌施肥試驗 (第2組試驗) 設(shè)置3個施氮量梯度處理即N1 (35% 農(nóng)民常規(guī)施氮量)、N2 (70%農(nóng)民常規(guī)施氮量) 和N3 (100%農(nóng)民常規(guī)施氮量)，滴灌量與第1組試驗的W3處理相同。施肥比例為冬小麥季分蘗期占15%，拔節(jié)期占20%，孕穗期占25%，揚花期占25%，灌漿期占15%；夏玉米季拔節(jié)期占15%，小喇叭口期占15%，大喇叭口期占20%，抽雄期占20%，灌漿期占20%，蠟熟期占10%。各施氮處理中磷、鉀肥用量相同，折純P2O5和K2O的具體用量分別為冬小麥84.7 kg/hm2和118.3 kg/hm2，夏玉米分別189 kg/hm2和84.7 kg/hm2。氮、鉀肥全部滴施，磷肥20%作為底肥一次施入，80%滴施。滴施氮肥中三個施氮量處理中均有13 kg氮來自磷酸一銨，其余來自于尿素。具體的灌溉施肥時間和灌溉施肥量見表2和表3。

試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，每處理重復3次，試驗小區(qū)面積50 m2(5 m × 10 m)。滴灌系統(tǒng)采用滴灌線，滴頭間距30 cm，每行小麥布設(shè)1條毛管。灌溉井在試驗區(qū)東南角，試驗區(qū)四周均有寬2.5 m的保護行。每個小區(qū)配備一個壓差式施肥罐和一個水表，以保證每個小區(qū)單獨灌水和施肥的要求，灌溉總壓力為0.3 Mpa，平均滴頭流速為0.15 L/h。供試小麥品種為當?shù)刂髟云贩N‘魯原502’，玉米品種為‘鄭單958’。

1.3 樣品采集與模擬數(shù)據(jù)獲取

采用靜態(tài)箱法監(jiān)測供試冬小麥-夏玉米農(nóng)田土壤的N2O排放通量。靜態(tài)箱置于作物畦上，一行小麥或玉米落在底座內(nèi)。每次滴灌施肥后逐日采樣7天；每次10 mm以上日降雨后，逐日采樣5天；每次播種后連續(xù)取樣3天；其他情況下，3 ～11月每周采樣1次，12月、1月和2月份每2周采樣一次。為了便于比較和減少日變化所導致的N2O排放通量差異，取樣時間保持在當?shù)貢r間的9: 00—11: 00之間進行。

采集每針氣樣時，同時測定該時期的氣溫、箱內(nèi)溫度和5 cm土壤溫度，在取氣樣小區(qū)內(nèi)隨機取三點0—10 cm土壤充分混合，置于預先裝有冰塊的保溫箱中，帶回實驗室后，一部分利用烘干法測定土壤含水量；另一部分立即過2 mm篩，稱取鮮土24.00 g，裝入500 mL 白色振蕩瓶中，加入100 mL 1 mol /L的KCl 溶液浸提，振蕩1 h，將濾液于-18℃冰柜中保存，測定前解凍，利用連續(xù)流動分析儀 (Autoanalyzer 3) 測定無機氮 (-N、-N) 含量。作物收獲時，選小區(qū)長勢均勻的區(qū)域取7.5 m2(3 m × 2.5 m) 進行測產(chǎn)，單獨脫粒曬干 (含水率為12.5%) 后計產(chǎn)。

表2 灌溉試驗區(qū)冬小麥和夏玉米灌溉施肥日期和用量Table 2 Irrigation and fertilization date and amount of winter wheat and summer maize in each plot

表3 DNDC模擬的灌溉方法表征參數(shù)Table 3 Indicted parameters for simulated irrigation method of DNDC

通過田間小型氣象站獲取逐日氣象資料 (日降雨量、日最高和最低氣溫)；實時記錄田間管理措施(施肥日期、施肥方式、施肥量、灌溉日期、灌溉水量、耕作時間、播種及收獲日期等)。

1.4 N2O分析計算方法

本研究采用安捷倫7890A氣相色譜分析儀 (安捷倫科技 (中國) 有限公司) 檢測采集到的氣體樣品中N2O的濃度，測定N2O濃度所用檢測器分別為氫火焰離子化檢測器 (FID) 和電子捕獲檢測器 (ECD)，載氣為高純氮氣。

N2O排放通量計算公式為：

式中：F為N2O排放通量 (N kg/hm2)；ρo為標準狀態(tài)下待測氣體密度；V為箱子體積 (m3)；A為罩箱面積(m2)；T和P分別為采樣時的絕對溫度 (℃) 和采樣點的氣壓 (mm Hg)；T0和P0分別為標準狀態(tài)下空氣的絕對溫度 (℃) 和氣壓 (mm Hg)；Ct為t時刻箱內(nèi)N2O的體積混合比濃度；dCt/dt為箱內(nèi)目標氣體濃度隨時間變化的回歸直線斜率。各處理整個生長季或全年總的N2O排放量直接由觀測通量值計算，用內(nèi)插法計算相鄰兩次監(jiān)測之間未觀測日期的排放通量，然后將觀測值和未觀測日計算值逐日累加得到N2O季節(jié)排放總量。

根據(jù)施氮肥 (N1、N2、N3、C) 和對照處理 (CK)的N2O季節(jié)排放總量和氮肥施用量計算冬小麥和夏玉米生長季N2O直接排放系數(shù) (指當年或當季施用的肥料氮素通過N2O排放損失的比率，EFd)，計算公式為：

式中：EF和EC分別為施氮肥和對照處理下冬小麥-夏玉米生長季N2O排放總量 (N kg/hm2)，N為當季施氮肥量 (N kg/hm2)。

排放強度是指形成單位經(jīng)濟產(chǎn)量的N2O排放量。計算公式為：

式中：I為排放強度 (N kg/t)；F為供試農(nóng)田土壤N2O排放通量 (N kg/hm2)；Y為作物產(chǎn)量 (t/hm2)。

1.5 DNDC模型滴灌施肥模擬方法

對于旱地農(nóng)業(yè)，DNDC模擬的基本灌溉方法包括漫灌 (furrow irrigation)、噴灌 (sprinkler irrigation)、地上滴灌 (surface drip irrigation) 和地下滴灌 (subsurface drip irrigation)。在DNDC中，這些灌溉方法通過灌水深度、灌溉強度和植根近水系數(shù)來表征。這些參數(shù)的數(shù)值列于表3中。

DNDC模擬滴灌施肥的方法是將上述灌溉方法與施肥相結(jié)合，即將化肥溶解在灌溉水中，然后將灌溉水輸入農(nóng)田。為實施這種模擬，用戶需事先準備好一個水肥一體化灌溉情景文件，該文件提供每日輸入農(nóng)田的水量、化肥量和灌溉方法。DNDC根據(jù)讀入的數(shù)據(jù)，來確定每日的灌溉水量、化肥量和灌溉方法。在本研究中，灌溉方法為地上滴灌。

1.6 經(jīng)濟效益分析方法

利用部分預算法[29]，將農(nóng)田管理技術(shù)投入分為固定投入和變量投入兩部分，固定投入為新技術(shù)與原技術(shù)相比沒有變化的投入 (可視為一個常數(shù))，重點計算變量投入的投資收益率來分析滴灌施肥優(yōu)化方案的經(jīng)濟效益。具體計算公式如下：

基于部分預算法的新技術(shù)采用標準：1) 如凈收益保持不變或降低，則不應(yīng)采用新技術(shù)；2) 如凈收益增加，變量投入保持不變或降低，則推薦采用新技術(shù)；3) 如果凈收益和變量投入都增加，則根據(jù)收益率來確定是否采用新技術(shù)，只有當收益率至少超過100% 新技術(shù)才應(yīng)該被采用[30]。

2 結(jié)果與分析

2.1 DNDC模型水肥一體化模塊的驗證

在試驗地氣候、土壤背景和土地利用條件下更全面的驗證DNDC模型，是應(yīng)用DNDC模型水肥一體化模塊深入研究不可或缺的工作。模型的驗證是通過實際觀測參數(shù)來運轉(zhuǎn)校正后的模型，以檢驗?zāi)Ｐ偷哪M結(jié)果是否與田間試驗觀測結(jié)果一致。本文利用2012—2013年冬小麥-夏玉米季各滴灌施氮(N1、N2和N3) 措施下N2O排放和小麥、玉米產(chǎn)量以及不同滴灌 (W1、W2、W3、W4、W5) 措施下的作物產(chǎn)量對DNDC模型進行驗證，考察模型水肥一體化模塊的有效性。

2.1.1 DNDC模擬作物產(chǎn)量與田間觀測結(jié)果比較準確地模擬作物產(chǎn)量是生物地球化學模型成功的關(guān)鍵。DNDC模型對作物產(chǎn)量的模擬主要由作物生長子模型來進行，根據(jù)作物種類、氣溫、土壤濕度、管理措施來計算光合作用、自養(yǎng)呼吸、光合產(chǎn)物分配、水分及氮吸收，從而預測作物的產(chǎn)量[2]。

冬小麥-夏玉米輪作不同滴灌量和施肥量處理的產(chǎn)量模擬對比結(jié)果(圖1)表明，各施氮量處理下模型模擬值與觀測值的相關(guān)系數(shù)R2值為0.77，說明DNDC模型能較好的模擬各施氮量處理下供試農(nóng)田的作物產(chǎn)量。具體而言：模型再現(xiàn)了實測中冬小麥產(chǎn)量N2處理最高，N3處理反而有所下降，而夏玉米N2和N3處理產(chǎn)量差異較小的規(guī)律特征。只有夏玉米季N1處理產(chǎn)量模擬值和實測值差距較大，在這一處理中，夏玉米在施氮量僅為常規(guī)施氮量的35%的情況下實測產(chǎn)量下降不顯著可能是由于試驗地土壤基礎(chǔ)硝態(tài)氮含量較高，而且在氮素嚴重不足的情況下生態(tài)因子補償性發(fā)揮作用調(diào)節(jié)作物生長，致使實際產(chǎn)量對施肥量降低的敏感度低于模型，導致模型模擬值與實測值差異較大。各滴灌量處理下模擬值與觀測值相關(guān)系數(shù)R2值為0.93，表明DNDC模型能夠很好的模擬各滴灌量處理下供試農(nóng)田的作物產(chǎn)量，再現(xiàn)了冬小麥季滴灌量最高的W5處理下作物產(chǎn)量開始有所下降，夏玉米季滴灌量對產(chǎn)量影響不明顯的趨勢。總體來看，DNDC模型具備了模擬滴灌施肥一體化管理措施下冬小麥和夏玉米產(chǎn)量的能力。

圖1 作物產(chǎn)量模擬值與觀測值比較Fig. 1 Comparison of crop yields between the simulated and observed ones

2.1.2 DNDC模擬N2O排放與田間觀測結(jié)果比較2012—2013年冬小麥-夏玉米生長季N2O排放總量的田間實測值和模擬值比較結(jié)果如圖2所示。結(jié)果表明，N0、N1、N2和N3處理下N2O排放季節(jié)總量觀測結(jié)果分別為N 0.53、1.14、1.56、1.73 kg/hm2；相應(yīng)的DNDC模擬結(jié)果分別為N 0.62、1.10、1.42、2.28 kg/hm2。模擬結(jié)果與觀測結(jié)果接近，R2值為0.83。模擬結(jié)果與觀測結(jié)果的比較表明，經(jīng)過參數(shù)調(diào)整后的DNDC能準確的模擬不同滴灌施氮措施對N2O排放總量的影響。

圖2 N2O排放總量模擬值與實測值比較Fig. 2 Comparison of N2O emissions between the simulated and observed ones

圖3 N2O排放季節(jié)動態(tài)實測值與模擬值比較Fig. 3 Comparison between the simulated and observed N2O emissions after model calibration

試驗地4個滴灌施氮處理2012—2013年土壤N2O排放季節(jié)動態(tài)田間實測值和模擬值比較見圖3。如前所述，滴灌施肥條件下，N2O排放峰值很低，主要是在滴灌施肥和強降雨后出現(xiàn)3～5天的排放波動，且夏玉米季N2O排放量高于冬小麥季，模型基本捕捉到了實測到的各處理在滴灌施肥和降雨后引發(fā)的N2O排放波動，同時反映了滴灌施肥條件下7月的雨季高峰期對農(nóng)田土壤N2O排放的貢獻最大的現(xiàn)象，模擬的N2O排放動態(tài)規(guī)律與實測值基本一致。但是這幾個處理中模型都沒有捕捉到耕作時所引起的實測很低的排放波動，可能是由于試驗地采用夏玉米播種時免耕，冬小麥播種時少耕的模式，同時沒有施入N肥底肥，模型認為這樣土壤受到的擾動很少，不會產(chǎn)生相應(yīng)的排放波動，而實際中雖然是免耕和少耕，播種時還是會對土壤有一定的擾動，加上需要對試驗器材進行保護，收獲和播種時人經(jīng)常需要在農(nóng)田中走動，因而造成了一定的N2O排放波動。總體來說，在滴灌施肥條件下，DNDC模型可以在排放動態(tài)方面較真實地模擬N2O排放通量，能較可靠地模擬滴灌施肥措施對冬小麥/夏玉米農(nóng)田土壤N2O排放的影響。

2.2 華北平原滴灌施肥情景模擬與優(yōu)化

滴灌施肥管理措施中施氮量、滴灌量、滴灌施肥時間、次數(shù)和措施都會影響該項技術(shù)的應(yīng)用效果。大田試驗具有耗時長、成本高、可控性差等問題，而模型模擬可以解決這一問題，因此本文通過校正并驗證過的模型模擬篩選出適用于華北平原的最優(yōu)的滴灌施肥一體化措施。首先通過設(shè)置不同的灌溉和施氮量情景篩選出最優(yōu)的滴灌施肥量，之后在固定滴灌施肥量的基礎(chǔ)上優(yōu)化滴灌施肥管理時間和次數(shù)。

2.2.1 滴灌施氮量的優(yōu)化 以試驗中篩選出的最佳管理N2和W3處理的施氮量和滴灌量作為基礎(chǔ)值，在此基礎(chǔ)上設(shè)置8個不同滴灌量和施氮量 (表4)，通過DNDC模型模擬不同情景下的冬小麥和夏玉米的產(chǎn)量及N2O排放總量，從增產(chǎn)和減排多目標的角度篩選華北平原最優(yōu)的水肥一體化管理措施，具體如圖4所示。通過對比可以看出，與試驗結(jié)果一致，基礎(chǔ)值滴灌量情景下冬小麥產(chǎn)量最高，灌溉量變化對N2O排放總量的影響不大。滴灌量變化對與夏玉米產(chǎn)量幾乎沒有影響，減灌80%的灌水量處理為最優(yōu)，沒有繼續(xù)降低滴灌量是因為減灌80%后每次灌溉量僅為4.8 mm，已經(jīng)接近能把肥料完全滴入農(nóng)田土壤中的下限灌溉量。因此最優(yōu)灌溉量冬小麥季為本底值 (130 mm)，夏玉米季為減灌80% (19 mm)。不同施氮量情景下，基礎(chǔ)值之前作物產(chǎn)量逐漸增加，基礎(chǔ)值之后繼續(xù)增加氮肥投入對產(chǎn)量的促進作用不大，但N2O排放量急劇上升，因此基礎(chǔ)值 (冬小麥N 189 kg/hm2、夏玉米N 231 kg/hm2) 的施氮量是產(chǎn)量和N2O排放綜合最優(yōu)的施氮量。

表4 DNDC模型模擬設(shè)置的滴灌量和施氮量情景模式Table 4 Scenarios of irrigation quantity and nitrogen amount for DNDC simulation

2.2.2 滴灌施氮時間和頻率的模擬與優(yōu)化 玉米生長季中的7月份是試驗區(qū)2012—2013年降雨量最大的時期，占全年降水總量的67.4%，歷史年份中7月份均為降雨量最大的時期。同時在7月由于土壤水分含量很大，不宜采用滴灌施肥措施，而是采用條施追肥，從而進一步促進了N2O的排放。從田間監(jiān)測數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)都可以看出，7月份N2O排放峰值最高，總量也最高，N1、N2和N3處理7月份N2O排放總量平均占全年排放總量的比例實測結(jié)果為25%，模型模擬結(jié)果為28%。因此筆者考慮在玉米生長季優(yōu)化滴灌施肥時間和次數(shù)，將玉米7月中下旬撒施的兩次肥料分別調(diào)整到7月7日和8月10日分別通過滴灌施入，調(diào)整后整個玉米生育期共滴灌施肥4次，分別是7月7日施氮(N) 69.3 kg/hm2，8月10日施氮(N) 92.4 kg/hm2，8月24日施氮(N) 46.2 kg/hm2和9月15日施氮(N) 23.1 kg/hm2。DNDC模型在優(yōu)化方案下的模擬的結(jié)果如圖5所示，在作物產(chǎn)量方面，模擬的結(jié)果與田間試驗篩選出的最佳處理相比，減少了2%的小麥產(chǎn)量，玉米產(chǎn)量沒有顯著差異，與常規(guī)對照 (CK) 處理相比，小麥和玉米總產(chǎn)量略有增加 (2.68%)，差異也不顯著。在N2O排放方面，模擬優(yōu)化篩選出的滴灌施肥最優(yōu)方案由于減少了夏玉米生長季中雨季的施肥量，有效減少了當季N2O排放總量，比田間試驗篩選出的最佳處理減少了16%的N2O排放。

圖4 不同滴灌量和施氮量對冬小麥-夏玉米產(chǎn)量和N2O排放總量的影響Fig. 4 Effects of different drip irrigation and fertilization amounts on crop fields and N2O emission

圖5 玉米滴灌施肥調(diào)優(yōu)處理前后的產(chǎn)量和N2O排放總量比較Fig. 5 Comparisons of yield and N2O emission between before and after the optimized fertigation practices

由此可見，通過對玉米施肥時間、方式和次數(shù)的調(diào)優(yōu)，與田間試驗篩選出的最佳滴灌施肥處理相比，可以在不影響作物產(chǎn)量的基礎(chǔ)上減少16%的N2O排放，具有明顯的減少溫室氣體排放效果。減少施肥次數(shù)還可以減少人力和成本消耗，因此將玉米季雨季條施共6次施肥優(yōu)化為分4次全部滴灌施肥。

2.3 優(yōu)化滴灌施肥技術(shù)的節(jié)能減排效果和經(jīng)濟效益分析

2.3.1 節(jié)能減排效果分析 在DNDC模型情景模擬篩選出的優(yōu)化滴灌施肥方案下，整個冬小麥-夏玉米生長季共滴灌149 mm，施氮420 kg/hm2，與常規(guī)漫灌撒肥相比可以節(jié)水58.61%、節(jié)氮30.0%。小麥季和玉米季的N2O排放總量分別為N 0.27 kg/hm2和0.97 kg/hm2，常規(guī)灌溉施肥處理下分別為N 0.63 kg/hm2和1.85 kg/hm2，優(yōu)化滴灌施肥管理在小麥季和玉米季分別比常規(guī)灌溉施肥管理N2O排放通量減少了N 0.36 kg/hm2和0.88 kg/hm2，全年共減少50%的N2O排放。

2.3.2 經(jīng)濟效益分析 經(jīng)濟效益是影響滴灌施肥技術(shù)推廣應(yīng)用的主要因素之一，本文采用部分預算法分析由常規(guī)地面灌溉和 肥料撒施措施改變?yōu)閮?yōu)化滴灌施肥措施后的經(jīng)濟效益變化。如表5所示，由常規(guī)灌溉施肥改變?yōu)閮?yōu)化滴灌施肥措施后總成本增加了580.20元/hm2，凈收益增加了1336.41元/hm2。進而從收益率上看，增加投資部分的收益率為230.3%，遠大于100%這一新技術(shù)采用標準，因此試驗區(qū)冬小麥-夏玉米典型農(nóng)田采用科學的滴灌施肥措施從經(jīng)濟效益來看是可行的。

表5 常規(guī)和調(diào)優(yōu)灌溉施肥方案及收益預算Table 5 Partial budget analysis for conventional and optimized fertilization

3 討論

3.1 DNDC模型模擬

機理模型 (比如DNDC模型) 是研究碳氮循環(huán)過程非常強大的工具，越來越多的被用來模擬管理措施和氣候變化對農(nóng)業(yè)的潛在影響[16]。China-DNDC能夠較好地模擬我國小麥-玉米農(nóng)田包括滴灌在內(nèi)的不同管理措施下的作物產(chǎn)量和N2O排放變化規(guī)律[31]。本研究利用最新版本的DNDC 9.5模型模擬滴灌施肥管理措施下的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)。通過與實測數(shù)據(jù)的對比，對模型的內(nèi)部參數(shù)進行了調(diào)整，模型能夠較好的模擬滴灌施肥條件下作物產(chǎn)量和農(nóng)田土壤N2O排放變化規(guī)律，為華北平原典型農(nóng)田滴灌施肥研究提供了有效的模擬工具。但是DNDC模型為了方便應(yīng)用簡化了很多輸入?yún)?shù)[31]，特別是其中的水肥一體化模塊對N2O排放的模擬以經(jīng)驗參數(shù)為主，本研究校正了其與溫度相關(guān)的經(jīng)驗參數(shù)，但是對施氮量過高情景的模擬效果還不夠理想，有待進一步通過機理公式改進。此外，這些措施不可避免的受到氣象條件和土壤物理特性變異等因素的影響，雖然從試驗結(jié)果分析來看，基本反映出了滴灌施肥條件下增效和減排效應(yīng)，但是關(guān)于滴灌施肥下不同年型產(chǎn)量的波動以及水氮耦合的生態(tài)效應(yīng)年際差異還有待于更深入的研究。

3.2 N2O排放

本研究表明，優(yōu)化后的滴灌施肥處理年累積排放總量為N 1.24 kg/(hm2·a)，全年比常規(guī)灌溉施肥處理減少50%的N2O排放總量。這一結(jié)果與Aguilera等[32]綜述的在滴灌條件下平均周年N2O排放總量為N 1.2 kg/(hm2·a) 的研究結(jié)果相似。楊黎等[33]利用DNDC模型開展了優(yōu)化施氮模擬，模擬篩選出的施用緩釋肥或添加硝化抑制劑的優(yōu)化施氮措施與當?shù)剞r(nóng)民習慣施肥相比，不會明顯影響作物產(chǎn)量，能有效減少 N2O 排放，但凈排放降低幅度有限 (8%～13%)。本研究的優(yōu)化滴灌施肥措施N2O減排效果更佳的原因可能有如下三個方面：一方面施氮量的降低是減少N2O排放的重要原因[29]。另一方面滴灌措施的以下特點也可能是減排的主要原因：1)滴灌條件下不完全濕潤的土壤濕潤模式和持續(xù)穩(wěn)定的土壤濕度狀態(tài)[34]；2)直接施到作物根區(qū)的施肥位置[35]和水肥一體化的施肥方式[36]；3)較高的施肥頻率[37]和每次較低的施肥量[38]；4)更高的作物吸N效率[39]。另外，滴灌施肥條件下，第一季作物收獲后的第一個雨季是N2O排放的高峰期[13]，本研究優(yōu)化措施中刻意避開了玉米生長期內(nèi)雨季的氮肥施入，有效減少了N2O排放。

3.3 經(jīng)濟效益

大田滴灌技術(shù)應(yīng)用的經(jīng)濟效益與應(yīng)用的作物生產(chǎn)的農(nóng)產(chǎn)品的市場價格息息相關(guān)，前人的研究顯示，在棉花大田上應(yīng)用膜下滴灌技術(shù)與常規(guī)溝灌或淹灌方式相比純收益可增加20%左右[40-41]。但是在小麥等糧食作物上應(yīng)用的經(jīng)濟效益相對更不明朗，Bakhsh等[42]在巴基斯坦的小麥田間試驗結(jié)果顯示，滴灌和傳統(tǒng)漫灌的產(chǎn)投比分別是2.47和1.96，滴灌比漫灌提高了26%。Fang等[43]在我國東北平原的田間試驗結(jié)果顯示，滴灌與漫灌相比增加了30%的成本投入，當灌溉水有限時，滴灌措施能夠提高作物產(chǎn)量，并提高經(jīng)濟效益，當灌溉水比較豐富時，滴灌措施不能提高作物產(chǎn)量，經(jīng)濟效益反而比漫灌條件下低。本研究的結(jié)果支持滴灌施肥措施具有積極經(jīng)濟效益的結(jié)論，優(yōu)化后的滴灌施肥措施與常規(guī)灌溉施肥措施相比，凈收益增加了1336.41 元/hm2，增加投資部分的收益率為230.3%(＞ 100%)。

4 結(jié)論

1) DNDC模型具備了準確模擬滴灌施肥條件下冬小麥夏玉米輪作體系農(nóng)田N2O排放動態(tài)規(guī)律，可為華北平原典型農(nóng)田滴灌施肥研究提供有效的工具。

2) DNDC模型模擬分析表明優(yōu)化的滴灌施肥制度為：冬小麥季在作物主要生長期分4次滴灌施肥，滴灌量130 mm，隨水施N 189 kg/hm2；夏玉米季在作物主要生長期分4次滴灌施肥，滴灌量19 mm，隨水施N 231 kg/hm2。

3) 與當?shù)爻Ｒ?guī)灌溉撒肥措施相比，優(yōu)化滴灌施肥措施全年共節(jié)水58.6%，減氮30.0%，N2O減排50%，凈收益增加1336.41元/hm2，增加投資部分的收益率230.3% (＞ 100%)，優(yōu)化的滴灌施肥技術(shù)具有節(jié)能、減排和提高經(jīng)濟效益的應(yīng)用效果。