李 強， 李建國， 張忠啟， 茆 彭

(江蘇師范大學 地理測繪與城鄉(xiāng)規(guī)劃學院， 江蘇 徐州 221116)

農(nóng)業(yè)耕作是江蘇東部灘涂圍墾地區(qū)較常見的開發(fā)方式[1]，但圍墾區(qū)土壤含鹽量大、地下水礦化度高，極大抑制鹽漬土地區(qū)作物產(chǎn)量提升，水稻產(chǎn)量相較省內(nèi)其他地區(qū)明顯偏低。據(jù)相關(guān)研究，濱海地區(qū)水稻產(chǎn)量較省內(nèi)平均水平低約11.86%，較周邊城市如淮安約低7.98%[2]。江蘇濱海圍墾區(qū)是中國主要的沿海農(nóng)業(yè)開發(fā)地區(qū)，提升這一地區(qū)糧食產(chǎn)量與保護生態(tài)環(huán)境是保障區(qū)域糧食安全、提升農(nóng)村發(fā)展能力的主要舉措[3-4]。從中國各地區(qū)眾多田間試驗表明，通過調(diào)整肥料用量可大幅提高水稻產(chǎn)量[5-7]。適當增施氮肥能促進植物營養(yǎng)生長，促進葉綠素形成。敖和軍等[5]學者于湖南等地的研究表明，當施氮肥水平由135 kg/hm2提升至225 kg/hm2時，水稻產(chǎn)量顯著提升；黎忠祥等[6]學者于云南省陸良縣的研究表明，增施氮肥對水稻產(chǎn)量有明顯增產(chǎn)作用，并給出最高及最佳經(jīng)濟產(chǎn)量的施氮量；而宋憲青[7]的研究表明，除栽植密度對水稻產(chǎn)量有影響外，增施氮肥也能使水稻增產(chǎn)。然而，過多施用氮肥會增加硝酸鹽淋溶和反硝化作用，引起溫室氣體排放、水體與土壤污染與劣變等環(huán)境問題。面對中國氮肥施用量大、施氮利用率低的現(xiàn)狀[8-9]，在保證糧食產(chǎn)量穩(wěn)定增長的同時兼顧環(huán)境效益，對進一步規(guī)范水稻施氮量具有重要指導意義。

施氮量對作物產(chǎn)量的影響除從微觀田間試驗角度研究外，還可從宏觀模型模擬層面展開[10]。所謂模型模擬，即使用諸如DNDC，Century，Biome-BGC，RothC和NCSOIL等生物地球化學過程模型，模擬與目標區(qū)一致的氣候、土壤環(huán)境，進行不同施氮措施下對作物產(chǎn)量定量化模擬。國內(nèi)已有諸多學者使用模型方法進行農(nóng)田生產(chǎn)力和環(huán)境效益的相關(guān)研究。高春雨[9]在施肥管理方面進行了縣域農(nóng)田作物產(chǎn)量和溫室氣體排量的模擬與估算；邱建軍等[10]學者使用模型方法進行了土壤肥力對作物產(chǎn)量影響的研究；高懋芳[11]使用DNDC模型對小清河施肥條件下農(nóng)業(yè)氮素排放對作物產(chǎn)量和面源污染的影響進行了模擬研究。相比田間試驗，使用模型模擬研究施氮對生產(chǎn)力的影響具有方便快捷、高效率、高精度的特點。將野外調(diào)研與模型模擬相結(jié)合可以在很大程度上節(jié)約成本并提高精度。二分法是一種無約束一維搜索優(yōu)化逼近算法，將其與模型模擬相結(jié)合可以快速確定最優(yōu)模型參數(shù)，進一步提高模型模擬精度。將DNDC模型和數(shù)學二分法結(jié)合，測算濱海鹽漬土水稻田最佳施氮量，探究不同施氮條件下的環(huán)境效益。指導中國濱海地區(qū)農(nóng)業(yè)科學管理，促進灘涂生態(tài)環(huán)境保護。

1 材料與方法

1.1 試驗田概況

試驗田位于江蘇省南通市如東縣四橋村(北緯32°22′16″，東經(jīng)121°22′27″)，氣候為亞熱帶海洋性季風氣候，年平均氣溫15 ℃，平均降雨量1 042 mm。如東縣境內(nèi)地勢平坦，從西南略向東南傾斜，西北部高程約4.5 m，東南部高程約3.2 m。該地土壤類型為典型濱海鹽漬土，土壤有機質(zhì)(SOC)含量為9.3 g/kg，較省內(nèi)平均水平顯著偏低。土壤鹽分組成主要為氯化鈉，含量為1.0 g/kg，土壤理化性質(zhì)如表1所示。

表1 試驗田土壤理化性質(zhì)

1.2 試驗設(shè)計與處理

田間試驗于2016年6—10月末在該地進行，種植水稻品種為寧稻13，平均行距23.2 cm，平均株距18.0 cm。水稻種植期間田間管理共灌水4次、施氮肥4次。施用磷肥143.56 kg/hm2作為底肥，施用氮肥為總氮大于46.4%，粒度范圍為0.85～2.80 mm的尿素，氮肥總投入量為471.82 kg/hm2，施氮肥時間、種類和用量詳見表2。

水稻收割前一星期進行測產(chǎn)，依五點法在田內(nèi)均勻布置測產(chǎn)點5個，各點使用1 m2測產(chǎn)框?qū)⑺酒溥B根挖出作為一組樣品，并量出該點的11行行距和11株株距，5個測產(chǎn)點的行距與株距取平均，得出平均行距與平均株距，測算田中水稻總棵數(shù)[12]。經(jīng)計算，試驗田水稻產(chǎn)量為7 050.75 kg/hm2。

除施肥管理數(shù)據(jù)和水稻田產(chǎn)量數(shù)據(jù)外，進行DNDC模型模擬試驗還需氣候數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)和作物數(shù)據(jù)。氣象數(shù)據(jù)來自南通市如東縣氣象站點。土壤參數(shù)包括土壤質(zhì)地、容重、pH值、田間持水量等，為田間實測數(shù)據(jù)(見表3)。如東縣土壤類型為濱海堆積平原沙壤鹽土，對應模型中黏粒比0.06的Loamy Sand土壤質(zhì)地值；土壤容重使用環(huán)刀法進行測定，在水稻種植前測定耕作層容重，測量值為1.78 g/cm3；土壤酸堿度使用電位測定法測定，測量值為7.8；田間持水量使用鐵框法進行測定，測定土壤自然含水量、飽和含水量和灌溉深度，計算田間持水量為27%；土壤萎蔫點在水稻收割前測得，作物萎蔫時土壤中尚存留的水分含量為13%；土表初始有機碳含量在水稻種植前采樣，使用碳氮儀測得[13]，值為0.009 3 kg/kg。作物數(shù)據(jù)使用模型定義的水稻數(shù)據(jù)(見表4)，包括最大生物量、生物量比、生物量碳氮比、生長積溫等參數(shù)。

表2 水稻生育期灌溉與施氮措施

表3 DWDC模型模擬所需土壤參數(shù)

表4 DWDC模型模擬所需水稻參數(shù)

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

DNDC(denitrification-decomposition “脫氮—分解”)模型，是目前國際上最成功的生物地球化學模型之一，可用于模擬各個國家和地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中碳、氮以及生物量動態(tài)變化的生物地球化學循環(huán)[14-16]。2000年結(jié)束的亞太地區(qū)全球變化國際研討會上，DNDC模型被指定為在亞太地區(qū)進行推廣的首選生物地球化學模型[17]。試驗以試驗田2016年水稻施氮量為基準(471.82 kg/hm2)，在此基準上依次加施10%，加施20%，加施30%，減施10%，減施20%，減施30%和不施氮等共7種不同施氮管理方式作為模型試驗的對比試驗，每組試驗輸入的施氮量如表5示。將各組試驗按照施氮量由小到大的順序輸入模型，當施氮達到一定數(shù)量時，模擬的水稻產(chǎn)量將不再增加(即已達到最大生物量)，則劃定最大生物量所落在的施氮數(shù)量區(qū)間為[a，b]。將施氮數(shù)量區(qū)間[a，b]采用二分法取中值，將中值(a+b)/2帶入模型再次模擬，若得出產(chǎn)量結(jié)果仍為最大生物產(chǎn)量，則最佳施氮量區(qū)間落于[a， (a+b)/2]，將區(qū)間再次細分；若得出產(chǎn)量結(jié)果不為最大生物產(chǎn)量，則最佳施氮量區(qū)間落于[(a+b)/2，b]，將區(qū)間再次細分。設(shè)區(qū)間[a，b]精度滿足e=b-a<0.001時，結(jié)束循環(huán)，(a+b)/2即為最佳施氮量，試驗設(shè)計流程如圖1所示。

表5 不同方式施氮措施kg/hm2

圖1 試驗設(shè)計流程

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮量下水稻生物量的變化

不同施氮量下水稻產(chǎn)量如圖2所示。在水稻最大生物量達到之前，水稻總生物量與施氮量呈顯著正相關(guān)，施氮肥量越大，總生物量越大。減施10%，20%，30%和增施10%，20%，30%氮肥時，水稻總生物量依次為14 069.97，13 577.52，13 077.96 kg/hm2和15 324.81，15 378.24，15 378.24 kg/hm2；相對基準值14 689.05 kg/hm2，總生物量依次減少4.22%，7.57%，10.97%，增加4.33%，4.69%，4.69%。相比不施氮的條件下，增施氮肥最高可使水稻增產(chǎn)37.59%。當加施20%氮肥時，水稻田產(chǎn)量達到最大值7 739.94 kg/hm2，再增施氮肥產(chǎn)量將不再變化。故根據(jù)模型模擬結(jié)果，在濱海圍墾區(qū)的地理環(huán)境下，水稻的最大產(chǎn)量為7 739.94 kg/hm2。氮肥施用量與水稻產(chǎn)量趨勢線可表示為：

Y=4 143.1lnX-18 560 (R2=0.956 5)

式中：Y——水稻產(chǎn)量(kg/hm2)；X——氮肥施用量(kg/hm2)。在未達到最大產(chǎn)量前，平均每增施1 kg/hm2氮肥，水稻產(chǎn)量可增加27.07 kg/hm2。

2.2 最佳施氮量的測算

由圖3得，當水稻產(chǎn)量達到最大值時，對應的試驗方法位于增施10%氮肥和增施20%氮肥之間，對應施氮量為519.0～566.18 kg/hm2，故最佳施氮量應位于此區(qū)間內(nèi)。使用二分法結(jié)合DNDC模型對該區(qū)間進一步細分。如表6所示，測算最佳施氮量的算法共運行16次，當給定誤差e<0.001時結(jié)束循環(huán)。第1次循環(huán)，區(qū)間中值為542.59 kg/hm2，將中值帶入模型，得產(chǎn)量7 739.94 kg/hm2，為最大產(chǎn)量，誤差e不滿足要求，區(qū)間取下限，即[519.0，542.59]，進入下一循環(huán)；第2次循環(huán)，區(qū)間中值為530.795 kg/hm2，帶入模型得產(chǎn)量7 739.94 kg/hm2，為最大產(chǎn)量，誤差e不滿足要求，區(qū)間取下限，即[519.0，530.795]，進入下一循環(huán)；以此類推，當循環(huán)至第16次時，區(qū)間中值528.214 kg/hm2，帶入模型得產(chǎn)量7 739.940 kg/hm2，是最大產(chǎn)量，誤差滿足要求(e=0.000 7<0.001)，退出循環(huán)。即當施加氮肥量為528.214 kg/hm2時，濱海鹽漬土水稻田產(chǎn)量最大，528.214 kg/hm2為該地區(qū)的最佳施氮量。

圖2 氮肥施用量與水稻產(chǎn)量關(guān)系

表6 二分法求最佳施氮量

2.3 最佳施氮量環(huán)境效益

DNDC模型在模擬施氮條件下水稻產(chǎn)量的同時，通過土壤氧氣或其他氧化物含量，根據(jù)能斯特公式(Nernst equation)[18]計算土壤的總體氧化還原電位(Eh)將土壤分為好氧與厭氧兩部分，根據(jù)米邵公式(Michaelis-Menten equation)[19]計算硝化和反硝化反應速率，從而計算田間氮氧化合物排放量。如圖3所示，隨施氮量不斷增加，水稻產(chǎn)量和種植期間總氮氧化合物排放量都呈上升趨勢。在減施10%，20%，30%和增施10%，20%，30%氮肥時，水稻產(chǎn)量依次為6 431.67，5 939.22，5 439.66 kg/hm2和7 686.51，7 739.94，7 739.94 kg/hm2，相對的氮氧化合物排放量分別為8.28，7.38，6.47 kg/hm2和9.16，9.75，10.44 kg/hm2。當處于最佳施氮量之后，水稻產(chǎn)量增加到最大生物產(chǎn)量，并不再增加。與水稻產(chǎn)量不同，氮氧化合物排放量一直隨施加氮肥量增加而增加，在不施氮肥狀況下水稻種植期間共累計排放氮氧化合物0.49 kg/hm2；在基準施氮狀況下(471.82 kg/hm2)共排放氮氧化合物8.88 kg/hm2；在最佳施氮量下(528.214 kg/hm2)共排放氮氧化合物9.24 kg/hm2；當處于加施30%過量施氮狀態(tài)下(613.37 kg/hm2)，即便水稻產(chǎn)量7 739.940 kg/hm2不再增產(chǎn)，但作物未吸收利用的肥料留在土壤里，仍釋放溫室氣體，氮氧化合物排放量(10.44 kg/hm2)仍在持續(xù)增加。

圖3 不同施氮量下氮氧化合物排放量與水稻產(chǎn)量

可見，過量施氮并不會使水稻產(chǎn)量進一步增加，而且會造成氮肥利用率降低，導致氮氧化合物排放量的增加，進而放大溫室效應。據(jù)IPCC 2013年有關(guān)農(nóng)業(yè)碳排放會議指出，N2O對溫室效應貢獻程度，是相同質(zhì)量CO2的298倍[20]。使用最佳施氮量對濱海水稻田進行施氮管理，不僅可以使作物產(chǎn)量最大化，還能減少氮氧化合物的排放，具有良好環(huán)境效益。在實際農(nóng)業(yè)管理中，在采用最佳施氮量外，科學使用緩釋肥料、硝化抑制劑能更好達到減少農(nóng)業(yè)面源污染的效果[21]。

3 討 論

3.1 DNDC模型水稻產(chǎn)量模擬在濱海墾區(qū)的適用性

模擬結(jié)果的精度是衡量模型適用性的重要指標。與試驗田實測產(chǎn)量7 214.49 kg/hm2相比，DNDC模擬的基準產(chǎn)量7 050.75 kg/hm2與實測值實際誤差為163.74 kg/hm2，為實測值的2.27%，誤差小于10%，表明使用DNDC模型于濱海鹽漬土地區(qū)水稻產(chǎn)量模擬精度較高，模型在濱海墾區(qū)產(chǎn)量模擬上適用性良好。DNDC模型也能正確模擬濱海墾區(qū)不同施氮量下水稻生物量累積的過程。如圖4所示，縱觀不同施氮量對生長期間水稻生物量的變化，水稻總生物量約在70 d后(即對應水稻灌漿成熟期)增長速度發(fā)生變異。在70 d前，對應水稻拔苗期、分蘗期、有穗分化期、抽穗揚花期，無論采用哪種施氮方法，水稻總生物量的變化趨勢較為一致。而在水稻灌漿期，水稻總生物量增加速率隨施氮量的增大而增大。該種總生物量變化的特點，反映出施用氮肥量增加與水稻果實生物量累積具有較高相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.904(p<0.05)。而水稻其他部分(根、莖、葉)生物量標準差為0，即不論施氮量是否變化，根、莖、葉的生物量不變，是因為氮肥在水稻生長過程中能夠減少無效分蘗，提高有效成穗率，促進灌漿期莖鞘干物質(zhì)向籽粒轉(zhuǎn)移，從而增施氮肥更能促進水稻果實產(chǎn)量增加[22]，而對水稻其他部分生物量的累積影響較小。

圖4 不同施氮量下水稻總生物量隨時間變化

3.2 應用二分法確定最佳施氮量的意義

二分法定義最佳施氮量有著簡單、便捷、易于理解的優(yōu)點，且二分法總是收斂，結(jié)合田間數(shù)據(jù)和模型試驗，能快速確定在特定管理方法下的最佳施氮量。二分法每進行一次查找即可篩選掉1/2的數(shù)據(jù)量，較遍歷算法提升1/2的執(zhí)行效率。濱海地區(qū)水稻最佳施氮量的測算試驗是空間尺度、時間尺度較小的試驗，將二分法應用于該試驗，能夠快速得出運算結(jié)果，具有較高的適用性和良好執(zhí)行效率。但使用二分法的缺點也顯而易見。當將研究的空間尺度和時間尺度繼續(xù)擴大，如測算全省、全國乃至全世界各地區(qū)的最佳施氮量，海量地理空間數(shù)據(jù)、氣候數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)和種植管理數(shù)據(jù)成倍增加，使用二分法進行模擬試驗就難免顯得捉襟見肘。若將DNDC模型與二分法結(jié)合的方法測算最佳施氮量應用于更大尺度的研究，在結(jié)合GIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理的同時，需將二分法進一步優(yōu)化，提升算法收斂速率。

3.3 最佳施肥量確定方法探討

微觀聯(lián)系是科學研究的需要，宏觀綜合是政府決策與管理的目標。不同氮肥施用量下濱海鹽漬土糧食產(chǎn)量的測定，田間試驗、模型模擬都可以實現(xiàn)，并且各自有各自的優(yōu)點和缺點。田間試驗根據(jù)試驗目標進行試驗設(shè)計，試驗尤其是長期觀測試驗最能直接反映試驗區(qū)土壤、作物生長狀況。但田間試驗具有先驗約束帶來先天性缺陷。而且，要投入大量人力、物力、財力進行。試驗周期長、勞動量大且?guī)в胁豢芍貜托?。使用田間試驗進行最佳施氮量的決策，田間試驗結(jié)果給出的最佳施氮量往往是一個區(qū)間，而不是一個具體數(shù)值，實踐指導作用受限。縱觀已有的田間試驗測算最佳施氮量的研究，如表7所示，敖和軍等[5]給出的氮肥區(qū)間跨度為90 kg/hm2，黎忠祥等[6]為239.7 kg/hm2，宋憲青[7]為23.5 kg/hm2。大跨度的施氮區(qū)間，導致試驗結(jié)果精確度差，給最佳施氮量的決策仍帶來一定的困難。

而模型模擬是依靠生物地球化學過程模型進行模擬試驗。根據(jù)研究區(qū)氣候、土壤、作物和田間管理方式，模擬作物在具有局地特點的生物地球化學場下的生長過程，具有數(shù)據(jù)易獲取、模擬結(jié)果精度高、省時高效、試驗可重復等優(yōu)點。從本文研究內(nèi)容看，結(jié)合數(shù)學二分法研究區(qū)域最佳施氮量，可將最佳施氮區(qū)間收斂為一個具體數(shù)值，相較田間試驗得出的最佳施氮區(qū)間有更高的精度?？v觀已有使用模型試驗來確定最佳施氮量的研究如表7所示，在華北平原進行的模型試驗，小麥和玉米最佳施氮量為128和340 kg/hm2[23-24]，模型試驗結(jié)果多為一個具體數(shù)值，不是一個施氮區(qū)間。

綜上所述，田間試驗和模型試驗具有彼此不可替代的優(yōu)勢。在土肥研究工作中，將田間試驗和模型試驗結(jié)合，充分發(fā)揮田間試驗和模型試驗各自優(yōu)點。農(nóng)業(yè)部2017年8月印發(fā)的《種養(yǎng)結(jié)合循環(huán)農(nóng)業(yè)示范工程建設(shè)規(guī)劃(2017—2020年)》[25]，明確指出我國東部農(nóng)業(yè)發(fā)展存在污染風險高、區(qū)域內(nèi)協(xié)調(diào)資源環(huán)境保護壓力大、面源污染嚴重等問題。提出確保水土質(zhì)量安全的前提下，科學發(fā)展種植業(yè)的項目建設(shè)。本研究利用田間試驗和模型二分法進行制定江蘇墾區(qū)兼顧糧食產(chǎn)量和環(huán)境效益的精確施氮量，對指導農(nóng)業(yè)精確管理、防治農(nóng)業(yè)氮素污染起到巨大作用。

表7 最佳施氮量研究現(xiàn)狀

4 結(jié) 論

(1) DNDC模型模擬濱海鹽漬土水稻產(chǎn)量7 050.75 kg/hm2與田間測產(chǎn)值7 214.49 kg/hm2實際誤差為163.74，在誤差的10%以內(nèi)，表明使用DNDC模型于濱海鹽漬土地區(qū)水稻產(chǎn)量模擬精度較好。在減施10%，20%，30%和增施10%，20%，30%氮肥時，水稻產(chǎn)量依次為6 431.67，5 939.22，5 439.66 kg/hm2和7 686.51，7 739.94，7 739.94 kg/hm2;總氮氧化合物排放量分別為8.28，7.38，6.47 kg/hm2和9.16，9.75，10.44 kg/hm2。不同施氮肥數(shù)量下，加施氮肥可適當使濱海水稻田水稻產(chǎn)量提升，但當產(chǎn)量達到最大產(chǎn)量后，產(chǎn)量不再增加，而氮氧化合物隨施氮肥量的增加持續(xù)增加。

(2) 濱海鹽漬土水稻最佳施氮區(qū)間在增施10%～20%，即施氮區(qū)間為519.0～566.18 kg/hm2，最佳施氮量為528.214 kg/hm2;在采用最佳施氮時水稻生育期總氮氧化合物排放量為9.24 kg/hm2，具有良好環(huán)境效益。

(3) 二分法與DNDC模型相結(jié)合可以更為快速精確的確定濱海最佳施氮量，提高模型利用的效率。