基于DNDC模型稻田甲烷排放影響因子的敏感性分析

朱相成，白若琦

(溫州科技職業(yè)學(xué)院a作物研究所，b信息技術(shù)學(xué)院，浙江 溫州 325006)

甲烷是全球僅次于二氧化碳的重要溫室氣體，對(duì)全球溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)達(dá)20%～30%，其中，稻田甲烷排放占比達(dá)11%[1]。目前，全球溫室效應(yīng)正在不斷加劇，溫室氣體減排壓力不斷增加，稻田溫室氣體減排仍然是學(xué)界重點(diǎn)關(guān)注的領(lǐng)域。稻田甲烷排放受水分、肥料、耕作等管理措施的調(diào)控[2-3]，同時(shí)，這些措施的調(diào)控效應(yīng)還與氣候、土壤等環(huán)境因子存在明顯的互作[4-6]?？梢姡诓煌鷳B(tài)區(qū)，同一措施對(duì)稻田甲烷排放的影響程度可能存在一定差異，導(dǎo)致不同地區(qū)低碳稻作技術(shù)和模式有所不同[7]。因此，比較氣候、土壤和栽培措施在不同稻作區(qū)對(duì)稻田甲烷排放的調(diào)控效應(yīng)，找出不同區(qū)域?qū)淄榕欧诺拿舾幸蜃?，?duì)發(fā)展低碳稻作技術(shù)有重要的意義。

通過(guò)模型方法可定量分析不同情景下不同因子對(duì)甲烷排放的影響，是評(píng)估稻田甲烷排放調(diào)控的重要輔助手段。DNDC(denitrification-decomposition)模型是美國(guó)新罕布什爾州大學(xué)李長(zhǎng)生教授開發(fā)的生物地球化學(xué)模型[8]。該模型在中國(guó)稻田甲烷排放的模擬效果已經(jīng)得到了廣泛驗(yàn)證[9-10]，已成為中國(guó)稻田甲烷排放研究的重要方法。目前，基于DNDC模型的研究多針對(duì)單個(gè)區(qū)域不同管理措施的比較，較少對(duì)比不同稻作系統(tǒng)甲烷排放調(diào)控因素的差異[11]。為此，選擇我國(guó)3個(gè)典型稻區(qū)為對(duì)象，利用DNDC模型分析環(huán)境和管理措施對(duì)不同稻作區(qū)甲烷排放的調(diào)控效應(yīng)，以期為不同稻作區(qū)低碳稻作模式的開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 模型輸入?yún)?shù)

選擇東北單季稻、長(zhǎng)江中下游稻麥輪作和南方雙季稻3種主要稻作類型為DNDC模型模擬對(duì)象。東北單季稻選遼寧省沈陽(yáng)市，長(zhǎng)江中下游稻麥輪作選江蘇省丹陽(yáng)市，南方雙季稻選江西省南昌市，通過(guò)調(diào)查3個(gè)地區(qū)稻田典型田塊的農(nóng)情數(shù)據(jù)進(jìn)行稻田甲烷排放的模擬。模型輸入?yún)?shù)包括氣象信息、土壤信息、農(nóng)田管理和作物生長(zhǎng)特性。其中，氣象信息來(lái)源于當(dāng)?shù)氐臍庀蟛块T。土壤、農(nóng)田管理、作物生長(zhǎng)特性數(shù)據(jù)通過(guò)與沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)丹陽(yáng)試驗(yàn)基地和江西省紅壤研究所合作獲取，部分?jǐn)?shù)據(jù)采用模型默認(rèn)的數(shù)值，作物生長(zhǎng)和農(nóng)田管理的數(shù)據(jù)都選自2016年水稻生長(zhǎng)季。3個(gè)點(diǎn)的氣象和土壤特性見表1。

表1 3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)主要的氣象特征和土壤特性

1.2 模型驗(yàn)證和敏感性分析

模型的敏感性分析以當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件、土壤特性和農(nóng)田管理措施為基準(zhǔn)情景，通過(guò)調(diào)整氣候條件、土壤特性和農(nóng)田管理措施參數(shù)，來(lái)分析甲烷排放對(duì)不同輸入?yún)?shù)的敏感性。測(cè)試參數(shù)選擇在±20%。采用敏感性指數(shù)(SI)來(lái)評(píng)估甲烷排放對(duì)不同參數(shù)的敏感性，計(jì)算公式：

SIi=ΔO÷O÷|ΔFi÷Fi|。

式中：SIi為第i個(gè)參數(shù)的敏感性指數(shù)；Fi為第i個(gè)輸入?yún)?shù)的均值；ΔFi為第i個(gè)輸入?yún)?shù)最大值和最小值的差值；O為輸入?yún)?shù)對(duì)應(yīng)模擬結(jié)果的均值；ΔO為模擬值最大值和最小值的差值。SI越大，表示模擬結(jié)果對(duì)該參數(shù)的敏感性越高。在本研究中，每次僅改變模型的一個(gè)輸入?yún)?shù)，而保持其他參數(shù)不變，并沒(méi)有分析不同參數(shù)對(duì)甲烷排放的互作影響。

在本研究中，用于模型模擬結(jié)果驗(yàn)證分析的參數(shù)包括：(1)氣象數(shù)據(jù)，水稻移栽到收獲階段的日平均溫度和降水量；(2)土壤數(shù)據(jù)，黏粒含量、pH、土壤有機(jī)碳(SOC)和土壤容重；(3)農(nóng)田管理措施，中期曬田時(shí)間，氮肥施入量和秸稈還田量。

2 結(jié)果與分析

2.1 輸入?yún)?shù)變化對(duì)甲烷排放量的影響

氣候、土壤和管理因子對(duì)甲烷排放量有明顯影響(圖1)。隨著溫度的上升，稻田甲烷排放量呈上升趨勢(shì)，日平均溫度每上升10%，3個(gè)點(diǎn)的甲烷排放量平均上升51.0%。不同區(qū)域相比，南昌點(diǎn)的上升幅度最高，平均氣溫每上升10%的增幅達(dá)57.0%，沈陽(yáng)點(diǎn)次之，丹陽(yáng)點(diǎn)最低。隨著降雨量的增加，不同區(qū)域內(nèi)甲烷排放量都呈下降趨勢(shì)，但下降幅度都非常小。

(圖中結(jié)果為模擬結(jié)果的相對(duì)值，基準(zhǔn)值設(shè)為1)圖1 輸入?yún)?shù)敏感性對(duì)甲烷排放量的影響

隨著土壤黏粒含量的上升，不同區(qū)域甲烷排放都呈下降趨勢(shì)。土壤黏粒含量每上升10%，3個(gè)點(diǎn)的甲烷排放量平均下降2.4%。不同區(qū)域相比，南昌點(diǎn)的下降幅度最高，土壤黏粒平均每上升10%的降幅達(dá)到3.0%，之后依次為沈陽(yáng)點(diǎn)和丹陽(yáng)點(diǎn)。隨著pH的增加，不同試驗(yàn)點(diǎn)甲烷排放量并沒(méi)有表現(xiàn)出一致的變化趨勢(shì)，但總體變化較小。隨著土壤SOC的增加，不同區(qū)域甲烷排放量都呈上升趨勢(shì)，土壤SOC含量每上升10%，3個(gè)點(diǎn)的甲烷排放量平均上升2.9%。不同區(qū)域相比，沈陽(yáng)點(diǎn)的上升幅度最高，達(dá)3.8%，之后依次為丹陽(yáng)點(diǎn)和南昌點(diǎn)。土壤容重對(duì)甲烷排放量有較大的影響，甲烷排放量隨著土壤容重增加而增加，土壤容重每上升10%，3個(gè)點(diǎn)的甲烷排放量平均上升11.1%。不同區(qū)域相比，沈陽(yáng)點(diǎn)上升幅度最高，達(dá)14.8%，之后依次為丹陽(yáng)點(diǎn)和南昌點(diǎn)。

水分管理對(duì)稻田甲烷排放有直接的影響，隨著水稻中期曬田時(shí)間的增加，甲烷排放量呈下降趨勢(shì)，曬田時(shí)間每增加1 d，不同點(diǎn)甲烷排放量平均下降1.7%。不同試驗(yàn)點(diǎn)比較，沈陽(yáng)點(diǎn)的降幅最高，達(dá)2.7%。氮肥用量對(duì)甲烷排放量的影響很小，不同區(qū)間內(nèi)最大的變化幅度也只有0.18%。隨著秸稈還田量的增加，不同點(diǎn)甲烷排放量均呈增加趨勢(shì)。不同試驗(yàn)點(diǎn)比較，秸稈還田量每增加10%，丹陽(yáng)點(diǎn)的甲烷排放量增幅最高，達(dá)3.7%，之后依次為南昌點(diǎn)和沈陽(yáng)點(diǎn)。

2.2 輸入?yún)?shù)對(duì)甲烷排放量敏感性指數(shù)的影響

從圖2可知，3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的敏感性指數(shù)排前2位的均為平均氣溫和土壤容重。之后不同試驗(yàn)點(diǎn)的敏感性指數(shù)排序出現(xiàn)一定的差異，沈陽(yáng)試驗(yàn)點(diǎn)土壤SOC、黏粒含量和秸稈還田量的敏感性指數(shù)排第三到第五，而丹陽(yáng)試驗(yàn)點(diǎn)秸稈還田量排第三，之后依次為土壤SOC含量和曬田時(shí)間，黏粒含量只能排第六。對(duì)于南昌試驗(yàn)點(diǎn)，秸稈還田量排第三，之后為黏粒含量和SOC含量。在不同試驗(yàn)點(diǎn)中，降雨量和氮肥用量的敏感性指數(shù)都<0.03，排名一般位于最后2位。

圖2 輸入?yún)?shù)對(duì)甲烷排放量敏感性指數(shù)的影響

3 小結(jié)與討論

不同地區(qū)由于氣候、土壤、管理和品種等因素的差異，導(dǎo)致甲烷排放相關(guān)微生物的種類、數(shù)量和活性存在明顯不同[12-14]，因此，不同區(qū)域稻田甲烷排放對(duì)相同因素的敏感性存在顯著差異。本研究發(fā)現(xiàn)，日平均氣溫是影響水稻生長(zhǎng)季甲烷排放量的敏感因子，敏感指數(shù)排8個(gè)參數(shù)第一。甲烷產(chǎn)生菌屬喜溫型細(xì)菌，氣溫升高會(huì)導(dǎo)致土壤溫度升高，因此，促進(jìn)甲烷排放[15-16]。雖然丹陽(yáng)點(diǎn)和南昌點(diǎn)水稻生長(zhǎng)季的平均氣溫分別達(dá)23.76 ℃和23.61 ℃，但仍可能沒(méi)有達(dá)到甲烷排放相關(guān)微生物最適溫度的上限，因此，在目前氣溫條件下，進(jìn)一步升溫，仍然可能顯著促進(jìn)稻田甲烷排放。相比于氣溫，降雨量對(duì)不同試驗(yàn)點(diǎn)稻田甲烷排放量的影響就小得多。

土壤理化性質(zhì)也是影響稻田甲烷排放的關(guān)鍵因素[17]。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤容重的大小與甲烷排放量成正比，土壤容重與土壤質(zhì)地、孔隙度和有機(jī)質(zhì)等多個(gè)因素有關(guān)，因而可能對(duì)甲烷排放有重要影響。土壤黏粒含量主要通過(guò)其對(duì)有機(jī)質(zhì)的固定來(lái)影響甲烷排放[18]，土壤黏粒含量越高，其固定的有機(jī)質(zhì)含量越多，抑制了土壤有機(jī)質(zhì)的分解，減少了產(chǎn)甲烷菌的碳供應(yīng)數(shù)量，從而降低了甲烷排放[19]。本研究也發(fā)現(xiàn)類似的結(jié)果，3個(gè)點(diǎn)的甲烷排放量均隨黏粒含量增加而降低。但是，丹陽(yáng)點(diǎn)的下降幅度明顯小于其他2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，這可能與其土壤有機(jī)質(zhì)和SOC含量較高有關(guān)。土壤pH主要通過(guò)調(diào)節(jié)參與甲烷產(chǎn)生和氧化過(guò)程微生物的活性來(lái)影響甲烷排放，一般認(rèn)為，在酸性土壤中，稻田甲烷排放量會(huì)降低[20-21]。但也有研究[22-23]發(fā)現(xiàn)，pH也可對(duì)甲烷排放無(wú)顯著影響，這與本研究的結(jié)果相類似。土壤SOC是產(chǎn)甲烷菌的碳來(lái)源，對(duì)土壤甲烷的產(chǎn)生和排放有直接的影響，因此，土壤SOC提高，有利于提高甲烷排放量[24-25]。在本研究中，也發(fā)現(xiàn)土壤甲烷排放量與SOC的變化趨勢(shì)完全一致，但是SOC的敏感指數(shù)并不高，反映了SOC對(duì)土壤甲烷排放影響的復(fù)雜性[26]。

水稻中期曬田不僅有利于水稻高產(chǎn)，也是稻田減排的重要措施[27]。本研究也發(fā)現(xiàn)，增加曬田時(shí)間會(huì)降低甲烷排放，而且在東北單季稻區(qū)的減排效果更好，這可能是因?yàn)樯蜿?yáng)點(diǎn)稻田甲烷排放主要集中在生長(zhǎng)前期，而中期曬田對(duì)中前期的減排作用更明顯。施氮量對(duì)稻田甲烷排放的影響較小[28-29]，本文的結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)。秸稈還田被認(rèn)為可以顯著促進(jìn)稻田甲烷排放，如何降低秸稈促甲烷排放效應(yīng)是目前研究的熱點(diǎn)[30]。本研究發(fā)現(xiàn)，在沈陽(yáng)試驗(yàn)點(diǎn)，秸稈還田的促甲烷排放效應(yīng)要低于南方2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)。同時(shí)，隨著秸稈還田量不斷增加，秸稈還田的促排放效應(yīng)不斷降低。這表明，秸稈還田的促排放效應(yīng)與其他因素存在復(fù)雜的相互作用。

綜合來(lái)看，平均氣溫、土壤容重和秸稈還田量是影響不同區(qū)域甲烷排放最大的3個(gè)因子，降雨量、土壤pH和施氮量對(duì)甲烷排放影響較小。不同區(qū)域各因子的敏感性指數(shù)存在一定的差異，沈陽(yáng)點(diǎn)降雨量、土壤SOC和土壤容重的敏感性指數(shù)較高，丹陽(yáng)點(diǎn)秸稈還田的敏感性指數(shù)較高，而南昌點(diǎn)則表現(xiàn)為平均氣溫和土壤黏粒含量的敏感性指數(shù)較高。