靳帥 史永暉 葉桂香 王良 陳國慶

摘要：N₂O是一種重要的溫室氣體，農(nóng)田已成為其重要排放來源。為明確秸稈還田量與氮肥的耦合效應(yīng)對(duì)夏玉米農(nóng)田N₂O排放的影響，本試驗(yàn)利用農(nóng)田實(shí)測(cè)N₂O排放數(shù)據(jù)對(duì)DNDC模型進(jìn)行驗(yàn)證，并利用該模型研究了秸稈還田量與氮肥施用量對(duì)N₂O排放的耦合效應(yīng)。結(jié)果表明，秸稈還田與氮肥均有利于N₂O排放，玉米大喇叭口期與乳熟期增量最大；秸稈還田量和氮肥對(duì)N₂O排放的影響有疊加作用，且隨著施氮量的增加，疊加作用越明顯；在高氮條件（N30）下每增加1875kg/h㎡的秸稈還田量，N₂O排放量增加0.033kg/h㎡，是低氮條件下的1.65倍。本研究結(jié)果可為黃淮海地區(qū)夏玉米農(nóng)田N₂O減排措施的研究提供科學(xué)依據(jù)，具有一定的實(shí)踐價(jià)值。

關(guān)鍵詞：DNDC模型；N₂O；秸稈還田；氮肥；夏玉米

中圖分類號(hào)：S513.01

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A 文章編號(hào)：1001-4942（2016）02-0068-06

N₂O是一種重要的溫室氣體，對(duì)全球溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)約為6% （IPCC，2001），其增溫效應(yīng)是CO₂的150～200倍。農(nóng)田是N₂O排放的最主要來源，在源庫收支平衡中起主導(dǎo)作用。其排放或吸收速率受土壤、氣象、農(nóng)作管理等因素的影響。

秸稈還田是當(dāng)前廣泛應(yīng)用的農(nóng)田管理措施，對(duì)改善土壤理化性狀、改良土壤、提高產(chǎn)量均具有重要的意義，是影響農(nóng)田土壤N₂O排放的最關(guān)鍵因素。目前，關(guān)于秸稈還田對(duì)土壤理化性質(zhì)、作物產(chǎn)量、肥效影響的研究較多，國內(nèi)外對(duì)于秸稈還田對(duì)N₂O排放的影響持不同觀點(diǎn)，有學(xué)者認(rèn)為秸稈還田對(duì)N₂O的排放有促進(jìn)作用，同時(shí)有人認(rèn)為小麥秸稈還田降低了N₂O的排放量，也有學(xué)者認(rèn)為秸稈還田對(duì)于N₂O排放的影響與氮肥的施用量有關(guān)。關(guān)于氮肥施用對(duì)于N₂O排放影響的研究較成熟，普遍認(rèn)為氮肥施用量增加有利于N₂O排放；但就氮肥施用和秸稈還田的耦合作用對(duì)N₂O排放影響的研究較少。

DNDC（Denitrification-Decomposition）模型是目前國際上應(yīng)用較為廣泛的生物地球化學(xué)循環(huán)模型之一。由土壤氣候、植物生長(zhǎng)、有機(jī)質(zhì)分解、硝化、反硝化和發(fā)酵6個(gè)子模型組成，可以模擬區(qū)域尺度內(nèi)碳氮元素的運(yùn)移過程，估算植物生長(zhǎng)系統(tǒng)中溫室氣體的排放，是一種評(píng)估減排措施的有效工具。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的驗(yàn)證分析。本研究通過大田試驗(yàn)驗(yàn)證DNDC模型，利用DNDC模型模擬秸稈還田量與氮肥的耦合效應(yīng)對(duì)夏玉米農(nóng)田N₂O排放的影響，可為黃淮海地區(qū)夏玉米農(nóng)田N₂O減排措施提供理論與技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 田間驗(yàn)證試驗(yàn)

試驗(yàn)于2012～2013年在山東省泰安市大汶口鎮(zhèn)試驗(yàn)田（東經(jīng)117°3′57″，北緯35°58′8″）進(jìn)行。土壤類型為棕壤，有機(jī)質(zhì)含量22.93 g/kg、全氮0.82g/kg、水解氮85.87mg/kg、有效磷27.48mg/kg、速效鉀129.70mg/kg、有效硫43.35mg/kg。冬小麥夏玉米輪作，一年兩熟。夏玉米6月17日播種，品種為鄭單958，種植密度75000株/h㎡。小麥秸稈還田量為7500kg/h㎡。試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)施氮水平，分別為0、150、300、450kg/h㎡，并記為NO、N10、N20、N30。隨機(jī)區(qū)組排列，重復(fù)3次。小區(qū)長(zhǎng)21m，寬8m。試驗(yàn)用氮肥為尿素，其中40%做基肥于播種期施人，60%做追肥于大喇叭口期施人。

N₂O取樣采用靜態(tài)箱法測(cè)定，采集周期為7天（第二次測(cè)量時(shí)降雨，延后3天），采集時(shí)間為上午8：00～12：00。降水后，加大采集密度，每天測(cè)定一次，持續(xù)一周。取氣前1min蓋上箱體并用水密封，打開風(fēng)扇電源，風(fēng)扇運(yùn)行使箱內(nèi)氣體混合均勻。用50 mL醫(yī)用注射器連續(xù)采集0～15～30～45min4針氣樣，用氣相色譜法測(cè)定。

N₂O通量計(jì)算公式為：式中，F(xiàn)為N₂O排放通量[mg/（㎡·h）]，T為箱內(nèi)溫度（℃），28為每摩爾N，0分子中N的質(zhì)量數(shù)，22.4為溫度273 K時(shí)的N₂O摩爾體積，H為采樣箱高度（cm），c為N₂O氣體濃度（μL/L），t為關(guān)箱時(shí)間（min），dc/dt為采樣箱內(nèi)N₂O氣體濃度的變化率[μL/（L·min）]。

1.2 模型參數(shù)校正

DNDC模型根據(jù)土壤中各項(xiàng)環(huán)境因子計(jì)算土壤各層剖面中微生物硝化、反硝化和發(fā)酵過程的速率，其中反硝化作用子模型模擬以每小時(shí)為時(shí)間步長(zhǎng)的反硝化過程，并計(jì)算N₂O的釋放通量。

模型輸入數(shù)據(jù)分為氣象數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、農(nóng)作管理數(shù)據(jù)三類，氣象數(shù)據(jù)由試驗(yàn)地點(diǎn)氣象站監(jiān)測(cè)獲得，大氣中NH₃（以N計(jì)）和CO₂的背景值使用模型推薦值為0.06μg/m?和350mg/L。土壤質(zhì)地、pH值、表層土壤有機(jī)碳含量、初始硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量等參數(shù)通過取樣測(cè)定得到；而土壤中的粘粒粒組、田間持水量通過校正得到。田間管理數(shù)據(jù)包括施肥、灌溉等，均來自實(shí)際管理方案。利用試錯(cuò)法對(duì)參數(shù)進(jìn)行校正。試錯(cuò)法即根據(jù)已確定數(shù)據(jù)，對(duì)需校正的部分?jǐn)?shù)據(jù)在一定范圍內(nèi)逐個(gè)更改取值，取均方根差最小時(shí)的參數(shù)值作為模型的最終參數(shù)值，校正后的數(shù)據(jù)如表1所示。

1.3 DNDC模型驗(yàn)證方法

關(guān)于模型驗(yàn)證，N₂O的日排放量可以從長(zhǎng)期排放量角度來觀察模型的優(yōu)劣，故可以利用皮爾遜相關(guān)系數(shù)（R）與均方根誤差（RMSE）來表示DNDC對(duì)N₂O排放的模擬效果（公式1），并觀察DNDC對(duì)N₂O釋放峰的捕獲情況來對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析。式中，Oi為第i項(xiàng)觀測(cè)值，O為觀測(cè)平均值，Si為第i項(xiàng)實(shí)測(cè)值，S為實(shí)測(cè)平均值，n為觀測(cè)次數(shù)。

1.4 模擬試驗(yàn)處理

在模型模擬試驗(yàn)中，設(shè)置5個(gè)秸稈還田梯度（0、1875、3750、5625、7500kg/h㎡）與4個(gè)氮肥梯度（0、150、300、450kg/h㎡）。并就3個(gè)秸稈還田梯度（0、3750、7500kg/h㎡）分析秸稈還田對(duì)土壤水分和有機(jī)質(zhì)的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 DNDC模型驗(yàn)證

如圖1所示，在4個(gè)氮肥處理中，DNDC模型較好地捕獲了由降雨、施肥及灌溉產(chǎn)生的N₂O釋放峰，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)在形成時(shí)間、持續(xù)時(shí)間與峰值大小上均一致。4個(gè)處理的相關(guān)系數(shù)分別為0.8409、0.8226、0.8698、0.8463，經(jīng)t檢驗(yàn)（P<0.05），4組數(shù)據(jù)相關(guān)性均達(dá)到顯著水平，模擬結(jié)果與實(shí)際值的變化趨勢(shì)一致?？傮w來說，DNDC模型可以較好地?cái)M合出N₂O在玉米生長(zhǎng)期內(nèi)的排放情況。

2.2 氮肥用量對(duì)土壤N₂O排放的影響

由表2可知，在不同氮肥處理下，夏玉米生長(zhǎng)期內(nèi)N₂O總排放量差異較大，NO、N10、N20、N30處理下分別為0.46、0.92、1.33、1.55 kg/h㎡，低氮處理（N10）的N₂O排放量是不施氮（NO）的2倍，高氮處理（N30）的N₂O排放量是不施氮（NO）的3.37倍，隨施氮量的增加N₂O的排放量呈明顯上升趨勢(shì)。但在氮肥水平較高時(shí)N₂O排放量的差異較小，高氮處理（N30）的N₂O排放量?jī)H比中氮處理（N20）的高16%。

由圖2可知，不同施氮量造成的N₂O排放量差異主要體現(xiàn)在玉米大喇叭口期、小喇叭口期與乳熟期的排放峰值的大小上。與不施氮相比，高氮處理所造成的N₂O的排放增量為1.09kg/h㎡，這3個(gè)時(shí)期排放峰值的增量占總增量的53%。經(jīng)模型模擬，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 秸稈還田對(duì)土壤N₂O排放的影響

由表3可知，不同秸稈還田處理下，夏玉米生長(zhǎng)期內(nèi)N₂O的排放總量隨秸稈還田量的增加而增加，最大秸稈還田量處理比不還田處理高13%，隨秸稈還田量的增加，平均每增加l875kg/h㎡的秸稈還田量，僅增加0.012kg/h㎡的N₂O排放量。

由圖3可知，N₂O排放量差異主要體現(xiàn)在玉米生長(zhǎng)期后半部即玉米生長(zhǎng)的花粒期，在乳熟期的排放峰中最為明顯，在玉米生長(zhǎng)的中前期N₂O的排放量差異并不大。

2.4 秸稈還田與氮肥施用對(duì)土壤N₂O排放的影響

表4數(shù)據(jù)顯示了秸稈還田與氮肥施用對(duì)土壤N₂O排放的影響（其中N0組數(shù)據(jù)即為2.3中單獨(dú)分析的秸稈還田組數(shù)據(jù)，故不再列出）。由表4可知，在秸稈還田、氮肥施用雙因素處理中，N₂O的排放量比單因素時(shí)的增量要大，進(jìn)行少量秸稈還田（1875kg/h㎡）與不進(jìn)行秸稈還田相比，N₂O排放量增加0.06kg/h㎡，增幅較大。秸稈還田時(shí)，在低氮條件下每增加1875kg/h㎡的秸稈還田量，會(huì)增加0.01～0.03kg/h㎡的N₂O排放量，平均增加0.02kg/h㎡；在中氮條件下每增加1875kg/㎡的秸稈還田量，會(huì)增加0.01～0.03kg/h㎡的N₂O排放量，平均增加0.02kg/h㎡；在高氮條件（N30）下每增加1875kg/h㎡的秸稈還田量，會(huì)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進(jìn)行秸稈還田而不施用氮肥時(shí)的增量，且高氮條件下增量最大。故兩種因素對(duì)N₂O的排放有疊加效應(yīng)，在高氮條件下這種疊加效應(yīng)最明顯。

N₂O在玉米不同生育期內(nèi)排放量存在較大差異，穗期排放量最大，花粒期次之，苗期最小。不同處理間N₂O排放量的差異主要集中在大喇叭口期與乳熟期。

2.5 秸稈還田量對(duì)土壤水分和有機(jī)質(zhì)的影響

有研究表明，N₂O的排放主要與氣候條件、氮肥、玉米生長(zhǎng)吸收等因素有關(guān)，其排放峰主要受降雨和施肥因素控制。不同因素通過影響土壤各項(xiàng)理化性質(zhì)、改變硝化反應(yīng)與反硝化反應(yīng)速率來影響N₂O排放。

經(jīng)DNDC模型模擬，秸稈還田影響土壤水分含量變化（圖4），秸稈還田條件下的含水量較高。還田量越大，土壤含水量越高。在8月19日玉米開花之前，各處理水分含量差異不大；而在玉米開花之后，各處理間出現(xiàn)了較大的含水量差異，并持續(xù)到玉米生育期結(jié)束，而秸稈還田造成N₂O排放量的差異也集中于花粒期，這與上文關(guān)于N₂O排放的分析結(jié)果一致。秸稈還田使地表水分蒸發(fā)減少，致使土壤水分含量增加，硝化反應(yīng)速度增加，N₂O排放量增大，這與王秀斌等關(guān)于N₂O排放的分析結(jié)果一致。

秸稈還田對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)有一定影響（表5），秸稈覆蓋在土壤表面，對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)積累有利，而有機(jī)質(zhì)積累對(duì)N₂O的排放有促進(jìn)作用。與不進(jìn)行秸稈還田相比，秸稈還田僅對(duì)0～10cm土壤的有機(jī)質(zhì)含量有影響，完全還田處理組（7500kg/h㎡）的有機(jī)質(zhì)含量?jī)H增加了0.07個(gè)百分點(diǎn)?？梢姸唐诘慕斩掃€田對(duì)于土壤有機(jī)質(zhì)含量影響并不大，故土壤有機(jī)質(zhì)的變化并不是影響N₂O排放的主要因素，這也可能與小麥C/N比較大、難以分解有關(guān)。

3 結(jié)論與討論

就模擬結(jié)果來看，N₂O的排放方式為“插入式”排放，其排放過程由一個(gè)個(gè)排放峰組成，排放峰之間的背景排放值比較低。采用靜態(tài)箱法進(jìn)行N₂O排放測(cè)定，這種方法決定了兩次測(cè)定點(diǎn)的間隔比較大，再考慮N₂O的“插入式”排放方式，就造成了對(duì)于N₂O排放值的測(cè)定有時(shí)會(huì)有較大誤差，故在玉米生長(zhǎng)初期降水之后的數(shù)天內(nèi)對(duì)N₂O排放值每天進(jìn)行一次測(cè)定。更改模型參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，排放峰的形成主要與降水和基肥施用有關(guān)，增加降水量、降水中的氮濃度、施肥量可以增強(qiáng)該排放峰，更改降水和施肥時(shí)間可以使該排放峰提前或延后。但該模型存在一定的缺陷，其過慢地模擬N₂O在玉米生長(zhǎng)初期排放峰中的下降趨勢(shì)，根據(jù)實(shí)測(cè)值，該排放峰下降時(shí)只持續(xù)2～3天，在第二或第三天就已經(jīng)下降到背景值的水平，而DNDC模型認(rèn)為該排放峰在5～6天后才結(jié)束，該現(xiàn)象說明DNDC模型可能有其系統(tǒng)誤差，也有可能與試驗(yàn)方法有關(guān)。

土壤N₂O排放的基本條件是土壤中有充足的有效氮，故氮肥施用量是影響N₂O排放的重要因素。短期內(nèi)秸稈還田影響土壤水分含量等指標(biāo)，使土壤具有良好的通透性和保水性能，為N₂O的排放提供了良好環(huán)境，故兩因素形成了疊加效應(yīng)。在高氮條件下土壤有效氮較多，同時(shí)進(jìn)行秸稈還田處理則會(huì)導(dǎo)致N₂O的排放量大幅增加。

綜上所述，秸稈還田與氮肥施用均有利于夏玉米田N₂O的排放，不同處理中N₂O的排放量差異主要存在于玉米的花粒期，且兩因素有疊加效應(yīng)，在高氮條件下秸稈還田更有利于N₂O的排放。