胡正江, 康曉晗, 薛旭杰, 廖 艷**, 吳文良, 孟凡喬

(1. 山東省桓臺(tái)縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局 桓臺(tái) 256400; 2. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院/農(nóng)田土壤污染防控與修復(fù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京 100193)

減少溫室氣體排放、應(yīng)對(duì)氣候變化, 是當(dāng)今世界各國(guó)面臨的共同挑戰(zhàn)。中國(guó)政府在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上提出在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和, 其中農(nóng)業(yè)在實(shí)現(xiàn)碳中和進(jìn)程中可以發(fā)揮重要作用。優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理措施, 在提高肥料等資源利用率的同時(shí), 可以提升土壤肥力, 實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。土壤有機(jī)碳(soil organic carbon, SOC)是土壤肥力的核心, 其含量可作為土壤肥力的衡量標(biāo)準(zhǔn)。較高的SOC含量, 能夠?yàn)樽魑锷L(zhǎng)提供充足和穩(wěn)定的營(yíng)養(yǎng), 創(chuàng)造合適的土壤理化性狀, 包括土壤通氣性、透水性、持水能力和保肥性等, 并減輕土壤中農(nóng)藥和重金屬等污染物的危害。農(nóng)田SOC的增加意味著大氣中CO減少, 對(duì)緩解溫室效應(yīng)和氣候變化也具有積極作用。因此, 提升我國(guó)農(nóng)田SOC含量, 具有助推我國(guó)農(nóng)業(yè)綠色高質(zhì)量發(fā)展和緩解溫室效應(yīng)、保護(hù)生態(tài)環(huán)境的雙重意義。

華北平原是我國(guó)重要的糧食主產(chǎn)區(qū), 山東省桓臺(tái)縣是該地區(qū)集約和高產(chǎn)農(nóng)業(yè)的典型代表。自1980年以來(lái), 桓臺(tái)縣全面實(shí)施家庭聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制, 農(nóng)業(yè)集約化水平較高, 主要體現(xiàn)在良種全面覆蓋、機(jī)械化水平較高、化肥投入較高, 糧食產(chǎn)量始終保持在較高水平, 號(hào)稱華北第一噸糧縣。多年來(lái), 該縣通過(guò)政府補(bǔ)貼、提高機(jī)械化作業(yè)以及合理施肥等綜合措施, 全縣農(nóng)田耕層(0～20 cm) SOC含量從1980年的7.8 g?kg增加到2011年的11.0 g?kg。另外, 伴隨著種植業(yè)發(fā)展, 2000年以來(lái)桓臺(tái)縣養(yǎng)殖業(yè)也呈現(xiàn)快速發(fā)展態(tài)勢(shì), 畜禽糞便數(shù)量不斷增長(zhǎng), 應(yīng)用到農(nóng)田后也會(huì)影響農(nóng)田SOC。這就引發(fā)了對(duì)于該縣農(nóng)田土壤SOC變化趨勢(shì)的思考, 即隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展水平的不斷提升和優(yōu)化, 農(nóng)業(yè)管理措施也不斷進(jìn)行調(diào)整, 該縣農(nóng)田土壤SOC會(huì)發(fā)生什么樣的變化?

DNDC (DeNitrification-DeComposition)模型是根據(jù)碳氮循環(huán)機(jī)理, 模擬碳氮循環(huán)的生物地球化學(xué)模型。該模型由兩個(gè)部分組成, 第一部分包括土壤氣候、農(nóng)作物生長(zhǎng)和土壤有機(jī)質(zhì)分解3個(gè)子模型, 根據(jù)生態(tài)驅(qū)動(dòng)因子對(duì)土壤環(huán)境條件進(jìn)行模擬; 第二部分包括硝化作用、反硝化作用和發(fā)酵作用3個(gè)子模型, 模擬土壤環(huán)境條件對(duì)微生物活動(dòng)的影響以及相應(yīng)的土壤碳氮變化動(dòng)態(tài)。該模型根據(jù)兩個(gè)內(nèi)嵌的熱力學(xué)公式和動(dòng)力學(xué)公式, 分別對(duì)土壤內(nèi)所發(fā)生氧化還原反應(yīng)的熱力學(xué)條件和動(dòng)力學(xué)條件進(jìn)行模擬, 從而對(duì)碳氮生物地球化學(xué)行為進(jìn)行定量分析。目前, DNDC模型在世界許多國(guó)家和地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用, 被認(rèn)為是國(guó)際上較成功的生物地球化學(xué)循環(huán)模型。本研究采用DNDC模型, 利用氣候、土壤、作物和農(nóng)田管理措施數(shù)據(jù), 對(duì)桓臺(tái)縣不同化肥、有機(jī)肥和秸稈還田等農(nóng)田管理情景下, 農(nóng)田SOC的變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè), 為華北平原農(nóng)田土壤有機(jī)碳庫(kù)變化評(píng)估提供科學(xué)依據(jù), 并為該地區(qū)農(nóng)業(yè)管理措施優(yōu)化和相應(yīng)決策提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

桓臺(tái)縣位于山東半島中部(圖1), 為暖溫帶大陸季風(fēng)氣候, 年平均氣溫11.8～12.9 ℃, 年降水量603.9 mm, 主要集中在6?8月。該區(qū)冬春氣候較干旱, 年無(wú)霜期198 d。地勢(shì)北低南高, 自西南向東北緩傾, 平均海拔為6.5～29.5 m, 平原面積約占全縣總面積的49.4%;主要土壤類型有褐土、潮土和砂姜黑土。桓臺(tái)縣是華北平原典型的高產(chǎn)農(nóng)業(yè)區(qū), 主要為冬小麥(L.)-夏玉米(L.)一年兩熟耕作制度, 1990年建成為長(zhǎng)江以北全國(guó)第一個(gè)噸糧縣, 其糧食生產(chǎn)在山東省乃至全國(guó)占有重要的地位。

圖1 研究區(qū)山東省桓臺(tái)縣地圖Fig.1 Location of the study area of Huantai County, Shandong Province

1.2 DNDC模型的數(shù)據(jù)來(lái)源

氣象數(shù)據(jù): 從桓臺(tái)縣氣象局獲得1982—2011年期間氣象數(shù)據(jù), 包括日最高氣溫(℃)、日最低氣溫(℃)和降水量(cm)。

土壤數(shù)據(jù): 采用1982年桓臺(tái)縣境內(nèi)第二次土壤普查所獲取的18個(gè)典型土壤剖面耕層(0～20 cm)屬性信息, 主要包括土壤有機(jī)碳含量、容重、黏粒含量和pH?；概_(tái)縣土壤類型主要包括褐土、潮土、砂姜黑土3個(gè)土類, 以及砂壤土、輕壤土、中壤土、重壤土和輕黏土5種土壤質(zhì)地類型。

作物生產(chǎn)數(shù)據(jù): 桓臺(tái)縣一般每年10月初至次年6月中上旬為冬小麥生長(zhǎng)期, 每年6月初至當(dāng)年9月下旬為夏玉米生長(zhǎng)期。作物生產(chǎn)數(shù)據(jù)包括作物最大產(chǎn)量, 根、莖葉、籽粒所占生物量比例以及C/N比, 主要為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

農(nóng)田管理數(shù)據(jù): 表1列出了2011年桓臺(tái)縣農(nóng)民常規(guī)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理措施。此外, 桓臺(tái)縣秸稈還田始于1988年, 其中小麥秸稈還田比例較高, 從1995年開(kāi)始小麥秸稈還田率達(dá)90%; 玉米秸稈還田較晚, 比例也相對(duì)較低, 但也于2008年起達(dá)90%。

表1 研究區(qū)2011年主要農(nóng)田管理措施Table1 Main agriculture management practices in the study area of Huantai County

1.3 數(shù)據(jù)處理與檢驗(yàn)

采用3個(gè)指標(biāo)對(duì)模型模擬結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn), 即相關(guān)系數(shù)(correlation coefficient,)、均方根誤差(root mean square error, RMSE)和模型效率(model efficiency, EF)。表示模擬值與觀測(cè)值之間的相關(guān)程度, 根據(jù)檢驗(yàn)進(jìn)行顯著性判斷; RMSE和EF用來(lái)比較模型的模擬精度, 較低的RMSE表明模擬值與觀測(cè)值之間差異較小, 模擬精度較高; EF值為1時(shí)模擬值與觀測(cè)值之間完全吻合, 模擬精度最高。3個(gè)檢驗(yàn)指標(biāo)的計(jì)算公式如下:

1.4 模型驗(yàn)證

1.4.1 點(diǎn)位驗(yàn)證

由于氣候、土壤等自然條件以及種植制度和農(nóng)田管理措施的不同, 在應(yīng)用DNDC模型前, 一般須進(jìn)行模型驗(yàn)證, 核實(shí)其在不同地域的適用性?；概_(tái)縣的長(zhǎng)期田間定位試驗(yàn)時(shí)間較短, 本文選擇自然條件、土壤類型和種植模式較為類似的河北曲周縣長(zhǎng)期定位試驗(yàn)進(jìn)行模型的點(diǎn)位驗(yàn)證(表2)。

表2 研究區(qū)桓臺(tái)縣和驗(yàn)證區(qū)曲周縣自然條件、土壤類型和種植方式比較Table2 Comparison of natural condition, soil type and plantation between the study area of Huantai County and the verification area of Quzhou County

點(diǎn)位驗(yàn)證采用曲周縣1985—2001年兩個(gè)氮肥水平的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)。試驗(yàn)為冬小麥和夏玉米輪作, 小麥分別于10月15日和次年6月20日播種和收獲, 玉米則于6月25日、10月10日播種和收獲。小麥和玉米分別施基肥1次、追肥1次, 兩個(gè)處理N1和N2的全年氮肥總施用量分別為135 kg(N)?hm?a和270 kg(N)?hm?a, 無(wú)秸稈還田。

圖2為DNDC模型所獲得的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較。N1和N2處理實(shí)測(cè)值和模擬值之間的相關(guān)系數(shù)()分別為0.9431和0.9590, 均為極顯著相關(guān)水平(<0.01); 均方根誤差(RMSE)分別為5.43和5.63; 模擬系數(shù)(EF)分別為0.82和0.85。N1和N2處理的DNDC模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果有較好的一致性。在華北地區(qū)的其他研究也說(shuō)明, DNDC模型應(yīng)用于土壤有機(jī)質(zhì)模擬研究在華北地區(qū)有較好的適用性。

圖2 曲周縣不同施氮水平下長(zhǎng)期定位試驗(yàn)土壤有機(jī)碳含量的DNDC模擬結(jié)果Fig.2 DNDC simulation of soil organic carbon contents (SOC) under different N fertilizer application rates of the long-term experiment in Quzhou County

1.4.2 模擬單元建立與區(qū)域尺度模擬

在區(qū)域尺度模擬過(guò)程, 首先進(jìn)行模擬單元的劃分和確定, 本文采用了兩種方法。第1種方法是根據(jù)土壤類型劃分模擬單元: 采用ArcGIS空間分析工具的Overlay命令, 對(duì)桓臺(tái)縣土壤類型圖和土地利用類型圖進(jìn)行疊加(圖3a, 3b), 由18種土壤類型、6種土地利用類型, 共組合為104類土壤類型-土地利用類型。由于模擬對(duì)象為冬小麥-夏玉米輪作體系, 在模擬時(shí)僅選擇糧田類型, 而舍棄其他5種類型的土地利用, 共獲得18類組合類型作為模型的模擬單元, 同時(shí)還獲知了各組合類型相應(yīng)的面積范圍。第2種方法是根據(jù)桓臺(tái)縣行政鎮(zhèn)劃分模擬單元: 全縣共分為11個(gè)模擬單元(圖1), 模擬單元面積由桓臺(tái)縣農(nóng)業(yè)局提供。模擬時(shí)各模擬單元內(nèi)部的主要土壤參數(shù), 即初始SOC含量(g?kg)、土壤容重(g?cm)、土壤黏粒含量(%)、pH等被認(rèn)為在模擬單元內(nèi)均一分布。同時(shí), 由于自然條件、種植方式在同一模擬單元內(nèi)較為類似, 因此模型模擬中, 在同一模擬單元的所有田塊和農(nóng)戶均采用相同的農(nóng)田管理措施, 根據(jù)兩類模擬單元?jiǎng)澐址椒? 桓臺(tái)縣冬小麥-夏玉米輪作面積為24×10hm。

圖3 桓臺(tái)縣土壤類型(a)和土地利用類型(b)空間分布圖Fig.3 Spatial distribution of soil types (a) and land use types (b) in Huantai County

基于上述兩種模擬單元的劃分方法, 本研究對(duì)1982—2011年期間, 桓臺(tái)縣農(nóng)田耕層(0～20 cm)的SOC含量分別進(jìn)行了模擬, 并分別與1982年、1987年、1992年、1997年、2002年、2007年和2011年等所獲得的耕地SOC數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較(圖4)。模擬過(guò)程中, 設(shè)置了兩種模擬情景, 其中圖4a和4c為情景1, 秸稈不還田, 化肥用量采用桓臺(tái)縣1982年的施肥量372 kg(N)?hm?a。圖4b和4d根據(jù)桓臺(tái)實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)情況進(jìn)行模擬, 為情景2, 即自1988年開(kāi)始進(jìn)行秸稈還田, 且秸稈還田比例逐年升高, 2008年達(dá)到90%, 同時(shí)氮肥的實(shí)際施用量由桓臺(tái)縣農(nóng)業(yè)局提供(圖5)。

圖4 桓臺(tái)縣區(qū)域土壤有機(jī)碳密度模擬與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較Fig.4 Comparison between simulated and observed values of regional soil organic carbon stock in Huantai County

圖5 1982—2011年桓臺(tái)縣化肥氮施用量和秸稈還田比例變化Fig.5 Chemical fertilizer N rates and straw incorporation ratio in Huantai County from 1982 to 2011

從圖4可以看出, 無(wú)論哪種模擬單元, 從情景1到情景2, 當(dāng)設(shè)置參數(shù)與當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)實(shí)際生產(chǎn)情況相同時(shí), 區(qū)域的SOC模擬值與實(shí)測(cè)值均更趨一致,大幅度提高, 其中第1種模擬單元?jiǎng)澐謼l件下,從0.0506增加到0.4749 (=94), 第2種模擬單元?jiǎng)澐謼l件下,從0.1002提高到0.6402 (=61), 說(shuō)明當(dāng)模擬參數(shù)更接近實(shí)際條件時(shí), DNDC模型也呈現(xiàn)更為精確的模擬結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 桓臺(tái)縣農(nóng)田管理措施的變化趨勢(shì)

歷年來(lái), 桓臺(tái)縣糧食生產(chǎn)以大量氮肥投入為典型特征, 21世紀(jì)10年代化肥氮年均施用量達(dá)510 kg(N)?hm(圖5a)?；概_(tái)縣化肥氮投入量和糧食產(chǎn)量都呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)?；实┯昧繌?982年的372 kg(N)?hm增加至20世紀(jì)90年代中期的近600 kg(N)?hm, 糧食產(chǎn)量則從20世紀(jì)80年代初期的3705 kg?hm提高至21世紀(jì)10年代的8700 kg(N)?hm。

秸稈還田也是桓臺(tái)縣集約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的另外一個(gè)重要措施(圖5b)?；概_(tái)縣自1988年開(kāi)始秸稈還田, 其中小麥秸稈1995年即達(dá)到90%的還田率, 并一直保持。玉米秸稈還田比例較低, 約在30%左右, 2005年開(kāi)始明顯提高, 隨著行政措施和經(jīng)濟(jì)手段的全面落實(shí), 2008年起秸稈還田率達(dá)90%。此外, 值得注意的是, 桓臺(tái)縣的農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平較高, 機(jī)械對(duì)土壤具有壓實(shí)作用, 導(dǎo)致桓臺(tái)農(nóng)田土壤耕層平均容重不斷增大, 從1982年的1.40 g?cm增加到2011年的1.50 g?cm。

此外, 桓臺(tái)縣畜牧業(yè)規(guī)模持續(xù)穩(wěn)定擴(kuò)大, 每年有數(shù)量可觀的畜禽糞便產(chǎn)生。畜禽糞便作為有機(jī)肥在我國(guó)施用的歷史悠久, 但隨著20世紀(jì)80年代以來(lái)化肥的大量使用, 和我國(guó)大多數(shù)地區(qū)一樣, 桓臺(tái)縣有機(jī)肥投入比例也顯著下降。2011年, 桓臺(tái)縣主要畜禽為牛、豬和肉雞, 年出欄量分別為1.1×10頭、1.4×10頭和5.9×10只, 根據(jù)《第一次全國(guó)污染源普查-畜禽養(yǎng)殖業(yè)源產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)》, 每年產(chǎn)生大約1450 t 含N的畜禽糞便, 如用于冬小麥-夏玉米糧田, 相當(dāng)于有機(jī)肥平均投入量為60 kg?hm。

2.2 桓臺(tái)縣農(nóng)田SOC預(yù)測(cè)結(jié)果

有機(jī)肥和秸稈含有較豐富的有機(jī)質(zhì), 施用和還田能直接提高農(nóng)田的SOC含量, 氮肥則可通過(guò)碳氮平衡影響SOC含量的增減變化。本研究主要考慮化肥氮用量、秸稈還田比例和有機(jī)肥用量等3個(gè)影響農(nóng)田SOC的管理措施, 設(shè)置了5種農(nóng)田管理措施情景進(jìn)行模擬(表3)。情景1: 根據(jù)2011年桓臺(tái)縣實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)情況設(shè)置, 年化肥氮平均用量為500 kg(N)?hm, 秸稈還田比例為90%, 無(wú)有機(jī)肥投入; 情景2: 在情景1的基礎(chǔ)上降低秸稈還田比例到70%, 其他無(wú)變化; 情景3、情景4和情景5是在情景1的基礎(chǔ)上, 將年化肥氮用量降至400 kg(N)?hm, 秸稈還田比例分別設(shè)置為90%、70%和90%, 有機(jī)肥年平均投入量分別為0 kg(N)?hm、60 kg(N)?hm和40 kg(N)?hm。其他農(nóng)田管理措施保持在2011年水平不變, 考慮到全縣農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平較高, 對(duì)土壤容重有較大影響, 因此將10年以后的土壤容重統(tǒng)一設(shè)為1.58 g?cm。

表3 模擬農(nóng)田管理措施情景的設(shè)置Table3 Establishment of simulation scenarios of farming management measure

采用1982?2011年30年的平均氣溫和年平均降水量作為氣象數(shù)據(jù), 模擬單元采用行政鎮(zhèn)單元。根據(jù)所設(shè)置情景運(yùn)行模型, 將獲得的未來(lái)10 a、20 a和30 a后桓臺(tái)縣SOC密度和儲(chǔ)量模擬值分別進(jìn)行比較, 結(jié)果如表4所示。

表4 不同農(nóng)田管理措施情景下桓臺(tái)縣未來(lái)農(nóng)田土壤有機(jī)碳(SOC)密度和儲(chǔ)量預(yù)測(cè)Table4 Simulated soil organic carbon (SOC) density and stock for whole Huantai County farmland under different scenarios of farming management measures

基于DNDC模型的模擬結(jié)果顯示, 不同農(nóng)田管理措施情景下桓臺(tái)縣農(nóng)田SOC密度和儲(chǔ)量呈現(xiàn)出一定程度變化。如果2.4萬(wàn)hm的冬小麥-夏玉米糧田生產(chǎn)保持為情景1不變, 耕層(0～20 cm) SOC密度從2011年的33 000 kg?hm(SOC含量7.8 g?kg), 增加到2021年的42 260 kg?hm(SOC含量13.3 g?kg), 即在化肥氮量500 kg(N)?hm、秸稈還田比例90%不變的情景下, 10年間糧田SOC密度能夠增加28.1%; 到2031年和2041年分別增加39.2%和44.9%, 即SOC含量達(dá)到2031年的14.5 g?kg和2041年的15.1 g?kg。在5個(gè)農(nóng)田管理情景中, 情景5對(duì)于農(nóng)田耕層SOC密度增加效果最好, 從2011年開(kāi)始10 a、20 a和30 a后, 分別比2011年增加33.9%、47.6%和54.8%, 即分別達(dá)14.0 g?kg、15.4 g?kg和16.2 g?kg。

與情景1相比, 如果糧田農(nóng)田管理為情景2 (化肥氮投入量不變, 秸稈還田比例降至70%), 全縣糧田SOC密度在2011年起的未來(lái)10 a、20 a和30 a內(nèi)分別降低5.4%、6.6%和7.3%。從情景1到情景3, 即化肥氮用量從2011年的500 kg(N)?hm降低20%, 糧田SOC密度基本保持不變; 農(nóng)田管理措施演變?yōu)榍榫? [ 化肥和有機(jī)肥氮用量分別為400 kg(N)?hm和60 kg(N)?hm、秸稈還田比例70%], 全縣SOC密度的增加有限, 與情景1相比, 分別增加1.3% (10 a)、2.1% (20 a)和2.7% (30 a)。如果農(nóng)田管理措施調(diào)整為情景5, 農(nóng)田SOC密度在10 a、20 a和30 a內(nèi)分別比情景1增加4.6%、6.0%和6.9%, 即情景5是提升農(nóng)田SOC最有效的管理措施。農(nóng)田SOC儲(chǔ)量變化, 總體上與農(nóng)田SOC密度變化趨勢(shì)一致(表4)。

5個(gè)情景比較, 秸稈還田比例和有機(jī)肥施用量的搭配以情景5為最佳, 若采用這一情景的農(nóng)田管理措施, 在未來(lái)SOC密度相對(duì)于2011年呈現(xiàn)明顯的增長(zhǎng), 尤其是30 a后增長(zhǎng)幅度達(dá)54.8%。

3 討論

3.1 DNDC模型模擬的準(zhǔn)確性

多年來(lái), DNDC被廣泛用于農(nóng)田SOC預(yù)測(cè), 取得了較好的效果, 如對(duì)英國(guó)洛桑試驗(yàn)站農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)的模擬發(fā)現(xiàn), 觀測(cè)值和模擬值差異≤0.07%。需要注意的是, 輸入的有機(jī)物料對(duì)模擬效果有直接影響, 如果用DNDC模擬的生物量即作物秸稈, 作為有機(jī)物料輸入, 其模擬效果可能會(huì)變差。采用該模型的模擬結(jié)果表明, 增加有機(jī)肥和秸稈還田比例、適量施用化肥均可有效增加SOC的積累, 但單純免耕操作(秸稈沒(méi)有差異), 其對(duì)SOC增加效果有限。秸稈和根茬碳還田量與土壤有機(jī)質(zhì)變化量之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。在施用化肥的情況下, 外來(lái)有機(jī)物料數(shù)量增加, 氮肥可能導(dǎo)致原有土壤有機(jī)質(zhì)分解。

2021年對(duì)桓臺(tái)縣糧田的土壤取樣檢測(cè)表明, 農(nóng)田表層SOC含量約為13 g?kg。近年來(lái)華北平原農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平持續(xù)提高, 壓實(shí)作用使土壤容重不斷增加, 全縣農(nóng)田耕層(0～20 cm)土壤容重增加到1.58 t?m。據(jù)此計(jì)算, 2021年桓臺(tái)縣農(nóng)田表層SOC密度約為41 080 kg?hm。2021年相對(duì)于基準(zhǔn)年2011年過(guò)去10 a時(shí)間, DNDC模型5種情景的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相比, 誤差在2.7%～7.6%, 其中以前3種情景的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果最為接近, 這正是實(shí)際農(nóng)田管理措施與該情景最為接近的體現(xiàn), 說(shuō)明DNDC模型模擬結(jié)果的準(zhǔn)確度較好(表5)。需要指出的是, 前3種情景并非是最有利于土壤有機(jī)質(zhì)增加的情景, 情景4和情景5效果更好。

表5 2021年桓臺(tái)縣土壤有機(jī)碳(SOC)密度模擬值與實(shí)測(cè)值比較Table5 Comparison between measured and simulated values of soil organic carbon (SOC) density in 2021 for Huantai County

3.2 集約農(nóng)田管理措施對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響

氮肥對(duì)我國(guó)華北地區(qū)糧食高產(chǎn)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。對(duì)于華北地區(qū)冬小麥-夏玉米一年兩季生產(chǎn)來(lái)說(shuō), 500～600 kg(N)?hm的化肥氮用量是過(guò)量的, 直接造成資源浪費(fèi), 并引起地下水硝酸鹽污染、地表水富營(yíng)養(yǎng)化和大氣污染等環(huán)境問(wèn)題。氮肥用量過(guò)高, 使土壤中以碳素為原料的非自養(yǎng)微生物活性增強(qiáng), 從而使SOC更多地被消耗, 也影響了土壤有機(jī)質(zhì)水平。王文靜等認(rèn)為, 華北地區(qū)高施氮量和低施氮量條件下, 保持土壤碳平衡的最低外源碳需要量分別為7254 kg?hm?a和1297 kg?hm?a, 相差巨大。本研究表明, 華北平原集約農(nóng)田在現(xiàn)有基礎(chǔ)(500 kg?hm?a)上降低20%的化肥氮用量, 在無(wú)外源碳添加的條件下SOC含量不會(huì)降低。

桓臺(tái)縣秸稈還田比例在全國(guó)都屬于較高水平。秸稈還田能直接顯著增加SOC, 歸還大量磷、鉀等礦質(zhì)養(yǎng)分。秸稈還田還具有固碳效應(yīng)。本研究結(jié)果表明, 如果保持2011年的農(nóng)田管理措施不變, 即施化肥氮500 kg?hm?a和秸稈還田率90%, SOC密度10 a后仍然可增加28.1%, 20 a和30 a年后可以增加39.2%和44.9%。一方面說(shuō)明在當(dāng)前氣候條件下, 以桓臺(tái)縣為代表的華北農(nóng)田秸稈還田對(duì)增加土壤有機(jī)質(zhì)仍有較大空間; 另一方面, 在秸稈還田下土壤有機(jī)質(zhì)不是線性增加, 其增長(zhǎng)率會(huì)隨時(shí)間而降低, 土壤有機(jī)質(zhì)呈現(xiàn)出一種飽和趨勢(shì)。

大量田間試驗(yàn)和研究也表明, 單純提高秸稈還田比例對(duì)土壤碳固存的效果不及有機(jī)肥和無(wú)機(jī)肥配施?；概_(tái)冬小麥-夏玉米生產(chǎn)有豐富的秸稈資源, 除了直接還田, 還可以把秸稈進(jìn)行動(dòng)物過(guò)腹還田, 后一種利用方式除了能夠帶來(lái)土壤碳的固存外, 同時(shí)還可使有機(jī)物料被動(dòng)物吸收后轉(zhuǎn)化為肉蛋奶, 兼具生態(tài)和經(jīng)濟(jì)兩方面的效益。這涉及到有機(jī)肥的施用數(shù)量, 究竟多少用量可以實(shí)現(xiàn)較高的土壤有機(jī)質(zhì)水平? 本研究發(fā)現(xiàn)40 kg(N)?hm配合全部秸稈還田, 效果最好。有機(jī)肥能直接補(bǔ)充土壤有機(jī)質(zhì), 所以其施用自然能提高土壤肥力, 這在很多研究中得到證實(shí)。施用有機(jī)肥在中國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中已延續(xù)幾千年, 能使廢棄物得到資源化利用, 其中蘊(yùn)含著令人稱道的生態(tài)智慧; 美國(guó)有機(jī)農(nóng)業(yè)運(yùn)動(dòng)先驅(qū)富蘭克林·H就曾高度稱贊中國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)培肥土壤的方式。

不過(guò), 有機(jī)肥可以顯著增加土壤有機(jī)質(zhì), 但大量施用也會(huì)引起負(fù)面影響。有機(jī)肥過(guò)量施用, 也會(huì)增加土壤硝態(tài)氮淋失風(fēng)險(xiǎn), 對(duì)地下水質(zhì)存在潛在的威脅。不過(guò), 從自身特性來(lái)看, 有機(jī)肥養(yǎng)分含量低, 相對(duì)于化肥, 等量養(yǎng)分投入, 有機(jī)肥的用量明顯更高, 需要投入的勞動(dòng)力強(qiáng)度很大, 這可能是影響有機(jī)肥施用的原因之一, 未來(lái)可采用機(jī)械化施肥來(lái)克服這一障礙。

就桓臺(tái)縣農(nóng)田管理措施來(lái)看, 優(yōu)化化學(xué)氮肥用量, 適當(dāng)增施有機(jī)肥, 配合秸稈還田, 能夠降低氮素淋失污染風(fēng)險(xiǎn), 提高SOC儲(chǔ)量, 全面提升土壤肥力水平, 對(duì)于保障糧食高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)和集約農(nóng)區(qū)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展具有重要意義。

4 結(jié)論

華北平原集約農(nóng)田在現(xiàn)有500 kg(N)?hm?a化肥氮用量基礎(chǔ)上降低20%用量, 不會(huì)降低土壤有機(jī)質(zhì)含量。在當(dāng)前氣候條件下, 保持化肥氮施用量、秸稈還田比率不變, 2011年后30 a內(nèi), 以桓臺(tái)縣為代表的華北農(nóng)田表層SOC含量仍有較大增長(zhǎng)空間。秸稈還田可以顯著增加土壤有機(jī)質(zhì), 但這種增加并非線性, 土壤有機(jī)質(zhì)會(huì)逐漸呈現(xiàn)趨于飽和的趨勢(shì)。相比單純地提高秸稈還田比例, 有機(jī)肥和秸稈還田二者搭配能達(dá)到更好的固碳效果。對(duì)于桓臺(tái)縣農(nóng)業(yè)生產(chǎn), 優(yōu)化化學(xué)氮肥用量, 適當(dāng)增施有機(jī)肥, 配合秸稈還田, 可以充分提高土壤有機(jī)質(zhì)儲(chǔ)量, 全面提升土壤肥力水平, 并實(shí)現(xiàn)降低氮素淋失風(fēng)險(xiǎn)等其他環(huán)境效益, 對(duì)于保障糧食高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)和集約農(nóng)區(qū)的農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展具有重要意義。