基于DNDC玉米種植條件下土壤溫室氣體排放研究

吳晉波，張吳平，賈若男

（山西農業大學資源環境學院，山西 太谷 030801）

經濟發展的同時帶來大量溫室氣體的排放和污染等問題。我國農業發展自21 世紀以來有了長足的進步，但是化肥使用量的增加，使得農業環境方面有沉重的負擔[1]，氣候變化專門委員會的第五次報告指出，溫度逐年呈上升趨勢[2]。近100 a 以來，溫室氣體排放的主要原因是人類活動，而其中農業溫室氣體排放占全球溫室氣體排放總量的20%～35%[3]。在我國，農業排放的研究主要集中在CO2，N2O排放方面，有關統計表明，農業生產排放的N2O 占人類活動排放總量的84%[4]。而研究使用的數據多是傳統的農業種植數據，或者是采用點位的實際測量，但是這種試驗的方法持續周期長，研究進展相對比較慢，并且在一定程度上，僅僅依靠少部分的抽樣調查并不能體現作物生長期內的排放趨勢[5]。

DNDC 模型能夠根據一系列數據的輸入來模擬作物“從出生到死亡”整個過程的碳氮排放。DNDC模型應用廣泛[6-8]，田展等[9]利用DNDC 模型模擬我國水稻田溫室氣體排放，結果表明，溫度升高會促進CH4排放，降雨量增加會促進N2O 排放，氣候變化影響了水稻溫室氣體的排放機制。王立剛等[10]利用DNDC 模型研究指出，實行秸稈還田或增加作物生物產量還田及免耕等措施可有效持續地增加SOC 含量，提高土壤的可持續利用能力。

太谷縣以農業為主，玉米種植占農作物的比例很大，2016年，太谷縣玉米種植面積達到20 570 hm2，占總種植面積的78.96%。因此，研究太谷縣玉米種植的環境排放具有重要意義[11]。

本研究以山西省太谷縣為試驗點，以玉米種植為研究對象，應用DNDC 模型模擬玉米種植整年的土壤溫室氣體排放及玉米在不同施肥量下的碳氮排放[12]，通過對比模擬結果中的土壤表層溫度與實測數據，校正DNDC 模型參數，最終調整到模擬值與實測值擬合，以評估玉米排放量對環境的影響規律，旨在為區域研究溫室氣體排放提出合理的建議。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

太谷縣位于山西省晉中盆地東北部，地理坐標為 112°28′～ 113°01′E，37°12′～37°03′N，東北與榆次市相依，東南與榆社縣交界，西南與祁縣毗鄰，西北與清徐縣接壤。東西長50 km，南北長39 km，總面積1 033.6 km2。太谷縣氣候適宜、平原廣闊，因此，農業種植較為廣泛[13]。

1.2 DNDC模型

DNDC 模型是一個描述農業生態系統中碳和氮生物地球化學過程的計算機模擬模型，即反硝化 - 分解作用 （Denitrification-Decomposition）[14]。DNDC 模型的模擬分為點位模擬和區域模擬，本研究使用點位模擬，它所需要的數據包括氣象信息、土壤信息、農田管理信息。

1.3 試驗設計

在太谷縣建立玉米種植農田試驗區，不定期記錄土壤表層溫度和土壤含水量等數據（土壤含水量利用中子儀測量）。對用DNDC 模型模擬的土壤含水量、地表溫度數據與實測數據進行模擬驗證，得到參數本地化的DNDC。通過驗證后的模型模擬得出2016年調查施肥量下土壤C，N 排放的變化以及不同施肥水平下的環境排放，以期為減少農業種植環境排放提出合理建議。

1.4 數據來源及處理

1.4.1 氣象數據 通過中國氣象數據網收集2016年的氣象數據并進行處理，數據包括日均降水量、日最高氣溫、日最低氣溫、平均風速、地面濕度5 個方面。在模型中輸入所有必要條件并且模擬在不同施肥量條件下的作物生長。

1.4.2 土壤數據 土壤數據主要來自于實地測量，具體如表1所示。

1.4.3 農田管理數據 農田管理數據是通過實地問卷調查的方式收集，具體包括播種與收獲日期、耕作方式、施肥種類及施肥方式、產量、收入等。根據問卷調查結果，玉米的播種日期在每年的5月上旬，收獲日期在9月下旬。在本試驗中，設置播種日期和收獲日期分別是5月5日和9月26日。采用農戶常用的施肥量與施肥方式，肥料為玉米專用復合肥，在播種前一次性施入，施肥量為1 050 kg/hm2。把收集到的氣象數據、實測的土壤數據以及農田管理數據輸入DNDC 模型，得出在當地種植習慣下玉米種植的環境排放。

表1 太谷縣土壤剖面數據

1.5 模擬不同施肥條件下的環境排放

為了研究不同施肥水平下玉米種植的環境排放，本研究以正常施肥量（1 050 kg/hm2）為對照，設置了5 個施肥水平（表2），應用DNDC 模型模擬得出不同施肥條件下的環境排放。

表2 試驗施肥水平 kg/hm2

1.6 模型驗證

通過模擬結果與實測值驗證能夠調整模型參數，實現DNDC 模型的參數本地化，使模型能夠適用于本地區的模擬。本研究的驗證方式是采用相關系數R2的線性回歸模型的擬合度進行計算。

1.7 數據處理

試驗數據使用Excel 2010 軟件進行表格繪制和擬合驗證處理。

2 結果與分析

2.1 模型模擬結果驗證

2.1.1 土壤水分變化與DNDC 模型模擬結果對比分析 通過對2016年試驗地的土壤含水量實測值與DNDC 模型模擬結果比較發現，DNDC 模型能較好模擬田間作物生長過程中土壤水分的變化，模擬值與實測值的相關系數R2為0.85。作物生長初期，正值太谷縣春季，該地區降雨少，大風天氣較多，作物需水量少，所以土壤含水量較少；夏季降水增多，作物生長旺盛，植株葉片變大，在一定程度上遮蓋了土壤的蒸發量，土壤含水量緩慢上升；生長后期作物的需水量上升，再加之秋季降水減少，土壤水分又有下降的趨勢。DNDC 模型能夠模擬土壤水分變化的過程，在DNDC 模型模擬結果中有土壤含水量的詳細變化過程，包括每天的含水量大小等。

2.1.2 土壤地表溫度和DNDC 模擬結果對比分析由于太陽輻射周期性日變化和年變化的影響，土壤溫度也有相應的變化。由DNDC 模型模擬的土壤溫度和實際采集溫度對比分析發現，模型能夠較好地模擬作物周期內的土壤表層溫度變化（R2＝0.925 5）（圖1），土壤的溫度隨著大氣溫度變化而變化。當夏季來臨時，太陽輻射增高，大氣溫度升高，土壤溫度也升高；隨著秋季的到來，太陽輻射逐漸降低，大氣溫度也降低，土壤溫度也隨之降低。以模擬產量與實地調查的產量作對比，二者能夠較好地擬合，因此，證明DNDC 模型實現了參數本地化。

2.2 模型模擬太谷縣玉米種植年份土壤碳排放變化

溫室氣體的作用是使地球表面變得更暖。DNDC 模擬了在玉米種植年份整年的土壤碳總排放量和每天的變化量。由圖2可知，土壤呼吸與玉米生長有明顯的相關性，土壤呼吸體現了明顯的種植特征，在種植玉米前，土壤的碳排放趨近于0，種植玉米后，土壤碳排放隨著玉米的生長逐漸上升；玉米生長前期，玉米根系不發達，土壤呼吸量小；玉米生長中期，土壤呼吸碳排放量逐漸平穩，每10 d累積碳排放量達到18.92 kg/hm2，是耕作前碳排放量的14.67 倍；玉米收獲后，土壤碳排放逐漸升高，這是因為收獲后作物根莖葉等還田處理給土壤呼吸提供了大量的碳源，使呼吸量逐漸加大。

2.3 模型模擬太谷縣玉米種植年份土壤氮排放變化

溫室氣體中氮的排放占了很大一部分比例，DNDC 模擬結果表明，在作物期內，土壤氮排放在不同的階段有不同的排放量，圖3是對2016年每10 d 累積土壤氮排放量的統計結果。由圖3可知，土壤的氮排放與玉米生長階段相關，在玉米生長初期，根系較少，同時土壤溫度較低，抑制了氮的排放，所以排放量小；當玉米生長發育40 d 左右，一方面由于玉米對于氮的需求在增長，另一方面是土壤中的氮向空氣中排放，使得氮排放上升；在玉米生長后期，土壤中的氮供給了植物或者排放到了空氣中，此時土壤氮含量降低。在作物期內10 d 累積氮排放量最高可達0.084 kg/hm2，非作物期10 d 累積氮排放量為0.002 kg/hm2，僅為作物期平均排放量的3%。因此，作物生長對土壤氮排放具有重要的影響作用。

2.4 不同施肥條件下的環境排放量

通過DNDC 模型模擬可以發現，不同施肥量下碳、氮排放均不相同。由圖4可知，在作物不施肥的情況下，環境排放量較低，隨施肥量增高，CO2，N2O排放逐漸增高，持續增加施肥的情況下，硝酸鹽淋洗量會快速上升。這是因為在作物生長階段，土壤的排放不會一直上升[15]，在施肥量達到原施肥量（T3）的1.5 倍時，CO2及N2O 排放的上升幅度會降低；受硝化作用的影響，硝酸鹽淋洗量會上升。T3 處理的硝酸鹽淋洗量是TI 處理下硝酸鹽淋洗量8.5 倍，是T5 處理硝酸鹽淋洗量的35%。因此，玉米生產中應當考慮到投入與產量和效益的關系，當化肥施用量達到常規施肥量的1.5 倍時，產量不會有大幅度的上升，但會產生不必要的經濟投入和環境負擔。

3 結論與討論

通過參數驗證后的DNDC 模型能夠較好地模擬作物生長過程中的溫室氣體排放，驗證過程應用中子儀實地測量的土壤水分與模型模擬的水分變化進行比較，通過計算，擬合度較高，R2達到0.85；利用實地測量的土壤溫度與模擬溫度擬合，R2達到0.92 以上，說明DNDC 模型能夠較好地模擬太谷縣玉米種植整個年際間的變化，該模型具有可行性。

模擬碳排放結果表明，在作物生長初期，作物根系不發達、溫度低、微生物群落活性不高等原因使得土壤碳排放不顯著；隨著作物的生長，其根系逐漸發達，加之夏季降水量較多，使得土壤的呼吸作用上升，每10 d 累積碳排放達到18.92 kg/hm2，是耕作前排放量的14.67 倍；在作物收獲后，土壤碳排放量反而呈現上升趨勢，這是因為玉米收獲后，秸稈還田為其提供了大量的碳源，收獲后溫度適宜土壤微生物對有機質的分解，有機質進入土壤后，在微生物酶的作用下發生氧化反應，徹底分解而釋放大量的CO2和H2O，使碳排放量增加[16]。

模擬氮排放結果表明，在作物生長期內氮的排放會顯著上升，并且在作物長勢較快的時間段內土壤氮排放量較大。對比碳、氮排放發現，在降雨時，作物的碳排放較低，氮排放較高，這是因為在降雨時發生硝化作用，當地表水表面或植物外體空間的氨分壓大于其上方空氣中的氨分壓時，氮排放上升。而在北方地區，由于降水少,在土壤中反硝化作用較小，土壤氮排放總量較小[17-19]。

DNDC 模型能夠較好地模擬作物生長整年的排放，作物播種前期，土壤碳排放與氮排放均不顯著，在作物種植后，碳排放會逐漸上升，尤其在作物收獲后，土壤碳排放在一定時間內呈上升趨勢；在作物開始生長后土壤氮排放會上升，但是總量較小，作物收獲后氮排放量趨于0。不同施肥處理下的CO2，N2O 和硝酸鹽淋洗量變化較大，施肥量越高，CO2，N2O 排放量和硝酸鹽淋洗量越大，施肥量與碳氮排放量和硝酸鹽淋洗量呈正相關關系。