王立為，郭康軍, ，李鳴鈺，徐慶喆，田景仁，張開(kāi)，郭玉敏，高西寧*

1. 沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110866；2. 河南省氣象科學(xué)研究所，河南 鄭州 450000；

3. 鞍山市氣象局，遼寧 鞍山 114004；4. 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012

大氣中溫室氣體濃度不斷增加是引起全球氣候變暖的重要原因，IPCC第五次報(bào)告指出，人為造成的溫室氣體排放對(duì)全球氣候變暖的影響無(wú)可置疑（IPCC，2013）。N2O是除CO2和CH4外的第三大溫室氣體，其百年增溫潛勢(shì)是CO2的298倍，對(duì)全球變暖的貢獻(xiàn)率達(dá)到8%（Hu et al.，2016）。而農(nóng)業(yè)土壤排放的 N2O占人為 N2O排放源的 59%以上（IPCC，2013），減少農(nóng)業(yè)活動(dòng)排放N2O迫在眉睫。

大量研究表明，農(nóng)田N2O排放受多種因素的影響，如土壤溫度、水分、施肥水平等（Barton et al.，2008；Elmi et al.，2009；吳小紅等，2017）。Agehara et al.（2005）研究表明：在一定的土壤溫度內(nèi)，土壤 N2O的排放通量隨溫度的增加而增加，通常在25-35 ℃范圍內(nèi)土壤 N2O的排放通量達(dá)到最大值。姚志生等（2006）對(duì)稻麥輪作生態(tài)系統(tǒng)的冬小麥N2O排放進(jìn)行了觀測(cè)得出，N2O排放與土壤含水量的相關(guān)關(guān)系發(fā)生轉(zhuǎn)換的土壤含水量約為 75%75%土壤充水孔隙度（WFPS），小于75% WFPS的一定土壤含水量范圍內(nèi)，N2O排放隨土壤含水量的增加而增加，大于75% WFPS的一定土壤含水量范圍內(nèi)，N2O排放隨土壤含水量的增加而減少。由于農(nóng)田土壤 N2O排放在時(shí)間和空間具有高度變異性以及氣候-土壤之間的復(fù)雜關(guān)系，田間觀測(cè)很難準(zhǔn)確地反映不同管理措施對(duì)農(nóng)田土壤 N2O排放的影響（Shang et al.，2011），因此，有必要基于模型去評(píng)估農(nóng)業(yè) N2O氣體的排放規(guī)律及其減排潛力（Robertson et al.，2004）。

DNDC模型是一個(gè)描述農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中碳和氮生物地球化學(xué)過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬模型，可以用來(lái)模擬農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的碳、氮等多種氣體的排放、農(nóng)作物產(chǎn)量、土壤固碳作用以及硝酸鹽淋失等，是目前國(guó)際上較為成功的生物地球化學(xué)模型之一（新罕布什爾大學(xué)地球海洋與空間研究所，2010）。至今，DNDC模型的驗(yàn)證還在不斷地進(jìn)行中，許多研究者應(yīng)用他們自己的數(shù)據(jù)對(duì)DNDC模型進(jìn)行獨(dú)立驗(yàn)證，表明DNDC在農(nóng)業(yè)溫室氣體排放、作物產(chǎn)量等方面的模擬效果均很好（孫園園等，2011；Han et al.，2014；王光翔等，2016）。

前人對(duì)于農(nóng)田N2O排放驅(qū)動(dòng)因子的研究，多集中在利用模型探究小麥（Triticum aestivumL.）、玉米（Zea maysL.）等大糧食作物上（Tumer et al.，2015；李昊儒等，2018；郭樹(shù)芳等，2016），而對(duì)于馬鈴薯的研究幾乎沒(méi)有。馬鈴薯（Solanum tuberosum）是繼水稻（Oryza sativa）、小麥、玉米之后的第四大作物，是最有發(fā)展前景的高產(chǎn)作物之一，2015年初中國(guó)提出馬鈴薯主糧化（吳佩，2015；姚玉璧等，2017）。隨著馬鈴薯種植面積不斷增加，馬鈴薯田 N2O排放以及產(chǎn)量驅(qū)動(dòng)因子的探究越來(lái)越重要。

本研究利用 DNDC模型研究影響馬鈴薯田N2O排放以及產(chǎn)量的驅(qū)動(dòng)因子，為制定馬鈴薯田N2O減排以及增產(chǎn)措施提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

試驗(yàn)于2017年4-7月、2018年4-7月在沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)基地進(jìn)行（41°49′N，123°33′E），基地屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫為8.0 ℃，年平均降水量為716.2 mm，主要集中在5-9月。試驗(yàn)期間，月平均氣溫和月降水量如圖1所示。土壤類型為粉壤（粘粒15%，粉粒51%，砂粒34%），表層土壤（0-10 cm）有機(jī)質(zhì)含量為21.52 g·kg-1，容重為 1.297 g·cm-3，pH 為 6.42。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

試驗(yàn)馬鈴薯的品種為“尤金”，早熟品種，生育日數(shù) 80 d左右，目前在遼寧省已大面積推廣。2017年試驗(yàn)播種和收獲的日期分別為4月28日和7月24日，發(fā)芽日期為5月27日；2018年試驗(yàn)播種和收獲日期分別為5月3日和7月26日，發(fā)芽日期為5月29日。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)不施氮（0 kg·hm-2）、低氮（75 kg·hm-2）、中氮（150 kg·hm-2）、高氮（225 kg·hm-2）4個(gè)施肥水平和空白對(duì)照（裸地，0 kg·hm-2施氮），分別簡(jiǎn)寫為N0、N1、N2、N3和CK。每個(gè)處理設(shè)計(jì)3個(gè)重復(fù)（小區(qū)為5 m×6 m），馬鈴薯種植行距0.5 m，株距0.4 m，種植密度為每公頃50000株。馬鈴薯為壟作種植，采用平地起壟法，壟寬0.5 m，壟高0.15 m，溝寬 0.5 m。磷肥（P2O5）225 kg·hm-2、鉀肥（K2O）75 kg·hm-2，施肥方式：采用播種前一天一次性基肥；耕作方式：4月23日翻耕20 cm；灌溉：無(wú)人工灌溉，雨養(yǎng)條件；除草：定期人工除草。

圖1 試驗(yàn)期間試驗(yàn)地月平均氣溫（tair）和月降水量（P）Fig. 1 Monthly average air temperature (tair) and monthly precipitation(P) in the experiment field during the experiment stage

采用靜態(tài)箱-氣相色譜法測(cè)定N2O氣體通量（靜態(tài)箱尺寸為60 cm×50 cm×45 cm），靜態(tài)箱于基肥后、播種前隨機(jī)安放于每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)的中部，每種處理有3個(gè)重復(fù)，生長(zhǎng)季節(jié)一周測(cè)量1次，施肥階段連續(xù)集中測(cè)量 5 d，如有降雨，于降雨后第二天加測(cè)1次。每次采樣時(shí)間段為09：00-11：30。取樣時(shí)間分別為關(guān)箱后的0 min和40 min，每次用氣泵抽取80-120 mL氣體樣品，利用兩次取樣時(shí)間N2O的濃度差計(jì)算N2O排放速率。在生長(zhǎng)季節(jié)，測(cè)量氣體排放通量的同時(shí)，同步記錄田間小氣候狀況。采集的氣體樣品利用 Agilent 7890A型氣相色譜儀（Agilent Technologies，USA）進(jìn)行分析，從而得出N2O濃度值，經(jīng)計(jì)算得出 N2O的排放通量（μg·m-2·h-1），公式如下：

式中，F(xiàn) 為 N2O 氣體通量，μg·m-2·h-1；ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下被測(cè)氣體濃度，μg·m-3；V為采樣箱有效體積，m3；A為箱底面積，m2；dc/dt為單位時(shí)間內(nèi)采樣箱內(nèi)被測(cè)氣體濃度變化量，μg·h-1；θ為箱內(nèi)溫度，℃。氣體通量為負(fù)值時(shí)表示被觀測(cè)系統(tǒng)從大氣中吸收該氣體，正值時(shí)表示被觀測(cè)系統(tǒng)向大氣排放該氣體（郭康軍等，2018）。

收獲后對(duì)馬鈴薯進(jìn)行測(cè)產(chǎn)：每個(gè)小區(qū)去除兩邊邊行，隨機(jī)選取一壟測(cè)產(chǎn)量。

1.3 DNDC模型

DNDC模型是基于與碳、氮循環(huán)有關(guān)的生物地球化學(xué)因素和過(guò)程而發(fā)展起來(lái)的計(jì)算機(jī)模擬的機(jī)理模型，于1992年由美國(guó)New Hampshire大學(xué)Li et al.（1992；1996）創(chuàng)建。模型包括6個(gè)相互作用的子模塊：氣候土壤、作物生長(zhǎng)、分解、硝化作用、反硝化作用以及發(fā)酵進(jìn)程模塊。在過(guò)去的 20多年里，隨著更多的使用者加入到DNDC模型的模擬研究中，模型已經(jīng)被充分地完善并成為能夠模擬作物產(chǎn)量、土壤氣候、土壤溫室氣體排放量等的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)模型（韓娟，2013）。

1.3.1 模型的校正

模型的校正是修改模型中不符合當(dāng)?shù)靥镩g實(shí)際生長(zhǎng)的部分參數(shù)，校正與之相關(guān)的模型參數(shù)，確定所應(yīng)用地區(qū)的實(shí)際模型參數(shù)。利用2017年試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)DNDC模型進(jìn)行校正，最終輸入?yún)?shù)如下：經(jīng)緯度（41°49′N、123°33′E）；日最高溫度（℃）、日最低溫度（℃）、日降水量（cm）、日平均風(fēng)速（m·s-1）、相對(duì)濕度，為沈陽(yáng)站資料（沈陽(yáng)市氣象局提供）；土壤質(zhì)地（粉壤土）；pH值（6.42）；田間持水量（0.25 g·g-1）；容重（1.297 g·cm-3）；表層（0-10 cm）土壤有機(jī)碳含量（12.48 g·kg-1）；播種/收獲時(shí)間（2017年：4月28日/7月24日，2018年：5月3日/7月26日）。根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際生產(chǎn)狀況，并結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)資料（宋歡歡等，2014；賈小芳等，2017；楊文璽等，2015），調(diào)整模型如下參數(shù)：馬鈴薯最佳產(chǎn)量默認(rèn)值為 74996.25 kg·hm-2，調(diào)整為 25000 kg·hm-2；馬鈴薯生長(zhǎng)積溫默認(rèn)值為2100 ℃，調(diào)整為1300 ℃；馬鈴薯生物量分配比（籽?！萌~∶莖∶根）默認(rèn)值為0.70∶0.13∶0.13∶0.04，調(diào)整為 0.60∶0.20∶0.18∶0.02；需水量[生產(chǎn) 1 kg干生物量所需的水量(kg)]默認(rèn)值為415 kg，調(diào)整為400 kg。此外，將模型默認(rèn)的降水中 N 的平均質(zhì)量濃度由 0 mg·L-1調(diào)整為3.26 mg·L-1，將模型默認(rèn)大氣中 CO2平均濃度由360 mg·m-3調(diào)整為 400 mg·m-3。農(nóng)田管理因子未列出信息均為實(shí)際試驗(yàn)種植數(shù)據(jù)。

1.3.2 模型驗(yàn)證

本研究采用決定系數(shù) R2、平均誤差（E）以及模型效率指數(shù)（EF）來(lái)驗(yàn)證模擬值與實(shí)測(cè)值之間的擬合狀況：

式中，Si表示模擬值；Mi表示實(shí)測(cè)值；n表示實(shí)際觀測(cè)值的次數(shù)；為各實(shí)測(cè)值的平均值；為各模擬值的平均值。決定系數(shù)R2在0-1之間，越接近1表示模型擬合度越好。平均誤差E表示實(shí)測(cè)值和模擬值之間誤差的平均值，E的絕對(duì)值越大，誤差的平均值越大；平均誤差E＞0時(shí)，表示實(shí)測(cè)值小于模擬值，E＜0時(shí)，實(shí)測(cè)值大于模擬值。當(dāng)模型效率指數(shù)EF為0-1時(shí)，值越大，實(shí)測(cè)值與模擬值之間的相關(guān)性越大；當(dāng)EF＜0時(shí)，實(shí)測(cè)值與模擬值極度不相關(guān)（Yang et al.，2014；高小葉等，2016）。

1.3.3 敏感性分析

敏感性分析是在保持其他影響因子不變的情況下，在一定范圍內(nèi)變動(dòng)其中一個(gè)影響因子的數(shù)值輸入DNDC模型，模擬輸出值的變化規(guī)律。以2017年為基準(zhǔn)情景（表1），參考前人的研究成果并結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際生產(chǎn)狀況，設(shè)置了不同影響因子（高小葉等，2016；張遠(yuǎn)等，2011，張嘯林等，2013；何文天，2017），模擬馬鈴薯田N2O排放和產(chǎn)量，并采用敏感度指數(shù)S（Walker et al.，2000）研究這些影響因子對(duì)馬鈴薯田N2O排放和產(chǎn)量的影響。S的計(jì)算公式如下：

表1 敏感性分析參數(shù)本底值和測(cè)試值Table 1 The background values and test values of the sensitivity test indexes

式中，S為敏感度指數(shù)；I2和I1為檢驗(yàn)情景中輸入?yún)?shù)的最大值和最小值；O2和O1為與輸入?yún)?shù)最大值 I2和最小值 I1相對(duì)應(yīng)的模型輸出結(jié)果；Oavg為輸出結(jié)果的平均值；Iavg是輸入?yún)?shù)平均值。S絕對(duì)值越大，表示輸入?yún)?shù)對(duì)模型輸出結(jié)果影響越大，兩者之間的相關(guān)關(guān)系越強(qiáng)；S＞0表示模型輸出結(jié)果與所選擇輸入?yún)?shù)是正相關(guān)關(guān)系，S＜0表示模型輸出結(jié)果與所選擇輸入?yún)?shù)是負(fù)相關(guān)關(guān)系。

1.4 數(shù)據(jù)分析

DNDC模型為9.5版本，運(yùn)用相關(guān)軟件進(jìn)行進(jìn)行繪圖、回歸分析及DNDC模型的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析，試驗(yàn)所需氣象數(shù)據(jù)由沈陽(yáng)市氣象局提供。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮水平處理馬鈴薯田N2O排放情況

圖2顯示，處理N3的排放通量明顯高于其他處理，裸地（CK）的排放最小。2017年各施氮水平（CK、N0、N1、N2、N3）N2O平均排放速率為4.75、9.97、21.99、45.83、77.05 μg·m-2·h-1；2018年各施氮水平（CK、N0、N1、N2、N3）N2O平均排放速率為 6.39、7.70、10.48、21.29、35.27 μg·m-2·h-1。隨著施氮量的增加，土壤 N2O 排放通量有明顯的增加趨勢(shì)。但是各處理土壤N2O的排放趨勢(shì)基本一致，說(shuō)明施氮不會(huì)導(dǎo)致排放趨勢(shì)的變化，只會(huì)影響土壤N2O排放通量的大小。

圖2 2017-2018年不同施氮水平馬鈴薯田N2O排放情況Fig. 2 N2O emissions of potato field under different nitrogen application levels in 2017 and 2018

2.2 DNDC模型的驗(yàn)證

利用2017年數(shù)據(jù)進(jìn)行DNDC模型的調(diào)參，2018年數(shù)據(jù)進(jìn)行 DNDC模型的驗(yàn)證。表 2顯示，2017年各施氮水平（N0、N1、N2、N3）處理模型效率指數(shù)EF分別為0.45、0.55、0.76、0.70，R2分別為0.45、0.89、0.85、0.80，顯著性檢驗(yàn)為極顯著（P值分別為 0.002、0.000、0.000和 0.000）。2018年各施氮水平（N0、N1、N2、N3）處理模型效率指數(shù) EF 分別為 0.41、0.53、0.60、0.73，R2分別為 0.50、0.71、0.69、0.81，顯著性檢驗(yàn)為極顯著（P值分別為0.001、0.000、0.000和0.000），DNDC模型對(duì)于各處理馬鈴薯田N2O排放均具有較好的模擬效果。另外，DNDC模型對(duì)于馬鈴薯產(chǎn)量也具有較好的模擬效果，2017年：EF=0.91，R2=0.97，P=0.017；2018年：EF=0.85，R2=0.95，P=0.027。

表2 DNDC模型對(duì)于馬鈴薯田N2O排放和產(chǎn)量的擬合度指標(biāo)Table 2 Fitting indexes of N2O emission and yield of DNDC model

2.3 馬鈴薯田N2O排放和產(chǎn)量的驅(qū)動(dòng)因子敏感性分析

對(duì)表1中不同驅(qū)動(dòng)因子的不同變化情況進(jìn)行敏感性檢測(cè)（表3），結(jié)果表明：

2.3.1 氣象因子

隨著年降雨量增加，馬鈴薯田生育期N2O累積排放、產(chǎn)量均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，每增加10%的年降雨量，馬鈴薯田生育期N2O累積排放和產(chǎn)量平均增加25.1%和12.7%，敏感性指數(shù)分別為2.171、1.154，均十分敏感。隨著年均溫度的增加，馬鈴薯田生育期 N2O累積排放呈增加趨勢(shì)，年均氣溫每增加1 ℃，馬鈴薯田生育期 N2O累積排放平均增加7.0%，敏感度指數(shù)為 0.645。而在本地區(qū)馬鈴薯田管理方式下，隨年均氣溫增加，馬鈴薯產(chǎn)量呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，年均氣溫每增加1 ℃，馬鈴薯產(chǎn)量平均減少10.6%，敏感度指數(shù)為-1.058。大氣中CO2質(zhì)量濃度在360-440 mg·m-3范圍內(nèi)變化，馬鈴薯田生育期N2O累積排放幾乎沒(méi)有變化，敏感度指數(shù)僅為-0.092。而隨著大氣中CO2濃度的增加，馬鈴薯產(chǎn)量呈增加趨勢(shì)，大氣中CO2濃度每增加20 mg·m-3，馬鈴薯產(chǎn)量平均增加約4.0%，敏感度指數(shù)為0.774。氮沉降量在2.608-3.912 mg·L-1（以N計(jì)）范圍內(nèi)增加，馬鈴薯田生育期N2O累積排放有增加趨勢(shì)，但是增加趨勢(shì)不明顯，每增加10%的氮沉降，馬鈴薯田生育期N2O累積排放平均僅增加1.0%，敏感度指數(shù)僅 0.096。氮沉降量在 2.608-3.912 mg·L-1（以N計(jì)）范圍內(nèi)增加，馬鈴薯產(chǎn)量幾乎沒(méi)有變化，敏感性指數(shù)僅為0.025。

表3 DNDC模型敏感性分析結(jié)果Table 3 Results of sensitivity analysis by DNDC model

2.3.2 土壤因子

隨著土壤中有機(jī)碳（SOC）含量的逐步增加，馬鈴薯田生育期N2O累積排放呈明顯增加趨勢(shì)，每增加10%土壤有機(jī)碳含量，馬鈴薯田生育期N2O累積排放平均增加15.2%，敏感度指數(shù)為1.390。土壤中有機(jī)碳含量在 0.00998-0.01498 g·g-1之間逐步增加，馬鈴薯產(chǎn)量幾乎沒(méi)有變化，敏感度僅為-0.031。土壤 pH 值由酸至堿（5.136-7.704），馬鈴薯田生育期 N2O累積排放呈先增加后減少的趨勢(shì)，pH值為7.062時(shí)，生育期N2O累積排放達(dá)到最大值，敏感度指數(shù)為 0.902。隨著土壤 pH值在5.136-7.704之間變化，馬鈴薯產(chǎn)量幾乎沒(méi)有變化，敏感度指數(shù)僅為-0.004。土壤容重與馬鈴薯田生育期N2O累積排放具有明顯的正相關(guān)關(guān)系，土壤容重值每增加10%，馬鈴薯田生育期N2O累積量排放平均增加14.6%，敏感度指數(shù)為1.337。土壤容重值在1.038-1.556 g·cm-3之間變化，馬鈴薯產(chǎn)量幾乎沒(méi)有變化，敏感度指數(shù)僅為-0.008。

2.3.3 農(nóng)田管理因子

施氮水平與馬鈴薯田生育期N2O累積排放呈正相關(guān)關(guān)系，每增加 60 kg·hm-2施氮量，馬鈴薯田生育期N2O累計(jì)排放平均增加53.1%，敏感度指數(shù)為0.494，施氮顯著促進(jìn)旱地農(nóng)田N2O排放（王旭燕等，2015）。施氮水平與馬鈴薯產(chǎn)量呈拋物線趨勢(shì)，在一定的施氮水平下，產(chǎn)量隨著施氮量增加而增加，而過(guò)量的氮肥施用，不僅沒(méi)有增產(chǎn)，還出現(xiàn)減產(chǎn)趨勢(shì)，敏感度指數(shù)為0.133。利用DNDC模型，以15 kg·hm-2施氮量為間隔，模擬馬鈴薯產(chǎn)量隨施氮量變化情況，發(fā)現(xiàn)2017年、2018年隨施氮量增加，產(chǎn)量均呈拋物線趨勢(shì)變化（2017年：R2=0.52，P=0.012；2018年：R2=0.60，P=0.006），2017 年極值點(diǎn)為 94.14 kg·hm-2，2018 年為 94.74 kg·hm-2。

綜上所述，可以看出年降雨量（水分）、施氮量對(duì)于馬鈴薯生育期 N2O累積排放和馬鈴薯產(chǎn)量的影響都較為明顯，且在農(nóng)田管理中是可控的影響因子。結(jié)合本課題組以前的研究結(jié)果，馬鈴薯田增產(chǎn)兼顧減排的最優(yōu)施氮量為90-105 kg·hm-2（郭康軍等，2018），得出結(jié)論：隨施氮量增加，馬鈴薯產(chǎn)量均呈拋物線趨勢(shì)變化，2017年極值點(diǎn)為94.14 kg·hm-2，2018 年為 94.74 kg·hm-2，取中間值 94.5 kg·hm-2施氮量為最優(yōu)施氮量。以 94.5 kg·hm-2施氮量和當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶常規(guī)灌溉時(shí)間（播種后45 d左右）為基礎(chǔ)，設(shè)置不同單位面積上的灌溉量，模擬馬鈴薯田N2O排放和產(chǎn)量變化情況（表4），由表4可知：?jiǎn)挝幻娣e灌溉量小于15 mm時(shí)，隨單位面積灌溉量增加，產(chǎn)量增加迅速，較0 mm單位面積灌溉量處理各單位面積灌溉量（5、10和15 mm）處理產(chǎn)量分別增加 9.7%、19.3%、28.2%，當(dāng)單位面積灌溉量大于15 mm，再增加單位面積灌溉量，產(chǎn)量增加卻十分緩慢，較15 mm單位面積灌溉量處理各單位面積灌溉量（20、25、30、35、40、45和50 mm）處理產(chǎn)量?jī)H分別增加-0.6%、1.0%、2.1%、-1.1%、2.0%、-1.4%和-1.4%，而生育期 N2O累積排放卻依然在快速增加，較15 mm單位面積灌溉量處理各單位面積灌溉量處理生育期 N2O累積排放分別增加 11.1%、19.3%、28.1%、37.9%、44.9%、54.7%和62.7%。從單產(chǎn)N2O累積排放來(lái)看，單位面積灌溉量小于15 mm時(shí)，隨單位面積灌溉量增加，單產(chǎn)N2O累積排放沒(méi)有明顯變化，較0 mm單位面積灌溉量處理各單位面積灌溉量處理單產(chǎn) N2O累積排放分別增加-3.6%、-7.1%和-3.6%，單位面積灌溉量大于15 mm，再增加單位面積灌溉量，單產(chǎn)N2O累積排放將快速增加，較15 mm單位面積灌溉量處理各單位面積灌溉量處理單產(chǎn) N2O累積排放分別增加11.1%、18.5%、25.9%、40.7%、40.7%、55.6%和66.7%，15 mm單位面積灌溉量是保產(chǎn)前提下單產(chǎn)N2O累積排放最少的單位面積灌溉量。故而，綜合單位面積灌溉量（水分）和施氮量，在農(nóng)戶常規(guī)耕作制度下，我們認(rèn)為94.5 kg·hm-2施氮量和15 mm單位面積灌溉量為保產(chǎn)前提下減少馬鈴薯田 N2O排放的最佳搭配方式。

表4 最優(yōu)施氮量（94.5 kg·hm-2）下不同單位面積灌溉量馬鈴薯田N2O排放和產(chǎn)量情況Table 4 N2O emissions and potato yield under different irrigation volumes per unit area with the optimum nitrogen application level(94.5 kg·hm-2) in the potato field

3 討論

3.1 氣象因子、土壤因子和農(nóng)田管理因子對(duì)馬鈴薯田N2O累積排放和產(chǎn)量的影響

3.1.1 氣象因子

降水能夠顯著影響土壤水分的動(dòng)態(tài)變化，改變土壤含水量，進(jìn)而影響農(nóng)田 N2O排放量和作物產(chǎn)量。研究中我們發(fā)現(xiàn)馬鈴薯田N2O排放和產(chǎn)量對(duì)于土壤水分含量均十分敏感，這得到了諸多研究的驗(yàn)證（楊文璽，2015；孫光等，2018）。氣溫通過(guò)影響土壤溫度進(jìn)而影響土壤N2O排放和作物產(chǎn)量。在一定的土壤溫度內(nèi)，土壤微生物的活性、反硝化及硝化過(guò)程中 N2O排放速率會(huì)隨著土壤溫度的升高而增加，因而土壤N2O的排放通量與土壤溫度呈正相關(guān)性（朱永官等，2014；Sahrawat，1982）。研究中我們發(fā)現(xiàn)本地區(qū)馬鈴薯產(chǎn)量與年均氣溫具有負(fù)相關(guān)關(guān)系，這與馬鈴薯為喜涼作物（鄧振鏞等，2010），而本地區(qū)馬鈴薯播種較晚有關(guān)，這也為我們探究本地區(qū)馬鈴薯提前播期提供了依據(jù)。大氣中CO2質(zhì)量濃度在一定范圍內(nèi)變化，馬鈴薯田生育期N2O累積排放幾乎沒(méi)有變化，高小葉等（2016）利用DNDC模型模擬CO2質(zhì)量濃度變化對(duì)上海地區(qū)水稻田 N2O排放的影響研究，也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象。CO2作為光合作用的基本原料，大氣中CO2濃度升高可在兩個(gè)方面影響C3植物馬鈴薯的光合作用，即通過(guò)對(duì)Rubisco結(jié)合位點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)從而提高羧化速度和通過(guò)抑制光呼吸并提高光合作用反應(yīng)底物，從而提高凈光合速率，C3植物的光合能力隨著CO2濃度升高可提高10%-15%（謝立勇等，2006；Kou et al.，2008）。大氣中氮沉降的生態(tài)效應(yīng)在近些年來(lái)逐漸引起大家的關(guān)注，在缺氮的生態(tài)系統(tǒng)中，通過(guò)大氣沉降輸入到生態(tài)系統(tǒng)的氮可以增加系統(tǒng)初級(jí)生產(chǎn)力以及生物量（Neff et al.，2000；Matson et al.，2002），而在氮飽和的生態(tài)系統(tǒng)中，外來(lái)輸入的氮不再起到明顯的營(yíng)養(yǎng)作用（Magill et al.，2000）。本研究中基準(zhǔn)情景對(duì)于馬鈴薯田生態(tài)系統(tǒng)是處于氮飽和狀態(tài)的，而且隨著氮沉降進(jìn)入土壤的氮相對(duì)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的氮量是少量的，故馬鈴薯田生育期N2O累積排放和產(chǎn)量隨氮沉降變化并不明顯。

3.1.2 土壤因子

含有較高有機(jī)碳的土壤中含有更多的可溶性有機(jī)碳（DOC），從而增加土壤硝化作用和反硝化作用的底物，使得硝化作用和反硝化作用增強(qiáng)，進(jìn)而增加了土壤N2O排放（Li et al.，2010）。研究發(fā)現(xiàn)隨著土壤有機(jī)碳含量增加，馬鈴薯產(chǎn)量幾乎沒(méi)有變化，其可能的原因是受到水分供給的脅迫所致。土壤pH通過(guò)影響硝化、反硝化微生物的活性進(jìn)而影響硝化、反硝化作用，使得硝化和反硝化速率以及最終的產(chǎn)物比例發(fā)生變化。Stevens et al.（1998）在研究中發(fā)現(xiàn)，土壤pH為6.0和8.0左右時(shí)，土壤N2O產(chǎn)生較慢，而土壤pH為6.5時(shí)，土壤N2O產(chǎn)生較快，與本研究結(jié)果比較一致。馬鈴薯對(duì)于土壤pH值要求范圍比較大，土壤pH值在5-7.5范圍內(nèi)馬鈴薯均能正常生長(zhǎng)（譚宗九等，2010），本研究中pH值波動(dòng)范圍基本在此范圍內(nèi)，故pH值對(duì)于馬鈴薯產(chǎn)量并無(wú)明顯影響。容重是土壤重要的物理性狀，可以反映土壤的孔隙狀況、松緊程度等（Logsdon et al.，2004）。土壤容重通過(guò)影響土壤的通透性和水分?jǐn)U散速率來(lái)影響土壤N2O排放通量，在土壤質(zhì)地相似的情況下，容重增加表明土壤緊實(shí)度高、通氣孔隙較少；而在土壤水含量保持不變的情況下，土壤水分的擴(kuò)散速率隨土壤容重的增加而降低（李志洪等，2000；陳強(qiáng)等，2014）。土壤容重降低，提高了土壤通氣性和氧氣含量，減少厭氧細(xì)菌的數(shù)量，從而抑制反硝化作用，減少N2O的排放（程效義等，2016；Cavigelli et al.，2001）。

3.1.3 農(nóng)田管理因子

氮肥的施用作為農(nóng)田土壤最直接的氮源，對(duì)農(nóng)田土壤 N2O排放的影響不言而喻。隨著施氮量增加，土壤N2O排放迅速增加，也得到諸多研究者的觀測(cè)驗(yàn)證（Zebarth et al.，2012；董玉紅等，2005）。過(guò)量施用氮肥，不僅不會(huì)增產(chǎn)還有減產(chǎn)趨勢(shì)，這在其他作物中也有所體現(xiàn)（汪新穎等，2014；趙亞南等，2017）。

3.2 馬鈴薯田適宜播期的探究

DNDC模型的敏感性分析中，有一個(gè)比較特殊的現(xiàn)象，馬鈴薯田產(chǎn)量與年均氣溫具有負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明降低溫度可以提高馬鈴薯產(chǎn)量，即試驗(yàn)中馬鈴薯播期可適當(dāng)提前。以 2017年為例，以當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施氮水平（120 kg·hm-2）為基礎(chǔ)進(jìn)行模擬，單純將播期提前，馬鈴薯產(chǎn)量并沒(méi)有達(dá)到預(yù)想中的增加，而是呈下降趨勢(shì)（圖 3a），可能是播期提前，降雨量也隨之減少，降雨量對(duì)馬鈴薯生長(zhǎng)起到脅迫作用，播期提前（5、10、15、20、25和30 d）生育期降雨總量分別減少 18.2%、32.3%、39.4%、46.9%、50.9%。保持2017年馬鈴薯生育期降雨量（211.7 mm）不變的情況下，馬鈴薯產(chǎn)量隨播期提前的變化情況如圖3b，模擬結(jié)果顯示隨播期提前，產(chǎn)量呈現(xiàn)拋物線趨勢(shì)變化，極值點(diǎn)為22.5 d，即2017年馬鈴薯播期應(yīng)從4月28日，提前22.5 d，4月5日、4月6日播種，溫度條件即可達(dá)到馬鈴薯生育要求。查看4月5日、4月6日左右?guī)滋斓奈迦栈瑒?dòng)平均溫度，以 4月 2日的五日滑動(dòng)平均溫度10.54 ℃≥10 ℃為界限，4月 2日以后的五日滑動(dòng)平均溫度均高于10 ℃，而4月2日之前的五日滑動(dòng)平均溫度均低于10 ℃，即4月2日為2017年五日滑動(dòng)平均氣溫穩(wěn)定通過(guò)10 ℃的初日，4月5日、4月6日為五日滑動(dòng)平均溫度穩(wěn)定通過(guò)10 ℃的第4日和第5日。

圖3 2017年基于DNDC模型模擬馬鈴薯產(chǎn)量隨播期提前的變化情況Fig. 3 Changes of projection of potato yield by DNDC as the sowing date set earlier in 2017

2018年與2017年具有相同的現(xiàn)象，即單純將播期提前，馬鈴薯產(chǎn)量并未達(dá)到預(yù)期效果，而是呈下降趨勢(shì)。保持2018年馬鈴薯生育期降雨量（189.2 mm）不變的情況下，馬鈴薯產(chǎn)量隨播期提前的變化情況與 2017年類似，即馬鈴薯產(chǎn)量隨播期提前呈現(xiàn)拋物線趨勢(shì)變化（y=-4.4528x2+178.46x+17802；R2=0.862；P=0.000，y：馬鈴薯產(chǎn)量，x：播期提前天數(shù)），極值點(diǎn)為20.0 d，即馬鈴薯播期應(yīng)從5月3日開(kāi)始，提前20.0 d，4月13日播種，溫度條件即可達(dá)到馬鈴薯生育要求。查看4月13日左右?guī)滋斓奈迦栈瑒?dòng)平均溫度，同樣，有一個(gè)明顯的現(xiàn)象，以 4月 11日的五日滑動(dòng)平均溫度 10.76 ℃≥10 ℃為界限，4月11日以后的五日滑動(dòng)平均溫度均高于10 ℃，而4月11日之前（連續(xù)8 d）的五日滑動(dòng)平均溫度均低于10 ℃，即4月11日為2018年五日滑動(dòng)平均溫度穩(wěn)定通過(guò) 10 ℃的初日，4月 13日為五日滑動(dòng)平均溫度穩(wěn)定通過(guò)10 ℃的第3日。

本地區(qū)五日滑動(dòng)平均溫度穩(wěn)定通過(guò) 10 ℃后，馬鈴薯即可播種（譚宗九等，2010；邢寶龍等，2018），但是結(jié)合產(chǎn)量模擬和實(shí)際生產(chǎn)問(wèn)題，溫度穩(wěn)定通過(guò)10 ℃后的5 d內(nèi)播種均可，這樣也可以達(dá)到保產(chǎn)增產(chǎn)的目的。故而，我們認(rèn)為：保持水分正常需求的前提下（如進(jìn)行適當(dāng)灌溉等），本地區(qū)五日滑動(dòng)平均溫度穩(wěn)定通過(guò)10 ℃后的5 d內(nèi)播種馬鈴薯均可達(dá)到保產(chǎn)增產(chǎn)的目的。馬鈴薯為喜涼作物（鄧振鏞等，2010），隨著全球變暖，溫度升高（IPCC，2013），對(duì)馬鈴薯播期的提前的研究，對(duì)于馬鈴薯產(chǎn)量的提高具有積極的意義。

3.3 DNDC模型的改進(jìn)建議

研究中有一個(gè)現(xiàn)象，以2018年N1處理為例（圖4），2018年7月7日和7月9日，實(shí)測(cè)土壤N2O排放出現(xiàn)小高峰，但DNDC模型模擬卻并沒(méi)有出現(xiàn)該現(xiàn)象。查看降雨量，2018年7月9日前3天有降雨7.3、2.5和5.7 mm，可能是模型對(duì)于連續(xù)多天、低降雨量響應(yīng)不明顯，下文試對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行討論。

圖4 2018年N1處理N2O排放模擬值、實(shí)測(cè)值與降雨量情況Fig. 4 Simulation of N2O emission, measured values and precipitation in N1 treatment in 2018

由于農(nóng)田N2O排放具有很大時(shí)空變化性，其原因與控制這種氣體產(chǎn)生的 3個(gè)因素[土壤環(huán)境的氧化還原電位Eh、DOC和可給態(tài)氮（即銨態(tài)氮、硝態(tài)氮）]的交織作用有關(guān)，世界上各地的觀測(cè)指出，大多數(shù)地方 N2O的年排放量是由為數(shù)不多的幾個(gè)排放高峰集成的，基于此利用 DNDC模型對(duì) N2O排放峰值進(jìn)行模擬（李長(zhǎng)生，2016）427。以 2018年N1施氮水平處理為例，2018年7月7日，DNDC模型模擬顯示土壤10 cm處Eh為764.3 mV，而臨近7月14日一次降雨，降雨量為27.3 mm，N2O排放峰模擬為 151.82 μg·m-2·h-1，DNDC 模型模擬其土壤10 cm處Eh為421.4 mV，Eh明顯降低，N2O排放凸顯。DNDC模型基于能斯特方程計(jì)算模擬目標(biāo)土壤Eh的動(dòng)態(tài)，當(dāng)有降雨時(shí)，土壤的Eh下降，下降的程度與降雨持續(xù)時(shí)間有關(guān)，降雨持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，土壤Eh下降越多，最低可達(dá)100 mV左右，并且N2O排放的土壤Eh被賦予一定的閥值（如果土壤中初始硝態(tài)氮濃度為0.00357 mol·L-1，N2O氣體開(kāi)始產(chǎn)生時(shí)Eh為+460 mV）（李長(zhǎng)生，2016）309-310。而降雨的持續(xù)時(shí)間是這樣定義的：DNDC模型首先將降雨強(qiáng)度（Ip）定義為一個(gè)定值，即每小時(shí)0.5 cm（Ip=0.5 cm·h-1），然后根據(jù)氣象數(shù)據(jù)提供的日降水總量（Wp，cm·d-1），將降雨時(shí)間（Tp，h）定義為：Tp=Wp/Ip（李長(zhǎng)生，2016）290。

然而事實(shí)上，每次降雨的降雨強(qiáng)度是變化的，并不是一個(gè)定值，降雨持續(xù)時(shí)間也并不能簡(jiǎn)單的用Tp=Wp/Ip去計(jì)算。2018年7月6日、7月7日降雨量雖僅為7.3 mm和2.5 mm，按照Tp=Wp/Ip公式，DNDC模型模擬時(shí)認(rèn)為這兩日降雨僅持續(xù)1.46 h和0.5 h，事實(shí)上2018年7月6日、7月7日降雨量持續(xù)時(shí)間分別為3.5 h和0.75 h。將實(shí)際降雨持續(xù)時(shí)間按照Tp=Wp/Ip換算成降雨量，輸入DNDC模型中，DNDC模型便能準(zhǔn)確模擬出2018年7月7日降雨的N2O排放峰值（如圖5）。這種把實(shí)際降雨持續(xù)時(shí)間按照模型中應(yīng)用的公式折算成降雨量，輸入模型中的做法，增加和改變了實(shí)際降雨量情況，只是一種簡(jiǎn)單的嘗試，但是這種做法卻取得了更準(zhǔn)確的模擬效果，結(jié)果表明：DNDC模型應(yīng)考慮增加每日降雨強(qiáng)度和降雨持續(xù)時(shí)間的可選輸入項(xiàng)。

圖5 2018年（7月3日-7月8日）N1處理N2O排放模擬值、實(shí)測(cè)值與降雨量情況Fig. 5 Simulation of N2O emission, measured values and precipitation in N1 treatment in 2018 (from July 3rd to July 8th)

綜上所述，為了準(zhǔn)確地模擬多天連續(xù)、低降雨量、高降雨持續(xù)時(shí)間的土壤N2O排放，認(rèn)為DNDC模型應(yīng)考慮增加每日降雨強(qiáng)度和降雨持續(xù)時(shí)間的可選輸入項(xiàng)，以便準(zhǔn)確模擬多天連續(xù)、低降雨量、高降雨持續(xù)時(shí)間的土壤N2O排放特征。

4 結(jié)論

（1）DNDC模型對(duì)于馬鈴薯田N2O排放和產(chǎn)量均具有較好的模擬效果。N2O排放模擬結(jié)果：2017-2018年模型效率指數(shù)EF在0.41-0.76之間，中氮（N2）、高氮（N3）處理模擬效果更佳；產(chǎn)量模擬結(jié)果：2017年和2018年的模型效率指數(shù)EF分別為0.91、0.85。

（2）年降雨量、土壤有機(jī)碳含量、土壤容重、土壤pH值對(duì)馬鈴薯生育期N2O累積排放的影響較為明顯，敏感度指數(shù)分別為2.171、1.390、1.337和0.902。年降雨量、年均溫度、CO2質(zhì)量濃度、施氮水平對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量的影響較為明顯，敏感度指數(shù)分別為1.154、-1.058、0.774和0.133。

（3）基于DNDC模型模擬結(jié)果并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，認(rèn)為在保持水分正常供給的前提下（如進(jìn)行適當(dāng)灌溉等），本地區(qū)五日滑動(dòng)平均溫度穩(wěn)定通過(guò)10 ℃后的5 d內(nèi)播種馬鈴薯，即可保證馬鈴薯生長(zhǎng)的溫度需求，達(dá)到保產(chǎn)增產(chǎn)的目的。