賀 美，王迎春，王立剛*，朱 平，李長生,3

（1 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)部面源污染控制重點實驗室/中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院–美國新罕布什爾大學(xué)可持續(xù)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)研究聯(lián)合實驗室，北京 100081；2 吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所，長春 130033；3 美國新罕布什爾大學(xué)地球海洋與空間研究所，Durham NH 03824）

應(yīng)用 DNDC 模型分析東北黑土有機碳演變規(guī)律及其與作物產(chǎn)量之間的協(xié)同關(guān)系

賀 美1，王迎春1，王立剛1*，朱 平2，李長生1,3

（1 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)部面源污染控制重點實驗室/中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院–美國新罕布什爾大學(xué)可持續(xù)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)研究聯(lián)合實驗室，北京 100081；2 吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所，長春 130033；3 美國新罕布什爾大學(xué)地球海洋與空間研究所，Durham NH 03824）

【目的】探索長期不同施肥方式下土壤有機碳的動態(tài)變化及其與作物產(chǎn)量之間的耦合關(guān)系，以期為東北地區(qū)黑土耕地資源的持續(xù)利用與管理提供科學(xué)依據(jù)?！痉椒ā炕诤谕羺^(qū)國家土壤肥力與肥料效益監(jiān)測網(wǎng)站公主嶺監(jiān)測基地的 23 年長期定位試驗數(shù)據(jù)，選取不施肥 (CK)、單施氮磷鉀肥 (NPK)、無機肥配施低量有機肥(NPKM1)、1.5 倍的無機肥配施低量有機肥 [1.5 (NPK)M1]、無機肥配施高量有機肥 (NPKM2) 和無機肥配施秸稈(NPKS) 6 個處理進行土壤有機碳和產(chǎn)量的分析，將數(shù)據(jù)用于 DNDC 模型驗證，并對 6 種施肥處理在未來氣候下(40 a) 黑土有機碳的演變進行模擬。【結(jié)果】試驗監(jiān)測結(jié)果表明：從 1990～2012 年的土壤有機碳數(shù)據(jù)分析得出，長期不施肥土壤有機碳從 12.49 g/kg 以年均 0.69% 的速率下降，有機無機配施可以提升土壤有機碳含量。DNDC 驗證結(jié)果如下：DNDC 驗證土壤有機碳時各處理的相對均方根誤差 (RMSE) 為 14.98%～37.91%，驗證作物產(chǎn)量時各處理的 RMSE 為 8.28%～11.19%，說明模型能夠基本反映長期不同施肥下的作物產(chǎn)量和土壤有機碳的變化。未來氣候下的模擬結(jié)果表明：CK 和 NPK 處理土壤有機碳在未來 40 年里分別下降 16.67% 和 11.21%。而 3 個化肥有機肥配施處理在未來 40 年呈穩(wěn)定增長態(tài)勢，NPKM1、1.5 (NPK）M1 和 NPKM2 處理的土壤有機碳將分別增加 13.65%、15.74% 和 15.84%，以 1.5 (NPK)M1 增勢最為顯著。NPKS 處理的有機碳相對初始略有增加。當(dāng)施氮量從 160 kg/hm2增至 320 kg/hm2時，土壤有機碳每增加 1.00 g/kg，作物產(chǎn)量的增加量從 44.48 kg/hm2下降至 15.95 kg/hm2?！窘Y(jié)論】從長期實測數(shù)據(jù)的分析和 DNDC 模型模擬得出，實施秸稈還田和有機肥配施無機肥能有效持續(xù)增加 SOC 含量，并能獲得較高的作物產(chǎn)量。在施氮量 160～320 kg/hm2水平下，作物產(chǎn)量隨著土壤有機碳含量的增加而升高，且土壤有機碳含量對產(chǎn)量的提升幅度隨著施氮量的升高而降低。

DNDC 模型；長期施肥；土壤有機碳；農(nóng)田生產(chǎn)力

土壤有機碳 (SOC) 在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的功能以及土壤肥力方面發(fā)揮重要作用[1–2]。全球土壤碳庫儲量 1500 Gt，約為大氣碳庫的 2 倍，它的微小變化就會引起大氣 CO2濃度的顯著波動[3–4]，合理的農(nóng)田管理措施如施肥、秸稈還田以及耕作等可以實現(xiàn)農(nóng)田土壤碳匯功能[5]。東北地區(qū)是我國重要的商品糧基地[6–7]，2015 年黑龍江和吉林兩省的糧食產(chǎn)量約占全國糧食總產(chǎn)的 15%，也是世界上僅有的三大黑土帶之一，有機碳儲量 12.6×109t，占全國 SOC 儲量的28.3%，黑土區(qū)由碳源向碳匯的轉(zhuǎn)變將對全球氣候變化產(chǎn)生重要影響[8–10]。

SOC 含量是由輸入和輸出之間的平衡決定的。大量研究表明，化肥可以增加土壤速效養(yǎng)分含量，提高作物產(chǎn)量，有機肥可以協(xié)調(diào)植物生長的水、肥、氣、熱，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤微生物活性，增加 SOC 含量[11–14]。有機肥無機肥配合施用在培肥土壤、增加有機質(zhì)含量以及增產(chǎn)增收方面效果顯著[15–16]。秸稈還田可以提高土壤固碳潛力，與化肥配合施用可以改善土壤結(jié)構(gòu)，提高作物產(chǎn)量，減緩地力衰竭[17–18]。近年來，SOC 含量對作物產(chǎn)量的效應(yīng)也越來越受到關(guān)注，高 SOC 含量與產(chǎn)量、穩(wěn)產(chǎn)性之間具有顯著相關(guān)性[19–20]，徐明崗等[21]研究發(fā)現(xiàn) SOC每提高 1 g/kg，作物的穩(wěn)產(chǎn)性提高 10%～20%；Pan等[22]通過分析 1949～2000 年的全國各省 SOC 與產(chǎn)量數(shù)據(jù)，得出大部分省 SOC 含量與作物產(chǎn)量及穩(wěn)產(chǎn)性成正相關(guān)關(guān)系的結(jié)論。但是大部分關(guān)于 SOC 與作物產(chǎn)量協(xié)同效應(yīng)的研究均未能將環(huán)境因素對農(nóng)田生產(chǎn)力的影響剔除，如何有效控制其他因變量，獨立分析不同 SOC 水平下的作物產(chǎn)量變化態(tài)勢，是研究SOC 與作物產(chǎn)量之間協(xié)同效應(yīng)的關(guān)鍵。

SOC 的周轉(zhuǎn)過程非常緩慢，它對環(huán)境條件的動態(tài)響應(yīng)和自身轉(zhuǎn)化的過程具有復(fù)雜性，現(xiàn)有的田間試驗由于時間和空間的局限，不足以揭示長期不同管理措施下農(nóng)田 SOC 的動態(tài)變化，并且，在大田試驗中，難以找到生態(tài)條件相同但土壤肥力不同的田塊來開展 SOC 與作物產(chǎn)量關(guān)系的定量研究。隨著研究手段的發(fā)展，一些陸地生態(tài)系統(tǒng)模型被成功的用于 SOC 的預(yù)測中，較為成熟的方法有 DNDC、CENTURYE、RothC 等，其中 DNDC 模型因強大的模擬功能和簡單的參數(shù)輸入以及較為精準(zhǔn)的模擬在世界范圍內(nèi)被廣泛應(yīng)用[23–30]。公主嶺市處于吉林省中西部，在當(dāng)?shù)赜小坝衩字l(xiāng)” 之稱，屬于寒溫帶半干旱半濕潤氣候區(qū)，有機質(zhì)含量偏低，是典型瘠薄黑土區(qū)，本研究通過應(yīng)用 DNDC 模型控制農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的復(fù)雜變量，利用國家土壤肥力與肥料效益監(jiān)測網(wǎng)黑土試驗點吉林省公主嶺的長期定位試驗，分析長期不同施肥措施對 SOC 及作物產(chǎn)量的影響，在調(diào)試和驗證模型的基礎(chǔ)上預(yù)測黑土有機碳未來變化趨勢并分析 SOC 與農(nóng)田生產(chǎn)力的協(xié)同關(guān)系，為東北地區(qū)黑土耕地資源的持續(xù)利用與管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地位于國家黑土肥力與肥料效益監(jiān)測基地吉林省公主嶺市，成土母質(zhì)為第四紀(jì)黃土狀沉積物，地勢平坦，是典型黑土區(qū)。年平均氣溫 4～5℃，4～5 月平均氣溫為 7～16℃，6～8 月份氣溫在19～25℃，9 月份在 16℃ 左右，年最高氣溫 34℃，最低 –35℃，有效積溫在 2600～3000℃，年降水量450～650 mm，年蒸發(fā)量 1200～1600 mm，無霜期120～140 d，為一年一季雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。

試驗從 1990 年開始，初始土壤 (0—20 cm) 的理化性狀：容重 1.19 g/cm3、有機碳 13.2 g/kg、全氮1.4 g/kg、有效磷 11.79 mg/kg、速效鉀 158.33 mg/kg、pH 值 7.6、田間持水量 35.8%、孔隙度53.4%、粘粒含量 (＜0.02 mm) 31%。種植模式為春玉米連作，試驗開始以來供試玉米品種：1991～1994 年為丹玉 13，1995～1996 年是吉單 304，1997～1999 是吉單 209，2000～2003 是四密 25，2004～2005 是吉單 209，2006～2012 為鄭單 958。

1.2 試驗設(shè)計

本研究選擇長期定位試驗的 6 個處理：1) 對照處理不施肥 (CK)；2) 單施化肥 (NPK)；3) 化肥低量有機肥 (NPKM1)；4) 1.5 倍的化肥低量有機肥 [1.5 (NPK)M1]；5) 化肥配施高量有機肥 (NPKM2)；6) 化肥配施秸稈 (NPKS)，各處理施肥量見表 1。試驗小區(qū)面積 400 m2。有機肥 (M) 為豬廄肥，自 2005 年后換成牛糞，S 為玉米秸稈。各處理中磷鉀肥播種前作為底肥一次性施入，氮肥 1/3 播種前用作底肥，2/3于拔節(jié)期追施，有機肥于玉米收獲后施入地里，前一年的作物秸稈在第二年粉碎后于 6 月下旬撒施于壟溝里。在收獲時各處理地上留茬 15 cm，并同根茬一起還田。播種時間在每年 4 月 21～30 日，收獲時間大約 9 月 21～30 日，生育期 150 天左右。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤樣品的采集與測定 土壤樣品采集是在每一年作物收獲后，在每個小區(qū)按梅花形五點法采集0—20 cm 土層土樣并混勻，經(jīng)篩選后自然風(fēng)干，磨碎過篩后測定。每小區(qū)樣品重復(fù)測定 3 次，本研究中的長期定位試驗數(shù)據(jù)均為 3 次測定結(jié)果的平均值。土壤有機質(zhì)的測定采用重鉻酸鉀外加熱法[31]。

1.3.2 作物產(chǎn)量的測定 春玉米成熟后，在每個小區(qū)選3 個 10 m2的樣方，將樣方內(nèi)所有玉米棒裝袋，曬干后脫粒稱重，并測試計算含水量后，折算成公頃產(chǎn)量。

表1 各處理施肥量Table 1 Fertilizer application amount in each treatment

1.4 DNDC 模型簡介以及參數(shù)獲取

DNDC 模型是對土壤碳、氮循環(huán)過程全面描述的機理模型，適用于點位或區(qū)域的任何氣候帶下的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。該模型由 2 個部分 6 個子模型構(gòu)成，第一部分包括土壤氣候、農(nóng)作物生長和有機質(zhì)分解 3個子模型，第二部分包含硝化、反硝化以及發(fā)酵 3個子模型，描述了土壤有機質(zhì)的產(chǎn)生、分解及轉(zhuǎn)化，最后以日為單位輸出土壤有機碳各組分的含量，以及 CO2、CH4、N2O 等溫室氣體通量。運行模型需要的輸入數(shù)據(jù)包括逐日氣象數(shù)據(jù) (來源于國家氣象局1990～2012 年氣象站點數(shù)據(jù))、土壤理化和生物學(xué)性質(zhì) (來源于試驗站 1990～2012 年的實際監(jiān)測結(jié)果記錄)、土地利用以及農(nóng)田管理措施等 (來源于試驗站1990～2012 年的田間管理措施記錄)，具體見表 2。

1.5 模型預(yù)測的氣候情景設(shè)置

SOC 組分在土壤中的轉(zhuǎn)化過程需要幾十年甚至上百年，因此，有必要對不同施肥管理措施下 SOC的變化趨勢進行長時間尺度的模擬研究。本研究利用 DNDC 模型進一步模擬了 40 年內(nèi) 6 種田間管理措施下土壤有機碳的變化，總的模擬時間段為 1990～2050 年。氣候因素是影響 SOC 更替的重要因子，本研究以距離公主嶺市最近的氣象站點四平市日值氣象數(shù)據(jù)代替，二者相距 64 公里，均處于松遼平原腹地，氣象環(huán)境一致性相對較高，2011～2050 年的氣象數(shù)據(jù)是 1991～2010 年的 2 次重復(fù)。

表2 DNDC 模型輸入?yún)?shù)Table 2 Input parameters of DNDC

1.6 模型敏感度計算方法

能夠評估和減少結(jié)果的不確定性是應(yīng)用模型評價不同施肥措施對 SOC 影響的重要前提。研究中對模型結(jié)果的驗證主要有平均偏差法、相關(guān)系數(shù)法、相對誤差法和均方根法[32]，本研究主要采用的統(tǒng)計參數(shù)是平均絕對誤差 MAE (mean absolute error)、相對均方根誤差 RMSE (root mean square error) 和決定系數(shù) R2(coefficient of determination)，計算公式如下：

式中，OBSi是觀測值；OBSavg是平均觀測值；SMi是模擬值；SMavg是平均模擬值；n 是樣本容量。R2越接近于 1，表明實測值與模擬值線性相關(guān)性越好。RMSE 的值越小，表明模擬值與實測值的擬合度越高。模型模擬值與實測值之間的偏差越小，模型的模擬結(jié)果越準(zhǔn)確、可靠。一般情況下，RMSE 值小于 10%，即模擬值與實測值一致性非常好，在 10%～20% 之間表明模擬效果一般，大于 30% 則表明模擬值與實際值偏差大，模擬效果不理想[33]。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期不同施肥措施下春玉米產(chǎn)量的變化

通過田間原位試驗的監(jiān)測，對 23 年來的 5 個施肥處理和 1 個對照處理的春玉米產(chǎn)量變化進行分析(圖 1)，CK 處理產(chǎn)量最低，平均產(chǎn)量只有 3525 kg/hm2，施用化肥增產(chǎn)顯著，NPK 處理平均產(chǎn)量是 8978 kg/hm2，比對照增產(chǎn) 154.70%，氮肥農(nóng)學(xué)效率為 33.05 kg/kg。NPK、NPKM1、NPKM2 和 1.5 (NPK) M1 以及NPKS 處理的春玉米產(chǎn)量年際間波動趨勢大致相同。NPKM1、1.5 (NPK) M1、NPKM2 和 NPKS 平均產(chǎn)量是 9088、9699、9833 和 9021 kg/hm2，分別高出NPK 處理 1.22%、8.02%、9.52% 和 0.48% (表 3)。

2.2 長期不同施肥措施下土壤有機碳的變化

對試驗站 1990～2012 年的 5 個施肥處理和 1 個對照處理的 SOC 變化進行分析 (圖 2)，各處理 SOC含量 NPKM1、1.5 (NPK) M1 和 NPKM2 三個有機肥處理逐漸升高，CK、NPK、NPKS 處理 SOC 含量變化相對平穩(wěn)。經(jīng)過 23 年的耕種，CK、NPK、NPKM1、1.5 (NPK) M1、NPKM2 和 NPKS 的 SOC 含量分別是10.5、11.4、21.4、23.9、21.5 和 12.9 g/kg，1.5 (NPK) M1處理 SOC 含量高于 CK 處理 127.62%。平均值以 CK處理最低，僅為 12.48 g/kg，并且呈緩慢下降趨勢，2012 年 SOC 含量相對 1990 年降低 18.85%。NPK 處理的平均值為 13.2 g/kg，稍高于試驗初始 SOC 值。NPKM1、1.5 (NPK) M1 和 NPKM2 三個處理的平均值分別為 17.23、19.61 和 18.02 g/kg，較試驗初始SOC 含量分別提升 26.53%、36.12% 和 28.13%?；逝涫┙斩捥幚?(NPKS) 平均值為 13.40 g/kg，稍高于初始 SOC 含量 (表 4)。

圖1 1990～2012 年不同施肥措施下春玉米產(chǎn)量的變化Fig.1 Changes of maize yields under different fertilizer treatments from 1990 to 2012

表3 不同時間段不同施肥處理春玉米平均產(chǎn)量 (kg/hm2)Table 3 Average maize yield in different periods under different fertilization treatments

圖2 1990～2012 年不同施肥措施下土壤有機碳含量的變化Fig.2 Changes of soil organic carbon contents under different fertilizer treatments from 1990 to 2012

2.3 長期不同施肥下春玉米產(chǎn)量的 DNDC 模型驗證

長期不同施肥處理下春玉米的產(chǎn)量模擬值和實測值比較接近 (圖 3)，模型驗證結(jié)果見表 5。除 CK外，其他處理的均方根誤差 RMSE (%) 以及平均絕對誤差 MAE (%) 均在 20% 以內(nèi)，且各處理間模擬值與實測值之間的相關(guān)性均達到極顯著水平，說明DNDC 模型可以很好地模擬作物產(chǎn)量，能夠反映農(nóng)田作物產(chǎn)量的實際波動趨勢。

2.4 長期不同施肥下土壤有機碳的 DNDC 模型驗證

長期不同施肥措施下 SOC 含量模擬值與實測值比較如圖 4所示，根據(jù)試驗的實測值和模擬值計算出各個處理相對 RMSE (%)、MAE (%) 和 R2值 (表6)，各處理模擬值和實測值的相對 RMSE 都小于15%，各處理的 MAE 都在 10% 以內(nèi)，并且各施肥處理模擬值與實測值的相關(guān)性均達到了顯著水平，說明 DNDC 模型能夠很好地模擬不同施肥管理措施下土壤有機碳的變化趨勢。

2.5 長期不同施肥措施下 SOC 的未來氣候情景模擬分析

表4 不同時間段不同施肥措施下土壤平均有機碳含量 (g/kg)Table 4 Average soil organic carbon content in different periods under different fertilizer treatments

圖3 不同施肥措施下春玉米產(chǎn)量模擬值與實測值的比較Fig.3 Comparison between the observed and simulate value of maize yield under different fertilizer treatments

40 年的長期模擬 (圖 5) 表明，CK 與 NPK 處理下，0—20 cm SOC 含量總體均呈下降趨勢，且 CK處理降幅更顯著，至 2050 年 SOC 含量為 10.2 g/kg，比試驗開始 (1990 年) 下降了 22.55%，平均每年降低0.37%。NPK 降幅較低，前 35 年相對平穩(wěn)的下降了4%，后 25 年降速增大，SOC 含量從 12.5 g/kg 下降至 11.6 g/kg，下降了 7.76%。NPKS 處理的 SOC 含量變化趨勢在整個模擬期間相對比較穩(wěn)定，從 1990年的 12.1 g/kg 增長至 2050 年的 14.4 g/kg，平均每年遞增 0.31%。而三個化肥有機肥配施的處理 NPKM1、1.5 (NPK) M1 和 NPKM2 在未來 40 年里 (2011～2050)呈穩(wěn)定增長態(tài)勢，以 1.5 (NPK) M1 增勢最為顯著。從 2010 年到 2050 年 NPKM1 處理 SOC 含量增加13.65%，1.5 (NPK) M1 處理下 SOC 增加了 15.74%，NPKM2 處理下 SOC 增加 15.84%?；视袡C肥配施和秸稈還田可以保持和提高 SOC 含量。

表5 不同施肥措施下春玉米產(chǎn)量模擬效果Table 5 Model performance on maize yield under different fertilizer treatments

圖4 不同施肥措施下 SOC 模擬值與實測值的比較Fig.4 Comparison between the observed and simulate value of soil organic carbon under different fertilizer treatments

2.6 不同 SOC 值與產(chǎn)量的耦合關(guān)系模擬

在不同的氮肥施用基礎(chǔ)上，建立 SOC 與作物產(chǎn)量之間的耦合關(guān)系。以試驗初始 SOC 含量 13.2 g/kg和常量施氮水平 (160 kg/hm2) 為基數(shù)，依次遞增 SOC值和施氮量，每次模擬代入近 7 年 (2006～2012 年)的氣象數(shù)據(jù)，將模擬結(jié)果中的 7 個年份的產(chǎn)量的加權(quán)平均值作為特定 SOC 和氮肥水平下的產(chǎn)量。

模擬結(jié)果表明 (圖 6)，在相同的施氮水平下，作物產(chǎn)量隨著 SOC 的增加而增加，當(dāng)施氮量分別為160、200、240、280 和 320 kg/hm2時，SOC 每增加1 g/kg 時，作物產(chǎn)量平均增加 44.48、42.28、32.59、23.21 和 15.95 kg/hm2，即施氮量越低的情況下，SOC對產(chǎn)量的影響越顯著，反之，施氮量高的情況下，產(chǎn)量對 SOC 的敏感度降低。

表6 不同施肥處理下土壤有機碳模擬效果Table 6 Model performance on soil organic carbon under different fertilizer treatments

圖5 不同施肥措施下 0—20 cm 土層未來土壤有機碳變化趨勢Fig.5 The predicted variation trend of soil organic carbon content in 0–20 cm soil layer under different fertilizer treatments

3 討論

3.1 長期不同施肥處理對春玉米產(chǎn)量及土壤有機碳的影響

1990～2012 年的田間試驗表明，23 年后不同施肥處理 SOC 的含量高低順序：1.5 (NPK) M1＞NPKM2＞NPKM1＞NPKS＞NPK＞CK。其中 1.5 (NPK) M1、NPKM2、NPKM1 和 NPKS 處理土壤有機碳呈不斷上升趨勢。施用化肥能夠提高作物的生物量，進而增加了歸還土壤的根茬量，使得最初幾年 SOC 含量下降不明顯。長期看來，單施化肥 (NPK)處理最終表現(xiàn)為 SOC 的明顯虧缺，不利于 SOC 的保持。秸稈還田、化肥配施有機肥都可以維持土壤碳固存。綜合各種施肥措施對產(chǎn)量和 SOC 的總體影響來看，有機無機肥配施可以最大程度地提高產(chǎn)量和SOC。這與很多研究者在不同區(qū)域、不同土壤類型以及不同土地利用方式下得出的結(jié)論一致[34–36]。NPKM1處理下的產(chǎn)量在試驗開始時低于 NPK 處理，從試驗開始后第 8 年起效果顯著，主要原因可能是有機肥中可以被植物直接吸收利用的礦質(zhì)態(tài)養(yǎng)分較少，并且施用有機肥的土壤 C/N 一般較高，在分解初期為了滿足自身對氮素的需求會從土壤中吸收礦質(zhì)氮，造成和植物競爭養(yǎng)分，影響了作物產(chǎn)量[37]。適應(yīng)高C/N 比的微生物種群后來逐漸占優(yōu)勢，從而保障了養(yǎng)分的持續(xù)供給。在實際生產(chǎn)過程中，在保證一定C/N 比的基礎(chǔ)上，通過推廣秸稈還田技術(shù)或者有機肥配施無機肥的措施，能夠穩(wěn)定提升土壤有機碳含量，維持土地生產(chǎn)力。

圖6 不同氮肥水平下 0—20 cm 土層有機碳含量與作物產(chǎn)量的耦合關(guān)系Fig.6 Coupling relationship between the simulated maize yield and soil organic carbon content in 0–20 cm soil layer under different nitrogen application rates

3.2 DNDC 模型的驗證

本研究中，實測數(shù)據(jù)模型模擬值之間的擬合程度整體表現(xiàn)較好，從驗證結(jié)果來看模型模擬該地區(qū)土壤有機碳是可行的，但也存在部分年份模擬值與實測值仍有一定的差異。有些異常年份如 1994 年模型表現(xiàn)出是低產(chǎn)年，而所有處理的實測產(chǎn)量數(shù)據(jù)相對較高，推測可能是由試驗站點與替代氣象站點的氣象差異導(dǎo)致的。而 1999 年是豐產(chǎn)年，除了 CK 處理外其他處理的產(chǎn)量均明顯升高，推測是由于 CK處理肥料成為產(chǎn)量的首要限制因子，對其他環(huán)境因素 (降水、氣溫等) 的敏感性低于肥料所引起。尤其是遇到干旱或者洪澇年份，由于模型內(nèi)部參數(shù)設(shè)置的限制，模型可能存在高估或者低估產(chǎn)量的可能，說明模型也存在著不確定性[30]。而在模擬土壤有機碳方面，由于土壤有機碳在實際土壤中的變化是一個非常緩慢的過程，而實際監(jiān)測過程中可能會出現(xiàn)因采樣點的不均勻、采樣人的不確定性以及試驗方面的人為誤差造成的測量值年際間的大波動 (如 2003～2009 年的 NPKM2 處理)，實測值比模擬值呈現(xiàn)出更大的波動性，因此，DNDC 模型為客觀地反映土壤有機碳的演變規(guī)律提供了理論依據(jù)。

通過 DNDC 模型模擬結(jié)果顯示，秸稈還田可以穩(wěn)定地維持 SOC 含量，無機肥配施有機肥能夠快速提升 SOC 含量，主要是由于有機肥的施用不僅直接增加土壤腐殖質(zhì)的數(shù)量，同時加快活性有機質(zhì)的分解，促進土壤團聚體的形成，進而加強了對土壤穩(wěn)定性有機碳的物理保護。而秸稈還田對 SOC 的保持在于秸稈殘體中的多糖、纖維素和半纖維素等有機物質(zhì)有利于促進大粒徑團聚體的增加，進而增加了對土壤碳的保護[38–41]。

有機無機肥配施的 3 個處理中，SOC 含量均表現(xiàn)先快速上升后增加趨勢逐漸趨于平緩，年增長率逐漸遞減，Six 等[42]認為土壤碳儲量不可能無限制的增加，SOC 存在飽和水平；Hutchinson 等[43]認為土壤并不代表一個碳的永久“緩沖溶液”，當(dāng)農(nóng)田管理措施、氣象條件等環(huán)境因素保持長期不變時，SOC 將達到一個新的平衡，此時有機碳的合成與分解速度相等，年增長率表現(xiàn)為零。Sampson 等[44]通過收集數(shù)據(jù)計算得出，任何農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)在耕作方式改變后，前 20 年土壤碳都以穩(wěn)定的速率積累，后20 年的積累速率直線下滑，最終達到一個碳累積速率為零的穩(wěn)態(tài)。從目前的模擬來看，各施肥處理新的 SOC 平衡點還沒有達到，東北地區(qū) SOC 的平衡點可能需要更長的時間尺度和更大范圍的空間尺度的試驗和模擬來回答。

3.3 土壤有機碳和作物產(chǎn)量之間的耦合關(guān)系

作物產(chǎn)量受土壤養(yǎng)分狀況、田間管理以及自然條件等多種因素的綜合制約。本研究參考當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣施肥量設(shè)置 5 個氮肥水平，通過模擬不同氮肥輸入條件下產(chǎn)量對 SOC 含量變化的響應(yīng)，綜合分析不同氮肥供應(yīng)梯度下 SOC 與產(chǎn)量的耦合關(guān)系。在相同的施氮水平下，產(chǎn)量隨著 SOC 含量的升高呈現(xiàn)持續(xù)增加的趨勢，但是在高的 SOC 水平下產(chǎn)量的增幅大大降低。在施氮量 160～320 kg/hm2范圍內(nèi)，SOC每增加 1 g/kg 時，作物產(chǎn)量平均增加 32.10 kg/hm2，這與王衛(wèi)等[45]研究的在高有機質(zhì)省區(qū)有機質(zhì)增加1 g/kg 引起的產(chǎn)出增加量 22.2 kg/hm2的結(jié)論相近，低于邱建軍等[7]研究的 SOC 增加 1 g/kg 時東北地區(qū)玉米產(chǎn)量增加 176 kg/hm2的結(jié)果，推測是由于上述研究代表地區(qū)黑龍江省齊齊哈爾市的作物平均產(chǎn)量為 7757 kg/hm2，而本研究中基于模擬的 NPK 處理1990～2012 年的平均產(chǎn)量已達到 8978 kg/hm2，以目前的田間管理措施為基準(zhǔn)，產(chǎn)量已經(jīng)達到該管理措施下的相對理想水平，由此導(dǎo)致產(chǎn)量對 SOC 的敏感度降低的結(jié)果。盡管前人在 SOC 與作物產(chǎn)量關(guān)系上做了大量的研究，多數(shù)的研究和生產(chǎn)實踐表明環(huán)境因素尤其是氣候因素對耕地產(chǎn)量的影響要大于 SOC本身對作物產(chǎn)量的影響，而基于模型研究的優(yōu)勢是可以假定特定的氣候與農(nóng)田管理措施，使作物產(chǎn)量的差異單純地由 SOC 含量差異引起。

4 結(jié)論

1) 通過對吉林省公主嶺市長期定位試驗 23 年的春玉米產(chǎn)量和 SOC 含量的數(shù)據(jù)分析，有機無機肥配施和無機肥配施秸稈還田技術(shù)不僅增產(chǎn)效果較好，同時可以最大程度地提高土壤有機碳含量。

2) 長期定位實測數(shù)據(jù)驗證了 DNDC 模型在研究區(qū)域的適用性，通過平均絕對誤差 (MAE)、相對均方根誤差 (RMSE) 和決定系數(shù) (R2) 對模型的適用性進行分析，模型可以用于模擬東北地區(qū)黑土 SOC 的變化趨勢。

3) DNDC 模型模擬結(jié)果顯示，長期不施肥 CK和單施化肥 NPK 處理導(dǎo)致土壤有機碳降低；長期有機無機配施或者秸稈還田可以增加 SOC 含量。在施氮量 160～320 kg/hm2水平下，作物產(chǎn)量隨著土壤有機碳含量的增加而升高，且在施氮量低的情況下產(chǎn)量的提升幅度相對高施氮量大。

[1]Loveland P, Webb J. Is there a critical level of organic matter in the agricultural soils of temperate regions: a review[J]. Soil Tillage Research, 2003, 70: 1–18.

[2]Tiessen H, Cuevas E, Chacon P. The role of soil organic matter in sustaining soil fertility[J]. Nature, 1994, 371: 783–785.

[3]Batjes N H. Total carbon and nitrogen in soils of the world[J]. European Journal of Soil Science, 1996, 47, 151–163.

[4]金峰, 楊浩, 趙其國. 土壤有機碳儲量及影響因素研究進展[J]. 土壤, 2000, 32(1): 11–17. Jin F, Yang H, Zhao Q G. Soil organic carbon and its influencingfactors[J]. Soils, 2000, 32(1): 11–17.

[5]許詠梅. 長期不同施肥下新疆灰漠土有機碳演變特征及轉(zhuǎn)化機制[D]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院博士論文, 2014. Xu Y M. The evolution characteristics and turnover mechanisms of soil organic carbon under long-term fertilization in grey desert soil in Xinjiang Autonomous Region[D]. Beijing: PhD Dissertation of Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2014

[6]邱建軍, 王立剛, 唐華俊, 等. 東北三省耕地土壤有機碳儲量變化的模擬研究[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2004, 37(8): 1166–1171. Qiu J J, Wang L G, Tang H J, et al. Study on the situation of soil carbon organic storage in arable lands in Northeast China[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2004, 37(8): 1166–1171.

[7]邱建軍, 王立剛, 李虎, 等. 農(nóng)田土壤有機碳含量對作物產(chǎn)量影響的模擬研究[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2009, 42(1): 154–161. Qiu J J, Wang L G, Li H, et al. Modeling the impacts of soil organic carbon content of croplands on crop yields in China[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2009, 42(1): 154–161.

[8]Wang S Q, Zhou C H, Liu J Y, et al. Carbon storage in northeast China as estimated from vegetation and soil inventories[J]. Environmental Pollution, 2002, 116: 157–165.

[9]黃耀, 孫文娟. 近20年來中國大陸農(nóng)田表土有機碳含量的變化趨勢[J]. 科學(xué)通報, 2006, 51(7): 750–763. Huang Y, Sun W J. During the past 20 years, the changes of farmland surface soil organic carbon content in mainland China[J]. Chinese Science Bulletin, 2006, 51(7): 750–763.

[10]梁愛珍, 張曉平, 楊學(xué)明, 等. 東北黑土有機碳的分布及其損失量研究[J]. 土壤通報, 2008, 39(3): 534–538. Liang A Z, Zhang X P, Yang X M, et al. Distribution of soil organic carbon and its loss in black soils in northeast China[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2008, 39(3): 534–538.

[11]Zhang W J, Xu M G, Wang B R, et al. Soil organic carbon, total nitrogen and grain yields under long-term fertilization in the upland red soil of southern China[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2009, 84: 59–69.

[12]張國榮, 李菊梅, 徐明崗, 等. 長期不同施肥對水稻產(chǎn)量和土壤肥力的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2009, 42(2): 534–551. Zhang G R, Li J M, Xu M G, et al. Effects of chemical fertilizer and organic manure on rice yield and soil fertility[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2009, 42(2): 534–551.

[13]朱平, 彭暢, 高洪軍, 等. 長期培肥對土壤肥力及玉米產(chǎn)量的影響[J]. 玉米科學(xué), 2009, 17(6): 105–108, 111. Zhu P, Peng C, Gao H J, et al. The effects of long-term fertilization on corn yields and soil fertility[J]. Journal of Maize Sciences, 2009, 17(6): 105–108, 111.

[14]Liu B, Gumpertz M L, Hu S, et al. Long-term effects of organic and synthetic soil fertility amendments on soil microbial communities and the development of southern blight[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2007, 39(9): 2302–2316.

[15]孫宏德, 朱平, 劉淑環(huán), 等. 有機無機肥料對黑土肥力和作物產(chǎn)量影響的監(jiān)測研究[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2002, 8(增刊): 110–116. Sun H D, Zhu P, Liu S H, et al. Organic and inorganic fertilizer effect on black soil fertility and crop yield monitoring research[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2002, 8(Suppl.): 110–116.

[16]陳海心, 孫本華, 馮浩, 等. 應(yīng)用DNDC模型模擬關(guān)中地區(qū)農(nóng)田長期施肥條件下土壤碳含量及作物產(chǎn)量[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2014, 33(9): 1782–1790. Chen H X, Sun B H, Feng H, et al. Simulation of soil carbon contents and crop yields in long-term fertilized cropland in Guanzhong Area using DNDC Model[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2014, 33(9): 1782–1790.

[17]Lu F, Wang X, Han B, et al. Soil carbon sequestrations by nitrogen fertilizer application, straw return and no-tillage in China's cropland[J]. Global Change Biology, 2009, 15(2): 281–305.

[18]勞秀榮, 孫偉紅, 王真, 等. 秸稈還田與化肥配合施用對土壤肥力的影響[J]. 土壤學(xué)報, 2003, 40(4): 619–623. Lao X R, Sun W H, Wang Z, et al. Effect of matching use of straw and chemical fertilizer on soil fertility[J]. Acta Pedologica Sinica, 2003, 40(4): 619–623.

[19]Lykov A. The effect of the organic matter of edmo podzolic soil on the yields of field crops[J]. Problemy Zemledeliya Referentivnyi Zhurnal Seriya, 1978, 5, 195–202.

[20]孟凡喬, 吳文良, 辛德惠. 高產(chǎn)農(nóng)田土壤有機質(zhì)、養(yǎng)分的變化規(guī)律與作物產(chǎn)量的關(guān)系[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2000, 6(4): 370–374. Meng F Q, Wu W L, Xin D H. Changes of soil organic matter and nutrients and their relationship with crop yield in high yield farmland[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2000, 6(4): 370–374.

[21]徐明崗, 梁國慶, 張夫道. 中國土壤肥力演變[M]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社, 2006. Xu M G, Liang G Q, Zhang F D. Evolution of soil fertility in China[M]. Beijing: China Agricultural Science and Technology Press, 2006.

[22]Pan G X, Smith P, Pan W N. The role of soil organic matter in maintaining the productivity and yield stability of cereals in China[J]. Agriculture Ecosystems and Enνironment, 2009,129: 344–348.

[23]包剛, 覃志豪, 周義, 等. 氣候變化對中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響的模擬評價進展[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報, 2012, 28(2): 303–307. Bao G, Qin Z H, Zhou Y, et al. Advances of evaluation of climate change impact on crop yield[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2012, 28(2): 303–307.

[24]Zhang Y, Wang H, Liu S, et al. Identifying critical nitrogen application rate for maize yield and nitrate leaching in a Haplic Luvisol soil using the DNDC model[J]. Science of The Total Environment, 2015, 514: 388–398.

[25]Pathak H, Li C, Wassmann R. Greenhouse gas emissions from Indian rice fields: calibration and upscaling using the DNDC model[J]. Biogeosciences, 2005, 2(2): 113–123.

[26]Smith P, Smith J U, Powlson D S, et al. A comparison of the performance of nine soil organic matter models using datasets from seven long-term experiments[J]. Geoderma, 1997, 81(1): 153–225.

[27]Li C, Frolking S, Crocker G J, et al. Simulating trends in soil organic carbon in long-term experiments using the DNDC model[J]. Geoderma, 1997, 81(1): 45–60.

[28]Tang H, Qiu J, Van Ranst E, et al. Estimations of soil organic carbon storage in cropland of China based on DNDC model[J]. Geoderma, 2006, 134(1): 200–206.

[29]楊黎, 王立剛, 李虎, 等. 基于DNDC模型的東北地區(qū)春玉米農(nóng)田固碳減排措施研究[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2014, 20(1): 75–86. Yang L, Wang L G, Li H, et al. Modeling impacts of alternative farming management practices on carbon sequestration and mitigation N2O emissions from spring maize fields[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2014, 20(1): 75–86.

[30]Yu C, Li C, Xin Q, et al. Dynamic assessment of the impact of drought on agricultural yield and scale-dependent return periods over large geographic regions[J]. Environmental Modeling & Software, 2014, 62: 454–464.

[31]鮑士旦. 土壤農(nóng)化分析[M]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)出版社, 2008. Bao S D. The method of analysis for soil agro-chemistry[M]. Beijing: China Agriculture Press, 2008.

[32]張明園, 魏燕華, 孔凡磊, 等. 耕作方式對華北農(nóng)田土壤有機碳儲量以及溫室氣體排放的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2012, 28(6): 203–209. Zhang M Y, Wei Y H, Kong F L, et al. Effects of tillage practices on soil carbon storage and greenhouse gas emission of farmland in North China[J]. Transactions of the CSAE, 2012, 28(6): 203–209.

[33]Villalobos F J, Hall A J, Ritchie J T, et al. Oilcrop-sun: A development, growth, and yield model of the sunflower crop[J]. Agronomy Journal, 1996, 88(3): 403–415.

[34]王立剛, 邱建軍, 馬永良, 等. 應(yīng)用DNDC模型分析施肥與翻耕方式對土壤有機碳含量的長期影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2004, 9(6): 15–19. Wang L G, Qiu J J, Ma Y L. Apply DNDC model to analysis longterm effect of soil organic carbon content under different fertilization and plough mode[J]. Journal of China Agricultural University, 2004, 9(6): 15–19.

[35]陳長青, 胡清宇, 孫波, 張佳寶. 長期施肥下石灰性潮土有機碳變化的DNDC模型預(yù)測[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2010, 16(6): 1410–1417. Chen C Q, Hu Q Y, Sin B, Zhang J B. Simulating trends in soil organic carbon of in calcareous fluvo-aquic soil under long-term fertilization using the DNDC model[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2010, 16(6): 1410–1417.

[36]Mu L, Liang Y, Xue Q, et al. Using the DNDC model to compare soil organic carbon dynamics under different crop rotation and fertilizer strategies[J]. Spanish Journal of Agricultural Research, 2014, 12(1): 265–276.

[37]王德營, 姚艷敏, 司海青, 等. 黑土有機碳變化的DNDC模擬預(yù)測[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2014, 22(3): 277–283. Wang D Y, Yao Y M, Si H Q, et al. Using DNDC model to simulate and predict changes in black soil organic carbon[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2014, 22(3): 277–283.

[38]Six J, Elliott E T, Paustian K. Aggregate and soil organic matter dynamics under conventional and no-tillage systems[J]. Soil Science Society of America Journal, 1999, 63(5): 1350–1358.

[39]安婷婷, 汪景寬, 李雙異, 等. 施用有機肥對黑土團聚體有機碳的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2008, 19(2): 369–373. An T T, Wang J K, Li S Y, et al. Effects of manure application on organic carbon in aggregates of black soil[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2008, 19(2): 369–373.

[40]Jastrow J D, Miller R M, Boutton T W. Carbon dynamics of aggregate-associated organic matter estimated by carbon-13 natural abundance[J]. Soil Science Society of America Journal, 1996, 60(3): 801–807.

[41]周萍, 宋國菡, 潘根興, 等. 三種南方典型水稻土長期試驗下有機碳積累機制研究Ⅱ. 團聚體內(nèi)有機碳的化學(xué)結(jié)合機制[J]. 土壤學(xué)報, 2009, 46(2): 263–273. Zhou P, Song G H, Pan G X, et al. SOC enhancement in three major types of paddy soils in a long-term agro-ecosystem experiment in south China Ⅱ. Chemical binding and protection in micro-aggregate size fractions[J]. Acta Pedologica Sinica, 2009, 46(2): 263–273.

[42]Six J, Connant R T, Paul E A, Pausian K. Stabilization mechanisms of soil organic matter: implications for C-saturation of soils[J]. Plant and Soil, 2002, 241, 155–176.

[43]Hutchinson J J, Campbell C A, Desjardins R L. Some perspectives on carbon sequestration in agriculture[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2007, 142, 288–302.

[44]Sampson R N, Scholes R J. Additional human-induced activities[A]. Watson RT. Special report on land-use, land-use change and forestry[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 2000. 183–281.

[45]王衛(wèi), 李秀彬. 中國耕地有機質(zhì)含量變化對土地生產(chǎn)力影響的定量研究[J]. 地理科學(xué), 2002, 22(1): 24–28. Wang W, Li X B. Study on the marginal productivity of cultivated land with change of soil organic matter in China[J]. Scientia Geographical Sinica, 2002, 22(1): 24–28.

Using DNDC model to simulate black soil organic carbon dynamics as well as its coordinate relationship with crop yield

HE Mei1, WANG Ying-chun1, WANG Li-gang1*, ZHU Ping2, LI Chang-sheng1,3
( 1 Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Nonpoint Source Pollution Control, Ministry of Agriculture/CAAS-UNH Joint Laboratory for Sustainable Agro-ecosystem Research, Beijing 100081, China; 2 Institute of Agricultural Resources and Environment Research, Jilin Academy of Agricultural Sciences, Changchun 130033, China; 3 Institute for the Study of Earth, Ocean and Space, University of New Hampshire, NH 03824, USA )

【Objectives】The effects of long-term fertilization on black soil organic carbon content and crop yield were researched and stimulated using the DNDC model in Northeast China, which will provide a scientific basis for the sustainable use of the arable land resources and scientific managements in the region.【Methods】Data were collected from the long-term experiments carried out in National Fertility Monitoring Net in Gongzhuling City, Jilin Province. Six of the fertilization treatments were chosen to analyze the changes in soilorganic carbon (SOC) and crop yield, including: no fertilizer (CK), only chemical fertilizer application (NPK), combining chemical and low levels of organic manure (NPKM1), 1.5 times of the amount of inorganic and organic fertilizer of NPKM1 (1.5(NPK)M1), combining chemical and high amount of organic manure (NPKM2), inorganic fertilizer plus straw (NPKS), and the DNDC model was validated using these data. The model was used to imitate the variation of SOC in the coming 40 years under the six fertilization treatments.【Results】The root mean square error (RMSE) of SOC in treatment was in range of 14.98%–37.91%, those of crop yields were in range of 8.28%–11.19%, which suggested that the simulated values were consistent with the observed values, so the DNDC model was reliable for the simulation purpose in the studied area. The simulated results indicated that the SOC in CK and NPK treatments would drop by 16.67% and 11.21% respectively, and those in NPKM1, NPKM2 and 1.5(NPK)M1 treatments would be steadily increasing in the next 40 years, with the most significant growth in treatment of 1.5 (NPK)M1. The SOC contents in NPKM1, 1.5 (NPK)M1 and NPKM2 will be increased by 13.65%, 15.74%, 15.84% from 2010 to 2050 respectively. The measured SOC content in NPKS treatment had slightly increased since the beginning of the experiment. When the nitrogen application was increased from 160 kg/hm2to 320 kg/hm2, the SOC would simultaneously increase in magnitude of 1.00 g/kg, and the crop yields increase would drop from 44.48 kg/hm2to 15.95 kg/hm2.【Conclusions】Analyzation of data from the measured and DNDC model simulated, combined application of straw, manure and inorganic fertilizer will be effective in increasing the content of soil organic carbon continuously, and leading to steadily increase of crop yields at the same time. When the nitrogen application rate is between 160 kg/hm2-320 kg/hm2, the crop yields will keep increasing with the increasing of soil organic carbon content, and the hoist scope of SOC in increasing crop yield would fall with the increase of nitrogen application rate.

DNDC model; long-term fertilization; soil organic carbon; farmland productivity

2016–04–11接受日期：2016–05–26

公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項（201303126-2，201303103）；國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFED101100）資助。

：賀美（1990—），女，河南漯河人，碩士研究生，從事農(nóng)田土壤碳循環(huán)研究。E-mail：hemei0911@126.com

* 通信作者 E-mail：wangligang@caas.cn