基于DNDC模型的秸秆还田量与氮肥的耦合效应对夏玉米农田N2O排放的影响研究

靳帅 史永晖 叶桂香 王良 陈国庆

摘要：N₂O是一种重要的温室气体，农田已成为其重要排放来源。为明确秸秆还田量与氮肥的耦合效应对夏玉米农田N₂O排放的影响，本试验利用农田实测N₂O排放数据对DNDC模型进行验证，并利用该模型研究了秸秆还田量与氮肥施用量对N₂O排放的耦合效应。结果表明，秸秆还田与氮肥均有利于N₂O排放，玉米大喇叭口期与乳熟期增量最大；秸秆还田量和氮肥对N₂O排放的影响有叠加作用，且随着施氮量的增加，叠加作用越明显；在高氮条件（N30）下每增加1875kg/h㎡的秸秆还田量，N₂O排放量增加0.033kg/h㎡，是低氮条件下的1.65倍。本研究结果可为黄淮海地区夏玉米农田N₂O减排措施的研究提供科学依据，具有一定的实践价值。

关键词：DNDC模型；N₂O；秸秆还田；氮肥；夏玉米

中图分类号：S513.01

文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2016）02-0068-06

N₂O是一种重要的温室气体，对全球温室效应的贡献约为6% （IPCC，2001），其增温效应是CO₂的150～200倍。农田是N₂O排放的最主要来源，在源库收支平衡中起主导作用。其排放或吸收速率受土壤、气象、农作管理等因素的影响。

秸秆还田是当前广泛应用的农田管理措施，对改善土壤理化性状、改良土壤、提高产量均具有重要的意义，是影响农田土壤N₂O排放的最关键因素。目前，关于秸秆还田对土壤理化性质、作物产量、肥效影响的研究较多，国内外对于秸秆还田对N₂O排放的影响持不同观点，有学者认为秸秆还田对N₂O的排放有促进作用，同时有人认为小麦秸秆还田降低了N₂O的排放量，也有学者认为秸秆还田对于N₂O排放的影响与氮肥的施用量有关。关于氮肥施用对于N₂O排放影响的研究较成熟，普遍认为氮肥施用量增加有利于N₂O排放；但就氮肥施用和秸秆还田的耦合作用对N₂O排放影响的研究较少。

DNDC（Denitrification-Decomposition）模型是目前国际上应用较为广泛的生物地球化学循环模型之一。由土壤气候、植物生长、有机质分解、硝化、反硝化和发酵6个子模型组成，可以模拟区域尺度内碳氮元素的运移过程，估算植物生长系统中温室气体的排放，是一种评估减排措施的有效工具。国内外学者对其进行了大量的验证分析。本研究通过大田试验验证DNDC模型，利用DNDC模型模拟秸秆还田量与氮肥的耦合效应对夏玉米农田N₂O排放的影响，可为黄淮海地区夏玉米农田N₂O减排措施提供理论与技术支持。

1 材料与方法

1.1 田间验证试验

试验于2012～2013年在山东省泰安市大汶口镇试验田（东经117°3′57″，北纬35°58′8″）进行。土壤类型为棕壤，有机质含量22.93 g/kg、全氮0.82g/kg、水解氮85.87mg/kg、有效磷27.48mg/kg、速效钾129.70mg/kg、有效硫43.35mg/kg。冬小麦夏玉米轮作，一年两熟。夏玉米6月17日播种，品种为郑单958，种植密度75000株/h㎡。小麦秸秆还田量为7500kg/h㎡。试验设置4个施氮水平，分别为0、150、300、450kg/h㎡，并记为NO、N10、N20、N30。随机区组排列，重复3次。小区长21m，宽8m。试验用氮肥为尿素，其中40%做基肥于播种期施人，60%做追肥于大喇叭口期施人。

N₂O取样采用静态箱法测定，采集周期为7天（第二次测量时降雨，延后3天），采集时间为上午8：00～12：00。降水后，加大采集密度，每天测定一次，持续一周。取气前1min盖上箱体并用水密封，打开风扇电源，风扇运行使箱内气体混合均匀。用50 mL医用注射器连续采集0～15～30～45min4针气样，用气相色谱法测定。

N₂O通量计算公式为：式中，F为N₂O排放通量[mg/（㎡·h）]，T为箱内温度（℃），28为每摩尔N，0分子中N的质量数，22.4为温度273 K时的N₂O摩尔体积，H为采样箱高度（cm），c为N₂O气体浓度（μL/L），t为关箱时间（min），dc/dt为采样箱内N₂O气体浓度的变化率[μL/（L·min）]。

1.2 模型参数校正

DNDC模型根据土壤中各项环境因子计算土壤各层剖面中微生物硝化、反硝化和发酵过程的速率，其中反硝化作用子模型模拟以每小时为时间步长的反硝化过程，并计算N₂O的释放通量。

模型输入数据分为气象数据、土壤数据、农作管理数据三类，气象数据由试验地点气象站监测获得，大气中NH₃（以N计）和CO₂的背景值使用模型推荐值为0.06μg/m?和350mg/L。土壤质地、pH值、表层土壤有机碳含量、初始硝态氮和铵态氮含量等参数通过取样测定得到；而土壤中的粘粒粒组、田间持水量通过校正得到。田间管理数据包括施肥、灌溉等，均来自实际管理方案。利用试错法对参数进行校正。试错法即根据已确定数据，对需校正的部分数据在一定范围内逐个更改取值，取均方根差最小时的参数值作为模型的最终参数值，校正后的数据如表1所示。

1.3 DNDC模型验证方法

关于模型验证，N₂O的日排放量可以从长期排放量角度来观察模型的优劣，故可以利用皮尔逊相关系数（R）与均方根误差（RMSE）来表示DNDC对N₂O排放的模拟效果（公式1），并观察DNDC对N₂O释放峰的捕获情况来对模拟结果进行分析。式中，Oi为第i项观测值，O为观测平均值，Si为第i项实测值，S为实测平均值，n为观测次数。

1.4 模拟试验处理

在模型模拟试验中，设置5个秸秆还田梯度（0、1875、3750、5625、7500kg/h㎡）与4个氮肥梯度（0、150、300、450kg/h㎡）。并就3个秸秆还田梯度（0、3750、7500kg/h㎡）分析秸秆还田对土壤水分和有机质的影响。

2 结果与分析

2.1 DNDC模型验证

如图1所示，在4个氮肥处理中，DNDC模型较好地捕获了由降雨、施肥及灌溉产生的N₂O释放峰，实测数据与模拟数据在形成时间、持续时间与峰值大小上均一致。4个处理的相关系数分别为0.8409、0.8226、0.8698、0.8463，经t检验（P<0.05），4组数据相关性均达到显著水平，模拟结果与实际值的变化趋势一致。总体来说，DNDC模型可以较好地拟合出N₂O在玉米生长期内的排放情况。

2.2 氮肥用量对土壤N₂O排放的影响

由表2可知，在不同氮肥处理下，夏玉米生长期内N₂O总排放量差异较大，NO、N10、N20、N30处理下分别为0.46、0.92、1.33、1.55 kg/h㎡，低氮处理（N10）的N₂O排放量是不施氮（NO）的2倍，高氮处理（N30）的N₂O排放量是不施氮（NO）的3.37倍，随施氮量的增加N₂O的排放量呈明显上升趋势。但在氮肥水平较高时N₂O排放量的差异较小，高氮处理（N30）的N₂O排放量仅比中氮处理（N20）的高16%。

由图2可知，不同施氮量造成的N₂O排放量差异主要体现在玉米大喇叭口期、小喇叭口期与乳熟期的排放峰值的大小上。与不施氮相比，高氮处理所造成的N₂O的排放增量为1.09kg/h㎡，这3个时期排放峰值的增量占总增量的53%。经模型模拟，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 秸秆还田对土壤N₂O排放的影响

由表3可知，不同秸秆还田处理下，夏玉米生长期内N₂O的排放总量随秸秆还田量的增加而增加，最大秸秆还田量处理比不还田处理高13%，随秸秆还田量的增加，平均每增加l875kg/h㎡的秸秆还田量，仅增加0.012kg/h㎡的N₂O排放量。

由图3可知，N₂O排放量差异主要体现在玉米生长期后半部即玉米生长的花粒期，在乳熟期的排放峰中最为明显，在玉米生长的中前期N₂O的排放量差异并不大。

2.4 秸秆还田与氮肥施用对土壤N₂O排放的影响

表4数据显示了秸秆还田与氮肥施用对土壤N₂O排放的影响（其中N0组数据即为2.3中单独分析的秸秆还田组数据，故不再列出）。由表4可知，在秸秆还田、氮肥施用双因素处理中，N₂O的排放量比单因素时的增量要大，进行少量秸秆还田（1875kg/h㎡）与不进行秸秆还田相比，N₂O排放量增加0.06kg/h㎡，增幅较大。秸秆还田时，在低氮条件下每增加1875kg/h㎡的秸秆还田量，会增加0.01～0.03kg/h㎡的N₂O排放量，平均增加0.02kg/h㎡；在中氮条件下每增加1875kg/㎡的秸秆还田量，会增加0.01～0.03kg/h㎡的N₂O排放量，平均增加0.02kg/h㎡；在高氮条件（N30）下每增加1875kg/h㎡的秸秆还田量，会增加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进行秸秆还田而不施用氮肥时的增量，且高氮条件下增量最大。故两种因素对N₂O的排放有叠加效应，在高氮条件下这种叠加效应最明显。

N₂O在玉米不同生育期内排放量存在较大差异，穗期排放量最大，花粒期次之，苗期最小。不同处理间N₂O排放量的差异主要集中在大喇叭口期与乳熟期。

2.5 秸秆还田量对土壤水分和有机质的影响

有研究表明，N₂O的排放主要与气候条件、氮肥、玉米生长吸收等因素有关，其排放峰主要受降雨和施肥因素控制。不同因素通过影响土壤各项理化性质、改变硝化反应与反硝化反应速率来影响N₂O排放。

经DNDC模型模拟，秸秆还田影响土壤水分含量变化（图4），秸秆还田条件下的含水量较高。还田量越大，土壤含水量越高。在8月19日玉米开花之前，各处理水分含量差异不大；而在玉米开花之后，各处理间出现了较大的含水量差异，并持续到玉米生育期结束，而秸秆还田造成N₂O排放量的差异也集中于花粒期，这与上文关于N₂O排放的分析结果一致。秸秆还田使地表水分蒸发减少，致使土壤水分含量增加，硝化反应速度增加，N₂O排放量增大，这与王秀斌等关于N₂O排放的分析结果一致。

秸秆还田对土壤有机质有一定影响（表5），秸秆覆盖在土壤表面，对土壤有机质积累有利，而有机质积累对N₂O的排放有促进作用。与不进行秸秆还田相比，秸秆还田仅对0～10cm土壤的有机质含量有影响，完全还田处理组（7500kg/h㎡）的有机质含量仅增加了0.07个百分点。可见短期的秸秆还田对于土壤有机质含量影响并不大，故土壤有机质的变化并不是影响N₂O排放的主要因素，这也可能与小麦C/N比较大、难以分解有关。

3 结论与讨论

就模拟结果来看，N₂O的排放方式为“插入式”排放，其排放过程由一个个排放峰组成，排放峰之间的背景排放值比较低。采用静态箱法进行N₂O排放测定，这种方法决定了两次测定点的间隔比较大，再考虑N₂O的“插入式”排放方式，就造成了对于N₂O排放值的测定有时会有较大误差，故在玉米生长初期降水之后的数天内对N₂O排放值每天进行一次测定。更改模型参数可以发现，排放峰的形成主要与降水和基肥施用有关，增加降水量、降水中的氮浓度、施肥量可以增强该排放峰，更改降水和施肥时间可以使该排放峰提前或延后。但该模型存在一定的缺陷，其过慢地模拟N₂O在玉米生长初期排放峰中的下降趋势，根据实测值，该排放峰下降时只持续2～3天，在第二或第三天就已经下降到背景值的水平，而DNDC模型认为该排放峰在5～6天后才结束，该现象说明DNDC模型可能有其系统误差，也有可能与试验方法有关。

土壤N₂O排放的基本条件是土壤中有充足的有效氮，故氮肥施用量是影响N₂O排放的重要因素。短期内秸秆还田影响土壤水分含量等指标，使土壤具有良好的通透性和保水性能，为N₂O的排放提供了良好环境，故两因素形成了叠加效应。在高氮条件下土壤有效氮较多，同时进行秸秆还田处理则会导致N₂O的排放量大幅增加。

综上所述，秸秆还田与氮肥施用均有利于夏玉米田N₂O的排放，不同处理中N₂O的排放量差异主要存在于玉米的花粒期，且两因素有叠加效应，在高氮条件下秸秆还田更有利于N₂O的排放。