夏文建，周 衛(wèi)，梁國(guó)慶，王秀斌，孫靜文，李雙來，劉光榮

(1中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京100081;2江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與資源環(huán)境研究所，南昌330200;3湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植保土肥所，武漢430064)

氮素是作物生長(zhǎng)需求最多的營(yíng)養(yǎng)元素之一，也是我國(guó)土壤的主要養(yǎng)分限制因子［1］。隨著人口增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)糧食的需求，我國(guó)氮肥投入量逐年增加，2009年農(nóng)業(yè)純氮消費(fèi)量高達(dá)2329.9萬噸［2］。大量的氮肥投入對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)造成了沖擊，水、土壤、大氣等環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)日益嚴(yán)峻。魯如坤［3］分析我國(guó)南方6省農(nóng)田養(yǎng)分平衡認(rèn)為，氮素處于盈余過量且有繼續(xù)增大的趨向。華北平原小麥季農(nóng)民習(xí)慣施氮量高達(dá) N 369 kg/hm2，而最優(yōu)施氮量只有 N 128 kg/hm2［4］。Sun 等［5］計(jì)算我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系氮素表觀平衡，結(jié)果顯示耕地氮盈余量高達(dá)N 142.8～168.6 kg/hm2。單純依靠化肥難以保障我國(guó)糧食的安全［6］，反而由于氮肥的大量施用帶來了巨大的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)［7］。因此定量研究農(nóng)田中的氮素平衡，準(zhǔn)確估算作物吸收、土壤殘留、氨揮發(fā)、硝化反硝化、氮淋溶等輸出途徑，對(duì)于提高氮肥利用率及有針對(duì)性的采取相應(yīng)措施降低氮素向水體和大氣中的排放具有重要的意義。

我國(guó)不同地區(qū)已有較多關(guān)于農(nóng)田氮素循環(huán)方面的研究，如長(zhǎng)江三角洲［7－8］、華北平原［4］、西南地區(qū)［9］等，區(qū)域上氮平衡研究已有國(guó)家層面等大尺度下的估算與模擬［5，10－13］。然而不同研究者所獲得的結(jié)論差異非常大。方玉東［10］采用GIS技術(shù)計(jì)算我國(guó)農(nóng)田氮盈余為265萬噸;陳敏鵬［11］計(jì)算農(nóng)田表觀氮盈余為640萬噸;而王激清［12］的計(jì)算結(jié)果為1301.2萬噸;劉忠等［13］采用養(yǎng)分平衡決策支持系統(tǒng)估算從1978年到2005年氮盈余量從1054.7萬噸一直上升到2867.1萬噸。不同研究者估算農(nóng)田系統(tǒng)氮的輸出總量均采用表觀農(nóng)田養(yǎng)分收支平衡模型，由于很多參數(shù)獲取困難，大多采用前人研究的平均值［12－15］，從而導(dǎo)致估算結(jié)果迥異。生態(tài)系統(tǒng)地球化學(xué)模型 Denitrification-DecompositionModel(DNDC)為農(nóng)田氮素循環(huán)評(píng)估提供了新的思路，已在不同的土壤環(huán)境、農(nóng)業(yè)管理措施和氣候條件下溫室氣體排放的模擬預(yù)算上接受過檢驗(yàn)［16－17］，并已用于國(guó)家尺度有機(jī)碳庫［18］和氮平衡［19］的總量評(píng)價(jià)。DNDC模型是對(duì)土壤碳、氮循環(huán)過程進(jìn)行全面描述的機(jī)理模型［20］，但其驗(yàn)證研究主要在N2O排放上，氮素循環(huán)相關(guān)驗(yàn)證報(bào)道較少，在長(zhǎng)江中下游江漢平原稻麥輪作體系的應(yīng)用更鮮見報(bào)道。

本研究以在湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院進(jìn)行的稻麥輪作體系的氮肥施用田間試驗(yàn)為基礎(chǔ)［21－22］，采用 DNDC模型研究了稻麥輪作體系氮素循環(huán)與平衡特征，探討了氣候條件、土壤屬性、農(nóng)業(yè)管理等輸入因素的不確定性對(duì)子粒產(chǎn)量、作物氮吸收、氨揮發(fā)、N2O排放等預(yù)測(cè)結(jié)果的影響，研究結(jié)果為進(jìn)一步采用模型技術(shù)進(jìn)行區(qū)域養(yǎng)分平衡估測(cè)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2007年10月至2008年10月設(shè)置在湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院南湖實(shí)驗(yàn)站(經(jīng)度114°03'，緯度30°35')，該地區(qū)位于長(zhǎng)江中下游平原，屬于典型的亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。年平均日照時(shí)數(shù)為2079.5 h，日平均氣溫≥10℃的總積溫為5189.4℃，年降水量1300 mm左右，年蒸發(fā)量1500 mm，無霜期230～300 d。土壤類型為黃棕壤發(fā)育的水稻土。主要糧食作物種植方式為小麥－水稻輪作。根據(jù)實(shí)地調(diào)查當(dāng)?shù)亓?xí)慣施氮量布置試驗(yàn)，作為當(dāng)?shù)鼗鶞?zhǔn)管理方案。小麥季施氮量N 225 kg/hm2，11月1日施基肥，3月27日追肥，基肥和追肥分別為50%;水稻季施氮量為N 210 kg/hm2，6月11日施基肥，7月23日追肥，基肥和追肥分別為50%。氮肥品種為尿素。另外設(shè)置推薦施氮方案，具體推薦方法見前篇論文描述［21－22］，小麥季與水稻季氮肥用量分別為 N 157.5 kg/hm2和147 kg/hm2，其他措施與基準(zhǔn)方案相同，用于對(duì)DNDC模型在較低施氮水平下模擬驗(yàn)證。試驗(yàn)地詳情及詳細(xì)設(shè)計(jì)見參考文獻(xiàn)［21－22］。

1.2 DNDC模型及輸入?yún)?shù)

DNDC(Denitrification-Decomposition Model)模型(http：//www．dndc．sr．unh．edu/)是美國(guó) New Hampshire大學(xué)發(fā)展起來的［20］，該模型是對(duì)土壤碳、氮循環(huán)過程進(jìn)行全面描述的機(jī)理模型，適用于點(diǎn)位和區(qū)域尺度的任何氣候帶的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，是目前國(guó)際上最廣泛運(yùn)用的生物地球化學(xué)模型之一［15－17］。模型由6個(gè)子模型構(gòu)成，分別模擬土壤氣候、農(nóng)作物生長(zhǎng)、有機(jī)質(zhì)分解、硝化、反硝化和發(fā)酵過程。模型從建立到發(fā)展已經(jīng)過大量而廣泛的試驗(yàn)驗(yàn)證，在跨越氣候帶及土地利用類型的情況下，DNDC不經(jīng)內(nèi)部參數(shù)調(diào)整，可以在數(shù)量和動(dòng)態(tài)方面比較接近地模擬多種碳、氮的庫量和流量［20，23－25］。

DNDC模型中所輸入的基本數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)地理信息、氣候信息、土壤性質(zhì)等，采用當(dāng)?shù)貙?shí)際調(diào)查情況。土地利用類型為水稻田，質(zhì)地為砂質(zhì)粘壤土，粘粒含量20.0%，容重1.34，土壤pH為6.3，土壤有機(jī)碳含量(SOC)為C 12 g/kg。氣象數(shù)據(jù)采用試驗(yàn)當(dāng)年逐日最高、最低氣溫和降水量，降水中氮濃度為1.6 mg/L。小麥季最佳產(chǎn)量為C 1800 kg/hm2，水稻季最佳產(chǎn)量C 3300 kg/hm2，秸稈還田率10%。每年耕作2次，小麥播種前(11月1日)耕地10 cm，水稻移栽前(6月11日)犁地20 cm。水稻季淹水兩次為6月11日至7月10日，7月17日至9月11日，長(zhǎng)期淹水10 cm;灌溉2次為6月11日和7月17日，灌溉水深10 cm。氮肥施用情況與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案一致。大氣NH3和CO2含量，土壤持水層深度，土壤有機(jī)碳庫及腐殖質(zhì)腐解系數(shù)等采用模型默認(rèn)值。

1.3 DNDC模型的靈敏度分析

模型對(duì)參數(shù)的敏感性反映了模型對(duì)于每一個(gè)輸入?yún)?shù)變化的輸出響應(yīng)強(qiáng)弱。高敏感性參數(shù)的微小變化會(huì)造成模擬結(jié)果的較大變化，而低敏感性參數(shù)的變化則對(duì)輸出結(jié)果影響不大。因此，模型中的高敏感性輸入?yún)?shù)在模擬時(shí)是需要仔細(xì)考慮的。敏感性指數(shù)(Sensitivity index，S)能判斷這些因素對(duì)模型輸出結(jié)果的影響程度，從而識(shí)別出對(duì)模型結(jié)果影響較為敏感的參數(shù)，作為模型參數(shù)調(diào)試與優(yōu)化的對(duì)象，以便最大限度地降低高敏感性參數(shù)的誤差，有效縮小將來模型估計(jì)的不確定性范圍［26－27］。敏感性指數(shù)計(jì)算公式［26］如下：

式中：S是相對(duì)敏感性指數(shù);I1、I2分別為輸入?yún)?shù)的最小值和最大值;Iavg是I1和I2的平均值;O1、O2分別對(duì)應(yīng)于I1和I2模型的輸出值;Oavg是O1和O2的平均值。S值為1時(shí)表示當(dāng)輸入值相對(duì)均值改變一定比例時(shí)，模擬值也對(duì)應(yīng)均值變化相同的比例。S為負(fù)值時(shí)表示模擬值與輸入?yún)?shù)為負(fù)相關(guān)。S絕對(duì)值越大，表示輸入?yún)?shù)對(duì)于模擬值的影響越大。由于S值無量綱，因此可用于不同參數(shù)之間的敏感性比較。

本研究中主要考慮氣象因素(氣溫、降水量)、土壤條件(土壤粘粒含量、pH、SOC等)和農(nóng)藝管理措施等輸入?yún)?shù)對(duì)作物產(chǎn)量、作物吸氮量、氨揮發(fā)和N2O排放的影響。基礎(chǔ)的情景(本底值)根據(jù)實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)農(nóng)業(yè)管理方式和當(dāng)?shù)氐臍夂蚣巴寥拉h(huán)境建立，而替代性情景(測(cè)試值)的輸入?yún)?shù)是在基礎(chǔ)情景的其他參數(shù)不變的情況下，分別改變這幾種主要參數(shù)或改變管理措施(表1)，輸入模型進(jìn)行模擬。通過比較模擬結(jié)果，從而獲得作物產(chǎn)量、作物吸氮量、氨揮發(fā)和N2O排放量對(duì)各輸入?yún)?shù)的響應(yīng)方式和響應(yīng)強(qiáng)弱。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003和SPSS13.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

表1 模型敏感度分析參數(shù)的本底值和替代值Table 1 The baseline and alternative scenarios for sensitivity analysis

2 結(jié)果與分析

2.1 模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值的對(duì)比分析

小麥生育期間，小麥苗期日平均氣溫為10.7℃(圖1a)，期間總降水量為55.7 mm，基準(zhǔn)施氮和推薦施氮氨揮發(fā)通量峰值分別為N 0.39 kg/(hm2·d)和0.24 kg/(hm2·d)(圖2)，N2O通量峰值分別為N 0.11 kg/(hm2·d)和 0.09 kg/(hm2·d)(圖 3)，DNDC模擬氨揮發(fā)通量峰值分別為N 1.39 kg/(hm2·d)和0.24 kg/(hm2·d)，N2O 通量峰值分別為 N 0.02 kg/(hm2·d)和0.008 kg/(hm2·d);越冬期平均氣溫為4.23℃，期間總降水量為110.6 mm，氨揮發(fā)和N2O排放通量都很低接近0，無明顯排放峰;分蘗后期至收獲，日平均氣溫在18.9℃，期間降水豐富，總降水量為358.1 mm，基準(zhǔn)方案與推薦施氮氨揮發(fā)通量峰值分別為N 1.48 kg/(hm2·d)和1.24 kg/(hm2·d)，N2O通量峰值分別為N 0.11 kg/(hm2·d)和0.10 kg/(hm2·d)，DNDC 模擬結(jié)果為氨揮發(fā) N 0.79 kg/(hm2·d)和 0.18 kg/(hm2·d)，N2O 通量為 N 0.52 kg/(hm2·d)和0.14 kg/(hm2·d)(圖2、圖3)。水稻生育期間，移栽至分蘗前期日平均氣溫為28.1℃(圖1b)，期間降水豐富，總量為285 mm，基準(zhǔn)方案與推薦施氮氨揮發(fā)通量峰值分別為N 2.98 kg/(hm2·d)和2.26 kg/(hm2·d)，N2O通量峰值分別為 N 0.15 kg/(hm2·d)和0.11 kg/(hm2·d)，DNDC 模擬氨揮發(fā)峰值分別為 N 1.32 kg/(hm2·d)和 0.24 kg/(hm2·d)，N2O 通量分別為 N 0.12 kg/(hm2·d)和0.02 kg/(hm2·d)(圖4、圖5);分蘗盛期至孕穗期，日平均氣溫為29.9℃，總量為62.1 mm，基準(zhǔn)方案與推薦施氮氨揮發(fā)通量峰值分別為N 8.3 kg/(hm2·d)和5.7 kg/(hm2·d)，N2O 通量峰值分別為 N 0.18 kg/(hm2·d) 和 0.13 kg/(hm2·d)，DNDC模擬氨揮發(fā)通量分別為N 13.1 kg/(hm2·d)和2.42 kg/(hm2·d)，N2O通量分別為 N 0.43 kg/(hm2·d)和0.15 kg/(hm2·d)(圖4、圖5);孕穗至成熟收獲期日平均氣溫為25.1℃，總降水量為316.1 mm，基準(zhǔn)方案與推薦施氮氨揮發(fā)通量峰值分別為 N 1.14 kg/(hm2·d)和 1.07 kg/(hm2·d)，N2O通量峰值均為 N 0.02 kg/(hm2·d)，DNDC模擬氨揮發(fā)分別為0.01kg/(hm2·d)和0，N2O通量為N 0.12kg/(hm2·d)和0(圖4、圖 5)。

圖1 作物生育期逐日氣溫及降水量Fig．1 Change in precipitation and daily temperature during crop growing season

可見，DNDC模型對(duì)稻麥輪作體系下氨揮發(fā)和N2O排放的模擬，能很好捕捉到排放峰，并在排放通量數(shù)值上與實(shí)測(cè)結(jié)果接近。不同季節(jié)條件和施氮方案下模擬結(jié)果與測(cè)試結(jié)果比較顯示：小麥季氣溫在0℃左右時(shí)氨揮發(fā)和N2O排放通量接近0，在低溫(10℃左右)少雨的冬前，基準(zhǔn)方案氨揮發(fā)模擬結(jié)果偏高，而溫度較高降雨豐富的時(shí)節(jié)，基準(zhǔn)方案模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)比較接近，而推薦施氮模擬結(jié)果偏低;N2O排放通量在小麥季冬前模擬值偏低，在小麥生長(zhǎng)后期由于作物生長(zhǎng)成熟，為減少N2O測(cè)試對(duì)產(chǎn)量的影響，故沒有測(cè)定N2O排放，而模擬結(jié)果顯示該階段卻是N2O排放不能忽略的時(shí)期，這和該時(shí)期溫度升高，降水豐富有密切關(guān)系。DNDC模擬結(jié)果能較好地捕捉到水稻季氨揮發(fā)和N2O排放峰，模擬值與實(shí)測(cè)值也較為接近。氨揮發(fā)模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)相比，習(xí)慣施氮處理在整個(gè)水稻生育期都比較接近，而推薦施氮模擬結(jié)果比實(shí)測(cè)結(jié)果偏低;N2O排放模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)相比，水稻曬田期間習(xí)慣施氮模擬和實(shí)測(cè)均有較明顯的脈沖排放，而推薦施氮模擬結(jié)果該現(xiàn)象不明顯。DNDC模型對(duì)氨揮發(fā)與N2O排放通量的模擬，氮肥用量較高的基準(zhǔn)方案要優(yōu)于氮肥用量較低的推薦施氮。

2.2 模型擬合度分析

DNDC模擬結(jié)果與觀測(cè)值的對(duì)比可看出，在高量施氮條件下氨揮發(fā)模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值比較接近，高溫時(shí)節(jié)低量施氮條件下可能存在模擬值偏低;而N2O排放通量DNDC模擬結(jié)果在稻麥輪作中高溫和降水豐富的時(shí)期比較接近，而低溫時(shí)的小麥冬前存在模擬值偏低的現(xiàn)象。為進(jìn)一步評(píng)估模擬結(jié)果對(duì)整個(gè)輪作體系中氨揮發(fā)和N2O排放擬合效果，對(duì)其進(jìn)行相關(guān)性比較。分析中去除模擬結(jié)果中的奇異點(diǎn)(模擬值與實(shí)測(cè)值比值＞20或小于0.1的點(diǎn))，氨揮發(fā)模擬中選用72個(gè)點(diǎn)(圖6 a)，N2O排放中選用68個(gè)點(diǎn)(圖6 b)。結(jié)果表明，在整個(gè)稻麥輪作系統(tǒng)，總施氮量為N 304.5～435 kg/(hm2·yr)時(shí)，氨揮發(fā)通量模擬值與實(shí)測(cè)值的線性擬合方程為y=0.262x+0.135，相關(guān)系數(shù)0.688，N2O排放通量模擬值與實(shí)測(cè)值擬合方程為 y=1.136x+0.026，相關(guān)系數(shù)0.528，均達(dá)極顯著水平。

2.3 模型敏感性分析

DNDC模擬子粒產(chǎn)量受氣溫、氮肥用量和氮肥管理措施影響較大，氣溫降低或減少氮肥用量會(huì)降低作物產(chǎn)量(表2)。作物吸氮量結(jié)果與子粒產(chǎn)量相似，減少氮肥用量會(huì)明顯降低作物吸氮量，但作物吸氮量是隨溫度升高而降低。同樣，優(yōu)化施氮產(chǎn)量與傳統(tǒng)施氮相近，氮吸收量有所降低。降水量以及降水中的氮含量等氣象因子，土壤容重、有機(jī)碳含量、pH值等土壤環(huán)境，以及耕層深度、秸稈還田率、氮肥種類等管理措施對(duì)稻麥輪作系統(tǒng)子粒產(chǎn)量和作物吸氮量影響不明顯。

土壤氨揮發(fā)主要受氮肥品種、氮肥用量和氮肥管理措施影響，其次是氣溫、土壤pH值、土壤有機(jī)質(zhì)含量，耕作深度和秸稈還田率也有較大影響(表2)。肥料品種中無水氨和碳銨的氨揮發(fā)損失最大，而硝酸鉀的損失最低。氨揮發(fā)損失量隨著施氮量的減少而降低，但施氮量在N 304.5 kg/hm2以下時(shí)，減少施氮量氨揮發(fā)損失量降低不明顯。在年均氣溫16.3～20.3℃范圍，隨著氣溫的升高，氨揮發(fā)損失量反而降低。土壤pH在5.8～7.8范圍，隨著pH升高氨揮發(fā)量損失增加。當(dāng)土壤有機(jī)碳在C 9.6～14.4 g/kg范圍時(shí)，土壤氨揮發(fā)損失隨著土壤有機(jī)碳

含量的增加而降低。隨著耕作深度由0增加到30cm，氨揮發(fā)損失從N 20.3 kg/hm2減少至N 12.9 kg/hm2。隨著秸稈還田率由0增加到100%，氨揮發(fā)損失由N 17.8 kg/hm2減少到N 10.9 kg/hm2。

表2 主要影響因子對(duì)稻麥輪作體系作物子粒產(chǎn)量和氮輸出的敏感性分析Table 2 Sensitivity of grain yield and nitrogen output to influencing factors for paddy rice-wheat rotation system

土壤N2O排放主要受溫度、秸稈還田率、土壤粘粒含量、土壤pH值、土壤有機(jī)碳含量及耕作深度的影響，其次受土壤容重、降水和氮肥用量和管理措施的影響(表 2)。年均氣溫由 16.3℃增加到20.3℃時(shí)，N2O排放量由N 21.4 kg/hm2增加到N 63.4 kg/hm2，增加了197%。秸稈還田率越高，N2O排放量越大，秸稈殘留從0增加到100%時(shí)，N2O排放量從N 30.2 kg/hm2增加到N 63.8 kg/hm2，增加了一倍以上。土壤pH在中性左右(6.8)時(shí)N2O排放量較大，偏堿性或偏酸性條件下土壤N2O排放量均下降。N2O排放量隨著土壤有機(jī)碳含量增加而增加。耕作0—20 cm時(shí)隨著耕作深度的增加N2O排放量增加，但耕作30 cm時(shí)N2O排放量發(fā)生下降。隨著土壤容重增加，N2O排放量增加。降水對(duì)N2O排放的影響比較復(fù)雜，較高的降水和較低的降水量N2O排放量均比基準(zhǔn)值高。肥料品種對(duì)其影響較小。增加氮肥用量會(huì)引起N2O排放增加，但減少氮肥用量N2O排放降低不明顯(表2)。敏感性指數(shù)(S值)表示當(dāng)輸入值相對(duì)均值改變一定比例時(shí)，模擬值也對(duì)應(yīng)均值變化相應(yīng)的比例，表示輸入?yún)?shù)對(duì)于模擬值的影響的大小，可用于不同參數(shù)之間的敏感性比較。敏感性指數(shù)計(jì)算結(jié)果(表3)可以看出，主要輸入?yún)?shù)對(duì)于作物產(chǎn)量和作物吸氮量的敏感性均較低，僅施氮量相對(duì)較高為0.21和0.30，其次是溫度為0.17和 －0.14;溫度和施氮量對(duì)于氨揮發(fā)結(jié)果的敏感性指數(shù)很高，分別為－1.87和1.06，其次是土壤容重、土壤SOC和pH值，分別為－0.55、－0.38和0.32;溫度對(duì)于N2O排放敏感性指數(shù)很高，達(dá)2.27，其次是土壤pH值、土壤容重和土壤有機(jī)碳含量，分別為 －0.59、0.45、0.42。土壤容重和施氮量對(duì)于硝態(tài)氮淋失敏感性指數(shù)較高為0.52和0.44，其次是降水和溫度，分別為0.37和－0.36;溫度、降水和施氮量對(duì)于氮徑流損失的敏感指數(shù)很高，分別達(dá)－2.62、1.43和1.10，其次是土壤容重，敏感指數(shù)為－0.37。

表3 稻麥輪作體系作物產(chǎn)量和氮輸出的敏感性指數(shù)Table 3 Sensitivity indices(S)of grain yield and nitrogen output for paddy rice-wheat rotation system

3 討論

3.1 稻麥輪作體系氨揮發(fā)與N2O排放特征

長(zhǎng)江中下游地區(qū)稻麥輪作體系氨揮發(fā)與N2O排放存在明顯的季節(jié)規(guī)律。小麥季氨揮發(fā)和N2O排放主要發(fā)生在溫度較高的拔節(jié)期，其次是基肥施用后的一段時(shí)間(圖2、圖3)。氨揮發(fā)主要集中在施肥后一周左右，低溫時(shí)氨揮發(fā)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。在小麥越冬期間氣溫0℃左右時(shí)，氨揮發(fā)和N2O排放通量均很低，接近0。可見，小麥季氨揮發(fā)和N2O排放通量主要受溫度影響，其次是降水。與Tian［28］等在太湖區(qū)冬小麥上的研究結(jié)論一致。水稻季氨揮發(fā)通量明顯較小麥季高(圖2、圖4)，在氮肥施用后氨揮發(fā)強(qiáng)度大，持續(xù)時(shí)間較小麥季短，但總損失量較大。水稻季N2O排放主要集中在非淹水階段(圖5)，中期烤田是N2O排放的關(guān)鍵時(shí)期［29］?？梢?，田間水分環(huán)境和較高溫度是水稻季氨揮發(fā)損失大的主要原因，而曬田時(shí)的水熱環(huán)境變化是引起N2O排放的主要因素。

3.2 DNDC模型的敏感性分析

DNDC模型不同的輸出結(jié)果對(duì)于各輸入?yún)?shù)的敏感性不同。氣溫和氮肥用量是影響作物產(chǎn)量和吸氮量的關(guān)鍵因素(表2、表3)，氣溫降低或減少氮肥用量會(huì)降低作物產(chǎn)量(表2)。減少氮肥用量會(huì)明顯降低作物吸氮量，但作物吸氮量隨溫度升高卻降低(表2)，其原因可能與作物的光合效率有關(guān)，高溫提高了氮素的農(nóng)學(xué)效率。降水量以及降水中的氮含量等氣象因子，土壤容重、有機(jī)碳含量、pH值等土壤環(huán)境，以及耕層深度、秸稈還田率、氮肥種類等管理措施對(duì)作物產(chǎn)量和吸氮量影響較小，敏感性指數(shù)較低(均小于0.1)。

土壤氨揮發(fā)主要受氮肥品種影響，施銨態(tài)氮肥氨揮發(fā)損失遠(yuǎn)高于硝態(tài)氮肥(表2);其次是氮肥用量，氨揮發(fā)損失量隨著施氮量的減少而降低，隨土壤有機(jī)碳含量的增加而降低;隨著pH升高氨揮發(fā)損失增加;隨溫度升高氨揮發(fā)反而降低，其原因還有待進(jìn)一步的調(diào)查研究。氨揮發(fā)隨著耕作深度增加而減少，可能是耕作使土壤疏松，有利于肥料在土壤中的吸附保存。土壤氨揮發(fā)敏感性指數(shù)(絕對(duì)值)的大小依次為溫度＞氮肥用量＞容重＞土壤有機(jī)碳＞pH＞粘粒含量;其他因素如降水、秸稈還田率、耕作深度等敏感性指數(shù)較低(低于0.2)。隨著秸稈還田率增加，氨揮發(fā)損失量降低，可能與秸稈腐解過程中微生物對(duì)銨態(tài)氮的利用有關(guān)。Jansson等［30］研究麥秸分解時(shí)發(fā)現(xiàn)，微生物對(duì)銨態(tài)氮的吸收量要大于硝態(tài)氮，由于微生物對(duì)銨態(tài)氮的生物固定，減少了土壤中銨態(tài)氮濃度，從而降低了氨揮發(fā)損失。

隨著溫度升高，土壤硝化和反硝化作用增強(qiáng)，N2O排放量急劇增加(表2)。秸稈還田率越高，N2O排放量越大，秸稈殘留從0增加到100%時(shí)，N2O排放量從 N 30.2 kg/hm2增加到 N 63.8 kg/hm2，增加了一倍以上，因此在采取秸稈還田措施時(shí)應(yīng)該考慮到增加N2O排放的風(fēng)險(xiǎn)。增加氮肥用量會(huì)引起N2O排放增加，但減少氮肥用量N2O排放降低不明顯。對(duì)土壤N2O排放敏感性指數(shù)(絕對(duì)值)的大小依次為溫度＞pH＞容重＞土壤有機(jī)碳＞粘粒含量;降水、施氮量、秸稈還田率及耕作深度等敏感性指數(shù)較低(低于0.2)。

由敏感性指數(shù)可看出，作物產(chǎn)量和作物吸氮量、氨揮發(fā)、N2O排放、氮淋失和徑流等氮輸出結(jié)果對(duì)于輸入?yún)?shù)的敏感性不同。氣溫和氮肥用量是影響作物產(chǎn)量和氮輸出結(jié)果的關(guān)鍵因素，其次是土壤容重，它們?cè)诘敵龅母黜?xiàng)指標(biāo)中均有較高的敏感指數(shù);對(duì)于氨揮發(fā)和N2O排放來說還需要關(guān)注土壤有機(jī)碳含量和土壤pH值;對(duì)于氮素淋溶和徑流損失的模擬來說降水量數(shù)據(jù)的影響較大。本文所用方法的敏感性分析屬于局部參數(shù)敏感性分析［27］，局部敏感性指數(shù)的絕對(duì)值可用于比較輸入?yún)?shù)的相對(duì)重要性［26－27］。其采用的模型參數(shù)環(huán)境(如本例中的模型輸入?yún)?shù)和本底值，見表1)會(huì)影響各參數(shù)的敏感性指數(shù)大小和相對(duì)重要性的排列順序，在不同參數(shù)環(huán)境下敏感性存在巨大的差異［27］，因此在采用不同的基準(zhǔn)參數(shù)時(shí)所得的結(jié)論不盡相同，比如Gou［31］在研究分析太湖地區(qū)稻麥輪作農(nóng)田土壤中認(rèn)為，小麥春季生長(zhǎng)期N2O排放受肥料品種、用量和施用深度等影響顯著。通過硝酸鉀替代銨態(tài)氮肥、有機(jī)無機(jī)肥混用以及減少氮肥用量和深度能顯著減弱該階段的N2O排放。而Li［32］卻發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)碳是最重要的影響因子，并認(rèn)為增加土壤有機(jī)質(zhì)的措施會(huì)顯著增加N2O排放，但秸稈還田結(jié)果卻恰好相反?？梢娡寥赖仄胶馐且粋€(gè)比較復(fù)雜的過程，并不是簡(jiǎn)單地隨著單一因素的變化而線性改變。因此采用DNDC模型模擬不同生態(tài)環(huán)境中的氮素平衡之前，進(jìn)行檢驗(yàn)分析并通過大量的調(diào)查或試驗(yàn)使模型的輸入?yún)?shù)能代表該地區(qū)顯得尤為重要［33－34］。

3.3 DNDC模擬結(jié)果比較分析

DNDC模擬結(jié)果能較好捕捉到水稻季氨揮發(fā)和N2O排放峰，模擬值與實(shí)測(cè)值也較為接近。氨揮發(fā)模型擬合，在施氮量較高時(shí)模擬結(jié)果與測(cè)試結(jié)果吻合較好。小麥季施氮量為N 225 kg/hm2及水稻季施氮量為N 210 kg/hm2時(shí)，模擬的氨揮發(fā)峰值及模擬曲線形狀與測(cè)試結(jié)果接近，而施氮量較低時(shí)，模擬結(jié)果相對(duì)測(cè)試結(jié)果偏高(圖2、圖4)。N2O排放的模型擬合，總體上能較好地捕捉到N2O排放峰，估計(jì)N2O排放量。水稻曬田期間習(xí)慣施氮模擬和實(shí)測(cè)均有較明顯的脈沖式排放，而推薦施氮模擬結(jié)果不明顯(圖3、圖5)?？梢娫诘视昧枯^高時(shí)，DNDC在模擬氨揮發(fā)與N2O排放通量上與觀測(cè)結(jié)果更為吻合。Abdalla［35］在草地生態(tài)系統(tǒng)中研究顯示，在氮肥施用量較高時(shí)(大于N 140kg/hm2)，DNDC模型對(duì)N2O排放通量的模擬要優(yōu)于不施氮和低量施氮的處理(N0～70 kg/hm2)，與我們?cè)诘钧溳喿髦械难芯拷Y(jié)果一致。在整個(gè)稻麥輪作系統(tǒng)中，總施氮量為N 304.5～435 kg/(hm2·yr)時(shí)，氨揮發(fā)通量模擬值與實(shí)測(cè)值線性相關(guān)系數(shù)為0.688，N2O排放通量相關(guān)系數(shù)為0.528，均達(dá)極顯著水平。

在整個(gè)稻麥輪作體系中，在氮肥用量較高時(shí)氨揮發(fā)和N2O排放的DNDC模擬結(jié)果與觀測(cè)值比較接近，而氮肥用量較低時(shí)模擬和觀測(cè)結(jié)果之間偏差增加。由于DNDC模型是在美國(guó)等國(guó)家或地區(qū)旱地土壤上驗(yàn)證發(fā)展起來的［36］，在運(yùn)用前需要根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r進(jìn)一步校正［37－38］。模型對(duì)于氨揮發(fā)的模擬，在小麥苗期高量氮(N 225 kg/hm2)處理模擬值明顯較高，而后期特別是低量氮(N 157.5 kg/hm2)處理明顯較低，可能是模型對(duì)于氮肥深施和表施時(shí)氮素在土壤中的物理化學(xué)和生物化學(xué)過程的差異性沒有體現(xiàn)。水稻季低量氮(N 147 kg/hm2)氨揮發(fā)模擬結(jié)果較低，可能與模型建立初期是在較高肥力農(nóng)田上校正的有關(guān)［36］，表明模型對(duì)于低肥力土壤或施氮量較低時(shí)需要進(jìn)一步校正模型內(nèi)部參數(shù)。對(duì)于N2O排放的模擬，小麥苗期N2O排放通量模擬結(jié)果比觀測(cè)值低，而后期(120 d后)模擬結(jié)果偏高，可能是施肥方式的差異引起的，模型過高估計(jì)了基肥深施減少N2O排放的作用，同時(shí)高估了追肥時(shí)期N2O的排放。水稻季后期(大約30 d后)模擬值顯著高于觀測(cè)值，模型可能過高估計(jì)了曬田及水稻田干濕交替時(shí)期N2O的排放。總體上看模型對(duì)于農(nóng)業(yè)管理措施如氮肥施用方式、水稻田中期曬田等措施對(duì)氨揮發(fā)和N2O排放的影響反映不夠，同時(shí)對(duì)于低量氮處理模擬結(jié)果存在一定差異。由于氮素氨揮發(fā)和N2O排放受到土壤理化性質(zhì)、土壤微生物活動(dòng)、水文氣候環(huán)境以及作物生長(zhǎng)發(fā)育過程和農(nóng)藝管理措施等多方面因素的影響［28－29，33，35－40］，導(dǎo)致輸入?yún)?shù)的不確定性因素很多，觀測(cè)結(jié)果與DNDC模型模擬氮素結(jié)果間差異在所難免，因此需要進(jìn)一步采集更詳細(xì)的關(guān)于土壤、氣象和農(nóng)業(yè)管理等方面的資料對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行調(diào)整［33，38－40］。

4 結(jié)論

1)長(zhǎng)江中下游地區(qū)稻麥輪作體系氨揮發(fā)與N2O排放主要受溫度和田間水熱條件的影響，其次是施肥等田間管理措施，并存在明顯的季節(jié)性變化。小麥越冬期間氨揮發(fā)和N2O排放通量很低;水稻季氨揮發(fā)具有通量大時(shí)間短的特點(diǎn)，N2O排放則集中在烤田時(shí)期。

2)敏感性分析結(jié)果顯示，氣溫和氮肥用量是影響作物產(chǎn)量和吸氮量的關(guān)鍵因素;土壤氨揮發(fā)主要受氮肥品種影響，其次是氮肥用量，對(duì)土壤氨揮發(fā)敏感性指數(shù)(絕對(duì)值)的大小依次是溫度＞氮肥用量＞容重＞土壤有機(jī)碳＞pH＞粘粒含量;N2O排放量隨著溫度升高和秸稈還田率增加而增加，增加氮肥用量會(huì)引起N2O排放增加，但減少氮肥用量N2O排放降低不明顯。對(duì)土壤N2O排放敏感性指數(shù)(絕對(duì)值)的大小依次是溫度＞pH＞容重＞土壤有機(jī)碳＞粘粒含量。

3)DNDC模擬結(jié)果能較好地捕捉到氨揮發(fā)和N2O排放高峰，氨揮發(fā)通量模擬值與實(shí)測(cè)值線性相關(guān)系數(shù)為0.688，N2O排放通量相關(guān)系數(shù)為0.528，均達(dá)極顯著水平。為使模擬結(jié)果更好地描述氨揮發(fā)和N2O排放，需要進(jìn)一步采集更詳細(xì)的關(guān)于土壤、氣象和農(nóng)業(yè)管理等方面的資料對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

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