張開(kāi)，王立為, ，高西寧, ，賀明慧

1. 沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110866；2. 遼寧省農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110166；3. 沈陽(yáng)市渾南區(qū)氣象局，遼寧 沈陽(yáng) 110186

自工業(yè)化以來(lái)，人類活動(dòng)排放了大量的溫室氣體（CO2、CH4、N2O），其排放濃度的增加是影響全球氣候變暖的重要驅(qū)動(dòng)因子（IPCC，2014）。N2O作為大氣中主要的微量氣體，雖然在大氣中含量較低，但卻是重要的溫室氣體。每年以0.22%的速率在增加（Ghosh et al.，2003），對(duì)全球增溫貢獻(xiàn)率約為7%（杜吳鵬等，2006）。旱地農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是大氣中N2O的重要排放源，當(dāng)前大氣中90%的N2O來(lái)源于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)（尚杰等，2015），這表明農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中存在很大的減排潛力。不同的田間管理方式（如施肥量和施肥深度）和氣候條件通過(guò)導(dǎo)致土壤環(huán)境的改變進(jìn)而影響農(nóng)田N2O排放，氮肥施用直接影響土壤中有效氮濃度，是影響N2O排放的重要因素（常乃杰，2020；張鵬飛，2020）。為保障糧食增長(zhǎng)，越來(lái)越多的氮肥投入到農(nóng)田土壤中促進(jìn)了農(nóng)田N2O的排放，進(jìn)而加劇全球變暖（Snyder et al.，2009）。因此，隨著以全球變暖為主要特征的環(huán)境問(wèn)題研究的日益深入，在保證產(chǎn)量的同時(shí)，合理地制定和實(shí)施田間管理措施，對(duì)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義（馬晨光等，2020）。

馬鈴薯（Solanum tuberosum）已被聯(lián)合國(guó)農(nóng)糧組織列為世界第四大糧食作物，同時(shí)中國(guó)農(nóng)業(yè)部啟動(dòng)了馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略（陳萌山等，2015）。馬鈴薯不僅已成為重要的糧食作物，同時(shí)對(duì)保障中國(guó)糧食安全具有重要意義（王靜怡等，2015）。如何在能保產(chǎn)的前提下做到資源環(huán)境協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展是決策者們面臨的重要問(wèn)題。其中，施用氮肥是提高馬鈴薯產(chǎn)量的重要手段，有研究發(fā)現(xiàn)，氮肥肥效的發(fā)揮與農(nóng)田水分狀況高度相關(guān)（肖石江等，2021），如何在雨養(yǎng)條件下做到“以水定肥，以肥定產(chǎn)”同時(shí)最大限度的減少N2O氣體排放，對(duì)充分發(fā)揮旱地馬鈴薯生產(chǎn)潛力及農(nóng)田可持續(xù)發(fā)展具有積極的指導(dǎo)意義。前人針對(duì)旱地馬鈴薯的適宜施肥量做了大量研究，如孟煬（2018）在干旱缺水的黃土高原雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，探究了氮肥對(duì)馬鈴薯的增產(chǎn)效率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)1 t馬鈴薯需N為4.00—5.34 kg；張富倉(cāng)等（2017）對(duì)馬鈴薯田進(jìn)行滴灌施肥試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)量與灌水量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，同時(shí)隨著施肥量的增加產(chǎn)量先增加后減少；萬(wàn)偉帆（2017）探究了不同尿素用量對(duì)馬鈴薯田產(chǎn)量及N2O排放影響，結(jié)果表明過(guò)量尿素導(dǎo)致 N2O排放顯著增加但產(chǎn)量并沒(méi)有顯著提高。同時(shí)由于灌溉、降水等因素引起土壤含水量的增加，提高了硝化反硝化速率，導(dǎo)致N2O排放量的增加（Hu et al.，2014），王立為等（2019）通過(guò) DNDC模型模擬發(fā)現(xiàn)降雨量對(duì)馬鈴薯田生育期N2O累計(jì)排放的影響較為明顯，模擬峰值出現(xiàn)在降雨事件發(fā)生后，所以東北地區(qū)作為典型的旱作雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，綜合研究水分和施肥對(duì)產(chǎn)量和N2O排放之間的關(guān)系，探明不同降水年型馬鈴薯田增產(chǎn)減排的最優(yōu)施氮量對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有積極指導(dǎo)意義。

N2O通量排放具有高度時(shí)空變化特點(diǎn)，通過(guò)站點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量耗時(shí)且費(fèi)力，所以為了彌補(bǔ)試驗(yàn)的缺陷，就可以采用校準(zhǔn)良好的溫室氣體排放模型來(lái)模擬計(jì)算多種不同試驗(yàn)處理?xiàng)l件下其排放的情況（Giltrap et al.，2009）。在多種模型中，DNDC模型是一種用于評(píng)估土壤溫室氣體排放和作物產(chǎn)量的生物地球化學(xué)模型，是目前國(guó)際上公認(rèn)的較為成功模擬土壤C、N動(dòng)態(tài)變化的機(jī)理模型之一。該模型由美國(guó)New Hampshire大學(xué)Li et al.（1992）建立，用于模擬農(nóng)業(yè)土壤中N2O、CO2等溫室氣體排放。隨著科學(xué)工作者對(duì)該模型的補(bǔ)充和改進(jìn)，目前已發(fā)展建立了適用于中國(guó)特有農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的模型，并在中國(guó)多地開(kāi)展了相關(guān)模擬研究（謝海寬等，2017）。本文結(jié)合2017—2019年3年試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型適用性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并基于1990—2019年30年連續(xù)氣象數(shù)據(jù)，探究了在不同降水年型下馬鈴薯田增產(chǎn)減排的最優(yōu)施氮量和施用氮肥方式，為地區(qū)制定合理的氮肥施用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)選擇在沈陽(yáng)市自然降水條件下的沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行，基地位于中國(guó)東北地區(qū)南部，遼寧省中部，以平原為主，地勢(shì)平坦?；匚恢?123°33′E，41°49′N，屬于溫帶半濕潤(rùn)大陸性氣候，年平均溫度在8.9 ℃范圍，全年降水量681 mm，全年無(wú)霜期 183 d。受季風(fēng)影響，降水主要集中在夏季，雨熱同期適合作物生長(zhǎng)。馬鈴薯生育期一般為4月下旬播種，至7月中下旬收獲。試驗(yàn)期間（4—7月）月平均氣溫和月降水量如圖1所示。通過(guò)分析中心測(cè)得實(shí)驗(yàn)基地土壤類型為粉壤土（粘粒15%，粉粒 51%，砂粒 34%），表層土壤有機(jī)碳含量（0—10 cm）0.01 kg·kg?1，容重（上層土壤的密度）為1.30 g·cm?3，土壤pH值為6.42。

圖1 2017—2019年試驗(yàn)期間基地月平均氣溫（t）和月降水量（p）Fig. 1 Monthly average temperature (t) and precipitation (p)of the base during 2017-2019

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

試驗(yàn)基地栽種的馬鈴薯品種為“尤金”，生育期在75—80 d，該品種單株可結(jié)4—6個(gè)薯，畝產(chǎn)量可達(dá)2000 kg，增產(chǎn)效果很大，在該地區(qū)已得到廣泛的種植。試驗(yàn)為期3年，2017年播種和收獲日期分別為4月28日和7月24日；2018年分別為5月3日和7月26日；2019年分別為4月24日和7月16日。

試驗(yàn)以當(dāng)?shù)貙?shí)際施用氮肥水平為參照設(shè)置4種施氮梯度，分別為不施氮肥（0 kg·hm?2）、低氮（60 kg·hm?2）、中氮（120 kg·hm?2）、高氮（180 kg·hm?2）4種施氮水平，以下分別簡(jiǎn)寫為N0、N1、N2、N3，實(shí)驗(yàn)還設(shè)置了空白對(duì)照組CK（裸地且不施氮肥），每種處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)為5 m×6 m，馬鈴薯種植株距為0.4 m，行距為0.5 m。除氮肥以外，所有施肥處理的磷鉀肥均采用同一施肥量，磷肥（P2O5）為 225 kg·hm?2，鉀肥（K2O）為 75 kg·hm?2。3種肥料混合均勻，播種當(dāng)天對(duì)不同處理小區(qū)均采用一次性施肥，試驗(yàn)地不采用灌溉，定期人工清理雜草。

N2O采集采用靜態(tài)箱法，又被稱為密閉箱法，是比較常用的測(cè)量土壤氣體通量的采集方法。通過(guò)密封的箱子罩住觀測(cè)土壤表面，觀測(cè)時(shí)保證馬鈴薯作物完全處于密封箱內(nèi)，用水密封接觸處，保證箱內(nèi)氣體與外界無(wú)任何交換，隔一段時(shí)間從箱內(nèi)抽出一定量的氣體樣品，將抽出的氣體通過(guò)氣相色譜儀進(jìn)行分析。通過(guò)一段時(shí)間的濃度變化利用公式計(jì)算氣體通量。在馬鈴薯生長(zhǎng)季節(jié)進(jìn)行土壤N2O排放觀測(cè)。靜態(tài)箱的尺寸為0.6 m×0.5 m×0.45 m，播種同時(shí)將靜態(tài)箱底座埋在每種不同處理小區(qū)中央，確保每個(gè)靜態(tài)箱內(nèi)有一株馬鈴薯，測(cè)量時(shí)馬鈴薯枝葉及其根系要完全處于靜態(tài)箱內(nèi)。生長(zhǎng)季節(jié)每周測(cè)量一次，在施肥階段連續(xù)測(cè)量5 d，如遇降水進(jìn)行加測(cè)。測(cè)量時(shí)間分別為關(guān)箱后0、30 min，用氣泵抽取50 mL左右的氣體，收集到的氣體用Agilent 7890A型氣相色譜儀分析濃度變化，利用如下公式得到N2O排放通量（μg·m?2·h?1）（Liu et al.，2019）：

式中：

Flux——N2O 氣體通量，μg·m?2·h?1；

ρ——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的被測(cè)氣體的密度，μg·m?3；

V——靜態(tài)箱有效體積，m3；

A——箱底面積，m2；

θ為箱內(nèi)溫度，℃。

馬鈴薯產(chǎn)量測(cè)量：每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取一壟（非邊行）進(jìn)行測(cè)產(chǎn)。

1.3 DNDC模型

DNDC模型是以反硝化作用和分解作用為主要過(guò)程，最早應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)土壤碳，氮生物地球化學(xué)循環(huán)的數(shù)值模擬（Li et al.，1992）。該模型是由美國(guó)新罕布什爾州大學(xué)陸地海洋空間研究中心開(kāi)發(fā)研制的，將土壤物理性質(zhì)、氣候狀況和農(nóng)田管理措施等信息輸入到模型中，模擬農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)中 N2O等溫室氣體的產(chǎn)生與排放，同時(shí)模型用于模擬預(yù)測(cè)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)最大生產(chǎn)潛力（巴特爾·巴克等，2007），對(duì)研究農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的持續(xù)性發(fā)展具有積極的指導(dǎo)作用。

1.3.1 模型的校正

模型起初是為了模擬美國(guó)農(nóng)業(yè)土壤 N2O的排放情況而研發(fā)（李長(zhǎng)生等，2003），針對(duì)不同的作物，具有各自的默認(rèn)參數(shù)值。但對(duì)不同的地區(qū)卻不一定適用。DNDC模型在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用是20世紀(jì)90年代后期開(kāi)始的，目前國(guó)內(nèi)對(duì)DNDC模型的應(yīng)用研究逐漸趨于增加，模型本土化進(jìn)一步發(fā)展，在應(yīng)用到具體站點(diǎn)點(diǎn)位時(shí)要對(duì)模型進(jìn)行校正和參數(shù)修改。此次試驗(yàn)結(jié)合實(shí)際情況針對(duì)模型中的部分參數(shù)進(jìn)行校正，部分參數(shù)通過(guò)分析中心測(cè)得，最終確定所應(yīng)用地區(qū)的實(shí)際模型參數(shù)。

應(yīng)用 2017年的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型校正，應(yīng)用2018年和2019年試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)模擬值與實(shí)測(cè)值的擬合情況確定最終的參數(shù)，分為氣候、土壤、植被和農(nóng)田管理4個(gè)模塊。氣候參數(shù)包括經(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，以上氣象數(shù)據(jù)均來(lái)自于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)，降水中N平均質(zhì)量濃度調(diào)整為3.26 mg·L?1；土壤模塊參數(shù)：土壤類別為粉壤土、酸堿度（6.42）、田間持水量（0.25 g·g?1）、容重（1.30 g·m?3）、土壤表層（0—10 cm）有機(jī)碳含量（0.01 kg·kg?1），微生物活性指數(shù)默認(rèn)為百分百活躍，田地為平地?zé)o坡度，雨水可以完全收集；植被參數(shù)中積溫根據(jù)每年實(shí)際氣象資料進(jìn)行調(diào)整，馬鈴薯生物量分配比調(diào)整為（籽粒：葉：莖：根為 0.60：0.20：0.18：0.02），需水量調(diào)整為400 kg·kg?1干物質(zhì)；農(nóng)田管理因子中耕地時(shí)間、施肥時(shí)間、是否灌溉等均為實(shí)際試驗(yàn)情況。

1.3.2 模型的驗(yàn)證指標(biāo)

本文研究中使用決定系數(shù)R2、平均誤差E和模型效率指數(shù)EF來(lái)評(píng)價(jià)模型模擬效果。

式中：

Si——模擬值；

Mi——實(shí)測(cè)值；

n——實(shí)際觀測(cè)值的次數(shù)；

決定系數(shù)R2越接近1，表示模擬值和實(shí)測(cè)值的擬合程度越高，而模型效率指數(shù)EF為0—1時(shí)，值越大，表示模擬值和實(shí)測(cè)值關(guān)聯(lián)度越大。平均誤差E>0，表示模擬值高于實(shí)測(cè)值，反之則模擬值低于實(shí)測(cè)值。

1.3.3 基于DNDC模型對(duì)馬鈴薯田施肥深度的探究

施肥深度情景設(shè)置地表以下0.2（撒施表面）、5、10、15和20 cm，其中當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶實(shí)際施肥深度為10 cm，即為施肥深度為地表以下10 cm，其他同理。

1.3.4 基于DNDC模型對(duì)馬鈴薯田施肥比例的探究

馬鈴薯對(duì)肥料的響應(yīng)比較敏感，在其生長(zhǎng)發(fā)育的各個(gè)階段對(duì)養(yǎng)分的需求也有所不同。在馬鈴薯生長(zhǎng)發(fā)育初期，吸收的氮肥大約占總需肥量的四分之一，而在植株生長(zhǎng)發(fā)育中期，也即為塊莖膨大期，是馬鈴薯需肥高峰期，這個(gè)階段需肥量大約占總需肥量的二分之一。因此，在保證馬鈴薯生育期肥料充足的同時(shí)，合理分配各個(gè)階段所需養(yǎng)分，最大限度的提高了肥料利用率的同時(shí)，達(dá)到保產(chǎn)增產(chǎn)的目的。當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶慣用的施肥比例為前期施用95%左右的肥料，后期追肥 5%（即開(kāi)花期后噴灑一些葉面肥），以此為基礎(chǔ)，設(shè)定 6種基追肥比例，分別為(95%+5%)、(80%+20%)、(60%+40%)、(50%+50%)、(40%+60%) 和 (20%+80%)（以 (95%+5%) 為例，表示基肥95%，追肥為5%）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

為了便于分析，將 30個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)攴萁邓縿澐譃楦珊的?、平水年、濕?rùn)年3種降雨年型。降水年型的劃分公式如下（李曉州等，2018）：

式中：

D——干旱指數(shù)；

Ri——年降水量（cm）；

M——1990—2019年平均降水量（cm）；

σ——標(biāo)準(zhǔn)差。

D>0.35——濕潤(rùn)年，?0.35≤D≤0.35為平水年，D

表1 不同降水年型Table 1 Annual types of different precipitation

1.5 數(shù)據(jù)分析

運(yùn)用Excel 2018及Origin 95進(jìn)行繪圖、回歸分析及DNDC模型的統(tǒng)計(jì)分析，運(yùn)用SPSS軟件進(jìn)行多重比較，所用DNDC模型為9.5版本。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮水平處理馬鈴薯田N2O的排放

圖2顯示了2017—2019年不同施氮水平下馬鈴薯田N2O的排放情況。從圖中可以看出N3處理下氣體的排放通量顯著高于其他施肥水平處理下氣體排放通量，對(duì)照處理CK排放通量最小。而且每種處理的變化趨勢(shì)和波動(dòng)情況相同。隨著施氮量的增加，土壤N2O的排放也顯著增加。

圖2 2017—2019年不同施氮水平馬鈴薯田N2O排放情況Fig. 2 The N2O emission from potato fields with different nitrogen application levels from 2017 to 2019

2.2 模型的驗(yàn)證

2017年試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型調(diào)參，2018年和2019年試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證。圖3表示的是3年試驗(yàn)期間N2O模擬值與實(shí)測(cè)值的擬合情況，圖中r2均高于0.6，擬合方程的斜率均大于0.6，表明二者的擬合情況較好。圖4為不同施肥水平下產(chǎn)量的擬合情況，從圖中可以看出，產(chǎn)量模擬值與實(shí)測(cè)值的平均值比較接近，模擬值均在實(shí)測(cè)值的標(biāo)準(zhǔn)差范圍上下浮動(dòng)。表2和表3分別為馬鈴薯生育期N2O排放通量和產(chǎn)量的模型驗(yàn)證指標(biāo)擬合情況。從表中進(jìn)一步可以看出，N2O排放通量3年試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果均通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)效果為極顯著，對(duì)于不同施肥處理下產(chǎn)量的模擬結(jié)果也均通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。E>0表示模擬值大于實(shí)測(cè)值，反之則實(shí)測(cè)值大于模擬值。在2017年和2018年模擬N2O排放中，不施氮肥和高氮肥處理下，模型模擬值要大于實(shí)測(cè)值，2019年各施氮肥處理下N2O排放模擬值均高于實(shí)測(cè)值。EF值越接近1，表示模型模擬效果越好。從表2、3中也能夠看出絕大多數(shù)EF值都在0.6以上，部分達(dá)到0.8以上，表示模型模擬效果較好，模型基本能反映出馬鈴薯生長(zhǎng)過(guò)程中土壤 N2O的排放以及對(duì)產(chǎn)量的模擬，因此可以運(yùn)用模型進(jìn)行進(jìn)一步探究。

圖3 N2O排放通量的模擬值與實(shí)測(cè)值的擬合關(guān)系Fig. 3 The fitting relationship between simulated and measured of N2O emission fluxes

圖4 不同施肥水平下產(chǎn)量的模擬值與實(shí)測(cè)值的擬合情況Fig. 4 Fitting of simulated and measured yield under different fertilization levels

表2 DNDC模型對(duì)不同施氮水平N2O排放模型擬合指標(biāo)Table 2 Fitting indexes of DNDC model for N2O emission model under different nitrogen application levels

表3 DNDC模型對(duì)不同施氮水平產(chǎn)量擬合指標(biāo)Table 3 Yield fitting indexes of DNDC model under different nitrogenapplication levels

2.3 DNDC模型對(duì)不同降雨年型下不同施氮梯度馬鈴薯產(chǎn)量和N2O排放的模擬研究

為了探究不同降雨年型下不同施氮梯度對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量和N2O排放的影響，以15 kg·hm?2施氮量變化梯度為前提，采用DNDC模型對(duì)研究區(qū)域30年平均氣象數(shù)據(jù)情況進(jìn)行馬鈴薯產(chǎn)量和 N2O排放的模擬研究。圖5分別為干旱年、平水年和濕潤(rùn)年的模擬結(jié)果。對(duì)于干旱年、平水年和濕潤(rùn)年3種降水年型，長(zhǎng)期不施肥情形下馬鈴薯產(chǎn)量均最低，且不同年型間變化幅度較小，濕潤(rùn)年產(chǎn)量最高，平水年次之，是干旱年產(chǎn)量的1.1倍。當(dāng)施肥量增加至15 kg·hm?2時(shí)，產(chǎn)量均迅速增加，相較于不施肥干旱年、平水年和濕潤(rùn)年的增產(chǎn)率分別達(dá)到了92.2%、93.8%和60.7%，增產(chǎn)效果明顯。對(duì)于任一降水年型，隨施氮量增加產(chǎn)量均出現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，不同降水年型有不同的最優(yōu)施肥量。而隨施氮量增加，無(wú)論何種年型N2O排放一直呈現(xiàn)指數(shù)上升的趨勢(shì)。從總體上看降水越多馬鈴薯產(chǎn)量和農(nóng)田N2O排放量越高，在施氮量最高的情況下，平水年和濕潤(rùn)年產(chǎn)量分別是干旱年的1.4倍和1.7倍，N2O排放分別是干旱年的1.5倍和2.1倍，濕潤(rùn)年相較于平水年，產(chǎn)量差異較小，而N2O排放卻差異較大，濕潤(rùn)年N2O排放是平水年N2O排放的1.5倍。在不施肥情況下，濕潤(rùn)年產(chǎn)量分別是干旱年和平水年的1.1倍和1.0倍，濕潤(rùn)年N2O累積排放量分別是干旱年和平水年的2.0倍和1.6倍。從模擬結(jié)果來(lái)看，當(dāng)3種降水年型分別達(dá)到最高產(chǎn)量時(shí)，施肥量濕潤(rùn)年高于平水年高于干旱年，N2O排放量濕潤(rùn)年高于平水年高于干旱年。

傳統(tǒng)觀念的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中農(nóng)戶們傾向于施用足夠量的肥料來(lái)提高作物產(chǎn)量，通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)，適量的施肥可以提高作物產(chǎn)量，而施肥過(guò)量不但會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成污染，還會(huì)使旱作農(nóng)作物產(chǎn)量出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)，造成肥料浪費(fèi)。通過(guò)DNDC模型對(duì)30年平均氣象數(shù)據(jù)的模擬發(fā)現(xiàn)，不同降雨年型對(duì)應(yīng)增產(chǎn)減排的優(yōu)化施氮量不同，降雨和施肥兩者之間既相互補(bǔ)充也相互制約，施肥量一定時(shí)，降水不足會(huì)抑制氮肥肥效的發(fā)揮，而生長(zhǎng)季降水分配不均也會(huì)造成氮肥淋洗；相反肥料不足或過(guò)量也會(huì)抑制作物吸收水分，同樣造成減產(chǎn)現(xiàn)象發(fā)生（KIani et al.，2016）。因此根據(jù)降雨年型合理優(yōu)化施氮量，在保證產(chǎn)量的前提下，最大限度的減少農(nóng)業(yè)溫室氣體的排放，對(duì)制定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的指導(dǎo)作用。

在圖5中進(jìn)一步考慮不同降水年型隨施氮量增加 N2O累計(jì)排放較前一施氮量的增加率和馬鈴薯產(chǎn)量的增產(chǎn)率，對(duì)于干旱年，在小于45 kg·hm?2施氮量時(shí)，產(chǎn)量有明顯增產(chǎn)效果，繼續(xù)增加施氮量產(chǎn)量反而開(kāi)始呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而N2O排放卻在持續(xù)增加，同時(shí)排放強(qiáng)度也呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，因此在干旱年增產(chǎn)兼顧減排的優(yōu)化施氮量為45—60 kg·hm?2；在平水年，當(dāng)施氮量超過(guò)75 kg·hm?2時(shí)，增產(chǎn)效果降低，N2O排放上升速度雖有減緩，但總體依舊呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，所以單產(chǎn)的N2O排放量即排放強(qiáng)度會(huì)迅速增大，表明每生產(chǎn)1 kg馬鈴薯將產(chǎn)生更多的溫室氣體，因而在平水年增產(chǎn)減排并舉的優(yōu)化施氮量應(yīng)在75—90 kg·hm?2為宜；在濕潤(rùn)年降水充足，水肥交互作用要求在該年份可以施用相較于干旱年和平水年更多的氮肥來(lái)達(dá)到增產(chǎn)效果，當(dāng)施氮量在105—120 kg·hm?2之間，產(chǎn)量達(dá)到穩(wěn)定，與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施氮量 120 kg·hm?2接近。

圖5 DNDC模型模擬的不同降水年型N2O累計(jì)排放量、產(chǎn)量與施氮量之間的關(guān)系Fig. 5 The relationship between cumulative N2O emission, yield and nitrogen application in different precipitation years simulated by DNDC model

2.4 不同降水年型下改變施肥深度及氮肥基追比例對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量及N2O排放影響

2.4.1 不同降水年型下改變施肥深度對(duì)產(chǎn)量及排放的影響

通過(guò)上文對(duì)不同降水年型下適宜施氮量的研究，選取干旱年、平水年及濕潤(rùn)年最優(yōu)施氮量，運(yùn)用 DNDC模型探究在優(yōu)化施氮量前提下不同施肥深度對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量及N2O排放的影響，進(jìn)一步尋求不同降水年型的最適施肥深度。如圖6所示，以施肥深度為自變量，馬鈴薯產(chǎn)量及馬鈴薯田N2O排放為因變量進(jìn)行擬合，尋求最佳擬合曲線，探究施肥深度對(duì)二者的影響。

從圖6可以看出，隨施肥深度從0.2 cm逐漸增加到20 cm，干旱年和平水年馬鈴薯產(chǎn)量呈現(xiàn)出先增加后減少的變化趨勢(shì)，而濕潤(rùn)年，隨施肥深度增加產(chǎn)量一直增加。干旱年時(shí)，當(dāng)施肥深度達(dá)到 10 cm，產(chǎn)量達(dá)到最大為24338 kg·hm?2，施肥深度繼續(xù)增加時(shí)，產(chǎn)量迅速下降，在深度達(dá)20 cm時(shí)，產(chǎn)量減少到19489 kg·hm?2，減少了19.9%，與肥料撒施時(shí)對(duì)應(yīng)的產(chǎn)量差別不大；平水年隨施肥深度增加，產(chǎn)量迅速增加當(dāng)施肥深度為15 cm時(shí)，產(chǎn)量達(dá)到最大值，相較于施肥5 cm和10 cm施肥深度，產(chǎn)量分別增加了23．0%和19．6%，繼續(xù)增加施肥深度，產(chǎn)量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；而對(duì)于濕潤(rùn)年來(lái)說(shuō)，模型模擬隨施肥深度增加，產(chǎn)量一直呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，即使在施肥深度為20 cm的情況下，產(chǎn)量仍高于其他處理，根據(jù)干旱年及平水年適宜施肥深度推測(cè)濕潤(rùn)年的適宜施肥深度在20 cm范圍波動(dòng)。同時(shí)如圖所示，N2O排放隨施肥深度增加而增加，多雨年N2O累計(jì)排放量明顯高于少雨年。因此，考慮干旱年以10 cm深度施肥為宜，平水年以15 cm深度施肥為宜，濕潤(rùn)年在20 cm深度施肥為宜。

圖6 DNDC模型模擬的不同降水年型N2O累計(jì)排放量、產(chǎn)量與施肥深度之間的關(guān)系Fig. 6 The relationship between cumulative N2O emission, yield and fertilization depth in different precipitation years simulated by DNDC model

2.4.2 不同降水年型下改變氮肥基追比例對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量及N2O排放影響

以上文探討的不同年型下最優(yōu)施肥量、適宜施肥深度為前提，通過(guò) DNDC模型改變氮肥基追比例，探究其對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量和N2O排放的影響。如圖7所示，分別為干旱年、平水年和濕潤(rùn)年改變基追肥比例對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量和排放的影響。

圖7 DNDC模型模擬的不同降水年型N2O累計(jì)排放量、產(chǎn)量與施肥比例之間的關(guān)系Fig. 7 The relationship between cumulative N2O emission, yield and fertilization ratio in different precipitation years simulated by DNDC model

隨著追肥比例的增加，產(chǎn)量呈現(xiàn)出先增加后減少的變化趨勢(shì)，干旱年和平水年型下，當(dāng)基追比例達(dá)到1∶1時(shí)，產(chǎn)量達(dá)到最大值，相較于當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)，產(chǎn)量分別增加了16.6%和15.6%，追肥為后期塊莖膨大期提供了充足的養(yǎng)分，有利于產(chǎn)量增加，濕潤(rùn)年型下，施基肥60%追肥40%時(shí)，產(chǎn)量達(dá)到最大，是傳統(tǒng)方式下產(chǎn)量的1.2倍。同時(shí)，對(duì)于農(nóng)田N2O排放來(lái)說(shuō)，無(wú)論何種年型傳統(tǒng)方式的基追比情況下，排放值最大，隨著追肥比例的增加，排放逐漸減少，濕潤(rùn)年排放最高，平水年次之，干旱年排放最低。綜上所述，干旱年和平水年應(yīng)以1∶1基追比例為宜，而濕潤(rùn)年以6∶4進(jìn)行基追施肥為宜。

3 討論

3.1 不同降雨年型下不同施氮梯度對(duì)馬鈴薯田產(chǎn)量和N2O排放的影響

水和肥是作物產(chǎn)量提高的決定性因素，與此同時(shí)二者受到人為調(diào)控。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，氮肥因其增產(chǎn)效果明顯，農(nóng)戶普遍大量施用氮肥以提高作物產(chǎn)量，但諸多研究發(fā)現(xiàn)在水分限制情況下提高氮肥施用量并不能增加產(chǎn)量，甚至當(dāng)水分不足時(shí)提高施肥量甚至?xí)档娃r(nóng)作物產(chǎn)量（García-López et al.，2016；祁有玲等，2009；李建明等，2014），這表明在不同降水年型下的旱地馬鈴薯生產(chǎn)中，由于水肥耦合作用，導(dǎo)致不同年型氮肥用量不同，即不同年型存在最優(yōu)施氮量，超過(guò)最優(yōu)施氮量或施肥不足都會(huì)造成作物產(chǎn)量下降（肖石江等，2021）。本研究通過(guò) DNDC模型對(duì)不同年型優(yōu)化施氮量的模擬研究發(fā)現(xiàn)，濕潤(rùn)年所需氮肥量高于平水年和干旱年，降水越多，對(duì)氮肥的需求也越多。一方面，模型認(rèn)為過(guò)量的降水不能被及時(shí)吸收會(huì)導(dǎo)致氮肥淋洗或徑流流失；另一方面，適宜的水肥搭配有利于作物光合作用及蒸騰作用（叢鑫等，2021），肥料過(guò)高或過(guò)低都會(huì)影響植物對(duì)水分的吸收和利用（趙志華等，2013），這也在一定程度上解釋了“以水定肥”的合理性。同時(shí)本研究指出，在未施肥情況下，濕潤(rùn)年產(chǎn)量高于平水年產(chǎn)量高于干旱年產(chǎn)量，逐漸增加施肥量，當(dāng)干旱年達(dá)到最佳施肥量，而平水年和濕潤(rùn)年還未達(dá)到最優(yōu)施肥量時(shí)，這時(shí)干旱年產(chǎn)量要高于另外兩種年型，繼續(xù)增加施肥量干旱年產(chǎn)量開(kāi)始逐漸降低。生育期補(bǔ)水充足在某種程度上彌補(bǔ)了土地肥力低下對(duì)產(chǎn)量造成的限制，而當(dāng)水分供應(yīng)相差不大作物未受到土壤水分脅迫時(shí)，施肥發(fā)揮“以肥調(diào)水”的作用，彌補(bǔ)了水分虧缺對(duì)產(chǎn)量造成的影響（于亞軍等，2006）。合理的水肥調(diào)控是提高作物產(chǎn)量的關(guān)鍵。

本試驗(yàn)研究表明，在相同施肥量條件下，N2O排放量在濕潤(rùn)年達(dá)到最大，平水年次之，干旱年排放量最小。降水通過(guò)改變土壤通氣狀況以及土壤含水量，進(jìn)而影響土壤中N2O向外逸出。當(dāng)土壤含水量能同時(shí)促進(jìn)硝化和反硝化作用時(shí)，會(huì)造成大量N2O的產(chǎn)生和排放，一般在土壤孔隙含水率WFPS（Water-Filled Pore Space，充水孔隙）達(dá)到45%—75%范圍內(nèi)比較適宜N2O排放（Smith et al.，2003；Bateman et al.，2005；Welzmiller et al.，2008）。低于該濕度范圍，N2O排放隨土壤濕度增加而增加，高于該濕度范圍，N2O排放隨土壤濕度增加而減少（曹文超等，2019）。試驗(yàn)地區(qū)是一個(gè)雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，該地區(qū)在這3種降水年型情況下土壤濕度均未超過(guò)上述范圍，所以降水增加的土壤濕度，造成N2O排放隨降雨量增加而增加。Werner et al.（2006）的研究也發(fā)現(xiàn)了一致的結(jié)論，土壤N2O排放的短期變化規(guī)律與土壤濕度變化高度相關(guān)，隨著第一次降水事件發(fā)生，N2O 排放從 N 5 μg·m?2·h?1增加到 24.5 μg·m?2·h?1。同時(shí)值得注意的是，本研究通過(guò) DNDC模型模擬發(fā)現(xiàn)，不論何種年型隨施氮量增加N2O排放呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)。氮肥施用是提高土壤氮素最直接的來(lái)源，化學(xué)氮肥的投入增加了底物濃度，能同時(shí)促進(jìn)硝化和反硝化兩個(gè)過(guò)程，已成為影響土壤N2O排放的首要因素（Shcherbak et al.，2014；易瓊等，2013）。楊勁峰等（2007）研究了棕壤N2O排放規(guī)律，發(fā)現(xiàn)高氮處理的 N2O排放量是低氮處理 N2O排放量的2倍多。Wang et al.（2017）在武川試驗(yàn)站進(jìn)行的馬鈴薯大田試驗(yàn)表明，不同程度的氮肥施用相較于不施氮肥均顯著增加了N2O排放。因此在本研究中，對(duì)于干旱年來(lái)說(shuō)，增產(chǎn)減排應(yīng)以45—60 kg·hm?2施肥量為宜，對(duì)于平水年來(lái)說(shuō)，施肥量應(yīng)以75—90 kg·hm?2為宜，而在濕潤(rùn)年，施肥量應(yīng)以105—120 kg·hm?2為宜。

3.2 不同降雨年型下不同施肥深度對(duì)馬鈴薯田產(chǎn)量和N2O排放的影響

本研究表明隨施肥深度增加，3種降雨年型N2O排放量均有不同程度增加。土壤 N2O產(chǎn)生與排放受到土壤溫度、土壤水分以及氮源供應(yīng)影響。然而溫度對(duì)土壤 N2O排放的影響機(jī)理比較復(fù)雜，通常不能完全解釋N2O排放量的改變（Barnard et al.，2005），當(dāng)土壤中存在其他限制因子時(shí)，溫度對(duì) N2O排放的影響作用就不明顯。且試驗(yàn)期間根據(jù)同步記錄的田間小氣候數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，5—20 cm土壤溫度差別不大，因此在本研究中，土壤溫度對(duì)馬鈴薯田 N2O的排放影響作用可以忽略。同時(shí)，隨土壤深度增加，土壤含水率呈現(xiàn)出S型變化趨勢(shì)（吳龍國(guó)等，2021）。隨土壤深度增加，土壤含水率略有增加，在優(yōu)化施肥量的前提下，導(dǎo)致 N2O排放量呈顯著上升趨勢(shì)。本研究指出，對(duì)于干旱年和平水年來(lái)說(shuō)，施肥深度在10—15 cm對(duì)應(yīng)的潛在產(chǎn)量要高于施肥深度15—20 cm時(shí)對(duì)應(yīng)的潛在產(chǎn)量。當(dāng)作物受到相同的水分脅迫時(shí)，上層施肥處理根系長(zhǎng)度、表面積及體積均高于下層施肥處理（郭寧，2011），對(duì)于降水少的年份淺施肥更有利于氮肥溶解及養(yǎng)分?jǐn)U散。因此，當(dāng)作物受到相應(yīng)的水分脅迫時(shí)，適當(dāng)淺施肥相比于深施肥更能達(dá)到保產(chǎn)甚至增產(chǎn)的目的。而對(duì)于濕潤(rùn)年，考慮降水分布不均的問(wèn)題，為避免氮肥淋洗，應(yīng)適當(dāng)深施以使氮肥充分溶解且養(yǎng)分完全被作物吸收，因此對(duì)于濕潤(rùn)年，應(yīng)以15—20 cm施肥深度為宜。

3.3 不同降雨年型下不同施肥比例對(duì)馬鈴薯田產(chǎn)量和N2O排放的影響

研究表明，在最優(yōu)施肥量、適宜施肥深度前提下3種降雨年型馬鈴薯田N2O排放量隨基肥比例的降低而降低，產(chǎn)量隨基肥比例降低，呈現(xiàn)出拋物線型變化趨勢(shì)。馬鈴薯的生長(zhǎng)過(guò)程可分為苗期、塊莖增長(zhǎng)及膨大期以及淀粉積累期，其中塊莖增長(zhǎng)膨大期地上部莖葉和地下部塊莖膨大同時(shí)進(jìn)行，需要養(yǎng)分較多，約占全生育期養(yǎng)分的一半（周波，2015）。當(dāng)?shù)伛R鈴薯田多采用一次性過(guò)量施肥種植方式，而馬鈴薯苗期一般生長(zhǎng)量小，所需要的養(yǎng)分也較少，前期過(guò)量施肥導(dǎo)致浪費(fèi)且增加了N2O排放量。模擬研究選擇在馬鈴薯播種后兩個(gè)月左右進(jìn)行追肥，此時(shí)馬鈴薯正值塊莖的增長(zhǎng)膨大期，需要及時(shí)補(bǔ)充養(yǎng)分。若前期施肥過(guò)量，后期不追肥或者追肥不足會(huì)導(dǎo)致莖葉徒長(zhǎng)影響塊莖膨大，而若前期施肥不足會(huì)影響莖葉生長(zhǎng)，造成根系不發(fā)達(dá)。通過(guò)模型模擬發(fā)現(xiàn)，不同降水年型當(dāng)追肥比例在50%—60%之間，產(chǎn)量最佳?？梢?jiàn)塊莖形成膨大期的養(yǎng)分充足，對(duì)提高馬鈴薯產(chǎn)量起著重要作用。

4 結(jié)論與展望

旱地農(nóng)田土壤是N2O的重要排放源，N2O排放受到土壤環(huán)境和田間管理因素的共同影響，本文通過(guò) DNDC模型模擬探究了在不同降水條件下沈陽(yáng)地區(qū)馬鈴薯田增產(chǎn)減排的氮肥管理方式，具體結(jié)論如下：

（1）DNDC模型可以較為準(zhǔn)確模擬馬鈴薯田不同施氮水平處理N2O排放通量以及產(chǎn)量情況，模型效率指數(shù)EF分別在0.45—0.88和0.85—0.91之間，R2值分別在0.62—0.92和0.92—0.98之間，模擬結(jié)果均通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。

（2）運(yùn)用DNDC模型模擬研究不同降水年型下馬鈴薯田增產(chǎn)減排的最優(yōu)施肥量，得出干旱年增產(chǎn)減排的優(yōu)化施肥量在 45—60 kg·hm?2范圍，平水年在75—90 kg·hm?2，濕潤(rùn)年在105—120 kg·hm?2為宜。

（3）在各年型優(yōu)化施肥量的前提下，進(jìn)一步運(yùn)用模型模擬研究馬鈴薯田優(yōu)化施肥深度以及施肥比例，對(duì)于干旱年和平水年來(lái)說(shuō)，施肥深度應(yīng)在10—15 cm、基追比例以50%+50%為宜，對(duì)于濕潤(rùn)年，施肥深度在20 cm左右、基追比例在60%+40%為宜。

（4）本文利用模型只研究了單點(diǎn)位的N2O排放情況，而模型本身除了點(diǎn)位模擬還可以進(jìn)行區(qū)域模擬，因此可以收集多地的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行大范圍區(qū)域性模擬研究，為旱地農(nóng)田種植提供適用且更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓芾碛?jì)劃。

（5）在雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，除了水分這一關(guān)鍵因素外，合理的播期對(duì)于作物穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)也十分關(guān)鍵。因此可以利用模型進(jìn)一步探究不同溫度情況下馬鈴薯田增產(chǎn)減排潛力。