李仙岳，冷 旭，張景俊，郭 宇，丁宗江，胡小東，朱昆侖

北方干旱區(qū)降解膜覆蓋農(nóng)田玉米生長(zhǎng)和氮素利用模擬及優(yōu)化

李仙岳1，冷 旭1，張景俊1，郭 宇1，丁宗江1，胡小東1，朱昆侖2

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，呼和浩特 010018；2.山東天壯環(huán)保科技有限公司，濟(jì)南 250110）

為了明確干旱區(qū)降解地膜覆蓋下作物生長(zhǎng)及氮肥利用特征，在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)進(jìn)行兩年的降解膜覆蓋農(nóng)田施肥試驗(yàn)。在降解膜覆蓋下設(shè)4個(gè)施氮水平：0（BN0）、216（BN1：追施氮160）、276（BN2：追施氮220）、336（BN3：追施氮280）kg/hm2，另設(shè)高氮塑料地膜覆蓋（PN3）與高氮無(wú)膜覆蓋（NN3）處理作為對(duì)照。率定和驗(yàn)證了不同類(lèi)型地膜覆蓋條件的DNDC模型（denitrification-decomposition model，脫氮-分解作用模型），模擬并研究了不同類(lèi)型地膜覆蓋及不同施氮量對(duì)玉米生長(zhǎng)、氮素吸收及利用效率的影響，并基于線性+平臺(tái)模型優(yōu)化了施肥模式。結(jié)果表明：在灌漿期降解地膜與塑料地膜覆蓋下玉米生長(zhǎng)無(wú)明顯差異，干物質(zhì)累積量2 a平均僅降低了2.41%（>0.05），但比無(wú)膜處理分別提高了9.65%（<0.05）；在收獲期降解地膜與塑料地膜覆蓋處理之間差異增大但仍未達(dá)顯著水平，僅降低了3.07%（>0.05），且作物的日吸氮量、產(chǎn)量、氮肥利用率和氮素吸收效率也無(wú)顯著差異，2 a平均分別僅降低1.09%、3.97%、3.08%和2.22%（＞0.05），但比無(wú)膜覆蓋處理分別提高了7.04%、13.67%、12.90%和8.90%（＜0.05）。隨著施氮量增加干物質(zhì)累積量的增大趨勢(shì)趨于平緩甚至出現(xiàn)負(fù)值，施氮量為336 kg/hm2（BN3）處理較276 kg/hm2（BN2）處理降低了1.06%，日吸氮量、累積吸氮量和產(chǎn)量?jī)H提高了0.35%、0.78%和0.34%（>0.05），而比216 kg/hm2（BN1）處理分別提高了6.41%、8.38%、23.58%和35.37%（<0.05）。通過(guò)DNDC模型不同情景模擬及線性+平臺(tái)模型尋優(yōu)，得到降解地膜覆蓋農(nóng)田施氮肥252.94 kg/hm2時(shí)，繼續(xù)增加氮肥對(duì)產(chǎn)量無(wú)明顯促進(jìn)作用，為該地區(qū)降解地膜覆蓋下較優(yōu)的施肥模式。

氮素；作物；DNDC模型；干旱區(qū)；可降解地膜；氮肥利用；優(yōu)化

0 引 言

氮素是作物生長(zhǎng)所必須的營(yíng)養(yǎng)元素，施用氮肥能顯著提高作物產(chǎn)量，也是保障糧食安全的重要措施。中國(guó)氮肥使用量全球第一，僅2015年全國(guó)氮肥施用量就達(dá) 2 362萬(wàn)t[1]。但中國(guó)氮肥利用率遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家，施入土壤的氮素只有30%～40%被作物吸收[2]。而氮素在土壤中較活躍，易揮發(fā)、易淋失，施用過(guò)量的氮肥會(huì)導(dǎo)致大量氮素在土壤中殘留，且遷移到深層污染地下水，造成水體富營(yíng)養(yǎng)化，也會(huì)揮發(fā)到大氣中造成污染[3-4]等多種環(huán)境惡化問(wèn)題。而地膜覆蓋不僅可以起到顯著的增產(chǎn)、節(jié)水、保溫等效果[5-6]，還能有效減少氮素?fù)]發(fā)和流失，特別在干旱地區(qū)已成為重要的農(nóng)藝措施，2016年中國(guó)農(nóng)用塑料薄膜年使用量已達(dá)260萬(wàn)t，較2006年增長(zhǎng)了30%[1]。然而對(duì)于連續(xù)多年覆膜耕作，農(nóng)膜殘留現(xiàn)象日益嚴(yán)重，并制約著產(chǎn)量的提高。生物降解地膜有望成為解決農(nóng)膜殘留問(wèn)題的重要手段[7-9]，在保溫保墑等方面與塑料地膜相近，并可在自然狀態(tài)下完全降解為CO2和H2O，能有效解決地膜的環(huán)境污染問(wèn)題[10]。

前人對(duì)降解地膜覆蓋的保墑、保肥、保溫及增產(chǎn)效果進(jìn)行了大量研究[11-12]，結(jié)果表明降解地膜與塑料地膜功效相當(dāng)，可有效改善土壤耕作層的水熱狀況。周昌明等[13]研究表明降解膜覆蓋下不同播種后天數(shù)土層深度的硝態(tài)氮含量均要高于裸地。降解膜與塑料地膜覆蓋下玉米各生長(zhǎng)指標(biāo)、籽粒產(chǎn)量與氮肥利用率無(wú)顯著差異，且均顯著大于未覆膜處理。施用氮肥可提高土壤硝態(tài)氮濃度，有助于作物生長(zhǎng)發(fā)育，王澤林等[14]研究表明施氮量100、250和400 kg/hm2處理玉米穗數(shù)分別增加了40.2%、20.7%和25.5%。施氮處理比不施氮處理玉米干物質(zhì)最大累積速率明顯提高，增幅為1.2%～20.0%[15]，增產(chǎn)幅度為26.5%～36.7%[16]。盡管目前已經(jīng)獲得了大量關(guān)于不同外界因素對(duì)作物生長(zhǎng)變化的科學(xué)數(shù)據(jù)和結(jié)論，但受時(shí)間、資金和條件的限制，僅通過(guò)試驗(yàn)研究或有限的田間試驗(yàn)來(lái)評(píng)估作物產(chǎn)量、吸氮量、干物質(zhì)累積量和氮利用效率是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，而借助模型軟件，能比較經(jīng)濟(jì)、高效的掌握作物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程，例如CropSyst模型[17]、AquaCrop 模型[18]、DNDC模型[19]等均可模擬作物生長(zhǎng)狀況。其中DNDC（denitrification-decomposition model，脫氮-分解作用模型）模型通過(guò)調(diào)整不同輸入?yún)?shù)，可以模擬不同作物、不同灌水方式與制度、不同施肥方式與制度、不同覆蓋方式條件下的作物生長(zhǎng)情況、土壤環(huán)境變化及水氮遷移等指標(biāo)[20]，已經(jīng)在水稻、小麥、玉米、大麥、馬鈴薯等作物的生長(zhǎng)發(fā)育方面做了大量研究[21]。與其他模型相比，DNDC模型可調(diào)控不同時(shí)期覆膜比例，能動(dòng)態(tài)模擬降解膜的破損過(guò)程對(duì)土壤水、熱、氮等物理環(huán)境及作物生長(zhǎng)的影響。

大部分學(xué)者主要利用二次型、平方根、二次型+平臺(tái)和線性+平臺(tái)4個(gè)模型對(duì)施肥制度與產(chǎn)量關(guān)系進(jìn)行擬合，研究表明線性+平臺(tái)模型推薦氮肥施用量所獲得的施肥效益和環(huán)境效益最高[22]，但對(duì)于可降解地膜覆蓋下，與DNDC模型相結(jié)合優(yōu)化氮肥制度的相關(guān)研究較少。本研究主要針對(duì)北方干旱區(qū)不同類(lèi)型地膜覆蓋及不同施氮量對(duì)玉米產(chǎn)量、干物質(zhì)累積量、吸氮量和氮肥利用率的影響進(jìn)行研究，構(gòu)建、率定和驗(yàn)證不同類(lèi)型地膜覆蓋及不同施氮量條件下DNDC作物生長(zhǎng)模型，通過(guò)不同情景模擬，并基于線性+平臺(tái)模型進(jìn)行施肥尋優(yōu)，提出干旱區(qū)降解膜覆蓋下優(yōu)化施氮制度，以期為降解地膜的推廣及氮肥高效利用奠定理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)基本情況

1.1.1 試驗(yàn)處理

2016—2017年在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)烏蘭布和灌域木壘灘節(jié)水試驗(yàn)站（北緯40°31′48″，東經(jīng)106°56′30″）進(jìn)行為期2 a的膜下畦灌施肥試驗(yàn)。該地區(qū)干旱少雨，晝夜溫差大，光熱資源豐富，5—9月份積溫在3 100 ℃以上。土壤類(lèi)型為砂壤土，耕層土壤總氮、有機(jī)質(zhì)含量分別為0.78、12.5 g/kg，速效氮、速效鉀和速效磷量分別為58.32、126.9、11.22 mg/kg。試驗(yàn)在降解膜覆蓋下設(shè)4個(gè)施氮水平：0（BN0，不施肥）、216（BN1，其中追肥施氮量160）、276（BN2，其中追肥施氮量220）、336（BN3，其中追肥施氮量280）kg/hm2，BN1、BN2、BN3的基肥施氮量相同，均在拔節(jié)期與灌漿期進(jìn)行追肥（表1）。另設(shè)高氮塑料地膜覆蓋（PN3，總施氮量336 kg/hm2）與高氮無(wú)膜覆蓋（NN3，總施氮量336 kg/hm2）處理為對(duì)照，共6個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次，共計(jì)18個(gè)小區(qū)隨機(jī)排列，每個(gè)小區(qū)面積60 m2，于5月3日、6月18日、7月6日、7月23日和8月5日共灌水5次，通過(guò)水泵抽取地下水并采用水表計(jì)量水量，每次灌水定額為105 mm，灌溉定額為525 mm。基肥為復(fù)合肥料，共施200 kg/hm2（N為56 kg/hm2、P2O5為36 kg/hm2、K2O為10 kg/hm2)，隨種子一起施入土壤，并采用撒施尿素（N：46%）進(jìn)行追肥。供試玉米品種為先鋒32D22，種植密度5.5×104株/hm2，塑料地膜選用磴口縣大眾塑料廠生產(chǎn)的聚乙烯塑料地膜，無(wú)降解特性；生物地膜選用山東天狀環(huán)保有限公司生產(chǎn)的氧化-生物雙降解膜，主要為纖維素、淀粉等天然材料，覆膜40 d后開(kāi)始降解。2種地膜寬均為80 cm，膜厚均為0.008 mm。試驗(yàn)于2016、2017年5月1日覆膜播種，常規(guī)田間管理，并于9月20日收獲。

表1 2016與2017年試驗(yàn)處理

1.1.2 測(cè)定指標(biāo)與方法

1）觀測(cè)指標(biāo)

氣象資料：設(shè)置自動(dòng)氣象站（HOBO-U30），每小時(shí)自動(dòng)記錄降水量、太陽(yáng)輻射、空氣溫濕度、風(fēng)速等。

干物質(zhì)累積量和植株含氮量：在各生育期每個(gè)小區(qū)隨機(jī)取樣5株，將植株各器官分離裝袋，在烘箱內(nèi)105 ℃殺青0.5 h，在80 ℃條件下烘干至質(zhì)量恒定，并稱(chēng)干物質(zhì)質(zhì)量。烘干植株樣品粉碎過(guò)篩，采用H2SO4-H2O2消煮-蒸餾法測(cè)定作物吸氮量[23]。

產(chǎn)量：在各處理均成熟后進(jìn)行收獲，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)連續(xù)選取10株作物，自然風(fēng)干脫粒后考種，測(cè)量每株玉米的穗粒數(shù)、穗行數(shù)、行粒數(shù)、百粒質(zhì)量等指標(biāo)，并折算為每公頃產(chǎn)量。

地膜破損率[24]：在每個(gè)小區(qū)隨機(jī)設(shè)置3個(gè)固定的地膜破損觀測(cè)區(qū)，定期將相機(jī)固定在設(shè)定的地膜觀測(cè)區(qū)正上方40 cm處，在區(qū)域邊界放置直尺作為參考物，每次拍攝3張照片，篩選最清晰的一張導(dǎo)入AutoCAD 2008（Autodesk, Inc）中，以參考直尺為標(biāo)準(zhǔn)將圖片標(biāo)準(zhǔn)化，再利用多段線命令勾描破損處以形成閉環(huán)區(qū)域，輔以面積統(tǒng)計(jì)命令逐個(gè)統(tǒng)計(jì)研究區(qū)域破損面積，用破損面積除以觀測(cè)區(qū)面積得到地膜破損占比以及覆蓋比例。

2）計(jì)算公式

AI=LA/10 000 （1）

式中AI為葉面積指數(shù)；LA為單株玉米總?cè)~面積，m2/株；為種植密度，株/m2。

氮肥利用率=(N?0)/N×100% （2）

氮素吸收效率=N/N（3）

式中N為施氮區(qū)植株吸氮量，kg/hm2；0為未施氮區(qū)植株吸氮量，kg/hm2；N為施氮區(qū)施肥純氮投入量，kg/hm2。

1.2 DNDC模型介紹

1.2.1 模型基本原理

DNDC模型由美國(guó)新罕布什爾大學(xué)陸地海洋空間研究中心開(kāi)發(fā)研制，包括土壤氣候、農(nóng)作物生長(zhǎng)、有機(jī)質(zhì)分解、硝化反應(yīng)、脫氮反應(yīng)、發(fā)酵反應(yīng)6個(gè)子模型。輸入當(dāng)?shù)貧庀螅鉁?、降雨、風(fēng)速、太陽(yáng)輻射）、土壤環(huán)境（土壤質(zhì)地、田間持水率、容重、pH值、孔隙度及表層土壤硝態(tài)氮、氨態(tài)氮含量等）、農(nóng)田管理（種植作物的生長(zhǎng)、耕耘、施肥、灌溉、覆膜、放牧等參數(shù)）數(shù)據(jù)，6個(gè)子模型以日為時(shí)間步長(zhǎng)，信息交融，模擬真實(shí)世界中不同環(huán)境條件-植物生長(zhǎng)-土壤化學(xué)變化間的相互作用，能進(jìn)行1 a至多年的模擬[19]。輸出作物產(chǎn)量、作物生長(zhǎng)指標(biāo)、土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化、土壤氮變化、氮淋溶量、水分遷移及溫室氣體揮發(fā)量等[25-27]。

1.2.2 DNDC模型數(shù)據(jù)庫(kù)建立

模型需要輸入的參數(shù)包括試驗(yàn)區(qū)地理位置、氣候條件、土壤指標(biāo)和田間管理數(shù)據(jù)。氣象數(shù)據(jù)由試驗(yàn)田附近自動(dòng)氣象站獲取，土壤指標(biāo)數(shù)據(jù)通過(guò)田間試驗(yàn)測(cè)量獲得；田間管理參數(shù)根據(jù)2 a試驗(yàn)農(nóng)事情況獲得。2016和2017年春玉米生育期日均氣溫、降雨及地膜覆蓋率變化情況如圖1所示，2 a春玉米生育期總降水量分別為149.6和36.6 mm。降解地膜在6月中旬開(kāi)始降解破損，在7月中旬、8月中旬、9月中旬覆蓋率分別為69.41%、54.42%、29.37%。

圖1 2016和2017年作物生育期氣溫、降雨量、灌水量和地膜覆蓋率

1.3 施氮量?jī)?yōu)化

采用線性＋平臺(tái)模型擬合氮肥用量與玉米產(chǎn)量之間的關(guān)系，線性+平臺(tái)函數(shù)式為

=0+1(<) （4）

=p(≥) （5）

式中為玉米產(chǎn)量，kg/hm2；為施氮量，kg/hm2；0為基礎(chǔ)產(chǎn)量（不施氮時(shí)產(chǎn)量）；1為線性系數(shù)；為施氮量臨界值（由直線和平臺(tái)的交點(diǎn)求得）；p為平臺(tái)產(chǎn)量。

1.4 模型評(píng)價(jià)

玉米產(chǎn)量、土壤硝態(tài)氮含量模擬值與實(shí)測(cè)值采用一致性指數(shù)（F）、決定系數(shù)（2）、均方根誤差（MSE）和標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差（RMSE）4個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，利用Microsoft Excel 2016、SPSS 22.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，Origin 9.0制圖。

式中i、i分別為模擬值與觀測(cè)值；m和m為他們的均值；為觀測(cè)值個(gè)數(shù)。當(dāng)MSE與RMSE值越接近0，F(xiàn)與2值越接近1則說(shuō)明模擬值與實(shí)測(cè)值更吻合，模型的精確度越高。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)指標(biāo)的影響

2.1.1不同處理對(duì)干物質(zhì)累積量的影響

播種（5月1日）至苗期（6月1日－12日），作物植株矮小，光合作用弱，不同處理無(wú)明顯差異（圖2）。在拔節(jié)期（6月13日－7月9日），作物光合能力增強(qiáng)，對(duì)水分、養(yǎng)分需求量增大，干物質(zhì)累積量呈線性增長(zhǎng)，不同處理之間差異逐漸增大。塑料地膜覆蓋提高了水肥利用效率，有利于作物生長(zhǎng)，提高了干物質(zhì)累積量。隨降解地膜（BN3）破損程度加大，與塑料地膜（PN3）覆蓋處理差異也逐漸增大，但并不顯著，仍顯著高于無(wú)膜（NN3）覆蓋處理，在灌漿期（7月25日－8月24日）和收獲期（8月25日－9月20日）BN3比PN3處理干物質(zhì)累積量2 a平均分別降低了2.41%和3.07%（＞0.05），比NN3處理干物質(zhì)累積量2 a平均分別提高了9.65%和9.69%（＜0.05）。

基于編碼器得到的抽象編碼表示，另一個(gè)RNN用于對(duì)表示進(jìn)行解碼，得到最終的語(yǔ)言輸出序列Y=[y1，…，yLY]；例如，可以利用如下最基本的模型：st=f(yt-1，st-1，c)；p(yt/y

不同施氮量處理在進(jìn)入拔節(jié)期（6月13日）后差異逐漸顯現(xiàn)，且隨作物生長(zhǎng)對(duì)養(yǎng)分需求量增大，差異也增大（圖3）。在收獲期BN3（施氮量336 kg/hm2）比BN2（施氮量276 kg/hm2）處理干物質(zhì)累積量2a平均降低了1.06%，而比BN1（施氮量216 kg/hm2）處理干物質(zhì)累積量2 a平均提高了6.41%（<0.05），可見(jiàn)干物質(zhì)累積量與施氮量成非線性關(guān)系。施氮量增加不能無(wú)限提高干物質(zhì)累積量，但均遠(yuǎn)高于不施氮處理，2 a平均提高了188.39%～210.18%。

2.1.2 不同處理對(duì)玉米吸氮量的影響

作物吸氮量主要受耕層土壤含量氮和水分影響，而地膜覆蓋可有效提高保水、儲(chǔ)氮能力，提高土壤礦化度，利于作物對(duì)氮素的吸收。進(jìn)入拔節(jié)期后隨著作物需氮量的提高，無(wú)膜處理下土壤供氮能力不足，相同灌水施肥條件下的PN3和BN3處理玉米日吸氮量顯著高于NN3處理（圖3），2a平均比NN3分別提高了8.22%和7.04%（<0.05）。PN3、BN3和NN3處理下玉米生育期累積吸氮量2 a平均分別為162.87、166.57和149.55 kg/hm2，PN3和BN3處理分別比NN3處理提高了11.38%和8.91%?？梢?jiàn)，由于作物生長(zhǎng)前期（5月1日－6月12日）降解地膜與塑料地膜覆膜效應(yīng)相近，有較好的保水保肥功能，生長(zhǎng)中期（6月13日－7月24日）降解膜降解程度較小故無(wú)顯著差異，只有在作物生長(zhǎng)后期（7月25日－9月20日）降解地膜大面積破損，造成土壤水分降低，從而吸氮量減少，BN3處理玉米2 a平均日吸氮量比PN3處理降低了1.09%，生育期累積吸氮量降低了2.22%（>0.05）。

注：不同小寫(xiě)字母表示處理間差異顯著（P＜0.05），下同。

圖3 不同類(lèi)型地膜覆蓋及不同施氮量對(duì)2016和2017年玉米日吸氮量的影響

對(duì)于不同施氮量處理，苗期至抽雄期（7月9日—7月24日），作物對(duì)養(yǎng)分需求量較少，另外可降解地膜覆蓋后氮損失降低，氮素利用率提高，不同施氮量處理無(wú)顯著差異，均能滿足作物正常生長(zhǎng)。灌漿期玉米對(duì)養(yǎng)分需求加大，而低氮處理下土壤供氮能力不能保證玉米生殖生長(zhǎng)每日所需氮肥，日吸氮量降低。隨著追肥施氮量增加，玉米日吸氮量提高。收獲期，玉米停止生長(zhǎng)，各器官基本不再發(fā)生變化，很少吸收養(yǎng)分，但BN1處理和BN0處理由于受氮肥脅迫，作物生育期被延長(zhǎng)，在該時(shí)段繼續(xù)吸收氮素以供生長(zhǎng)。BN3較BN2處理日吸氮量2 a平均提高了0.35%，而比BN1處理提高了8.38%（<0.05），BN3，BN2和BN1處理生育期累積吸氮量2 a平均分別為130.77、161.161和162.87 kg/hm2，BN3較BN2處理僅提高了0.78%，而比BN1處理提高了23.58%（<0.05）。可以看出作物吸氮量與施氮量同樣無(wú)線性關(guān)系，在生長(zhǎng)前期，作物吸氮能力有限，增加施氮量不能提高作物吸氮量，僅在生長(zhǎng)后期隨作物需求增加施氮量，作物吸氮量增加，但當(dāng)施氮量大于276 kg/hm2后，土壤貯氮與作物吸氮能力達(dá)到上限，繼續(xù)增加施氮量，無(wú)明顯促進(jìn)作用。與不施肥處理相比，施氮后，作物吸氮量顯著增加，不施肥處理土壤中的氮含量極低，嚴(yán)重限制了作物對(duì)氮的被動(dòng)吸收。

2.1.3 不同處理對(duì)玉米產(chǎn)量及氮肥利用率的影響

與無(wú)膜處理相比，塑料地膜與降解地膜覆蓋下產(chǎn)量2 a平均分別提高了18.38%和13.67%（表3）。雖然降解地膜在生育期后期大面積破損，玉米吸氮量下降，但BN3處理產(chǎn)量2 a平均僅比PN3降低了3.97%（＞0.05）差異并不顯著，從而氮素的利用效率差異也未達(dá)顯著水平，BN3處理的2 a平均氮肥利用效率、氮素吸收效率僅比PN3處理降低了3.08%、2.22%（＞0.05），但比NN3處理提高了12.90%、8.90%（＜0.05）。

表3 不同處理下作物產(chǎn)量及相應(yīng)氮肥生產(chǎn)效率

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫(xiě)字母表示差異顯著（＜0.05）。

Note: Different lowercase letters after the same column data indicate significant difference (<0.05).

隨著追肥施氮量增加，產(chǎn)量隨之提高，但由于玉米吸氮能力限制，當(dāng)施氮量提高至276 kg/hm2后，繼續(xù)增加氮肥產(chǎn)量上漲幅度較小，甚至出現(xiàn)降低現(xiàn)象。2016年BN3比BN2產(chǎn)量降低了21.14 kg/hm2，可能是由于施氮量增加導(dǎo)致土壤濃度增加，而2016年強(qiáng)降雨較多，導(dǎo)致氮素淋失嚴(yán)重，土層貯氮量要低于BN2，故產(chǎn)量略有降低，2017年提高了97.87 kg/hm2，2a平均僅提高了0.34%（＞0.05），但顯著高于BN1和BN0處理，2 a平均分別提高了35.37%和214.96%（＜0.05）。可見(jiàn)對(duì)于干旱區(qū)降解地膜處理下施氮量與產(chǎn)量存在閥值效應(yīng)，追肥施氮量為220 kg/hm2時(shí)，產(chǎn)量達(dá)到峰值，增加氮肥對(duì)產(chǎn)量無(wú)明顯正效應(yīng)。而氮素的利用效率隨施氮量增加而降低，當(dāng)施氮水平從BN1提高到BN3，2 a氮肥利用率平均分別降低了4.97%和16.96%，氮素吸收效率分別降低了10.47%和17.22%。

2.2 DNDC模型驗(yàn)證優(yōu)化

2.2.1 率定及驗(yàn)證

利用2016年試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)率定，以玉米日吸氮量、干物質(zhì)累積量和產(chǎn)量為目標(biāo)變量，通過(guò)比較模擬值與實(shí)測(cè)值的擬合度來(lái)確定玉米參數(shù)，并利用2017年田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證（圖4）。

結(jié)果顯示，DNDC模型對(duì)不同類(lèi)型地膜覆蓋及不同施氮量處理模擬效果均較好，玉米日吸氮量、干物質(zhì)累積量和產(chǎn)量的模擬值與實(shí)測(cè)值均分布在1:1線附近，且三者F與2均大于0.93，MSE范圍分別為0.10～0.16、1181.52～1236.68和723.94～761.35 kg/hm2，RMSE分別為7.85%～13.34%、9.18%～9.73%和7.52%～8.28%，模型對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育及氮素的吸收較為敏感，該模型能夠捕捉作物生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)規(guī)律。從模擬效果與各項(xiàng)驗(yàn)證指標(biāo)來(lái)看，DNDC模型能較為精準(zhǔn)的模擬干旱地區(qū)在不同類(lèi)型地膜覆蓋和施氮處理?xiàng)l件下玉米產(chǎn)量以及氮素吸收利用變化情況，因此DNDC模型可用于該地區(qū)可降解地膜覆蓋農(nóng)田作物生產(chǎn)力的預(yù)測(cè)和評(píng)估。

2.2.2 不同類(lèi)型地膜覆蓋條件下玉米追施氮量?jī)?yōu)化

根據(jù)構(gòu)建的DNDC模型模擬不同類(lèi)型地膜覆蓋條件和不同氮肥施用量情景下的籽粒產(chǎn)量，并采用線性+平臺(tái)模型擬合施氮量和玉米產(chǎn)量之間的關(guān)系，總體上產(chǎn)量隨施氮量增加呈先快速上升后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)（圖5）。塑料地膜（PM）、降解地膜（BM）和無(wú)膜（NM）覆蓋下臨界施氮量分別為257.53、252.94和274.43 kg/hm2，在該施氮制度下不同覆膜處理產(chǎn)量達(dá)到變化節(jié)點(diǎn)，兩年平均平臺(tái)產(chǎn)量分別為11 725.96、11 357.37和10 361.28 kg/hm2，當(dāng)施氮量低于臨界用量時(shí)，產(chǎn)量分別用方程=2 619.64+35.36、=2 651.15+34.42和=2 561.99+28.42來(lái)確定?？梢?jiàn)由于作物吸氮能力有限，當(dāng)吸收能力飽和時(shí)，多余的氮肥殘留土層中或隨水分淋失，并不能使產(chǎn)量持續(xù)上漲，產(chǎn)量與施氮量存在明顯閥值效應(yīng)。BM的最優(yōu)施氮量比PM減少了1.78%，產(chǎn)量?jī)H降低3.14%，但比NM施氮量減少了7.83%，產(chǎn)量提高了9.61%，可見(jiàn)降解地膜在促進(jìn)作物生長(zhǎng)方面的功效可以較為完美的替代塑料地膜，且施氮量252.94 kg/hm2為北方干旱地區(qū)較優(yōu)的施肥制度。

圖4 DNDC模型的率定和驗(yàn)證

圖5 不同類(lèi)型地膜覆蓋及不同施氮量對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

3 討 論

3.1 不同類(lèi)型地膜覆蓋處理對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響

對(duì)于干旱寒冷地區(qū)，地膜覆蓋形成的“隔膜效應(yīng)”明顯改善土壤環(huán)境，從而促進(jìn)了玉米生長(zhǎng)。河套灌區(qū)目前覆膜面積已達(dá)到52萬(wàn)hm2，覆膜率超過(guò)90%，而塑料地膜不能被完全回收，據(jù)統(tǒng)計(jì)農(nóng)膜殘留量約占總使用量的1/4～1/3[28]，土壤中殘膜會(huì)明顯影響水分和養(yǎng)分運(yùn)移，破壞土壤透氣性及物理性質(zhì)，阻礙作物根系伸展，進(jìn)而導(dǎo)致作物減產(chǎn)[29]。降解地膜可隨時(shí)間推移實(shí)現(xiàn)完全降解，進(jìn)而改善“白色污染”。降解地膜在前期降解過(guò)程中，盡管地膜的力學(xué)性能下降但破損程度較小，覆蓋效果與塑料地膜無(wú)顯著差異，故土壤中氮含量、水分與溫度與塑料地膜覆蓋相近，在生育期后期降解地膜已無(wú)大塊地膜覆蓋，破損明顯高于塑料地膜，從而導(dǎo)致土壤活性下降，土壤內(nèi)微生物、氮礦化量、水分、無(wú)機(jī)氮濃度相對(duì)較低，作物同化作用減弱，進(jìn)而吸氮量下降，但此時(shí)作物已進(jìn)入生殖生長(zhǎng)階段，影響較小，從而降解地膜覆蓋下生理性狀與普通塑料地膜無(wú)顯著差異。本研究表明降解地膜覆蓋與塑料地膜覆蓋相比干物質(zhì)累積量、累積吸氮量和產(chǎn)量2 a平均分別降低了3.07%、2.22%和3.97%，未達(dá)顯著水平，而比不覆膜處理分別提高了9.69%、8.91%和13.67%，可替代塑料地膜投入到農(nóng)田中使用，與曹玉軍等[30]、周昌明等[13]和申麗霞等[31]研究一致。

3.2 可降解地膜覆蓋不同施氮量對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響

作物生長(zhǎng)對(duì)氮肥較為敏感，施用氮肥會(huì)加快作物根系的生長(zhǎng)和發(fā)育，并提高吸氮量，但施肥過(guò)量或者不足均會(huì)對(duì)作物生長(zhǎng)形態(tài)發(fā)生改變抑制籽粒成熟[32]。降解地膜覆蓋不同氮施用量下作物生長(zhǎng)、氮的利用效率與塑料地膜覆蓋及無(wú)膜覆蓋的規(guī)律一致。嚴(yán)重氮素脅迫會(huì)刺激玉米生長(zhǎng)前期根系生長(zhǎng)，根系養(yǎng)分分配比增大，地上部分養(yǎng)分分配比降低，葉面積及葉片中葉綠素含量、光合速率降低，在后期與地上部分對(duì)碳水化合物的競(jìng)爭(zhēng)增強(qiáng)，加快根系衰老，最終由于作物體內(nèi)氮素不足影響籽粒灌漿造成減產(chǎn)。當(dāng)過(guò)量施氮時(shí)，土壤氮濃度較高進(jìn)而抑制玉米生育前期側(cè)根生長(zhǎng)，且根系中氮素濃度過(guò)高會(huì)提高根系的呼吸速率，同樣加快根系衰老，而地上部分活性沒(méi)有明顯變化，過(guò)量的氮吸收不能促進(jìn)光合產(chǎn)物的合成，對(duì)玉米籽粒灌漿和產(chǎn)量形成作用較小[33]。比如謝英荷等[34]研究表明在施氮量150 kg/hm2基礎(chǔ)上再繼續(xù)增加施氮量，對(duì)玉米的株高和干物質(zhì)積累已無(wú)明顯促進(jìn)作用，施氮量低于210 kg/hm2時(shí)，產(chǎn)量隨施氮量的增加而增加，超過(guò)210 kg/hm2時(shí)則略有下降。本研究表明追肥施氮量336 kg/hm2比276 kg/hm2產(chǎn)量?jī)H提高0.34%，比216 kg/hm2產(chǎn)量提高35.37%。可見(jiàn)產(chǎn)量與施氮量呈二次拋物線關(guān)系，比如Yin等[35]與李仙岳等[36]通過(guò)回歸分析得出，作物產(chǎn)量與施氮量變化曲線為開(kāi)口向下的拋物線。故氮素利用效率并不是施氮量越高越好。呂麗華等[37]研究表明氮素吸收效率、氮素利用效率和氮肥利用率均隨施氮量增加而減小，與本研究結(jié)果一致，本研究表明降解地膜覆蓋下追肥施氮水平從施氮量為216 kg/hm2提高到336 kg/hm2，氮肥利用率2 a平均分別降低了4.97%和16.96%，氮素吸收效率分別降低了10.47%和17.22%。Zhang等[27]利用DNDC模型模擬了玉米在不同施氮量下的產(chǎn)量和硝態(tài)氮淋失量，并根據(jù)該種植系統(tǒng)的可接受產(chǎn)量和硝態(tài)氮淋失量確定了臨界施氮量。研究顯示施氮提高了玉米產(chǎn)量，而硝態(tài)氮淋失量隨施氮量的增加而增加，最佳施氮量范圍為150～240 kg/hm2，在保證產(chǎn)量的同時(shí)，硝態(tài)氮淋失量相對(duì)較低。本研究通過(guò)DNDC模型對(duì)可降解地膜覆蓋不同施肥量進(jìn)行模擬，并采用線性+平臺(tái)模型對(duì)施氮量和玉米產(chǎn)量關(guān)系進(jìn)行擬合，確定了北方干旱地區(qū)降解地膜覆蓋下施氮量為252.94 kg/hm2時(shí)，產(chǎn)量處于變化節(jié)點(diǎn)，且繼續(xù)增加施氮量產(chǎn)量無(wú)明顯變化，為當(dāng)?shù)剌^優(yōu)施肥模式。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)不同類(lèi)型地膜覆蓋及不同施氮量處理對(duì)農(nóng)田玉米生長(zhǎng)和氮素利用影響的試驗(yàn)研究，基于DNDC模型構(gòu)建了不同類(lèi)型地膜覆蓋條件下農(nóng)田作物生長(zhǎng)模擬模型，通過(guò)高、中、低施氮條件下降解地膜覆蓋（BN3，施氮量336 kg/hm2；BN2，施氮量276 kg/hm2；BN1，施氮量216 kg/hm2）、高氮塑料地膜覆蓋（PN3，施氮量336 kg/hm2）及高氮無(wú)膜覆蓋（NN3，施氮量336 kg/hm2）對(duì)玉米葉面積、干物質(zhì)累積量、產(chǎn)量和吸氮量變化規(guī)律的研究，揭示了玉米生長(zhǎng)及氮素利用特征，具體如下。

1）DNDC模型對(duì)作物吸氮量、干物質(zhì)累積量和產(chǎn)量的模擬效果較好，F(xiàn)與2均大于0.93，MSE范圍分別為0.10~0.16、1181.52～1236.68和723.94～761.35 kg/hm2，RMSE分別為7.85%~13.34%、9.18%~9.73%和7.52%～8.28%，模型對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育及氮素的吸收較為敏感。

2）BN3與PN3處理相比2 a平均灌漿期和收獲期的干物質(zhì)累積量分別降低了2.41%、3.07%；日吸氮量降低了1.09%；生育期累積吸氮量降低了2.22%；產(chǎn)量降低了3.97%；氮肥利用效率降低了3.08%及氮素吸收效率降低了2.22%（>0.05），但比NN3分別提高了9.65%、9.69%；7.04%；8.91%；13.67%；12.90%和8.90%（<0.05），降解地膜對(duì)于作物生長(zhǎng)及養(yǎng)分利用的促進(jìn)作用與塑料地膜無(wú)明顯差異。

3）降解地膜覆蓋下，干物質(zhì)累積量、日吸氮量、累積吸氮量和產(chǎn)量與施氮量無(wú)線性關(guān)系，BN3比BN1處理2 a平均分別提高了6.41%、8.38%、23.58%和35.37%（<0.05），但比BN2處理干物質(zhì)累積量降低了1.06%，日吸氮量、累積吸氮量和產(chǎn)量?jī)H提高了0.35%、0.78%和0.34%（>0.05）。當(dāng)施氮水平從BN1提高到BN3時(shí)，2 a氮肥利用率平均分別降低了4.97%和16.96%，氮素吸收效率分別降低了10.47%和17.22%。從高產(chǎn)及氮肥高效利用來(lái)看，施氮量為276 kg/hm2（BN2）時(shí)氮肥綜合效率較高，2 a平均產(chǎn)量為11 308.36 kg/hm2，氮肥利用效率為41.77%，氮素吸收效率為58.55 kg/kg。

4）利用DNDC模型對(duì)不同覆膜及不同追肥情況下玉米生長(zhǎng)進(jìn)行模擬，并通過(guò)線性+平臺(tái)模型尋優(yōu)，表明在降解地膜與塑料地膜在促進(jìn)作物生長(zhǎng)方面的功效相當(dāng)。且在施氮量為252.94 kg/hm2時(shí)，產(chǎn)量達(dá)變化節(jié)點(diǎn)為11 357.37 kg/hm2，為當(dāng)?shù)亟到獾啬じ采w較優(yōu)施氮制度。

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Simulation and optimization of maize growth and nitrogen utilization under degradation film mulching in arid areas of North China

Li Xianyue1, Leng Xu1, Zhang Jingjun1, Guo Yu1, Ding Zongjiang1, Hu Xiaodong1, Zhu Kunlun2

(1.,,010018,; 2.-.,,250110,)

It is great meaningful to optimize the fertilization system under degradable film mulching for alleviating environmental pollution.In order to capture the effects of degradable film mulching on crop growth and nitrogen fertilizer utilization under in arid area, a two-year experiment (2016-2017) was carried out at the Muleitan water-saving experimental station in Hetao Irrigation District, Inner Mongolia of China. Four nitrogen application levels were set under degradable film mulching: 0 (BN0), 216 (BN1: 160 for topdressing), 276 (BN2: 220 for topdressing) and 336 (BN3: 280 for topdressing) kg/ha, and high nitrogen with plastic film mulching (PN3) and high nitrogen with no mulching (NN3) treatment as a control. The effects of different types of film mulching and different nitrogen application rates on maize growth, nitrogen uptake and utilization efficiency were studied, and the DNDC (denitrification-decomposition) models for different types of film mulching were calibrated and verified, and fertilizer pattern was optimized under degradable film mulching based on the linear and platform model. The results showed that simulated data of the DNDC model on the nitrogen uptake, dry matter accumulation and yield of crops are in good agreement with the measured results,Fand2were all greater than 0.93,MSEwas 0.10-0.16, 1181.52-1236.68 and 723.94-761.3 kg/ha,RMSE7.85%-13.34%, 9.18%-9.73% and 7.52%-8.28%, respectively. There were no significant differences for maize growth between degradable film mulching and plastic film mulching during maize filling stage, the dry matter accumulation for degradable film mulching treatment decreased by 2.41% (>0.05) compared with the plastic film mulching treatment, and increased by 9.65% (<0.05) compared with no film mulching treatment. In maize harvest period, the difference of maize growth between plastic film mulching and degradable film mulching increased butdid not reach significant level, only 3.07% (>0.05), and increased by 9.69% (<0.05) compared with no film mulching treatment. There were no significant differences in nitrogen uptake, yield, nitrogen use efficiency and daily nitrogen uptake efficiency between the degradable film mulching and plastic film mulching, only decreased by 1.09%, 3.97%, 3.08% and 2.22% (>0.05), but increased significantly by 7.04%, 13.67%, 12.90% and 8.90% compared with no mulching treatment (<0.05), respectively. The growth rate of dry matter accumulation was decreased by 1.06%, daily nitrogen uptake, accumulation nitrogen uptake and yield only increased by 0.35%, 0.78 and 0.34% with the increase of nitrogen application rate for BN3 compared with BN2, respectively (>0.05), while increased by 6.41%, 8.38%, 23.58%, and 35.37% (<0.05) compared with BN1, so the BN2 treatment with the topdressing nitrogen content of 220 kg/ha showed the best growth and nitrogen utilization. Additionally, the optimal nitrogen rate was 252.94 kg/ha that was obtained by different scenario simulation of DNDC model and optimization of linear and platform model under the degradable film mulching, and there was high nitrogen utilization efficiency, and the yield-increasing effect would not appear if nitrogen fertilizer was continued to increase. So, there was similar effects of degradable film mulching on maize growth and nitrogen utilization compared with plastic film mulching, and the optimal nitrogen application was 252.94 kg/ha, and the maize yield could reach 11 357.37 kg/ha under degradable film mulching in arid area.

nitrogen; crops; DNDC model; arid area; biodegradable film mulching; nitrogen utilization; optimization

2019-11-12

2019-12-22

國(guó)家自然科學(xué)基金（51969024，51669020，51469022）；內(nèi)蒙古自治區(qū)科技重大專(zhuān)項(xiàng)（zdzx2018059）

李仙岳，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事干旱節(jié)水灌溉理論與新技術(shù)研究。Email：lixianyue80@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.013

S158.5; S626.2

A

1002-6819(2020)-05-0113-09

李仙岳，冷 旭，張景俊，郭 宇，丁宗江，胡小東，朱昆侖. 北方干旱區(qū)降解膜覆蓋農(nóng)田玉米生長(zhǎng)和氮素利用模擬及優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(5)：113－121. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.013 http://www.tcsae.org

Li Xianyue, Leng Xu, Zhang Jingjun, Guo Yu, Ding Zongjiang, Hu Xiaodong, Zhu Kunlun. Simulation and optimization of maize growth and nitrogen utilization under degradation film mulching in arid areas of North China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(5): 113－121. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.013 http://www.tcsae.org