吳晉波，張吳平，賈若男

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西 太谷 030801）

經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)帶來大量溫室氣體的排放和污染等問題。我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展自21 世紀(jì)以來有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但是化肥使用量的增加，使得農(nóng)業(yè)環(huán)境方面有沉重的負(fù)擔(dān)[1]，氣候變化專門委員會(huì)的第五次報(bào)告指出，溫度逐年呈上升趨勢(shì)[2]。近100 a 以來，溫室氣體排放的主要原因是人類活動(dòng)，而其中農(nóng)業(yè)溫室氣體排放占全球溫室氣體排放總量的20%～35%[3]。在我國(guó)，農(nóng)業(yè)排放的研究主要集中在CO2，N2O排放方面，有關(guān)統(tǒng)計(jì)表明，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)排放的N2O 占人類活動(dòng)排放總量的84%[4]。而研究使用的數(shù)據(jù)多是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)種植數(shù)據(jù)，或者是采用點(diǎn)位的實(shí)際測(cè)量，但是這種試驗(yàn)的方法持續(xù)周期長(zhǎng)，研究進(jìn)展相對(duì)比較慢，并且在一定程度上，僅僅依靠少部分的抽樣調(diào)查并不能體現(xiàn)作物生長(zhǎng)期內(nèi)的排放趨勢(shì)[5]。

DNDC 模型能夠根據(jù)一系列數(shù)據(jù)的輸入來模擬作物“從出生到死亡”整個(gè)過程的碳氮排放。DNDC模型應(yīng)用廣泛[6-8]，田展等[9]利用DNDC 模型模擬我國(guó)水稻田溫室氣體排放，結(jié)果表明，溫度升高會(huì)促進(jìn)CH4排放，降雨量增加會(huì)促進(jìn)N2O 排放，氣候變化影響了水稻溫室氣體的排放機(jī)制。王立剛等[10]利用DNDC 模型研究指出，實(shí)行秸稈還田或增加作物生物產(chǎn)量還田及免耕等措施可有效持續(xù)地增加SOC 含量，提高土壤的可持續(xù)利用能力。

太谷縣以農(nóng)業(yè)為主，玉米種植占農(nóng)作物的比例很大，2016年，太谷縣玉米種植面積達(dá)到20 570 hm2，占總種植面積的78.96%。因此，研究太谷縣玉米種植的環(huán)境排放具有重要意義[11]。

本研究以山西省太谷縣為試驗(yàn)點(diǎn)，以玉米種植為研究對(duì)象，應(yīng)用DNDC 模型模擬玉米種植整年的土壤溫室氣體排放及玉米在不同施肥量下的碳氮排放[12]，通過對(duì)比模擬結(jié)果中的土壤表層溫度與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，校正DNDC 模型參數(shù)，最終調(diào)整到模擬值與實(shí)測(cè)值擬合，以評(píng)估玉米排放量對(duì)環(huán)境的影響規(guī)律，旨在為區(qū)域研究溫室氣體排放提出合理的建議。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

太谷縣位于山西省晉中盆地東北部，地理坐標(biāo)為 112°28′～ 113°01′E，37°12′～37°03′N，東北與榆次市相依，東南與榆社縣交界，西南與祁縣毗鄰，西北與清徐縣接壤。東西長(zhǎng)50 km，南北長(zhǎng)39 km，總面積1 033.6 km2。太谷縣氣候適宜、平原廣闊，因此，農(nóng)業(yè)種植較為廣泛[13]。

1.2 DNDC模型

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)過程的計(jì)算機(jī)模擬模型，即反硝化 - 分解作用 （Denitrification-Decomposition）[14]。DNDC 模型的模擬分為點(diǎn)位模擬和區(qū)域模擬，本研究使用點(diǎn)位模擬，它所需要的數(shù)據(jù)包括氣象信息、土壤信息、農(nóng)田管理信息。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在太谷縣建立玉米種植農(nóng)田試驗(yàn)區(qū)，不定期記錄土壤表層溫度和土壤含水量等數(shù)據(jù)（土壤含水量利用中子儀測(cè)量）。對(duì)用DNDC 模型模擬的土壤含水量、地表溫度數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬驗(yàn)證，得到參數(shù)本地化的DNDC。通過驗(yàn)證后的模型模擬得出2016年調(diào)查施肥量下土壤C，N 排放的變化以及不同施肥水平下的環(huán)境排放，以期為減少農(nóng)業(yè)種植環(huán)境排放提出合理建議。

1.4 數(shù)據(jù)來源及處理

1.4.1 氣象數(shù)據(jù) 通過中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)收集2016年的氣象數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)包括日均降水量、日最高氣溫、日最低氣溫、平均風(fēng)速、地面濕度5 個(gè)方面。在模型中輸入所有必要條件并且模擬在不同施肥量條件下的作物生長(zhǎng)。

1.4.2 土壤數(shù)據(jù) 土壤數(shù)據(jù)主要來自于實(shí)地測(cè)量，具體如表1所示。

1.4.3 農(nóng)田管理數(shù)據(jù) 農(nóng)田管理數(shù)據(jù)是通過實(shí)地問卷調(diào)查的方式收集，具體包括播種與收獲日期、耕作方式、施肥種類及施肥方式、產(chǎn)量、收入等。根據(jù)問卷調(diào)查結(jié)果，玉米的播種日期在每年的5月上旬，收獲日期在9月下旬。在本試驗(yàn)中，設(shè)置播種日期和收獲日期分別是5月5日和9月26日。采用農(nóng)戶常用的施肥量與施肥方式，肥料為玉米專用復(fù)合肥，在播種前一次性施入，施肥量為1 050 kg/hm2。把收集到的氣象數(shù)據(jù)、實(shí)測(cè)的土壤數(shù)據(jù)以及農(nóng)田管理數(shù)據(jù)輸入DNDC 模型，得出在當(dāng)?shù)胤N植習(xí)慣下玉米種植的環(huán)境排放。

表1 太谷縣土壤剖面數(shù)據(jù)

1.5 模擬不同施肥條件下的環(huán)境排放

為了研究不同施肥水平下玉米種植的環(huán)境排放，本研究以正常施肥量（1 050 kg/hm2）為對(duì)照，設(shè)置了5 個(gè)施肥水平（表2），應(yīng)用DNDC 模型模擬得出不同施肥條件下的環(huán)境排放。

表2 試驗(yàn)施肥水平 kg/hm2

1.6 模型驗(yàn)證

通過模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值驗(yàn)證能夠調(diào)整模型參數(shù)，實(shí)現(xiàn)DNDC 模型的參數(shù)本地化，使模型能夠適用于本地區(qū)的模擬。本研究的驗(yàn)證方式是采用相關(guān)系數(shù)R2的線性回歸模型的擬合度進(jìn)行計(jì)算。

1.7 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用Excel 2010 軟件進(jìn)行表格繪制和擬合驗(yàn)證處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型模擬結(jié)果驗(yàn)證

2.1.1 土壤水分變化與DNDC 模型模擬結(jié)果對(duì)比分析 通過對(duì)2016年試驗(yàn)地的土壤含水量實(shí)測(cè)值與DNDC 模型模擬結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)，DNDC 模型能較好模擬田間作物生長(zhǎng)過程中土壤水分的變化，模擬值與實(shí)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)R2為0.85。作物生長(zhǎng)初期，正值太谷縣春季，該地區(qū)降雨少，大風(fēng)天氣較多，作物需水量少，所以土壤含水量較少；夏季降水增多，作物生長(zhǎng)旺盛，植株葉片變大，在一定程度上遮蓋了土壤的蒸發(fā)量，土壤含水量緩慢上升；生長(zhǎng)后期作物的需水量上升，再加之秋季降水減少，土壤水分又有下降的趨勢(shì)。DNDC 模型能夠模擬土壤水分變化的過程，在DNDC 模型模擬結(jié)果中有土壤含水量的詳細(xì)變化過程，包括每天的含水量大小等。

2.1.2 土壤地表溫度和DNDC 模擬結(jié)果對(duì)比分析由于太陽輻射周期性日變化和年變化的影響，土壤溫度也有相應(yīng)的變化。由DNDC 模型模擬的土壤溫度和實(shí)際采集溫度對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，模型能夠較好地模擬作物周期內(nèi)的土壤表層溫度變化（R2＝0.925 5）（圖1），土壤的溫度隨著大氣溫度變化而變化。當(dāng)夏季來臨時(shí)，太陽輻射增高，大氣溫度升高，土壤溫度也升高；隨著秋季的到來，太陽輻射逐漸降低，大氣溫度也降低，土壤溫度也隨之降低。以模擬產(chǎn)量與實(shí)地調(diào)查的產(chǎn)量作對(duì)比，二者能夠較好地?cái)M合，因此，證明DNDC 模型實(shí)現(xiàn)了參數(shù)本地化。

2.2 模型模擬太谷縣玉米種植年份土壤碳排放變化

溫室氣體的作用是使地球表面變得更暖。DNDC 模擬了在玉米種植年份整年的土壤碳總排放量和每天的變化量。由圖2可知，土壤呼吸與玉米生長(zhǎng)有明顯的相關(guān)性，土壤呼吸體現(xiàn)了明顯的種植特征，在種植玉米前，土壤的碳排放趨近于0，種植玉米后，土壤碳排放隨著玉米的生長(zhǎng)逐漸上升；玉米生長(zhǎng)前期，玉米根系不發(fā)達(dá)，土壤呼吸量小；玉米生長(zhǎng)中期，土壤呼吸碳排放量逐漸平穩(wěn)，每10 d累積碳排放量達(dá)到18.92 kg/hm2，是耕作前碳排放量的14.67 倍；玉米收獲后，土壤碳排放逐漸升高，這是因?yàn)槭斋@后作物根莖葉等還田處理給土壤呼吸提供了大量的碳源，使呼吸量逐漸加大。

2.3 模型模擬太谷縣玉米種植年份土壤氮排放變化

溫室氣體中氮的排放占了很大一部分比例，DNDC 模擬結(jié)果表明，在作物期內(nèi)，土壤氮排放在不同的階段有不同的排放量，圖3是對(duì)2016年每10 d 累積土壤氮排放量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由圖3可知，土壤的氮排放與玉米生長(zhǎng)階段相關(guān)，在玉米生長(zhǎng)初期，根系較少，同時(shí)土壤溫度較低，抑制了氮的排放，所以排放量小；當(dāng)玉米生長(zhǎng)發(fā)育40 d 左右，一方面由于玉米對(duì)于氮的需求在增長(zhǎng)，另一方面是土壤中的氮向空氣中排放，使得氮排放上升；在玉米生長(zhǎng)后期，土壤中的氮供給了植物或者排放到了空氣中，此時(shí)土壤氮含量降低。在作物期內(nèi)10 d 累積氮排放量最高可達(dá)0.084 kg/hm2，非作物期10 d 累積氮排放量為0.002 kg/hm2，僅為作物期平均排放量的3%。因此，作物生長(zhǎng)對(duì)土壤氮排放具有重要的影響作用。

2.4 不同施肥條件下的環(huán)境排放量

通過DNDC 模型模擬可以發(fā)現(xiàn)，不同施肥量下碳、氮排放均不相同。由圖4可知，在作物不施肥的情況下，環(huán)境排放量較低，隨施肥量增高，CO2，N2O排放逐漸增高，持續(xù)增加施肥的情況下，硝酸鹽淋洗量會(huì)快速上升。這是因?yàn)樵谧魑锷L(zhǎng)階段，土壤的排放不會(huì)一直上升[15]，在施肥量達(dá)到原施肥量（T3）的1.5 倍時(shí)，CO2及N2O 排放的上升幅度會(huì)降低；受硝化作用的影響，硝酸鹽淋洗量會(huì)上升。T3 處理的硝酸鹽淋洗量是TI 處理下硝酸鹽淋洗量8.5 倍，是T5 處理硝酸鹽淋洗量的35%。因此，玉米生產(chǎn)中應(yīng)當(dāng)考慮到投入與產(chǎn)量和效益的關(guān)系，當(dāng)化肥施用量達(dá)到常規(guī)施肥量的1.5 倍時(shí)，產(chǎn)量不會(huì)有大幅度的上升，但會(huì)產(chǎn)生不必要的經(jīng)濟(jì)投入和環(huán)境負(fù)擔(dān)。

3 結(jié)論與討論

通過參數(shù)驗(yàn)證后的DNDC 模型能夠較好地模擬作物生長(zhǎng)過程中的溫室氣體排放，驗(yàn)證過程應(yīng)用中子儀實(shí)地測(cè)量的土壤水分與模型模擬的水分變化進(jìn)行比較，通過計(jì)算，擬合度較高，R2達(dá)到0.85；利用實(shí)地測(cè)量的土壤溫度與模擬溫度擬合，R2達(dá)到0.92 以上，說明DNDC 模型能夠較好地模擬太谷縣玉米種植整個(gè)年際間的變化，該模型具有可行性。

模擬碳排放結(jié)果表明，在作物生長(zhǎng)初期，作物根系不發(fā)達(dá)、溫度低、微生物群落活性不高等原因使得土壤碳排放不顯著；隨著作物的生長(zhǎng)，其根系逐漸發(fā)達(dá)，加之夏季降水量較多，使得土壤的呼吸作用上升，每10 d 累積碳排放達(dá)到18.92 kg/hm2，是耕作前排放量的14.67 倍；在作物收獲后，土壤碳排放量反而呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，這是因?yàn)橛衩资斋@后，秸稈還田為其提供了大量的碳源，收獲后溫度適宜土壤微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的分解，有機(jī)質(zhì)進(jìn)入土壤后，在微生物酶的作用下發(fā)生氧化反應(yīng)，徹底分解而釋放大量的CO2和H2O，使碳排放量增加[16]。

模擬氮排放結(jié)果表明，在作物生長(zhǎng)期內(nèi)氮的排放會(huì)顯著上升，并且在作物長(zhǎng)勢(shì)較快的時(shí)間段內(nèi)土壤氮排放量較大。對(duì)比碳、氮排放發(fā)現(xiàn)，在降雨時(shí)，作物的碳排放較低，氮排放較高，這是因?yàn)樵诮涤陼r(shí)發(fā)生硝化作用，當(dāng)?shù)乇硭砻婊蛑参锿怏w空間的氨分壓大于其上方空氣中的氨分壓時(shí)，氮排放上升。而在北方地區(qū)，由于降水少,在土壤中反硝化作用較小，土壤氮排放總量較小[17-19]。

DNDC 模型能夠較好地模擬作物生長(zhǎng)整年的排放，作物播種前期，土壤碳排放與氮排放均不顯著，在作物種植后，碳排放會(huì)逐漸上升，尤其在作物收獲后，土壤碳排放在一定時(shí)間內(nèi)呈上升趨勢(shì)；在作物開始生長(zhǎng)后土壤氮排放會(huì)上升，但是總量較小，作物收獲后氮排放量趨于0。不同施肥處理下的CO2，N2O 和硝酸鹽淋洗量變化較大，施肥量越高，CO2，N2O 排放量和硝酸鹽淋洗量越大，施肥量與碳氮排放量和硝酸鹽淋洗量呈正相關(guān)關(guān)系。