基于DNDC模型的冬小麥-夏玉米農(nóng)田滴灌施肥優(yōu)化措施研究

陳 靜，王迎春，李 虎*，王立剛，吳永常，韋文珊

（1 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與發(fā)展研究所，北京 100081；2 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）

N2O在大氣中的含量很低，但是其單分子全球增溫潛勢(shì)是CO2的298倍[1]，被列為排在二氧化碳、甲烷之后的第三大溫室氣體，農(nóng)業(yè)土壤排放的N2O約占人類活動(dòng)N2O排放總量的52%[2]。氣象因素、土壤特征和農(nóng)田管理措施均可能影響土壤中硝化和反硝化的過程，進(jìn)而影響N2O排放，其中化學(xué)氮肥施用是影響N2O排放的主要因素[3]。最近幾十年，我國(guó)由于施氮所產(chǎn)生的N2O排放已經(jīng)占到全球排放量的25%～30%，對(duì)全球氣候變暖產(chǎn)生了重大影響[4]。滴灌施肥是一種具有節(jié)水、節(jié)肥和減排效果的農(nóng)田管理技術(shù)，與傳統(tǒng)灌溉和施肥方式相比能顯著提高14%～35%的水分利用效率[5-7]和30%左右的肥料利用效率[8-9]，同時(shí)能減少30%～75%的N2O排放[10-13]，但是也有研究結(jié)果顯示由于滴灌施肥較高的灌溉頻率[14-15]和增加了土壤中硝態(tài)氮的累積[16]反而會(huì)增加N2O排放。因此，科學(xué)地制定和實(shí)施滴灌施肥管理措施，在保障作物產(chǎn)量的同時(shí)減少溫室氣體排放，對(duì)于促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。準(zhǔn)確地估算不同滴灌施肥管理?xiàng)l件下的作物產(chǎn)量和溫室氣體排放是科學(xué)制定和實(shí)施管理方案的基礎(chǔ)。模型作為田間觀測(cè)方法的補(bǔ)充，能對(duì)作物系統(tǒng)復(fù)雜生物地球化學(xué)等過程進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，又具有現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)所欠缺的預(yù)測(cè)功能，越來越被世界各地廣泛應(yīng)用[17]。其中DNDC (Denitrification-Decomposition) 模型由于在模擬作物生長(zhǎng)與溫室氣體排放上的良好表現(xiàn)，是各國(guó)科學(xué)家重點(diǎn)關(guān)注的模型之一[18-22]，現(xiàn)已成為尋求控制和減少農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放技術(shù)措施的有效工具[23]。

華北平原是我國(guó)重要的糧食產(chǎn)區(qū)，過量施肥所引發(fā)的農(nóng)業(yè)面源污染問題正威脅區(qū)域生態(tài)安全[24-25]，在農(nóng)民習(xí)慣種植條件下，華北平原冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)年N2O排放量可達(dá) N 4.1～7.6 kg/hm2[25-26]。滴灌施肥技術(shù)在我國(guó)大田作物上的應(yīng)用示范面積正逐漸擴(kuò)大，到2020年在華北地區(qū)應(yīng)用滴灌施肥等水肥一體化技術(shù)的小麥、玉米農(nóng)田將達(dá)到2000萬畝[27]。因此通過優(yōu)化華北地區(qū)小麥-玉米農(nóng)田滴灌施肥管理措施，能有效減少華北平原冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)N2O排放，進(jìn)而減少對(duì)氣候變暖的影響。

滴灌施肥管理在滴灌施肥頻率和滴灌施肥量上都具有很大的靈活性，因此田間試驗(yàn)處理局限性可能對(duì)增產(chǎn)和減排效果的科學(xué)評(píng)估帶來偏差，進(jìn)而錯(cuò)過最優(yōu)的增產(chǎn)減排方案。本研究針對(duì)田間觀測(cè)的局限性，在利用田間觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)DNDC模型進(jìn)行驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，應(yīng)用DNDC模型評(píng)價(jià)不同滴灌施肥方案對(duì)華北典型冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)作物產(chǎn)量和溫室氣體凈排放的綜合影響。綜合考慮作物產(chǎn)量和N2O排放提出優(yōu)化的冬小麥-夏玉米體系滴灌施肥制度，分析優(yōu)化滴灌施肥措施下的N2O減排成效和經(jīng)濟(jì)效益，以期為滴灌施肥技術(shù)在華北平原的推廣應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)和方法參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)概況

本試驗(yàn)于2012—2013年在山東省桓臺(tái)縣新城鎮(zhèn)逯家村長(zhǎng)期試驗(yàn)基地 (北緯 36°57ˊ30"，東經(jīng)117°58ˊ15") 進(jìn)行，屬半干旱半濕潤(rùn)暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候。試驗(yàn)區(qū)主要種植制度為冬小麥/夏玉米輪作，本試驗(yàn)在已連續(xù)多年實(shí)施免耕和秸稈還田管理的冬小麥-夏玉米輪作農(nóng)田上進(jìn)行。供試農(nóng)田土壤質(zhì)地為粉土壤，其他基礎(chǔ)理化性質(zhì)見表1。

表1 試驗(yàn)地土壤理化性質(zhì)Table 1 Soil physical-chemical proprieties of the experimental plots

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究共設(shè)計(jì)2組試驗(yàn)，分別為測(cè)熵補(bǔ)灌試驗(yàn)和生育期滴灌施肥試驗(yàn)。其中測(cè)熵補(bǔ)灌試驗(yàn)中施肥量固定，生育期滴灌施肥試驗(yàn)中灌溉方案固定。2個(gè)試驗(yàn)共同設(shè)置1個(gè)常規(guī)地面灌溉+肥料撒施處理 (CWF)和常規(guī)地面灌溉不施肥 (CK) 作為對(duì)照，CWF處理灌溉、施肥量和時(shí)間與當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣一致，冬小麥季施氮270 kg/hm2(底施N 120 kg/hm2，拔節(jié)期追施N 150 kg/hm2)，夏玉米季施氮330 kg/hm2(底施N 120 kg/hm2，大喇叭口期追施N 210 kg/hm2)，底肥為NPK復(fù)合肥料，追肥為尿素。灌水定額為每次90 mm，冬小麥季灌3次水，夏玉米季灌1次水。

1.2.1 測(cè)熵補(bǔ)灌試驗(yàn) (第1組試驗(yàn)) 綜合計(jì)劃濕潤(rùn)深度、濕潤(rùn)區(qū)比例、灌溉系統(tǒng)效率等影響測(cè)墑補(bǔ)灌量的不確定因素，以灌溉系數(shù)為計(jì)量，設(shè)置了5個(gè)灌溉處理，分別為W1 (灌溉系數(shù)0.5)、W2 (灌溉系數(shù)0.75)、W3 (灌溉系數(shù)1)、W4 (灌溉系數(shù)1.5) 和W5 (灌溉系數(shù) 2)。灌水量 (mm) 由公式Q= 10a×H×(θfc-θ0) 計(jì)算得出[28]。式中：a為灌溉系數(shù)；H為土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層的深度 (cm)，本試驗(yàn)計(jì)劃濕潤(rùn)深度為40 cm；θfc為田間持水量 (體積含水量)；θ0為灌溉前計(jì)劃濕潤(rùn)深度土壤體積含水量，灌溉下限為85%田間持水量。根據(jù)上述公式計(jì)算得出不同灌溉系數(shù)處理的灌溉量。每個(gè)小區(qū)灌水量由單獨(dú)的水表計(jì)量，不同時(shí)期具體灌水量如表2。施肥方案選擇試驗(yàn)2中的N2處理 (表2)。

1.2.2 生育期滴灌施肥試驗(yàn) (第2組試驗(yàn)) 設(shè)置3個(gè)施氮量梯度處理即N1 (35% 農(nóng)民常規(guī)施氮量)、N2 (70%農(nóng)民常規(guī)施氮量) 和N3 (100%農(nóng)民常規(guī)施氮量)，滴灌量與第1組試驗(yàn)的W3處理相同。施肥比例為冬小麥季分蘗期占15%，拔節(jié)期占20%，孕穗期占25%，揚(yáng)花期占25%，灌漿期占15%；夏玉米季拔節(jié)期占15%，小喇叭口期占15%，大喇叭口期占20%，抽雄期占20%，灌漿期占20%，蠟熟期占10%。各施氮處理中磷、鉀肥用量相同，折純P2O5和K2O的具體用量分別為冬小麥84.7 kg/hm2和118.3 kg/hm2，夏玉米分別189 kg/hm2和84.7 kg/hm2。氮、鉀肥全部滴施，磷肥20%作為底肥一次施入，80%滴施。滴施氮肥中三個(gè)施氮量處理中均有13 kg氮來自磷酸一銨，其余來自于尿素。具體的灌溉施肥時(shí)間和灌溉施肥量見表2和表3。

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每處理重復(fù)3次，試驗(yàn)小區(qū)面積50 m2(5 m × 10 m)。滴灌系統(tǒng)采用滴灌線，滴頭間距30 cm，每行小麥布設(shè)1條毛管。灌溉井在試驗(yàn)區(qū)東南角，試驗(yàn)區(qū)四周均有寬2.5 m的保護(hù)行。每個(gè)小區(qū)配備一個(gè)壓差式施肥罐和一個(gè)水表，以保證每個(gè)小區(qū)單獨(dú)灌水和施肥的要求，灌溉總壓力為0.3 Mpa，平均滴頭流速為0.15 L/h。供試小麥品種為當(dāng)?shù)刂髟云贩N‘魯原502’，玉米品種為‘鄭單958’。

1.3 樣品采集與模擬數(shù)據(jù)獲取

采用靜態(tài)箱法監(jiān)測(cè)供試冬小麥-夏玉米農(nóng)田土壤的N2O排放通量。靜態(tài)箱置于作物畦上，一行小麥或玉米落在底座內(nèi)。每次滴灌施肥后逐日采樣7天；每次10 mm以上日降雨后，逐日采樣5天；每次播種后連續(xù)取樣3天；其他情況下，3 ～11月每周采樣1次，12月、1月和2月份每2周采樣一次。為了便于比較和減少日變化所導(dǎo)致的N2O排放通量差異，取樣時(shí)間保持在當(dāng)?shù)貢r(shí)間的9: 00—11: 00之間進(jìn)行。

采集每針氣樣時(shí)，同時(shí)測(cè)定該時(shí)期的氣溫、箱內(nèi)溫度和5 cm土壤溫度，在取氣樣小區(qū)內(nèi)隨機(jī)取三點(diǎn)0—10 cm土壤充分混合，置于預(yù)先裝有冰塊的保溫箱中，帶回實(shí)驗(yàn)室后，一部分利用烘干法測(cè)定土壤含水量；另一部分立即過2 mm篩，稱取鮮土24.00 g，裝入500 mL 白色振蕩瓶中，加入100 mL 1 mol /L的KCl 溶液浸提，振蕩1 h，將濾液于-18℃冰柜中保存，測(cè)定前解凍，利用連續(xù)流動(dòng)分析儀 (Autoanalyzer 3) 測(cè)定無機(jī)氮 (-N、-N) 含量。作物收獲時(shí)，選小區(qū)長(zhǎng)勢(shì)均勻的區(qū)域取7.5 m2(3 m × 2.5 m) 進(jìn)行測(cè)產(chǎn)，單獨(dú)脫粒曬干 (含水率為12.5%) 后計(jì)產(chǎn)。

表2 灌溉試驗(yàn)區(qū)冬小麥和夏玉米灌溉施肥日期和用量Table 2 Irrigation and fertilization date and amount of winter wheat and summer maize in each plot

表3 DNDC模擬的灌溉方法表征參數(shù)Table 3 Indicted parameters for simulated irrigation method of DNDC

通過田間小型氣象站獲取逐日氣象資料 (日降雨量、日最高和最低氣溫)；實(shí)時(shí)記錄田間管理措施(施肥日期、施肥方式、施肥量、灌溉日期、灌溉水量、耕作時(shí)間、播種及收獲日期等)。

1.4 N2O分析計(jì)算方法

本研究采用安捷倫7890A氣相色譜分析儀 (安捷倫科技 (中國(guó)) 有限公司) 檢測(cè)采集到的氣體樣品中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)狻?/p>

N2O排放通量計(jì)算公式為：

式中：F為N2O排放通量 (N kg/hm2)；ρo為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下待測(cè)氣體密度；V為箱子體積 (m3)；A為罩箱面積(m2)；T和P分別為采樣時(shí)的絕對(duì)溫度 (℃) 和采樣點(diǎn)的氣壓 (mm Hg)；T0和P0分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣的絕對(duì)溫度 (℃) 和氣壓 (mm Hg)；Ct為t時(shí)刻箱內(nèi)N2O的體積混合比濃度；dCt/dt為箱內(nèi)目標(biāo)氣體濃度隨時(shí)間變化的回歸直線斜率。各處理整個(gè)生長(zhǎng)季或全年總的N2O排放量直接由觀測(cè)通量值計(jì)算，用內(nèi)插法計(jì)算相鄰兩次監(jiān)測(cè)之間未觀測(cè)日期的排放通量，然后將觀測(cè)值和未觀測(cè)日計(jì)算值逐日累加得到N2O季節(jié)排放總量。

根據(jù)施氮肥 (N1、N2、N3、C) 和對(duì)照處理 (CK)的N2O季節(jié)排放總量和氮肥施用量計(jì)算冬小麥和夏玉米生長(zhǎng)季N2O直接排放系數(shù) (指當(dāng)年或當(dāng)季施用的肥料氮素通過N2O排放損失的比率，EFd)，計(jì)算公式為：

式中：EF和EC分別為施氮肥和對(duì)照處理下冬小麥-夏玉米生長(zhǎng)季N2O排放總量 (N kg/hm2)，N為當(dāng)季施氮肥量 (N kg/hm2)。

排放強(qiáng)度是指形成單位經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的N2O排放量。計(jì)算公式為：

式中：I為排放強(qiáng)度 (N kg/t)；F為供試農(nóng)田土壤N2O排放通量 (N kg/hm2)；Y為作物產(chǎn)量 (t/hm2)。

1.5 DNDC模型滴灌施肥模擬方法

對(duì)于旱地農(nóng)業(yè)，DNDC模擬的基本灌溉方法包括漫灌 (furrow irrigation)、噴灌 (sprinkler irrigation)、地上滴灌 (surface drip irrigation) 和地下滴灌 (subsurface drip irrigation)。在DNDC中，這些灌溉方法通過灌水深度、灌溉強(qiáng)度和植根近水系數(shù)來表征。這些參數(shù)的數(shù)值列于表3中。

DNDC模擬滴灌施肥的方法是將上述灌溉方法與施肥相結(jié)合，即將化肥溶解在灌溉水中，然后將灌溉水輸入農(nóng)田。為實(shí)施這種模擬，用戶需事先準(zhǔn)備好一個(gè)水肥一體化灌溉情景文件，該文件提供每日輸入農(nóng)田的水量、化肥量和灌溉方法。DNDC根據(jù)讀入的數(shù)據(jù)，來確定每日的灌溉水量、化肥量和灌溉方法。在本研究中，灌溉方法為地上滴灌。

1.6 經(jīng)濟(jì)效益分析方法

利用部分預(yù)算法[29]，將農(nóng)田管理技術(shù)投入分為固定投入和變量投入兩部分，固定投入為新技術(shù)與原技術(shù)相比沒有變化的投入 (可視為一個(gè)常數(shù))，重點(diǎn)計(jì)算變量投入的投資收益率來分析滴灌施肥優(yōu)化方案的經(jīng)濟(jì)效益。具體計(jì)算公式如下：

基于部分預(yù)算法的新技術(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)：1) 如凈收益保持不變或降低，則不應(yīng)采用新技術(shù)；2) 如凈收益增加，變量投入保持不變或降低，則推薦采用新技術(shù)；3) 如果凈收益和變量投入都增加，則根據(jù)收益率來確定是否采用新技術(shù)，只有當(dāng)收益率至少超過100% 新技術(shù)才應(yīng)該被采用[30]。

2 結(jié)果與分析

2.1 DNDC模型水肥一體化模塊的驗(yàn)證

在試驗(yàn)地氣候、土壤背景和土地利用條件下更全面的驗(yàn)證DNDC模型，是應(yīng)用DNDC模型水肥一體化模塊深入研究不可或缺的工作。模型的驗(yàn)證是通過實(shí)際觀測(cè)參數(shù)來運(yùn)轉(zhuǎn)校正后的模型，以檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷哪M結(jié)果是否與田間試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果一致。本文利用2012—2013年冬小麥-夏玉米季各滴灌施氮(N1、N2和N3) 措施下N2O排放和小麥、玉米產(chǎn)量以及不同滴灌 (W1、W2、W3、W4、W5) 措施下的作物產(chǎn)量對(duì)DNDC模型進(jìn)行驗(yàn)證，考察模型水肥一體化模塊的有效性。

2.1.1 DNDC模擬作物產(chǎn)量與田間觀測(cè)結(jié)果比較準(zhǔn)確地模擬作物產(chǎn)量是生物地球化學(xué)模型成功的關(guān)鍵。DNDC模型對(duì)作物產(chǎn)量的模擬主要由作物生長(zhǎng)子模型來進(jìn)行，根據(jù)作物種類、氣溫、土壤濕度、管理措施來計(jì)算光合作用、自養(yǎng)呼吸、光合產(chǎn)物分配、水分及氮吸收，從而預(yù)測(cè)作物的產(chǎn)量[2]。

冬小麥-夏玉米輪作不同滴灌量和施肥量處理的產(chǎn)量模擬對(duì)比結(jié)果(圖1)表明，各施氮量處理下模型模擬值與觀測(cè)值的相關(guān)系數(shù)R2值為0.77，說明DNDC模型能較好的模擬各施氮量處理下供試農(nóng)田的作物產(chǎn)量。具體而言：模型再現(xiàn)了實(shí)測(cè)中冬小麥產(chǎn)量N2處理最高，N3處理反而有所下降，而夏玉米N2和N3處理產(chǎn)量差異較小的規(guī)律特征。只有夏玉米季N1處理產(chǎn)量模擬值和實(shí)測(cè)值差距較大，在這一處理中，夏玉米在施氮量?jī)H為常規(guī)施氮量的35%的情況下實(shí)測(cè)產(chǎn)量下降不顯著可能是由于試驗(yàn)地土壤基礎(chǔ)硝態(tài)氮含量較高，而且在氮素嚴(yán)重不足的情況下生態(tài)因子補(bǔ)償性發(fā)揮作用調(diào)節(jié)作物生長(zhǎng)，致使實(shí)際產(chǎn)量對(duì)施肥量降低的敏感度低于模型，導(dǎo)致模型模擬值與實(shí)測(cè)值差異較大。各滴灌量處理下模擬值與觀測(cè)值相關(guān)系數(shù)R2值為0.93，表明DNDC模型能夠很好的模擬各滴灌量處理下供試農(nóng)田的作物產(chǎn)量，再現(xiàn)了冬小麥季滴灌量最高的W5處理下作物產(chǎn)量開始有所下降，夏玉米季滴灌量對(duì)產(chǎn)量影響不明顯的趨勢(shì)。總體來看，DNDC模型具備了模擬滴灌施肥一體化管理措施下冬小麥和夏玉米產(chǎn)量的能力。

圖1 作物產(chǎn)量模擬值與觀測(cè)值比較Fig. 1 Comparison of crop yields between the simulated and observed ones

2.1.2 DNDC模擬N2O排放與田間觀測(cè)結(jié)果比較2012—2013年冬小麥-夏玉米生長(zhǎng)季N2O排放總量的田間實(shí)測(cè)值和模擬值比較結(jié)果如圖2所示。結(jié)果表明，N0、N1、N2和N3處理下N2O排放季節(jié)總量觀測(cè)結(jié)果分別為N 0.53、1.14、1.56、1.73 kg/hm2；相應(yīng)的DNDC模擬結(jié)果分別為N 0.62、1.10、1.42、2.28 kg/hm2。模擬結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果接近，R2值為0.83。模擬結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果的比較表明，經(jīng)過參數(shù)調(diào)整后的DNDC能準(zhǔn)確的模擬不同滴灌施氮措施對(duì)N2O排放總量的影響。

圖2 N2O排放總量模擬值與實(shí)測(cè)值比較Fig. 2 Comparison of N2O emissions between the simulated and observed ones

圖3 N2O排放季節(jié)動(dòng)態(tài)實(shí)測(cè)值與模擬值比較Fig. 3 Comparison between the simulated and observed N2O emissions after model calibration

試驗(yàn)地4個(gè)滴灌施氮處理2012—2013年土壤N2O排放季節(jié)動(dòng)態(tài)田間實(shí)測(cè)值和模擬值比較見圖3。如前所述，滴灌施肥條件下，N2O排放峰值很低，主要是在滴灌施肥和強(qiáng)降雨后出現(xiàn)3～5天的排放波動(dòng)，且夏玉米季N2O排放量高于冬小麥季，模型基本捕捉到了實(shí)測(cè)到的各處理在滴灌施肥和降雨后引發(fā)的N2O排放波動(dòng)，同時(shí)反映了滴灌施肥條件下7月的雨季高峰期對(duì)農(nóng)田土壤N2O排放的貢獻(xiàn)最大的現(xiàn)象，模擬的N2O排放動(dòng)態(tài)規(guī)律與實(shí)測(cè)值基本一致。但是這幾個(gè)處理中模型都沒有捕捉到耕作時(shí)所引起的實(shí)測(cè)很低的排放波動(dòng)，可能是由于試驗(yàn)地采用夏玉米播種時(shí)免耕，冬小麥播種時(shí)少耕的模式，同時(shí)沒有施入N肥底肥，模型認(rèn)為這樣土壤受到的擾動(dòng)很少，不會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的排放波動(dòng)，而實(shí)際中雖然是免耕和少耕，播種時(shí)還是會(huì)對(duì)土壤有一定的擾動(dòng)，加上需要對(duì)試驗(yàn)器材進(jìn)行保護(hù)，收獲和播種時(shí)人經(jīng)常需要在農(nóng)田中走動(dòng)，因而造成了一定的N2O排放波動(dòng)?？傮w來說，在滴灌施肥條件下，DNDC模型可以在排放動(dòng)態(tài)方面較真實(shí)地模擬N2O排放通量，能較可靠地模擬滴灌施肥措施對(duì)冬小麥/夏玉米農(nóng)田土壤N2O排放的影響。

2.2 華北平原滴灌施肥情景模擬與優(yōu)化

滴灌施肥管理措施中施氮量、滴灌量、滴灌施肥時(shí)間、次數(shù)和措施都會(huì)影響該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用效果。大田試驗(yàn)具有耗時(shí)長(zhǎng)、成本高、可控性差等問題，而模型模擬可以解決這一問題，因此本文通過校正并驗(yàn)證過的模型模擬篩選出適用于華北平原的最優(yōu)的滴灌施肥一體化措施。首先通過設(shè)置不同的灌溉和施氮量情景篩選出最優(yōu)的滴灌施肥量，之后在固定滴灌施肥量的基礎(chǔ)上優(yōu)化滴灌施肥管理時(shí)間和次數(shù)。

2.2.1 滴灌施氮量的優(yōu)化 以試驗(yàn)中篩選出的最佳管理N2和W3處理的施氮量和滴灌量作為基礎(chǔ)值，在此基礎(chǔ)上設(shè)置8個(gè)不同滴灌量和施氮量 (表4)，通過DNDC模型模擬不同情景下的冬小麥和夏玉米的產(chǎn)量及N2O排放總量，從增產(chǎn)和減排多目標(biāo)的角度篩選華北平原最優(yōu)的水肥一體化管理措施，具體如圖4所示。通過對(duì)比可以看出，與試驗(yàn)結(jié)果一致，基礎(chǔ)值滴灌量情景下冬小麥產(chǎn)量最高，灌溉量變化對(duì)N2O排放總量的影響不大。滴灌量變化對(duì)與夏玉米產(chǎn)量幾乎沒有影響，減灌80%的灌水量處理為最優(yōu)，沒有繼續(xù)降低滴灌量是因?yàn)闇p灌80%后每次灌溉量?jī)H為4.8 mm，已經(jīng)接近能把肥料完全滴入農(nóng)田土壤中的下限灌溉量。因此最優(yōu)灌溉量冬小麥季為本底值 (130 mm)，夏玉米季為減灌80% (19 mm)。不同施氮量情景下，基礎(chǔ)值之前作物產(chǎn)量逐漸增加，基礎(chǔ)值之后繼續(xù)增加氮肥投入對(duì)產(chǎn)量的促進(jìn)作用不大，但N2O排放量急劇上升，因此基礎(chǔ)值 (冬小麥N 189 kg/hm2、夏玉米N 231 kg/hm2) 的施氮量是產(chǎn)量和N2O排放綜合最優(yōu)的施氮量。

表4 DNDC模型模擬設(shè)置的滴灌量和施氮量情景模式Table 4 Scenarios of irrigation quantity and nitrogen amount for DNDC simulation

2.2.2 滴灌施氮時(shí)間和頻率的模擬與優(yōu)化 玉米生長(zhǎng)季中的7月份是試驗(yàn)區(qū)2012—2013年降雨量最大的時(shí)期，占全年降水總量的67.4%，歷史年份中7月份均為降雨量最大的時(shí)期。同時(shí)在7月由于土壤水分含量很大，不宜采用滴灌施肥措施，而是采用條施追肥，從而進(jìn)一步促進(jìn)了N2O的排放。從田間監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)都可以看出，7月份N2O排放峰值最高，總量也最高，N1、N2和N3處理7月份N2O排放總量平均占全年排放總量的比例實(shí)測(cè)結(jié)果為25%，模型模擬結(jié)果為28%。因此筆者考慮在玉米生長(zhǎng)季優(yōu)化滴灌施肥時(shí)間和次數(shù)，將玉米7月中下旬撒施的兩次肥料分別調(diào)整到7月7日和8月10日分別通過滴灌施入，調(diào)整后整個(gè)玉米生育期共滴灌施肥4次，分別是7月7日施氮(N) 69.3 kg/hm2，8月10日施氮(N) 92.4 kg/hm2，8月24日施氮(N) 46.2 kg/hm2和9月15日施氮(N) 23.1 kg/hm2。DNDC模型在優(yōu)化方案下的模擬的結(jié)果如圖5所示，在作物產(chǎn)量方面，模擬的結(jié)果與田間試驗(yàn)篩選出的最佳處理相比，減少了2%的小麥產(chǎn)量，玉米產(chǎn)量沒有顯著差異，與常規(guī)對(duì)照 (CK) 處理相比，小麥和玉米總產(chǎn)量略有增加 (2.68%)，差異也不顯著。在N2O排放方面，模擬優(yōu)化篩選出的滴灌施肥最優(yōu)方案由于減少了夏玉米生長(zhǎng)季中雨季的施肥量，有效減少了當(dāng)季N2O排放總量，比田間試驗(yàn)篩選出的最佳處理減少了16%的N2O排放。

圖4 不同滴灌量和施氮量對(duì)冬小麥-夏玉米產(chǎn)量和N2O排放總量的影響Fig. 4 Effects of different drip irrigation and fertilization amounts on crop fields and N2O emission

圖5 玉米滴灌施肥調(diào)優(yōu)處理前后的產(chǎn)量和N2O排放總量比較Fig. 5 Comparisons of yield and N2O emission between before and after the optimized fertigation practices

由此可見，通過對(duì)玉米施肥時(shí)間、方式和次數(shù)的調(diào)優(yōu)，與田間試驗(yàn)篩選出的最佳滴灌施肥處理相比，可以在不影響作物產(chǎn)量的基礎(chǔ)上減少16%的N2O排放，具有明顯的減少溫室氣體排放效果。減少施肥次數(shù)還可以減少人力和成本消耗，因此將玉米季雨季條施共6次施肥優(yōu)化為分4次全部滴灌施肥。

2.3 優(yōu)化滴灌施肥技術(shù)的節(jié)能減排效果和經(jīng)濟(jì)效益分析

2.3.1 節(jié)能減排效果分析 在DNDC模型情景模擬篩選出的優(yōu)化滴灌施肥方案下，整個(gè)冬小麥-夏玉米生長(zhǎng)季共滴灌149 mm，施氮420 kg/hm2，與常規(guī)漫灌撒肥相比可以節(jié)水58.61%、節(jié)氮30.0%。小麥季和玉米季的N2O排放總量分別為N 0.27 kg/hm2和0.97 kg/hm2，常規(guī)灌溉施肥處理下分別為N 0.63 kg/hm2和1.85 kg/hm2，優(yōu)化滴灌施肥管理在小麥季和玉米季分別比常規(guī)灌溉施肥管理N2O排放通量減少了N 0.36 kg/hm2和0.88 kg/hm2，全年共減少50%的N2O排放。

2.3.2 經(jīng)濟(jì)效益分析 經(jīng)濟(jì)效益是影響滴灌施肥技術(shù)推廣應(yīng)用的主要因素之一，本文采用部分預(yù)算法分析由常規(guī)地面灌溉和 肥料撒施措施改變?yōu)閮?yōu)化滴灌施肥措施后的經(jīng)濟(jì)效益變化。如表5所示，由常規(guī)灌溉施肥改變?yōu)閮?yōu)化滴灌施肥措施后總成本增加了580.20元/hm2，凈收益增加了1336.41元/hm2。進(jìn)而從收益率上看，增加投資部分的收益率為230.3%，遠(yuǎn)大于100%這一新技術(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)，因此試驗(yàn)區(qū)冬小麥-夏玉米典型農(nóng)田采用科學(xué)的滴灌施肥措施從經(jīng)濟(jì)效益來看是可行的。

表5 常規(guī)和調(diào)優(yōu)灌溉施肥方案及收益預(yù)算Table 5 Partial budget analysis for conventional and optimized fertilization

3 討論

3.1 DNDC模型模擬

機(jī)理模型 (比如DNDC模型) 是研究碳氮循環(huán)過程非常強(qiáng)大的工具，越來越多的被用來模擬管理措施和氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)的潛在影響[16]。China-DNDC能夠較好地模擬我國(guó)小麥-玉米農(nóng)田包括滴灌在內(nèi)的不同管理措施下的作物產(chǎn)量和N2O排放變化規(guī)律[31]。本研究利用最新版本的DNDC 9.5模型模擬滴灌施肥管理措施下的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)。通過與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，對(duì)模型的內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，模型能夠較好的模擬滴灌施肥條件下作物產(chǎn)量和農(nóng)田土壤N2O排放變化規(guī)律，為華北平原典型農(nóng)田滴灌施肥研究提供了有效的模擬工具。但是DNDC模型為了方便應(yīng)用簡(jiǎn)化了很多輸入?yún)?shù)[31]，特別是其中的水肥一體化模塊對(duì)N2O排放的模擬以經(jīng)驗(yàn)參數(shù)為主，本研究校正了其與溫度相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，但是對(duì)施氮量過高情景的模擬效果還不夠理想，有待進(jìn)一步通過機(jī)理公式改進(jìn)。此外，這些措施不可避免的受到氣象條件和土壤物理特性變異等因素的影響，雖然從試驗(yàn)結(jié)果分析來看，基本反映出了滴灌施肥條件下增效和減排效應(yīng)，但是關(guān)于滴灌施肥下不同年型產(chǎn)量的波動(dòng)以及水氮耦合的生態(tài)效應(yīng)年際差異還有待于更深入的研究。

3.2 N2O排放

本研究表明，優(yōu)化后的滴灌施肥處理年累積排放總量為N 1.24 kg/(hm2·a)，全年比常規(guī)灌溉施肥處理減少50%的N2O排放總量。這一結(jié)果與Aguilera等[32]綜述的在滴灌條件下平均周年N2O排放總量為N 1.2 kg/(hm2·a) 的研究結(jié)果相似。楊黎等[33]利用DNDC模型開展了優(yōu)化施氮模擬，模擬篩選出的施用緩釋肥或添加硝化抑制劑的優(yōu)化施氮措施與當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣施肥相比，不會(huì)明顯影響作物產(chǎn)量，能有效減少 N2O 排放，但凈排放降低幅度有限 (8%～13%)。本研究的優(yōu)化滴灌施肥措施N2O減排效果更佳的原因可能有如下三個(gè)方面：一方面施氮量的降低是減少N2O排放的重要原因[29]。另一方面滴灌措施的以下特點(diǎn)也可能是減排的主要原因：1)滴灌條件下不完全濕潤(rùn)的土壤濕潤(rùn)模式和持續(xù)穩(wěn)定的土壤濕度狀態(tài)[34]；2)直接施到作物根區(qū)的施肥位置[35]和水肥一體化的施肥方式[36]；3)較高的施肥頻率[37]和每次較低的施肥量[38]；4)更高的作物吸N效率[39]。另外，滴灌施肥條件下，第一季作物收獲后的第一個(gè)雨季是N2O排放的高峰期[13]，本研究?jī)?yōu)化措施中刻意避開了玉米生長(zhǎng)期內(nèi)雨季的氮肥施入，有效減少了N2O排放。

3.3 經(jīng)濟(jì)效益

大田滴灌技術(shù)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)效益與應(yīng)用的作物生產(chǎn)的農(nóng)產(chǎn)品的市場(chǎng)價(jià)格息息相關(guān)，前人的研究顯示，在棉花大田上應(yīng)用膜下滴灌技術(shù)與常規(guī)溝灌或淹灌方式相比純收益可增加20%左右[40-41]。但是在小麥等糧食作物上應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)效益相對(duì)更不明朗，Bakhsh等[42]在巴基斯坦的小麥田間試驗(yàn)結(jié)果顯示，滴灌和傳統(tǒng)漫灌的產(chǎn)投比分別是2.47和1.96，滴灌比漫灌提高了26%。Fang等[43]在我國(guó)東北平原的田間試驗(yàn)結(jié)果顯示，滴灌與漫灌相比增加了30%的成本投入，當(dāng)灌溉水有限時(shí)，滴灌措施能夠提高作物產(chǎn)量，并提高經(jīng)濟(jì)效益，當(dāng)灌溉水比較豐富時(shí)，滴灌措施不能提高作物產(chǎn)量，經(jīng)濟(jì)效益反而比漫灌條件下低。本研究的結(jié)果支持滴灌施肥措施具有積極經(jīng)濟(jì)效益的結(jié)論，優(yōu)化后的滴灌施肥措施與常規(guī)灌溉施肥措施相比，凈收益增加了1336.41 元/hm2，增加投資部分的收益率為230.3%(＞ 100%)。

4 結(jié)論

1) DNDC模型具備了準(zhǔn)確模擬滴灌施肥條件下冬小麥夏玉米輪作體系農(nóng)田N2O排放動(dòng)態(tài)規(guī)律，可為華北平原典型農(nóng)田滴灌施肥研究提供有效的工具。

2) DNDC模型模擬分析表明優(yōu)化的滴灌施肥制度為：冬小麥季在作物主要生長(zhǎng)期分4次滴灌施肥，滴灌量130 mm，隨水施N 189 kg/hm2；夏玉米季在作物主要生長(zhǎng)期分4次滴灌施肥，滴灌量19 mm，隨水施N 231 kg/hm2。

3) 與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)灌溉撒肥措施相比，優(yōu)化滴灌施肥措施全年共節(jié)水58.6%，減氮30.0%，N2O減排50%，凈收益增加1336.41元/hm2，增加投資部分的收益率230.3% (＞ 100%)，優(yōu)化的滴灌施肥技術(shù)具有節(jié)能、減排和提高經(jīng)濟(jì)效益的應(yīng)用效果。