基于DNDC模型的不同秸稈還田填埋深度下農(nóng)田N2O氣體排放模擬

陳粲　包云軒　呂青　唐倩

摘要 利用2013年吳江試驗(yàn)區(qū)水稻種植季定點(diǎn)、連續(xù)監(jiān)測(cè)N2O氣體排放量數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、土壤理化性質(zhì)等資料，運(yùn)用DNDC模型（脫氮-分解模型）研究該模型是否可以預(yù)測(cè)不同秸稈還田填埋深度下N2O排放速度、排放總量和排放變化趨勢(shì)，并對(duì)影響N2O排放的主要因子進(jìn)行了靈敏度分析。結(jié)果表明，DNDC模型可以對(duì)不同秸稈還田填埋深度下N2O的排放速度、排放總量和變化趨勢(shì)進(jìn)行模擬；年平均溫度、土壤pH、土壤有機(jī)碳含量、施肥量和秸稈還田量對(duì)不同秸稈還田填埋深度下N2O氣體排放非常敏感。

關(guān)鍵詞 DNDC模型；秸稈還田；填埋深度；農(nóng)田N2O氣體；排放

中圖分類(lèi)號(hào) S181 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A 文章編號(hào) 0517-6611（2018）14-0064-04

Simulation of Nitrous Oxide Emission under Different Straw Retention Depths Based on DenitrificationDecomposition Model

CHEN Can，BAO Yunxuan，L Qing et al （College of Applied Meteorology，Nanjing University of Information，Science and Technology，Nanjing，Jiangsu 210044）

Abstract This research combined the paddy planting season data in Wujiang region，China with the DNDC model （Denitrification-Decomposition model） to detect whether the DNDC could be used to simulated the N2O emission speed，annual discharge amount and discharge change tendency.This research also analyzed the sensitivity of the important factors which affect the N2O discharge amount.The results were as fellows：DNDC model could be used to simulate the N2O emission speed，annual discharge amount and discharge change tendency under different straw retention soil depths.The annual mean temperature，soil pH，soil organic carbon amount，fertilization amount and straw retention amount could influence the N2O gas discharge amount sensitively.

Key words DenitrificationDecomposition Model； Straw retention；Landfill depth； Nitrous oxide； Emission

溫室氣體排放是一個(gè)全球性的環(huán)境問(wèn)題，已受到越來(lái)越多學(xué)者的廣泛關(guān)注[1]。其中氧化亞氮（N2O）是旱地土壤溫室氣體排放中最重要的排放氣體之一。2007年IPCC報(bào)告顯示，截至20世紀(jì)末，農(nóng)田N2O排放總量為3.50×106 t N/a，占人為源排放量的61.4%，占全球N2O總排放量的23.8%[1]。影響農(nóng)田N2O排放的因素很多，主要有土壤溫度、水分、施肥種類(lèi)等。La Scala等[2]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)土壤溫度從0 ℃逐漸上升至35 ℃時(shí)，土壤微生物活性和土壤N2O的排放量均顯著升高。Batjes[3]分析了不同水分含量下N2O排放速率，結(jié)果表明，土壤水分含量越高，N2O排放速率也相應(yīng)增加。在氮肥種類(lèi)和用量上，研究表明，化學(xué)氮肥施用量增加了稻田N2O的排放，且硫酸銨比尿素排放更多的N2O[4]。施用硫酸銨100和300 kg/hm2引起的N2O損失率分別為0.04%和0.26%，而施用尿素分別為0.03%和0.15%[5]。Ball 等[6]研究表明土壤孔隙度的變化影響土壤通氣性和水分含量，因而影響土壤硝化作用、反硝化作用和微生物的呼吸作用以及N2O在土壤中的擴(kuò)散速率；土壤孔隙度還影響有機(jī)質(zhì)的分解速率，從而影響N2O的排放量。礦化氮主要影響農(nóng)田N2O的排放，Comber等[7]認(rèn)為化學(xué)氮肥的施用增加了農(nóng)田N2O的排放，且硫酸銨比尿素能排放更多的N2O。

縱觀(guān)農(nóng)田N2O排放研究的領(lǐng)域，對(duì)農(nóng)田N2O排放機(jī)理的研究較多，也有較多對(duì)農(nóng)田N2O減排的研究。但對(duì)如何使用模型對(duì)不同秸稈還田填埋深度條件下N2O排放量進(jìn)行模擬并研究影響農(nóng)田不同秸稈還田填埋深度下N2O排放的其他各個(gè)重要因子的靈敏度，目前研究較少。

筆者利用2013年吳江地區(qū)水稻種植季連續(xù)N2O氣體排放量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、土壤理化性質(zhì)數(shù)據(jù)等資料，運(yùn)用DNDC模型（DenitrificationDecomposition，脫氮-分解模型）進(jìn)行準(zhǔn)確、快速地預(yù)測(cè)不同秸稈還田填埋深度所產(chǎn)生的N2O氣體排放量，并分析年平均溫度、土壤pH、土壤有機(jī)碳（SOC）含量、施肥量和秸稈還田量這5個(gè)因子在不同秸稈還田填埋深度所產(chǎn)生的N2O氣體排放量的靈敏度，以期為農(nóng)田溫室氣體的有效減排提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江蘇省吳江市，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，全年溫和濕潤(rùn)，四季分明，雨量充沛，日照充足，無(wú)霜期長(zhǎng)。年均總?cè)照諘r(shí)數(shù)2 130.2 h，占可照時(shí)數(shù)的48%；年均氣溫15.4 ℃；年均降水量1 054 mm。該研究區(qū)土壤類(lèi)型為太湖地區(qū)典型的水稻土—烏柵土。據(jù)97個(gè)剖面統(tǒng)計(jì)，烏柵土耕層有機(jī)質(zhì)28.40 g/kg，全氮1.65 g/kg，全磷0.53 g/kg，速效磷8.00 mg/kg，速效鉀92.00 mg/kg，保肥能力較強(qiáng)，烏柵土內(nèi)排水性能較差，土壤自然含水量為40.4%。該土種是太湖地區(qū)低田迂區(qū)的主要土壤類(lèi)型，土壤基本性質(zhì)：

土壤容重1.36 g/cm3，pH 6.57，田間持水量40.3%，凋萎系數(shù)32.24%，黏粒系數(shù)53.11%，表層有機(jī)碳含量0.025 kg C/kg，C/N 10.90 ，初始硝態(tài)氮6.11 mg N/kg，初始銨態(tài)氮13.48 mg N/kg。土壤養(yǎng)分含量較豐富，但養(yǎng)分釋放緩慢，質(zhì)地黏重，易受滯害。研究區(qū)種植制度主要以稻麥輪作為主。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)2個(gè)處理，即秸稈填埋10 cm處理（C10）：施用328 kg N/hm2氮肥，秸稈在前次水稻收獲后立即填埋還田，填埋深度為10 cm。填埋20 cm處理（C20）：施用328 kg N/hm2氮肥，秸稈也在前次水稻收獲后立即填埋還田，填埋深度為20 cm。每個(gè)處理小區(qū)面積為5 m×5 m ，每個(gè)處理3次重復(fù)。秸稈還田量為 3 750 kg/hm2，在秸稈還田前測(cè)定初始硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量。施肥情況見(jiàn)表1，灌溉情況見(jiàn)表2。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法 采用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法監(jiān)測(cè)供試稻田土壤中N2O排放通量和土壤的呼吸動(dòng)態(tài)。田間試驗(yàn)所用采樣箱為四面和頂部封閉的不銹鋼箱（規(guī)格為 50 cm×50 cm×50 cm），外部用泡沫包裹以避免陽(yáng)光直射使箱內(nèi)溫度過(guò)高，箱內(nèi)裝有采樣管、測(cè)溫探頭和電扇（用于混勻箱內(nèi)氣體）。靜態(tài)箱的不銹鋼底座安置于水稻行間，置入土壤上部 10 cm，并保證底座邊緣與地表相平，安放好后整個(gè)水稻生長(zhǎng)季底座不再移動(dòng)。采樣時(shí)將采樣箱放置在不銹鋼底座上，并于底座水槽內(nèi)加水，以保證靜態(tài)箱內(nèi)氣密性良好。使用 100 mL 注射器于靜態(tài)箱密封后的第 0、8、16、24、32 min抽取箱內(nèi)空氣并注射入真空氣袋內(nèi)（大連普萊特公司）保存，并及時(shí)帶回實(shí)驗(yàn)室分析。取樣結(jié)束后，立即將采樣箱從底座移開(kāi)，以減少采樣過(guò)程對(duì)供試土壤所造成的擾動(dòng)。氣體采集過(guò)程中同步測(cè)定并記錄箱內(nèi)溫度。采用安捷倫 7890A 氣相色譜分析儀（安捷倫科技（中國(guó)）有限公司）檢測(cè)所收集氣體樣品中 N2O 的濃度，測(cè)定N2O濃度所用檢測(cè)器分別為氫火焰離子化檢測(cè)器（FID）和電子捕獲檢測(cè)器（ECD），載氣為高純氮?dú)鈁8-9]。

田間原位監(jiān)測(cè)于2013年水稻生長(zhǎng)季進(jìn)行。為了便于比較和消除由日變化所導(dǎo) 致的通量差異，采集氣體樣品時(shí)間固定為9：00—11：00。采樣頻率通常為7 d 1次，并于施肥后增加監(jiān)測(cè)頻率，監(jiān)測(cè)頻率為3～4 d，追肥后監(jiān)測(cè)頻率為12 d左右，降雨事件后監(jiān)測(cè)頻率為3～7 d[10]。

使用單次N2O通量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)直接外推得到日排放通量。對(duì)于缺測(cè)的每日排放量，以最近2個(gè)監(jiān)測(cè)日的算術(shù)平均值內(nèi)插估算。累加所有日期（監(jiān)測(cè)日和缺測(cè)日）的排放通量計(jì)算得到季節(jié)排放總量[11-12]。

在采集氣體樣品的同時(shí)使用JM624便攜式溫度計(jì)（天津今明儀器有限公司，天津）測(cè)定10和20 cm土層的土壤溫度。在水稻生長(zhǎng)期間，使用時(shí)域反射儀（TDR，Trime-IPH，Imko，德國(guó)）逐日分層測(cè)定各試驗(yàn)小區(qū)0～10和10～20 cm土層的土壤體積含水量。所測(cè)土壤體積含水量轉(zhuǎn)化為土壤含水孔隙率（WFPS）[13]。

在水稻生長(zhǎng)季，于試驗(yàn)前和試驗(yàn)后采集土壤樣品（0～10和10～20 cm），用于測(cè)定土壤基本理化性質(zhì)和養(yǎng)分含量，主要有土壤容重、pH、土壤機(jī)械組成、有機(jī)質(zhì)含量、全氮、全磷、全鉀、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量等。土壤理化性質(zhì)采用常規(guī)農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[14]。每一水稻生長(zhǎng)季逐日記錄氣象資料（降雨量、日最高、最低氣溫和風(fēng)速等），及時(shí)記錄田間管理措施，如播種—收獲時(shí)間、耕作、施肥次數(shù)、施肥量和灌溉量等。

1.4 DNDC 模型

所選用的DNDC模型是美國(guó)新罕布什爾大學(xué)李長(zhǎng)生教授基于施肥量、氣候條件、土壤特性和農(nóng)田管理等要素而建立的一種農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳、氮循環(huán)模型。模型由6個(gè)子模型構(gòu)成，以日或小時(shí)為時(shí)間步長(zhǎng)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(guò)程[15]。對(duì)于模擬N2O氣體排放，DNDC模型的主要理論假說(shuō)包括土壤排放N2O表現(xiàn)為產(chǎn)生一系列N2O排放峰的過(guò)程；微生物的反硝化作用過(guò)程是土壤N2O的主要生成過(guò)程；降雨、灌溉和農(nóng)事活動(dòng)是產(chǎn)生N2O排放峰的直接驅(qū)動(dòng)因子；土壤濕度變化控制反硝化作用和硝化分解作用是否發(fā)生[16]。該模型以土壤性質(zhì)、氣候狀況和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施為輸入信息，可模擬農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中N2O等氣體的產(chǎn)生與排放，還可以輸出每日土壤及植物體中的C和N含量、土壤不同層次的溫度和濕度等以及排放到大氣中的CO2、CH4、NXO和N2氣體量等相關(guān)信息[17-18]。

1.5 靈敏度分析

靈敏度檢驗(yàn)是在保持其他影響因子不變的情況下，在一定范圍內(nèi)變動(dòng)其中一個(gè)影響因子的數(shù)值輸入DNDC摸型，模擬溫室氣體排放通量的變化規(guī)律[19]。在靈敏度檢驗(yàn)中采用的基準(zhǔn)情景為當(dāng)?shù)貧夂驐l件，具體靈敏度因子選取和變化范圍見(jiàn)表3。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)田N2O氣體排放模擬

對(duì)2013年研究區(qū)水稻種植季C10和C20的農(nóng)田N2O氣體排放進(jìn)行模擬，并將模擬值和測(cè)定值進(jìn)行比較以驗(yàn)證模型模擬的正確性。從圖1可以看出，2013年研究區(qū)水稻種植季，模型在模擬不同秸稈填埋深度下N2O氣體排放時(shí)，均能夠準(zhǔn)確地捕捉到由于施肥作用所引起的N2O排放峰。第1個(gè)排放高峰均處于水稻生長(zhǎng)42 d附近，這是由于第1次施肥和第2次施肥引起的，由于這2次施肥量較小，施肥時(shí)間間隔較短，因此僅出現(xiàn)了一個(gè)排放峰。第2個(gè)大的排放峰出現(xiàn)在水稻生長(zhǎng)52 d附近，這是由第3次施肥作用引起的，同時(shí)由于第3次施肥的施肥量為134 kg N/hm2，是4次施肥過(guò)程中最大的，因此農(nóng)田的N2O排放量也最高。最后一個(gè)排放峰出現(xiàn)在76 d左右，這是由最后一次追肥74 kg N/hm2引起的。模擬后的C10和C20 N2O排放速度和排放趨勢(shì)均與2013年研究區(qū)水稻生長(zhǎng)季農(nóng)田N2O監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)一致，相關(guān)系數(shù)分別為0.857 4和0.862 1，均方根誤差分別為7.268 1和5.715 8。這說(shuō)明在2013年研究區(qū)水稻種植季，DNDC模型可以模擬不同秸稈填埋深度下農(nóng)田N2O氣體排放速率的變化趨勢(shì)。

對(duì)2013年研究區(qū)不同秸稈還田填埋深度下農(nóng)田N2O氣體排放的測(cè)定量、模擬量和排放因子進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（表4）。從圖1和表4可知，在不同秸稈還田填埋深度下C10農(nóng)田N2O氣體總排放量和每日農(nóng)田N2O氣體排放量的測(cè)定值和模擬值均高于C20，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因：C10秸稈填埋深度較淺為10 cm，這說(shuō)明土壤深度為10 cm時(shí)，秸稈的分解速度較快，微生物活性也較劇烈，硝化作用得到了加強(qiáng)，因此農(nóng)田N2O氣體排放量也隨之增加，這與Wang等[20]對(duì)有機(jī)質(zhì)分解與填埋深度的關(guān)系研究結(jié)果一致。同時(shí)通過(guò)DNDC模型模擬得到N2O氣體排放因子，C10的模擬值也高于C20，這說(shuō)明DNDC模型可以區(qū)分由于秸稈還田填埋深度的不同所帶來(lái)的N2O氣體排放總量的變化。對(duì)比N2O氣體排放總量和N2O氣體排放因子的測(cè)定值與模擬值可以發(fā)現(xiàn)，測(cè)定值均小于模擬值，這主要是DNDC模型過(guò)高地估計(jì)了土壤中硝化作用和反硝化作用[21-22]，因此，年N2O氣體排放量和排放因子的模擬值高于測(cè)定值。

2.2 靈敏度

年平均溫度、土壤pH、SOC含量、施肥量和秸稈還田量這5個(gè)因子進(jìn)行靈敏度分析，結(jié)果見(jiàn)圖2。在對(duì)研究區(qū)水稻生長(zhǎng)期間N2O排放量的模擬中，年平均溫度、土壤pH、SOC含量、施肥量和秸稈還田量這5個(gè)因素均會(huì)對(duì)C10和C20的N2O排放總量產(chǎn)生較大影響。C10在年均溫下降1 ℃時(shí)，N2O總量呈上升趨勢(shì)，而C20在年均溫下降

1 ℃時(shí)，N2O總量呈下降趨勢(shì)（圖2A）。這是因?yàn)镃10的秸稈填埋在10 cm處，年均溫下降1 ℃，可能更適合微生物的活動(dòng)，因此N2O排放總量上升。但同樣年均溫下降1 ℃，C20的秸稈填埋在20 cm處，由于20 cm處的微生物量比10 cm處的微生物量少，且秸稈的分解速度慢，因此雖然年均溫下降1 ℃，但造成N2O排放總量減少的效果并不明顯，仍比正常溫度低，這與Beer 等[23]的研究結(jié)果一致。土壤pH也是影響N2O排放的重要因素。隨著pH的變化，C10和C20的N2O排放總量變化趨勢(shì)一致（圖2B）。這說(shuō)明不管秸稈填埋的深度如何變化，堿性條件均不利于硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的生存，因此也不利于N2O的排放。SOC含量的變化也會(huì)影響N2O的排放，但隨著SOC含量的升高，C10的N2O排放總量呈先升高后下降的趨勢(shì)，而C20的N2O排放總量則呈先升高后平穩(wěn)的趨勢(shì)，同時(shí)在SOC含量最高時(shí)，C20的N2O排放總量超過(guò)了C10的N2O排放總量。這是由于SOC的上升可以在秸稈 分解的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提供給微生物足夠的碳源，以增強(qiáng)其活性，因此土壤中硝化作用和反硝化作用顯著上升，N2O排放總量也隨之增加。但上升到一定程度后N2O排放總量達(dá)到平衡狀態(tài)[24]。施肥量和秸稈還田量的提高均會(huì)在C10和C20中引起N2O排放總量上升的趨勢(shì)（圖2D、圖2E），其中秸稈還田的N2O排放總量變化趨勢(shì)和SOC的N2O排放總量變化趨勢(shì)一致。

3 結(jié)論

（1） DNDC模型可以模擬不同秸稈還田填埋深度下每日N2O氣體排放量變化趨勢(shì)以及N2O氣體排放總量。從模擬結(jié)果可以看出，秸稈填埋深度為20 cm時(shí)更能減少農(nóng)田N2O氣體排放總量。

（2） 通過(guò)對(duì)年平均溫度、土壤pH、SOC含量、施肥量和秸稈還田量這5個(gè)因子的靈敏度分析可知，年平均溫度、土壤pH、SOC含量、施肥量和秸稈還田量均可以影響不同秸稈還田填埋深度下N2O氣體的排放總量。同時(shí)年平均溫度、SOC含量和秸稈還田量會(huì)抑制秸稈填埋深度10 cm時(shí)的N2O氣體排放總量。而土壤pH為堿性時(shí)會(huì)同時(shí)抑制秸稈填埋深度10和20 cm時(shí)N2O氣體排放總量。

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