DNDC模型和TOPSIS法联合确定生物降解地膜覆盖农田合理施氮量

冷 旭，李仙岳，郭 宇，丁宗江

(1.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018；2.高效节水技术装备与水土环境效应内蒙古工程研究中心，呼和浩特 010018)

目前粮食安全问题被全世界所关注，而扩大粮食种植面积和提高粮食单产水平是其重要的解决方案。但在种植面积不能增加的情况下，农民为了提高产量增加收益，盲目过量施肥，导致大量的资源浪费，氮肥利用率降低，并伴随着地下水污染、水体富营养化等问题。另外，连续多年覆盖塑料地膜，造成严重的“白色污染”，导致农膜残片在土层中累积，破坏土体结构，作物产量下降。尽管生物降解地膜价格稍贵，但其是解决该问题的主要措施。诸多学者对生物降解地膜和塑料地膜覆盖的效果进行大量研究表明，生物降解地膜随作物生育期推进，通过光照、土壤微生物活动等因素发生破损并自行降解，并对产量影响较小，且最终分解为水和二氧化碳，可有效改善地膜残留问题；张景俊研究发现，生物降解地膜和塑料地膜覆盖下全生育期0—20 cm土层平均地温仅相差0.73 ℃，无明显差异，但比无膜覆盖处理分别提高7.74%和10.90%；且土壤含水量随地膜破损程度加大而降低，0—20 cm土层含水率比塑料地膜覆盖降低0.93%～7.35%；李仙岳等研究指出，在作物生长前期，生物降解地膜与塑料地膜覆盖土层硝态氮含量无显著差异，在生长末期土层硝态氮含量比塑料地膜覆盖降低28.84%，但比无膜覆盖处理提高20.46%，且随着施氮量增加土层硝态氮含量增加；同时Chen等通过调节生物降解地膜覆盖下的施氮量发现，施280 kg/hm氮肥比210，140 kg/hm在0—100 cm土层硝态氮浓度分别提高0.018，0.037 mg/cm。

虽然在不同覆膜条件和施肥制度对作物生长与土壤氮环境变化的影响已有大量研究，但在制定适宜的覆膜施氮制度时，资金、时间和劳动力的投入制约着试验结果的精度，同时没有综合考虑产量、环境、经济效益以及不同地区的特点，导致所制定的最优方案失真。作物生长模型能更方便获取作物生长变化过程，如DNDC(denitrification-decomposition model，脱氮—分解作用)模型可模拟不同时期地膜覆盖率变化和施氮量改变对作物生长的影响，能够实现对生物降解地膜覆盖及氮肥调控下的作物生长模拟，但该模型并没有对地膜类型进行优化，也没有考虑到成本收益和环境影响等内容，缺乏对其的综合评价。而改进的TOPSIS(technique for order preference by similarity to ideal solution)方法是根据有限的评价对象与理想化目标的接近程度进行排序的方法，是在现有对象中进行相对优劣的评价，可实现多指标多目标决策分析，并克服传统TOPSIS法在确定指标权重因子时主观因素的影响，具有较高的科学性与合理性，目前主要在土地利用合理性、节水改造效益和排灌方案优化等方面大量应用。基于改进的TOPSIS法与DNDC耦合模型确定适宜的地膜类型和施氮制度是一种高效、经济且合理的手段，但这方面的研究目前相对较少。因此，本研究主要通过构建、率定和验证不同覆膜及不同施氮量条件下DNDC作物生长模型，再设置不同情景获得其主要指标，并基于改进的TOPSIS法考虑产量、氮淋失量、残膜量、氮肥利用率和净收益5个方面进行综合评价，提出干旱区生物降解膜覆盖下优化的施氮量，以期为生物降解地膜推广及氮肥高效利用奠定理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况与试验设计

试验于2016—2017年在内蒙古河套灌区木垒滩节水试验站(106°56′30″E，40°31′48″N)进行。该地区春秋季时间较短，夏季较为炎热。年均气温7.6 ℃，年均降水量少，仅为144.5 mm；年均蒸发量较大，为2 397.6 mm；5—9月内积温高，为3 100 ℃；昼夜温差大，为14.5 ℃。试验田块土壤为粉砂壤土，质地均匀；地下水埋深较大，均在6 m以下。体积田间持水率为36.89%，平均容重1.49 g/cm，电导率为305.2 μS/cm。0—30 cm土层总氮、有机质质量比和pH分别为0.78，6.3 g/kg和8.1，速效磷、速效钾、速效氮质量比分别为11.22，126.9，58.32 mg/kg。

玉米在每年的5月1日进行播种，并于同年9月20日进行收获。种植密度为55 555株/hm。试验在高氮水平(常规施氮336 kg/hm)下设置3种覆膜处理，包括塑料地膜(PFM3)、生物降解地膜(BFM3)和无膜覆盖处理(NFM3)；同时在生物降解地膜覆盖下设立3个施氮水平，包括中氮(BFM2，276 kg/hm)、低氮(BFM1，216 kg/hm)和不施氮(BFM0，0 kg/hm)，共6个处理，每个处理重复3次，用田埂分割出18个小区随机排列。根据当地灌水经验，共灌水5次，每次灌水105 mm，总灌水量为525 mm。各处理的灌溉制度相同，灌水时间及生育期的气象变化情况见图1。

图1 2016年和2017年作物生育期气温、降雨量和灌水量

1.2 测定指标与方法

田间渗漏量：分别在膜上与膜间选择50 cm土层深度为耕作层的下边界，在边界上下(40—60 cm)安装土壤张力计，监测该土层的基质势，并根据非饱和流动的达西定律计算相应土层的下边界通量。

硝态氮淋失量：采用由210 cm长、11 cm粗的PVC管制成的田间淋溶管测定膜上与膜间土壤剖面50 cm的氮淋失量，其中顶部30 cm高于地表，土层下50～140 cm管壁均匀打孔，底部预留40 cm用于收集土层50 cm 深度以下的渗漏液。每次灌水和降雨后3～5天内采集渗漏液，并清空管内残留的水样，采用双波长比色法测定膜上与膜间淋溶水样中平均硝态氮浓度，乘以相应的水通量来计算硝态氮淋失量。

地膜破损率：各小区随机选取3个固定的地膜观测区，将相机固定在地膜观测区上方40 cm处，并在区域边界放直尺作参照物，每次拍摄3张照片，将照片导入AutoCAD 2008(Autodesk, Inc)进行处理，计算破损率与覆盖率。

作物吸氮量与产量：各处理在收获时随机取5株玉米，放入干燥箱内以105 ℃的温度杀青30 min，再以80 ℃的温度将植株干燥至质量恒定，粉碎过筛，采用HSO—HO消煮—蒸馏法测定作物吸氮量。同时各处理随机连续选取10株玉米，自然风干脱粒后考种，测量并计算每公顷产量。

投入成本与收入：根据市场调研得知，种子600元/hm，生物降解地膜1 500元/hm，塑料地膜600元/hm，塑料地膜清理费150元/hm，水费1 350元/hm，打药及其他480元/hm；复合肥2.6元/kg，尿素1.8元/kg，玉米收购价1.92元/kg。

塑料地膜不易降解且难清理，残留的碎片随覆盖年限增加呈线性增长，牛文全等研究发现其函数关系为=5.5460+47.8400(=0.871 0)，减产率同样呈线性增加(=0.0418+0.4114，=0.982 7)，本试验根据该经验公式计算了连续覆盖塑料地膜10年后残膜量为103.30 kg/hm，减产率达4.73%；而当连续覆盖塑料地膜52年后残膜量为336.23 kg/hm，此时由残膜累积导致的玉米减产率(14.47%)将大于该地区由地膜覆盖技术引起的增产率(14.24%)。

氮肥利用率计算公式为：

=(-)×100%

(1)

式中：为施氮区植株吸氮量(kg/hm)；为未施氮区吸氮量(kg/hm)；为施氮区施肥纯氮投入量(kg/hm)。

1.3 DNDC模型

DNDC模型(denitrification-decomposition model，脱氮—分解作用模型)由美国新罕布什尔大学陆地海洋空间研究中心开发研制，是一种基于过程的农业生态系统碳和氮生物地球化学模型，用于评价管理实践对产量或环境风险的影响，已在全球使用监测数据得到良好的验证。模型的原理和数据库构建在李仙岳等和Leng等的研究中得到详细介绍。由图2可知，塑料地膜全生育期几乎不发生降解，而生物降解地膜在播种后43～44天出现大量裂缝、破损，在播种后60，86，116，143天，覆盖率分别为82.06%，71.42%，55.4%和29.74%(试验覆膜时，地膜之间的裸露区域宽10 cm，因此每平方米初始覆膜率约为89%)。

图2 玉米生育期生物降解地膜和塑料地膜的覆盖率与破损率

1.4 模型评价

玉米产量、吸氮量和氮淋失量的模拟值与实测值采用一致性指数()、决定系数()和标准均方根误差(NRMSE)3个指标进行评价。当NRMSE值接近0，与值接近1，说明模拟值与实测值吻合，模型的精确度较高。

(2)

(3)

(4)

式中：、分别为模拟值与观测值；、分别为模拟值与观测值的均值；为观测个数。

1.5 不同地膜覆盖下氮肥调控综合效应评价

采用改进的TOPSIS评价方法对不同施氮量进行综合评价，通过计算评价对象与绝对正理想解和绝对负理想解之间的距离，确定反映不同覆膜条件下不同施氮量的综合效应评价值()。具体步骤为：

(1)建立标准化决策矩阵：

=1,2,…,;=1,2,…,

(5)

(2)计算各评价指标熵值：

=1,2,…,;=1,2,…,

(6)

(3)计算各评价指标权重：

=1,2,…,;=1,2,…,

(7)

(4)建立加权决策矩阵：

=1,2,…,;=1,2,…,

(8)

(5)计算矩阵的正理想解向量和负理想解向量：

(9)

(10)

(6)计算各评价单元与正理想解和负理想解的欧式距离：

=1,2,…,;=1,2,…,

(11)

=1,2,…,;=1,2,…,

(12)

(7)计算各评价单元与最优值的相对接近度(合理度)：

(13)

式中：为评价对象的个数；为评价指标的个数。

(8)按相对接近度大小排序，越接近100%，表示第个评价单元越接近最优水平，合理度越高；值越小，表示第个评价单元水平越差，合理度越低。

1.6 数据处理

采用Microsoft Excel 2016软件进行数据处理，Origin 9.0软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 DNDC模型率定与验证

利用玉米产量、吸氮量和氮淋失量的试验数据对DNDC模型进行参数率定(2016年)与验证(2017年)。结果显示，DNDC模型对不同类型地膜覆盖及不同施氮量条件下氮素迁移模拟精度较高，模拟氮淋失量与吸氮量的决定系数()在0.92～0.99范围内，一致性指数()在0.83～0.99范围内，标准均方根误差(NRMSE)在6.58%～19.28%范围内(表1)。同时产量的模拟值与观测值有较高的拟合精度，与均大于0.93，NRMSE均小于10%。由于模型不能考虑重茬、病虫害等自然因素和种植密度等人为因素，难以将现实中不确定因素考虑齐全，故模拟值与实测值存在一定差异，但在合理误差范围内。从模拟效果与各项验证指标来看，DNDC模型能拟合出覆膜和氮肥调控条件下玉米生长及氮素迁移的动态变化规律，可用于该地区生物降解地膜覆盖农田作物生产力与资源利用的预测和评估。

表1 DNDC模型的率定和验证

2.2 氮淋失量及利用效率对覆膜类型和施氮量的响应

玉米根系主要集中分布在0—50 cm土层，因此土壤深层的氮素不能被作物吸收利用。而DNDC模型可以很好地估算出50 cm以下的氮淋失量。通过情景模拟可知，当施氮量较低时，不同地膜覆盖氮淋失量均较少。比如，仅施用基肥(56 kg/hm)情景下，塑料地膜覆盖(PFM)比生物降解地膜覆盖(BFM)和无膜覆盖(NFM)氮淋失量分别提高0.13%和10.57%；当施氮量增加到456 kg/hm时，PFM相比BFM和NFM处理氮淋失量分别提高0.07%和26.69%，且相比氮量为56 kg/hm，施氮量为456 kg/hm时PFM、BFM和NFM氮淋失量分别提高606.54%，606.15%和516.28%(图3a)。可见，随施氮水平提高，不同地膜覆盖下的氮淋失量均呈线性增长(BFM：=0.621-23.588，=0.980 4；PFM：=0.6215-23.294，=0.981 1；NFM：=0.4753-12.617，=0.979 6)，且BFM与PFM处理的氮淋失量无明显差异，均远大于NFM处理。

不同地膜覆盖处理的氮肥利用率随施氮量增加先呈上升趋势(图3b)，均在施106 kg/hm氮肥时达到峰值。由于生物降解地膜破损，促进硝化反应，此时BFM的氮肥利用率比PFM处理提高0.58%，且比NFM处理提高10.11%。继续增加施氮量，不同地膜覆盖处理的氮肥利用率均呈线性下降(BFM：=-0.0972+66.89，=0.990 5；PFM：=-0.0951+66.507，=0.990 4；NFM：=-0.0826+59.102，=0.992 7)。当施氮量为456 kg/hm时，BFM的氮肥利用率比PFM处理降低0.65%，但比NFM处理提高8.22%，而PFM、BFM和NFM处理施456 kg/hm氮肥与施106 kg/hm氮肥相比氮肥利用率分别降低56.88%，57.41%和56.66%。可见，施用过量氮肥利用效率明显下降，不但增加农民的支出，还造成资源浪费，环境污染。从资源利用角度来看，表现为塑料地膜>生物降解地膜>无膜处理。

图3 不同处理的氮淋失量和氮肥利用率

2.3 覆膜类型和施氮量对产量的影响

不同地膜覆盖处理的作物产量随施氮量增加呈先快速上升后趋于稳定并缓慢降低趋势(表2)。BFM、PFM和NFM处理分别在施氮量分别为281，331，406 kg/hm时产量达到峰值，但仅比施氮量为256 kg/hm时产量分别提高0.30%，1.17%和0.39%，且继续增加施氮量，产量不再提高。在生物降解地膜覆盖下获得最大产量的施氮水平下(281 kg/hm)，PFM比BFM处理产量仅提高2.64%，但比NFM处理提高12.71%。

表2 不同类型地膜覆盖和不同施氮量对作物产量的影响 单位：kg/hm2

产量与施氮量存在阈值效应，相比施氮量为56 kg/hm时，3种覆膜处理的最大产量平均提高241.33%，同时BFM与PFM处理的产量较相近，均明显高于NFM。然而连续多年覆盖塑料地膜造成农膜在土壤中累积，影响作物—土壤系统，导致作物减产。在施氮量为281 kg/hm时，连续覆盖10年塑料地膜(PFM)和连续覆盖52年塑料地膜后(PFM)处理的产量分别比BFM处理分别降低2.55%和12.51%；与NFM处理相比，PFM处理的产量提高7.37%，而PM处理的产量降低3.60%。从对产量的影响来看，表现为覆盖1年塑料地膜>生物降解地膜>连续覆盖10年塑料地膜>无膜>连续覆盖52年塑料地膜处理。

2.4 覆膜类型和施氮量对经济效益的影响

地膜覆盖明显提高玉米产量和经济收益，但成本也随之增加。BFM处理在施氮量为281 kg/hm时收益最大，与PFM处理相比毛收益仅降低2.24%(表3)，因为尽管生物降解地膜覆盖不用残膜回收成本，但生产成本高，导致净收益反而降低6.84%。BFM与NFM处理相比，毛收益和净收益分别提高10.18%和3.17%；与PFM和PFM处理相比，毛收益分别提高2.62%和14.30%；净收益分别提高-1.11%和13.22%。NFM处理在施氮量为406 kg/hm时毛收益最大，施氮量为281 kg/hm时净收益最大。可见，无地膜覆盖处理下，随施氮量增加毛收益增长速度慢于成本增加速度，导致净收益降低，但远高于PFM处理。从对经济影响来看，表现为覆盖1年塑料地膜>连续覆盖10年塑料地膜>生物降解地膜>无膜>连续覆盖52年塑料地膜处理。

表3 不同处理的成本和收益

2.5 不同类型地膜覆盖及氮肥调控的综合评价

利用DNDC模型模拟不同类型地膜覆盖和不同施氮量处理的产量、氮淋失量、氮肥利用率和净收益，并基于改进的TOPSIS法评估地膜类型和施氮量的合理度。结果显示，不同地膜覆盖下均在施氮量为106 kg/hm时氮肥利用率最高，氮淋失量较少，但产量和净收益较低(图4)。随施氮量增加，尽管不同类型地膜覆盖处理的产量和净收益迅速上升，但是氮淋失量增加，氮肥利用率降低，从而合理度呈下降趋势。当施氮量为231～256 kg/hm时，BFM和PFM处理的合理度再次达到峰值，且同一地膜覆盖下施用231，256 kg/hm氮肥的合理度无明显差异。该施氮条件下比施用106 kg/hm氮肥的合理度与氮肥利用率分别降低0.43%～1.57%和16.98%～24.21%，但产量、净收益和氮淋失量依次提高63.99%～74.80%，93.91%～108.00%和131.56%～168.53%，继续增加施氮量合理度呈下降趋势。对于农民，如果优先考虑产量、收益和环境时，得到地膜覆盖下最优施氮量为231～256 kg/hm。在该施氮水平下，均为PFM处理的合理度最高(图4)。而BFM与PFM处理相比，合理度平均仅降低1.90%，但与NFM处理相比，合理度提高6.39%。随着塑料地膜覆盖年限增加，合理度明显下降，连续覆盖10年(PFM)和52年(PFM)平均分别降低4.00%和17.20%。在连续覆盖52年后，合理度已比NFM处理降低10.20%。综合考虑经济、生态和社会三方面，从可持续发展角度来看，在生物降解地膜覆盖下施231～256 kg/hm氮肥是干旱地区最合理的覆膜施氮制度。

图4 不同施氮量与不同地膜覆盖的综合评价

3 讨 论

3.1 施氮量对产量、氮淋失、NUE和收益的影响

施氮量增加提高土层硝态氮含量，增加作物吸氮量，促进作物生长，进而提高产量。但作物对氮素吸收的能力有限，过量施用氮肥，作物不再有明显的生长变化。本研究发现，当施氮量增加至256 kg/hm时，产量上升至平台值，继续增加施氮量，产量不再提高，甚至出现缓慢降低趋势。这是因为硝态氮含量增加导致土层溶质势较高，进而抑制水分吸收，吸氮量和光合能力不再提高。Xue等研究发现，施氮量从0增加到300 kg/hm时，蓖麻籽产量持续增加，但当施氮量增加到400 kg/hm时，蓖麻籽产量明显降低，减产7.24%。同时土层中的硝态氮易随水分迁移，硝态氮浓度越高，淋失量越大。Chen等利用HYDRUS模型模拟生物降解地膜覆盖下土壤氮平衡发现，当施氮量从210 kg/hm增加至280 kg/hm，硝态氮含量增加33.63%，氮淋失量增加30.02%。本研究也发现，氮淋失量与施氮量存在线性关系，其函数关系式为=0.621-23.588，=0.980 4。随着施氮量增加，氮素以气体形式的挥发同样增加，巨晓棠等研究发现，施氮量增加至360 kg/hm时，氨挥发损失增加至7.20%，导致NUE降低。因此，NUE与氮淋失量呈相反的变化趋势，随施氮量增加而下降。Yin等研究发现，当施氮量由160 kg/hm增加至240 kg/hm，NUE降低21.63%。净收益与产量相关，在控施氮条件下，净收益随产量增加而增加，而当过量施氮时产量增加创造的收益低于施氮量增加所需要的成本，因此本研究发现，随施氮量增加，净收益呈先上升后下降的趋势，在种植花椰菜、小麦、棉花和烤烟等作物上，均得到相似的结论。

3.2 不同地膜覆盖对产量、氮淋失、NUE和收益的影响

地膜覆盖切断土壤与大气的连接，减少土壤水分挥发，提高土壤温度，为作物营造良好的生长环境起到增产作用，本研究发现，塑料地膜比无膜覆盖产量提高12.71%。但塑料地膜不易降解，可在土壤中存留约200年，且随着覆盖年限增加，残膜量增加，造成减产。诸多学者研究发现，生物降解地膜是塑料地膜理想的替代品。随着生物降解地膜的破损，恢复土壤与大气之间的气体传输通道，蒸散增加，保温效果减弱，产量也有一定下降，但并不显著。李仙岳等研究发现，生物降解地膜比塑料地膜产量仅降低3.97%，与本研究结果一致。同时，地膜也减少氮素以气体形式损失，刘小娥研究发现，地膜覆盖后氨气挥发减少90.00%，因此土层中硝态氮含量和氮淋失量也高于无膜处理，分别提高24.66%和26.25%。生物降解地膜在降解破损后，不仅增加氮素挥发，还使降雨入渗量增加，氮淋失量也随之上升，BFM氮淋失量与PFM无明显差异。地膜覆盖处理的NUE同样无明显差异，均显著高于NFM。虽然不覆膜处理减少人工和地膜成本的投入，但产量低，因此净收益低于覆膜处理。

3.3 施肥制度优化与不同地膜评价

科学的施肥制度与覆盖适宜的地膜能够保证较高的产量与氮肥利用率，并减少农业生产中氮素与残膜导致的面源污染。Zhang等利用DNDC模型模拟估算可接受的产量和氮淋失量，确定玉米临界施氮量为150～240 kg/hm。然而选取适宜的覆盖地膜、制定合理的施氮制度，不能仅考虑某一方面最优，现有研究多是单纯考虑增产效果、氮淋失或经济效益等单一指标作为约束条件，为了简化问题，往往忽略经济、生态和社会3方面的协调和统一，选取的最优方案容易失真。需根据研究对象的目标与需求侧重点，通过建立多目标、多情景模型来得到3方面综合最优方案。严富来等利用灰色关联度分析法对干物质累积、产量、籽粒氮素累计和水氮利用率进行综合评价发现，最优施氮量为300 kg/hm，但由于其试验处理较少，施氮制度寻优的精度有所不足。而借助模型软件，能比较经济、高效地掌握作物生长发育和土壤氮迁移过程，再利用评价方法能更精准地提出最优施氮量。因此，本试验利用DNDC模型进行多情景模拟，并结合改进的TOPSIS法对产量、氮淋失量、残膜量、氮肥利用率和净收益5个指标进行综合评价，从生态、社会和经济3方面选出，在生物降解地膜覆盖下施用氮肥231～256 kg/hm，是干旱地区最合理的覆膜施肥制度。

4 结 论

(1)DNDC模型对不同类型地膜覆盖及不同施氮量条件下氮淋失量、吸氮量和产量的模拟精度较高，与均大于0.83，NRMSE均小于20%，该模型可用于干旱区生物降解地膜覆盖作物生产力与资源利用的预测和评估。

(2)随施氮水平提高，不同地膜覆盖下的氮淋失量均呈线性增长；当施氮量增加至106 kg/hm时，氮肥利用率最大，继续增加施氮量呈线性下降；当施氮量增加至281 kg/hm时，生物降解地膜覆盖下的产量和净收益达到峰值。与塑料地膜覆盖相比，产量、氮淋失量、氮肥利用率无明显差异，均显著高于无膜覆盖处理，且净收益提高3.17%。

(3)连续52年覆盖塑料地膜后，由残膜累积导致的玉米减产率将大于由地膜覆盖技术引起的增产率，进而收益也随之下降。利用改进的TOPSIS法对产量、氮淋失量、残膜量、氮肥利用率和净收益5个方面进行综合评价，选出在生物降解地膜覆盖下施用氮肥231～256 kg/hm是干旱地区最合理的覆膜施氮制度。