周 慧 史海濱 張文聰 王維剛 蘇永德 閆 妍

(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.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水與水土環(huán)境研究所， 呼和浩特 010018)

0 引言

施用氮肥是提高作物產(chǎn)量的重要措施。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界氮肥年消耗量約為1.09×108t，其中有1/3為中國(guó)所使用[1]。在增加作物產(chǎn)量的同時(shí)，施用肥料也會(huì)引發(fā)一系列負(fù)面環(huán)境問題。研究表明，全球施氮量只有55%的氮素被作物吸收利用[2]，盈余氮素很容易通過淋溶、氨揮發(fā)及反硝化等途徑損失[3]，因此，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要綜合考慮作物產(chǎn)量與生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)性，從單一目標(biāo)向多目標(biāo)協(xié)同轉(zhuǎn)變。

農(nóng)業(yè)面源污染已經(jīng)成為世界許多農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的嚴(yán)重問題[4]，硝酸鹽淋失是最普遍的面源污染之一，已在全球范圍內(nèi)被廣泛證實(shí)[5]，大量氮素流失導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)富營(yíng)養(yǎng)化和水質(zhì)退化[6]，還會(huì)增加人類癌癥、水體缺氧和生物多樣性喪失的風(fēng)險(xiǎn)[7]。有學(xué)者在中國(guó)北方14個(gè)省調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)縣的氮肥施用量超過500 kg/hm2，大約有一半地區(qū)地下水中硝酸鹽含量超過11.3 mg/L(世衛(wèi)組織或歐洲飲用水中硝酸鹽限量標(biāo)準(zhǔn))[8-11]。本研究區(qū)位于河套平原，地下水側(cè)向徑流很小，是典型的灌溉(降雨)補(bǔ)給和蒸發(fā)消耗型灌區(qū)。當(dāng)?shù)氐叵滤裆钶^淺，而飲用水基本都來源于地下水，因此，將硝酸鹽濃度控制在限制污染水平下對(duì)人體健康至關(guān)重要[12]。此外，灌區(qū)農(nóng)民通常大量施用化肥來提高作物生產(chǎn)力，目前農(nóng)田化肥用量已超過60萬t/a[13]，當(dāng)?shù)使┻^于求時(shí)，硝酸鹽會(huì)在土壤中累積[14]，隨后在灌溉和強(qiáng)降雨的作用下淋溶至地下水中[15]，這同時(shí)也加重了灌區(qū)下游富營(yíng)養(yǎng)化程度。杜軍等[16]研究表明，河套灌區(qū)年土壤殘留氮在17.2萬t左右。FENG等[17]研究表明，灌區(qū)秋澆后地下水硝態(tài)氮質(zhì)量濃度由1.73 mg/L增加到21.6 mg/L。馮兆忠等[18]對(duì)沙壕渠施肥區(qū)井水硝態(tài)氮濃度調(diào)查發(fā)現(xiàn)，有65.6%水樣的硝態(tài)氮濃度超過WHO標(biāo)準(zhǔn)。因此，減少氮素淋失是灌區(qū)亟待解決的科學(xué)問題。

控制硝態(tài)氮淋失的關(guān)鍵之一是制定合理的方案來抑制土壤剖面中硝態(tài)氮的積累[19]，使氮素供應(yīng)在空間和時(shí)間上與植物需求更好的同步[20]，從而達(dá)到提高氮素利用效率及減少氮素?fù)p失的風(fēng)險(xiǎn)?；谵r(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)的角度，有機(jī)農(nóng)業(yè)被認(rèn)為是可持續(xù)農(nóng)業(yè)文化的典范[21-23]。研究表明，施用有機(jī)肥料具有增加土壤肥力和緩解環(huán)境惡化的良好效益[24-26]，綜合前人在有機(jī)無機(jī)肥配施對(duì)作物產(chǎn)量的影響研究結(jié)果表明，相較單施合成氮肥，配施有機(jī)氮肥可以達(dá)到穩(wěn)產(chǎn)或提高作物產(chǎn)量的目標(biāo)[27-28]。而施入有機(jī)物料對(duì)土壤氮素淋失的影響卻報(bào)道不一[29-31]。這可能是由于各地區(qū)農(nóng)田肥力水平、氣候條件、施肥水平、有機(jī)肥種類等存在差異而造成[32-33]。因此，河套灌區(qū)有機(jī)無機(jī)肥配施對(duì)氮素淋失量的影響還有待進(jìn)一步研究。

田間試驗(yàn)在監(jiān)測(cè)作物產(chǎn)量和硝酸鹽淋失方面發(fā)揮著重要作用，但在空間和時(shí)間上存在局限性，在更大范圍內(nèi)預(yù)測(cè)產(chǎn)量或氮素淋失則需依賴一些數(shù)學(xué)模型[34]。DNDC模型是基于過程的生物地球化學(xué)模型，被認(rèn)為是評(píng)估管理實(shí)踐對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)氮素?fù)p失影響的有用工具，已被應(yīng)用到全球不同國(guó)家和生態(tài)系統(tǒng)中[35-36]。DNDC模型可以詳細(xì)地將氮素轉(zhuǎn)化與水文過程相結(jié)合，用來模擬作物產(chǎn)量、氮素淋溶以及溫室氣體的排放等[37-38]。大量基于DNDC模型的研究已經(jīng)廣泛評(píng)估了不同種植系統(tǒng)的氮素?fù)p失[36，39-40]，但是從農(nóng)藝(產(chǎn)量)及環(huán)境角度(氮素淋失量)確定最佳有機(jī)氮替代無機(jī)氮比例還鮮有報(bào)道。

課題組在內(nèi)蒙古自治區(qū)河套灌區(qū)開展了為期3年的田間試驗(yàn)，研究了不同有機(jī)無機(jī)氮配施比例對(duì)春玉米產(chǎn)量、硝酸鹽淋失和土壤環(huán)境變量(土壤溫濕度、表層土壤硝態(tài)氮含量)的影響，由于受設(shè)置的試驗(yàn)處理數(shù)量約束，很難精準(zhǔn)確定在減少氮素淋失的同時(shí)并保持玉米產(chǎn)量最佳的氮肥管理措施。因此，本研究整合田間試驗(yàn)成果和DNDC模型來評(píng)估有機(jī)無機(jī)肥配施對(duì)玉米產(chǎn)量和硝酸鹽淋溶的影響，同時(shí)也評(píng)價(jià)DNDC模型在河套灌區(qū)復(fù)雜條件下的適用性，并通過多種情景模擬確定基于農(nóng)藝及環(huán)境角度的最優(yōu)有機(jī)無機(jī)肥氮配施比例。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況和試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2018—2020年在河套灌區(qū)解放閘灌域沙壕渠試驗(yàn)站進(jìn)行，試驗(yàn)區(qū)冬季寒冷少雪、夏季高溫炎熱，屬于典型的溫帶大陸性季風(fēng)氣候。多年平均氣溫7.7℃，無霜期為135～150 d。大于10℃年積溫為3 551℃，年平均日照時(shí)數(shù)3 200 h，年凍融期約180 d。陽光充足，全年太陽總輻射約為6 000 MJ/m2，熱量充足，具有非常優(yōu)越的農(nóng)業(yè)發(fā)展條件。試驗(yàn)田0～20 cm土層為粉壤土，20～40 cm土層為粉質(zhì)黏壤土，40～60 cm土層為粉壤土，60～120 cm土層為砂壤土。試驗(yàn)區(qū)耕層初始土壤性質(zhì)為：有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比14.04 g/kg、全氮質(zhì)量比1.43 g/kg、堿解氮質(zhì)量比54.68 mg/kg、速效鉀質(zhì)量比199.67 mg/kg、pH值8.2。

供試玉米品種為內(nèi)單314，3年播種日期分別為4月27日、4月25日、5月5日，收獲日期分別為9月13日、9月13日、9月19日。參考當(dāng)?shù)貎?yōu)化畦灌灌水定額750 m3/hm2作為灌水量，優(yōu)化施氮量240 kg/hm2為施氮總量，分別設(shè)置5個(gè)施肥處理(單施化肥、75%氮由化肥提供+25%氮由有機(jī)肥提供、50%氮由化肥提供+50%氮由有機(jī)肥提供、25%氮由化肥提供+75%氮由有機(jī)肥提供、單施有機(jī)肥)和1個(gè)空白對(duì)照處理，依次記為：U1、U3O1、U1O1、U1O3、O1和CK，施氮量為換算后的純氮素量。試驗(yàn)共12個(gè)處理，3次重復(fù)，共36個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積為30 m2(6 m×5 m)。各小區(qū)間設(shè)有1 m寬的隔離帶并打起15 cm高田埂。有機(jī)肥為商品有機(jī)肥(由玉米秸稈腐熟后噴漿造粒而成，含N 10%，P2O51%，K2O 1%，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于等于45%，腐殖酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于等于17%，S質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于等于8%)。有機(jī)肥和磷肥(過磷酸施用量50 kg/hm2，各處理施入磷肥總量一致)于耕作前作為基肥一次性施用(均勻撒施，并旋耕20 cm)，化肥按1∶1比例分別于玉米播種期和拔節(jié)期灌水時(shí)施入。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

利用田間原裝滲漏計(jì)測(cè)定法(Lysimeter法)收集土壤50 cm深度的水樣[25]，土壤滲漏液收集盤安裝在每個(gè)小區(qū)中間(表土層下60 cm處，長(zhǎng)0.5 m、寬0.4 m、高0.1 m)。為了保證陶瓷吸盤與土壤吸盤之間有合適的液體壓力，陶瓷吸盤安裝在一個(gè)直徑相當(dāng)?shù)目字?然后用原土填充收集盤與土壤之間的孔隙。淋溶盤和集液管通過軟管連通，淋溶液通過軟管自動(dòng)匯集于集液管，在每次灌溉和降雨1～2 d利用真空泵提取土壤溶液，并將試樣放入-4℃冰箱中保存，24 h內(nèi)測(cè)定。采用雙波長(zhǎng)比色法測(cè)定淋溶水樣中硝態(tài)氮濃度[26]。

每7 d測(cè)定一次0～5 cm土壤溫度、0～20 cm土壤孔隙充水率及0～20 cm土壤硝態(tài)氮含量(2 mol/L KCl浸提法對(duì)土壤進(jìn)行提取[27]，用連續(xù)流動(dòng)分析儀進(jìn)行測(cè)定)。玉米成熟時(shí)，在各小區(qū)非邊行連續(xù)取樣20株，單獨(dú)收獲考種測(cè)產(chǎn)，取平均值。

1.3 DNDC模型

本研究采用“脫氮-分解”(DeNitrification-DeComposition, DNDC) 模型最新版本9.5，由美國(guó)新罕布什爾大學(xué)陸地海洋空間研究中心開發(fā)，主要由2部分6大子模塊組成：①土壤氣候、作物生長(zhǎng)和土壤有機(jī)質(zhì)分解子模型，利用多種生態(tài)驅(qū)動(dòng)因子(例如土壤、氣候、植被及人類活動(dòng))來模擬土壤環(huán)境因子(土壤溫度、濕度、pH值、氧化還原電位以及各種底物濃度)。②硝化、反硝化和發(fā)酵作用子模型，用來模擬土壤環(huán)境因子對(duì)微生物的影響，計(jì)算生物地球化學(xué)過程中CH4、CO2、N2O、NO、NH3等溫室氣體的排放。

DNDC模型所需輸入?yún)?shù)包括氣象(日平均氣溫、日降雨量、風(fēng)速、濕度)、土壤(類型、土壤容重、黏土比例、田間持水率、孔隙度、pH值、表層土壤硝態(tài)氮含量、銨態(tài)氮含量等)、農(nóng)田管理(種植作物的生長(zhǎng)、耕耘、化肥施用、有機(jī)肥施用、灌溉等)數(shù)據(jù)。模型以日為時(shí)間步長(zhǎng)，信息交融，模擬不同環(huán)境條件-作物生長(zhǎng)-土壤化學(xué)變化間的相互作用，能進(jìn)行1 年至多年的模擬[1]。模型輸出參數(shù)包括作物(生長(zhǎng)指標(biāo)、產(chǎn)量、水分及養(yǎng)分吸收等)、土壤理化指標(biāo)(土壤溫濕度、土壤碳庫(kù)含量、氮庫(kù)含量及其變化以及C、N流失等)、氣體(NO、N2O、N2、NH3、CH4、CO2)排放及氮淋溶量等[2-3]。

1.4 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)，主要通過試驗(yàn)測(cè)定、文獻(xiàn)收集以及采用模型默認(rèn)值等方法來綜合確定關(guān)鍵參數(shù)。氣象數(shù)據(jù)均來自沙壕渠氣象站自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，土壤指標(biāo)數(shù)據(jù)通過田間試驗(yàn)測(cè)量獲得；田間管理參數(shù)根據(jù)3年試驗(yàn)農(nóng)事情況獲得。2018—2020年春玉米生育期總降水量分別為111.00、54.97、131.20 mm，日均氣溫及降雨量如圖1所示。為了使模型更加精確地模擬該區(qū)作物的生長(zhǎng)情況，以單施化肥處理(U1)為基礎(chǔ)進(jìn)行上述作物參數(shù)的校正。利用2018—2020年試驗(yàn)觀測(cè)的作物產(chǎn)量數(shù)據(jù)、土壤孔隙充水率(WFPS)和硝態(tài)氮含量等數(shù)據(jù)校正作物參數(shù)，直到模擬的作物產(chǎn)量和其他指標(biāo)與實(shí)測(cè)值之間有合理的一致性，校正后的作物參數(shù)見表1。隨后，使用校正后的作物參數(shù)對(duì)不同有機(jī)無機(jī)肥配施處理和對(duì)照處理進(jìn)行模型驗(yàn)證。

表1 DNDC模型模擬作物參數(shù)Tab.1 Crop parameters simulated by DNDC model

模型模擬效果評(píng)價(jià)的統(tǒng)計(jì)方法包括決定系數(shù)(R2)、平均誤差(MBE)、均方根誤差(RMSE)和標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差(NRMSE)4個(gè)指標(biāo)，R2越接近1則模擬值與實(shí)測(cè)值更吻合，模型的精確度越高；MBE表示實(shí)測(cè)值和模擬值之間的平均誤差，MBE大于0表示實(shí)測(cè)值大于模擬值，MBE 小于0表示模擬值大于實(shí)測(cè)值；RMSE越小表示數(shù)據(jù)間偏差越??；NRMSE表示平均偏差的相對(duì)大小，NRMSE 小于等于10%說明模型表現(xiàn)優(yōu)秀，介于10%～20%說明模型表現(xiàn)較好，介于20%～30%說明模型表現(xiàn)中等，大于30%說明模型表現(xiàn)較差，適用性不好[40]。

1.5 情景設(shè)置與敏感性分析

為了研究不同管理措施對(duì)春玉米產(chǎn)量及硝態(tài)氮淋失的影響，對(duì)驗(yàn)證后的DNDC模型進(jìn)行敏感性分析，以確定能有效提高產(chǎn)量和減少硝酸鹽淋失量的因素。本研究以當(dāng)?shù)貎?yōu)化施肥模式U1處理(耕作深度20 cm，2次施氮量240 kg/hm2，施肥日期分別為4月27日和6月14日，生育期3次灌溉，灌溉日期分別為6月14日、7月10日和7月27日，每次灌溉量均為75 mm)為基準(zhǔn)情景，選擇施氮量、施肥次數(shù)和灌溉量等4個(gè)參數(shù)進(jìn)行單因素模擬試驗(yàn)，通過在適當(dāng)范圍內(nèi)改變單個(gè)管理參數(shù)值，同時(shí)保持所有其他參數(shù)值不變來進(jìn)行模型模擬，氣象資料、土壤性質(zhì)和耕作措施的其他參數(shù)與2018年試驗(yàn)點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)相似。共有9種情景單獨(dú)運(yùn)行(表2)，計(jì)算敏感性指數(shù)，以評(píng)估模擬結(jié)果對(duì)不同情景輸入?yún)?shù)的影響程度，相對(duì)靈敏度指數(shù)S的絕對(duì)值越大，投入管理參數(shù)對(duì)模型產(chǎn)量或硝態(tài)氮浸出量的影響越大，S為負(fù)值表明投入管理參數(shù)與作物產(chǎn)量或硝態(tài)氮淋失量呈負(fù)相關(guān)。S計(jì)算公式為

(1)

式中O1——參數(shù)I1的模型輸出值

O2——參數(shù)I2的模型輸出值

O12——O1和O2的平均值

I1——參數(shù)中的最小輸入值

I2——參數(shù)中的最大輸入值

I12——I1和I2的平均值

表2 敏感性分析管理方案Tab.2 Details of management scenarios for sensitivity analysis

1.6 農(nóng)藝和環(huán)境臨界有機(jī)肥替代化肥比例確定

通過設(shè)置11種有機(jī)無機(jī)氮配施(有機(jī)肥占施氮總量0、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%)比例，并保持其他管理參數(shù)一致，探索最佳有機(jī)氮替代化肥氮比例。利用2018—2020年試驗(yàn)站每日氣象資料，對(duì)每種情景進(jìn)行3年的模型模擬，并計(jì)算硝酸鹽淋溶量和玉米產(chǎn)量的平均值，繪制不同有機(jī)無機(jī)氮肥配施處理下氮素淋失量圖，以不導(dǎo)致籽粒產(chǎn)量降低的有機(jī)無機(jī)氮配施比例(不隨有機(jī)氮施入比例增加而改變或降低)作為農(nóng)藝學(xué)的臨界配施比，以硝酸鹽淋失量較低的施氮處理為環(huán)境臨界配施比，根據(jù)我國(guó)GB/T 14848—1993《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，16.2 kg/hm2的氮淋失符合人體健康標(biāo)準(zhǔn)(20 mg/L)。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型評(píng)估

2.1.1產(chǎn)量

通過U1處理對(duì)DNDC模型參數(shù)進(jìn)行校正。如圖2(圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著，誤差線為標(biāo)準(zhǔn)誤差，下同)所示，在2018—2020年連續(xù)3年春玉米種植制度下，模型模擬的作物產(chǎn)量實(shí)測(cè)值與模擬值吻合較好，該處理下玉米產(chǎn)量的模擬統(tǒng)計(jì)分析表明，R2達(dá)到0.99，MBE為192.10 kg/hm2，RMSE為185.47 kg/hm2，NRMSE為2.63%。上述統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，以U1處理為基礎(chǔ)的DNDC模型參數(shù)得到了較好的校正。

通過其他施肥處理及CK處理作物產(chǎn)量實(shí)測(cè)值和模擬值進(jìn)行比較來驗(yàn)證DNDC模型模擬效果，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，各處理R2均在0.97以上，MBE為-97.17～352.10 kg/hm2，RMSE為289.56～367.53 kg/hm2，NRMSE均在5%以下。上述模擬效果評(píng)價(jià)指標(biāo)的變化范圍均處于模擬性能“較好”及“優(yōu)秀”的范圍內(nèi)，也說明模型參數(shù)設(shè)置合理，能夠很好地模擬不同處理中作物產(chǎn)量。

玉米產(chǎn)量的實(shí)測(cè)值和模擬值均表明，施肥可以顯著提高玉米產(chǎn)量，各施肥處理玉米產(chǎn)量3年實(shí)測(cè)均值較CK處理高31.19%～57.28%，模擬均值高37.42%～62.05%。各施肥處理之間表現(xiàn)出隨著有機(jī)肥施入比例增加玉米產(chǎn)量呈先升后降的趨勢(shì)，以U1O1處理最大，實(shí)測(cè)均值和模擬均值分別較U1處理高17.92%和19.89%。

2.1.2土壤溫濕度

如圖3所示，DNDC模型基本可以模擬土壤溫度(0～5 cm)及土壤濕度(0～20 cm)生育期動(dòng)態(tài)變化及量級(jí)，且模型模擬值與實(shí)測(cè)值較為一致。統(tǒng)計(jì)分析顯示，二者R2分別為0.75～0.81、0.78～0.84，土壤溫度MBE較小，在-0.15～0.41℃之間；不同處理土壤濕度MBE在0.95%～1.56%之間；RMSE分別在3.37～3.75℃、4.28%～4.83%之間；NRMSE分別為12.88%～13.07%、8.32%～8.95%。從模擬效果與各項(xiàng)驗(yàn)證指標(biāo)來看，DNDC模型能較為精準(zhǔn)地模擬不同有機(jī)無機(jī)氮配施處理下土壤溫濕度變化，表現(xiàn)性能分別為“較好”和“優(yōu)秀”。實(shí)測(cè)值和模擬值均表明，土壤溫濕度變化在不同處理之間沒有顯著性差異。

2.1.3表層土壤硝態(tài)氮含量

如圖4所示，DNDC模型基本可以模擬表層土壤(0～20 cm)硝態(tài)氮生育期動(dòng)態(tài)變化及量級(jí)。但相較土壤溫濕度模擬精度有所下降，各施肥處理的模型模擬值對(duì)土壤硝態(tài)氮含量有所低估。統(tǒng)計(jì)分析表明，不同處理R2為0.69～0.72，DNDC模型的模擬值低于實(shí)測(cè)值，MBE在-4.55～-0.91 mg/kg之間；RMSE在12.19～13.80 mg/kg之間，NRMSE在18.82%～22.58%之間，表現(xiàn)性能為“中等”。上述統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果說明，DNDC 模型模擬在空間和時(shí)間維度對(duì)土壤硝態(tài)氮含量的表現(xiàn)性能相對(duì)較差。

2.1.4土壤溶液中硝態(tài)氮含量

2.1.5硝態(tài)氮淋失量

土壤硝態(tài)氮淋失量通過淋溶水中硝態(tài)氮濃度和淋溶水量求得，由圖6可以看出，不同處理下，DNDC模型模擬的氮素淋失量與實(shí)測(cè)值之間有較好的一致性。統(tǒng)計(jì)分析顯示，各處理R2均達(dá)到0.7以上，MBE在-2.69～3.98 kg/hm2之間，RMSE在0.49～1.11 kg/hm2之間，NRMSE在5.91%～12.53%之間，綜合各指標(biāo)來看，模型模擬性能均在“較好”和“優(yōu)秀”范圍內(nèi)。

實(shí)測(cè)值和模擬值均表明，施氮會(huì)顯著增加土壤硝態(tài)氮淋失量，各施肥處理3年實(shí)測(cè)和模擬硝態(tài)氮淋失量均值較CK處理分別高1.4～3.1倍、1.2～2.6倍。各施肥處理之間表現(xiàn)出隨著有機(jī)氮施入比例增加硝態(tài)氮淋失量減少的趨勢(shì)，O1處理3年實(shí)測(cè)硝態(tài)氮淋失量均值較U1處理降低42.6%，模擬硝態(tài)氮淋失量均值較U1處理降低39.6%。

2.2 不同管理方案對(duì)玉米產(chǎn)量及硝態(tài)氮淋失量的影響

由表3可以看出，不同管理方案會(huì)影響玉米產(chǎn)量及硝態(tài)氮淋失量。增施無機(jī)氮肥對(duì)作物產(chǎn)量的影響并不明顯，但會(huì)顯著增加硝態(tài)氮淋失量，將無機(jī)氮施用量從240 kg/hm2改為180、300 kg/hm2時(shí)，硝態(tài)氮淋失量分別降低25.83%和增加31.67%。同時(shí)，增大或減小灌溉量并不會(huì)對(duì)作物產(chǎn)量產(chǎn)生明顯影響，而對(duì)土壤氮素淋失量影響較大，當(dāng)灌溉量從75 mm調(diào)整為60、90 mm時(shí)，土壤硝態(tài)氮淋失量分別減少13.75%和增加15.83%。相反，增加有機(jī)氮施用量會(huì)顯著提高玉米產(chǎn)量，而氮素淋失量增加幅度較小，當(dāng)有機(jī)氮施入量從0增加到60、120 kg/hm2時(shí)，作物產(chǎn)量分別增加了10.96%和24.54%。此外，當(dāng)無機(jī)氮肥分施次數(shù)由2次增加到3次時(shí)，玉米產(chǎn)量增加2.67%，硝態(tài)氮淋失量增加了7.08%，當(dāng)無機(jī)氮分施次數(shù)由2次改為1次時(shí)，玉米產(chǎn)量和硝態(tài)氮淋失量分別減少4.13%和13.75%。

敏感性指數(shù)表明(表3)，在4種替代管理措施中，無機(jī)氮施入量(S=1.27)和灌溉量(S=0.84)對(duì)土壤硝態(tài)淋失量影響較大，而增施有機(jī)氮(S=0.13)和增加無機(jī)氮施肥次數(shù)(S=0.22)對(duì)硝態(tài)淋失量影響相對(duì)較小。在產(chǎn)量方面，灌溉量(S=0.12)、有機(jī)氮施入量(S=0.11)、無機(jī)氮分施次數(shù)(S=0.10)和無機(jī)氮施入量(S=0.09)對(duì)作物產(chǎn)量均產(chǎn)生較大影響。綜合敏感性指標(biāo)分析結(jié)果來看，不同管理措施對(duì)氮素淋失及玉米產(chǎn)量均產(chǎn)生正效應(yīng)，單一因素改變并不能達(dá)到經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益雙贏的目標(biāo)。本研究中，減少無機(jī)氮施用量會(huì)明顯降低土壤硝態(tài)淋失量，但也會(huì)造成作物減產(chǎn)，而增大有機(jī)肥施入量并不會(huì)造成氮素大量淋失，同時(shí)可以達(dá)到增產(chǎn)的效果。因此，從農(nóng)戶管理實(shí)踐來看，進(jìn)行有機(jī)無機(jī)氮配施是尋求高產(chǎn)低硝的有效管理措施。

表3 不同管理方案對(duì)硝態(tài)氮淋失量和產(chǎn)量的影響及其敏感性指標(biāo)Tab.3 Influences of amount of nitrate leaching and yield of varied management practices and their sensitivity indices

2.3 基于農(nóng)藝及環(huán)境角度確定的優(yōu)化管理措施

本研究利用DNDC模型來確定基于農(nóng)藝及環(huán)境角度的最佳有機(jī)無機(jī)氮肥配施比例，目的是尋求一種既能使玉米獲得高產(chǎn)，又能使硝態(tài)氮淋失量控制在可接受水平的臨界有機(jī)氮替代化肥比例。文獻(xiàn)和法規(guī)中均沒有規(guī)定我國(guó)玉米產(chǎn)量的標(biāo)準(zhǔn)值。因此，本研究認(rèn)為籽粒產(chǎn)量不隨有機(jī)氮施入比例的增加而下降或者不低于基準(zhǔn)情景為可接受產(chǎn)量。滲漏到地下水中的硝酸鹽主要由灌溉和降雨引起，模型模擬得到2018—2020年農(nóng)田平均滲水量為73 mm，實(shí)際收集到的淋溶水量卻達(dá)到81 mm，為達(dá)到我國(guó)GB/T 14848—1993《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的20 mg/L臨界值，玉米生長(zhǎng)季內(nèi)累積硝態(tài)氮淋失量應(yīng)該小于16.2 kg/hm2。

模擬結(jié)果表明(圖7)，當(dāng)有機(jī)氮施入比例在0～60%范圍內(nèi)時(shí)，3年平均產(chǎn)量隨有機(jī)氮施入比例增加而增加，繼續(xù)增大有機(jī)肥施入比例則產(chǎn)量會(huì)下降，但是即使有機(jī)氮施入比例達(dá)到100%時(shí)，產(chǎn)量依舊比單施無機(jī)氮高5.44%。可以看出，配施有機(jī)氮均可以使產(chǎn)量達(dá)到可接受水平，當(dāng)有機(jī)氮施入比例為60%時(shí)產(chǎn)量最佳，較基準(zhǔn)情景高20.10%，為12 578 kg/hm2。從3年硝態(tài)氮淋失量均值來看，隨著有機(jī)氮施入比例增加硝態(tài)氮淋失量逐漸減少，單施有機(jī)氮處理硝態(tài)氮淋失量較基準(zhǔn)情景降低39.52%，當(dāng)有機(jī)氮施入比例為50%～100%時(shí)，硝態(tài)氮淋失量降低到可接受水平(15.7 kg/hm2)以下。結(jié)合試驗(yàn)區(qū)的實(shí)際情況，綜合玉米產(chǎn)量和硝態(tài)氮淋失量，可接受的施肥模式為在施氮總量為240 kg/hm2時(shí)，有機(jī)氮配施比例在50%以上，最佳施肥模式為40%無機(jī)氮+60%有機(jī)氮。

3 討論

3.1 模型性能

本研究發(fā)現(xiàn)，在灌溉和降雨后，土壤孔隙充水率的模擬值普遍高于實(shí)測(cè)值(圖3)，造成這一差異的原因可能是由于土壤濕度的實(shí)測(cè)值(往往推遲1～2 d取樣)沒有及時(shí)觀測(cè)到所致，同時(shí)，本研究在作物生長(zhǎng)后期不再進(jìn)行灌溉，降雨后由于土壤干燥開裂造成的優(yōu)先流也可能會(huì)導(dǎo)致模擬值偏高[44]。此外，模型在模擬土壤濕度過程中未考慮作物葉片對(duì)降雨的截留，忽略了此過程對(duì)降雨的影響，因而土壤水分模擬的差異可能是由于蒸散模擬的潛在偏差造成[45]。還有學(xué)者認(rèn)為，DNDC模型難以捕捉到土壤孔隙充水率變化的原因可能與土壤質(zhì)地有關(guān)[46]。

3.2 不同管理措施對(duì)玉米產(chǎn)量和氮素淋失量的影響

有機(jī)無機(jī)肥配施是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的熱點(diǎn)，是現(xiàn)代施肥技術(shù)的重要方向。有研究表明，在試驗(yàn)初期，單施無機(jī)氮處理的產(chǎn)量明顯高于單施有機(jī)氮處理，而經(jīng)過長(zhǎng)期培肥過后，單施有機(jī)氮處理的產(chǎn)量才可能達(dá)到或超過單施無機(jī)氮處理[25]。而本研究發(fā)現(xiàn)，即使在試驗(yàn)初期，單施有機(jī)氮處理的產(chǎn)量也高于單施無機(jī)氮處理，原因可能為：①由于本試驗(yàn)點(diǎn)土壤氮背景值較高，能產(chǎn)生較多的速效養(yǎng)分。②本研究選用的有機(jī)氮含氮量為10%，礦化過程會(huì)產(chǎn)生較多無機(jī)氮供作物吸收。③有機(jī)肥可以改良土壤理化性質(zhì)，且其中含有中微量元素。本研究表明，當(dāng)有機(jī)無機(jī)氮施入比例為3∶2時(shí)最有利于作物增產(chǎn)，其原因可以歸結(jié)為，該有機(jī)無機(jī)氮配施比例可以更好地調(diào)控土壤氮素的固持和釋放，協(xié)調(diào)土壤氮素供應(yīng)[24，54]，滿足作物生育期對(duì)養(yǎng)分的需求，從而利于作物增產(chǎn)。

本研究氮素當(dāng)季回收率在19.71%～42.44%之間，硝態(tài)氮淋失量占當(dāng)季施肥量的18.62%～29.33%。因此，在提高玉米氮肥利用效率及減少氮素?fù)p失方面還有很大空間，一方面，從玉米當(dāng)季考慮，可以適當(dāng)減少氮肥總施用量；另一方面，需要根據(jù)土壤供氮及作物吸氮?jiǎng)討B(tài)關(guān)系，進(jìn)一步調(diào)整施肥結(jié)構(gòu)，在不同鹽分條件下進(jìn)行有機(jī)無機(jī)肥分次配施。此外，如何提高下茬玉米對(duì)深層殘留氮素的有效吸收以提高氮素利用率及降低氮素?fù)p失，有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)束語

利用田間原位觀測(cè)數(shù)據(jù)校驗(yàn)后的DNDC模型能夠較好地模擬不同管理實(shí)踐對(duì)玉米產(chǎn)量和硝態(tài)氮淋失量的影響。敏感性分析表明，施氮種類、施氮量、灌溉量以及無機(jī)氮分施次數(shù)均會(huì)對(duì)玉米產(chǎn)量和硝態(tài)氮淋失量產(chǎn)生正效應(yīng)。而在240 kg/hm2施氮總量下，合理的有機(jī)無機(jī)氮配施比例可以同時(shí)保證玉米的最佳產(chǎn)量和硝態(tài)氮淋失量在可接受范圍內(nèi)，當(dāng)有機(jī)氮施入量為144 kg/hm2，無機(jī)氮施入量為96 kg/hm2時(shí)，玉米產(chǎn)量可達(dá)12 578 kg/hm2，硝態(tài)氮淋失量相對(duì)較低(15.7 kg/hm2)。本研究對(duì)區(qū)域玉米生產(chǎn)氮肥管理具有重要應(yīng)用價(jià)值。