北方干旱區(qū)降解膜覆蓋農田玉米生長和氮素利用模擬及優(yōu)化

李仙岳，冷 旭，張景俊，郭 宇，丁宗江，胡小東，朱昆侖

北方干旱區(qū)降解膜覆蓋農田玉米生長和氮素利用模擬及優(yōu)化

李仙岳1，冷 旭1，張景俊1，郭 宇1，丁宗江1，胡小東1，朱昆侖2

（1.內蒙古農業(yè)大學水利與土木建筑工程學院，呼和浩特 010018；2.山東天壯環(huán)保科技有限公司，濟南 250110）

為了明確干旱區(qū)降解地膜覆蓋下作物生長及氮肥利用特征，在內蒙古河套灌區(qū)進行兩年的降解膜覆蓋農田施肥試驗。在降解膜覆蓋下設4個施氮水平：0（BN0）、216（BN1：追施氮160）、276（BN2：追施氮220）、336（BN3：追施氮280）kg/hm2，另設高氮塑料地膜覆蓋（PN3）與高氮無膜覆蓋（NN3）處理作為對照。率定和驗證了不同類型地膜覆蓋條件的DNDC模型（denitrification-decomposition model，脫氮-分解作用模型），模擬并研究了不同類型地膜覆蓋及不同施氮量對玉米生長、氮素吸收及利用效率的影響，并基于線性+平臺模型優(yōu)化了施肥模式。結果表明：在灌漿期降解地膜與塑料地膜覆蓋下玉米生長無明顯差異，干物質累積量2 a平均僅降低了2.41%（>0.05），但比無膜處理分別提高了9.65%（<0.05）；在收獲期降解地膜與塑料地膜覆蓋處理之間差異增大但仍未達顯著水平，僅降低了3.07%（>0.05），且作物的日吸氮量、產量、氮肥利用率和氮素吸收效率也無顯著差異，2 a平均分別僅降低1.09%、3.97%、3.08%和2.22%（＞0.05），但比無膜覆蓋處理分別提高了7.04%、13.67%、12.90%和8.90%（＜0.05）。隨著施氮量增加干物質累積量的增大趨勢趨于平緩甚至出現(xiàn)負值，施氮量為336 kg/hm2（BN3）處理較276 kg/hm2（BN2）處理降低了1.06%，日吸氮量、累積吸氮量和產量僅提高了0.35%、0.78%和0.34%（>0.05），而比216 kg/hm2（BN1）處理分別提高了6.41%、8.38%、23.58%和35.37%（<0.05）。通過DNDC模型不同情景模擬及線性+平臺模型尋優(yōu)，得到降解地膜覆蓋農田施氮肥252.94 kg/hm2時，繼續(xù)增加氮肥對產量無明顯促進作用，為該地區(qū)降解地膜覆蓋下較優(yōu)的施肥模式。

氮素；作物；DNDC模型；干旱區(qū)；可降解地膜；氮肥利用；優(yōu)化

0 引 言

氮素是作物生長所必須的營養(yǎng)元素，施用氮肥能顯著提高作物產量，也是保障糧食安全的重要措施。中國氮肥使用量全球第一，僅2015年全國氮肥施用量就達 2 362萬t[1]。但中國氮肥利用率遠低于發(fā)達國家，施入土壤的氮素只有30%～40%被作物吸收[2]。而氮素在土壤中較活躍，易揮發(fā)、易淋失，施用過量的氮肥會導致大量氮素在土壤中殘留，且遷移到深層污染地下水，造成水體富營養(yǎng)化，也會揮發(fā)到大氣中造成污染[3-4]等多種環(huán)境惡化問題。而地膜覆蓋不僅可以起到顯著的增產、節(jié)水、保溫等效果[5-6]，還能有效減少氮素揮發(fā)和流失，特別在干旱地區(qū)已成為重要的農藝措施，2016年中國農用塑料薄膜年使用量已達260萬t，較2006年增長了30%[1]。然而對于連續(xù)多年覆膜耕作，農膜殘留現(xiàn)象日益嚴重，并制約著產量的提高。生物降解地膜有望成為解決農膜殘留問題的重要手段[7-9]，在保溫保墑等方面與塑料地膜相近，并可在自然狀態(tài)下完全降解為CO2和H2O，能有效解決地膜的環(huán)境污染問題[10]。

前人對降解地膜覆蓋的保墑、保肥、保溫及增產效果進行了大量研究[11-12]，結果表明降解地膜與塑料地膜功效相當，可有效改善土壤耕作層的水熱狀況。周昌明等[13]研究表明降解膜覆蓋下不同播種后天數土層深度的硝態(tài)氮含量均要高于裸地。降解膜與塑料地膜覆蓋下玉米各生長指標、籽粒產量與氮肥利用率無顯著差異，且均顯著大于未覆膜處理。施用氮肥可提高土壤硝態(tài)氮濃度，有助于作物生長發(fā)育，王澤林等[14]研究表明施氮量100、250和400 kg/hm2處理玉米穗數分別增加了40.2%、20.7%和25.5%。施氮處理比不施氮處理玉米干物質最大累積速率明顯提高，增幅為1.2%～20.0%[15]，增產幅度為26.5%～36.7%[16]。盡管目前已經獲得了大量關于不同外界因素對作物生長變化的科學數據和結論，但受時間、資金和條件的限制，僅通過試驗研究或有限的田間試驗來評估作物產量、吸氮量、干物質累積量和氮利用效率是遠遠不夠的，而借助模型軟件，能比較經濟、高效的掌握作物生長發(fā)育過程，例如CropSyst模型[17]、AquaCrop 模型[18]、DNDC模型[19]等均可模擬作物生長狀況。其中DNDC（denitrification-decomposition model，脫氮-分解作用模型）模型通過調整不同輸入參數，可以模擬不同作物、不同灌水方式與制度、不同施肥方式與制度、不同覆蓋方式條件下的作物生長情況、土壤環(huán)境變化及水氮遷移等指標[20]，已經在水稻、小麥、玉米、大麥、馬鈴薯等作物的生長發(fā)育方面做了大量研究[21]。與其他模型相比，DNDC模型可調控不同時期覆膜比例，能動態(tài)模擬降解膜的破損過程對土壤水、熱、氮等物理環(huán)境及作物生長的影響。

大部分學者主要利用二次型、平方根、二次型+平臺和線性+平臺4個模型對施肥制度與產量關系進行擬合，研究表明線性+平臺模型推薦氮肥施用量所獲得的施肥效益和環(huán)境效益最高[22]，但對于可降解地膜覆蓋下，與DNDC模型相結合優(yōu)化氮肥制度的相關研究較少。本研究主要針對北方干旱區(qū)不同類型地膜覆蓋及不同施氮量對玉米產量、干物質累積量、吸氮量和氮肥利用率的影響進行研究，構建、率定和驗證不同類型地膜覆蓋及不同施氮量條件下DNDC作物生長模型，通過不同情景模擬，并基于線性+平臺模型進行施肥尋優(yōu)，提出干旱區(qū)降解膜覆蓋下優(yōu)化施氮制度，以期為降解地膜的推廣及氮肥高效利用奠定理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗基本情況

1.1.1 試驗處理

2016—2017年在內蒙古河套灌區(qū)烏蘭布和灌域木壘灘節(jié)水試驗站（北緯40°31′48″，東經106°56′30″）進行為期2 a的膜下畦灌施肥試驗。該地區(qū)干旱少雨，晝夜溫差大，光熱資源豐富，5—9月份積溫在3 100 ℃以上。土壤類型為砂壤土，耕層土壤總氮、有機質含量分別為0.78、12.5 g/kg，速效氮、速效鉀和速效磷量分別為58.32、126.9、11.22 mg/kg。試驗在降解膜覆蓋下設4個施氮水平：0（BN0，不施肥）、216（BN1，其中追肥施氮量160）、276（BN2，其中追肥施氮量220）、336（BN3，其中追肥施氮量280）kg/hm2，BN1、BN2、BN3的基肥施氮量相同，均在拔節(jié)期與灌漿期進行追肥（表1）。另設高氮塑料地膜覆蓋（PN3，總施氮量336 kg/hm2）與高氮無膜覆蓋（NN3，總施氮量336 kg/hm2）處理為對照，共6個處理，每個處理重復3次，共計18個小區(qū)隨機排列，每個小區(qū)面積60 m2，于5月3日、6月18日、7月6日、7月23日和8月5日共灌水5次，通過水泵抽取地下水并采用水表計量水量，每次灌水定額為105 mm，灌溉定額為525 mm。基肥為復合肥料，共施200 kg/hm2（N為56 kg/hm2、P2O5為36 kg/hm2、K2O為10 kg/hm2)，隨種子一起施入土壤，并采用撒施尿素（N：46%）進行追肥。供試玉米品種為先鋒32D22，種植密度5.5×104株/hm2，塑料地膜選用磴口縣大眾塑料廠生產的聚乙烯塑料地膜，無降解特性；生物地膜選用山東天狀環(huán)保有限公司生產的氧化-生物雙降解膜，主要為纖維素、淀粉等天然材料，覆膜40 d后開始降解。2種地膜寬均為80 cm，膜厚均為0.008 mm。試驗于2016、2017年5月1日覆膜播種，常規(guī)田間管理，并于9月20日收獲。

表1 2016與2017年試驗處理

1.1.2 測定指標與方法

1）觀測指標

氣象資料：設置自動氣象站（HOBO-U30），每小時自動記錄降水量、太陽輻射、空氣溫濕度、風速等。

干物質累積量和植株含氮量：在各生育期每個小區(qū)隨機取樣5株，將植株各器官分離裝袋，在烘箱內105 ℃殺青0.5 h，在80 ℃條件下烘干至質量恒定，并稱干物質質量。烘干植株樣品粉碎過篩，采用H2SO4-H2O2消煮-蒸餾法測定作物吸氮量[23]。

產量：在各處理均成熟后進行收獲，每個小區(qū)隨機連續(xù)選取10株作物，自然風干脫粒后考種，測量每株玉米的穗粒數、穗行數、行粒數、百粒質量等指標，并折算為每公頃產量。

地膜破損率[24]：在每個小區(qū)隨機設置3個固定的地膜破損觀測區(qū)，定期將相機固定在設定的地膜觀測區(qū)正上方40 cm處，在區(qū)域邊界放置直尺作為參考物，每次拍攝3張照片，篩選最清晰的一張導入AutoCAD 2008（Autodesk, Inc）中，以參考直尺為標準將圖片標準化，再利用多段線命令勾描破損處以形成閉環(huán)區(qū)域，輔以面積統(tǒng)計命令逐個統(tǒng)計研究區(qū)域破損面積，用破損面積除以觀測區(qū)面積得到地膜破損占比以及覆蓋比例。

2）計算公式

AI=LA/10 000 （1）

式中AI為葉面積指數；LA為單株玉米總葉面積，m2/株；為種植密度，株/m2。

氮肥利用率=(N?0)/N×100% （2）

氮素吸收效率=N/N（3）

式中N為施氮區(qū)植株吸氮量，kg/hm2；0為未施氮區(qū)植株吸氮量，kg/hm2；N為施氮區(qū)施肥純氮投入量，kg/hm2。

1.2 DNDC模型介紹

1.2.1 模型基本原理

DNDC模型由美國新罕布什爾大學陸地海洋空間研究中心開發(fā)研制，包括土壤氣候、農作物生長、有機質分解、硝化反應、脫氮反應、發(fā)酵反應6個子模型。輸入當地氣象（氣溫、降雨、風速、太陽輻射）、土壤環(huán)境（土壤質地、田間持水率、容重、pH值、孔隙度及表層土壤硝態(tài)氮、氨態(tài)氮含量等）、農田管理（種植作物的生長、耕耘、施肥、灌溉、覆膜、放牧等參數）數據，6個子模型以日為時間步長，信息交融，模擬真實世界中不同環(huán)境條件-植物生長-土壤化學變化間的相互作用，能進行1 a至多年的模擬[19]。輸出作物產量、作物生長指標、土壤有機碳動態(tài)變化、土壤氮變化、氮淋溶量、水分遷移及溫室氣體揮發(fā)量等[25-27]。

1.2.2 DNDC模型數據庫建立

模型需要輸入的參數包括試驗區(qū)地理位置、氣候條件、土壤指標和田間管理數據。氣象數據由試驗田附近自動氣象站獲取，土壤指標數據通過田間試驗測量獲得；田間管理參數根據2 a試驗農事情況獲得。2016和2017年春玉米生育期日均氣溫、降雨及地膜覆蓋率變化情況如圖1所示，2 a春玉米生育期總降水量分別為149.6和36.6 mm。降解地膜在6月中旬開始降解破損，在7月中旬、8月中旬、9月中旬覆蓋率分別為69.41%、54.42%、29.37%。

圖1 2016和2017年作物生育期氣溫、降雨量、灌水量和地膜覆蓋率

1.3 施氮量優(yōu)化

采用線性＋平臺模型擬合氮肥用量與玉米產量之間的關系，線性+平臺函數式為

=0+1(<) （4）

=p(≥) （5）

式中為玉米產量，kg/hm2；為施氮量，kg/hm2；0為基礎產量（不施氮時產量）；1為線性系數；為施氮量臨界值（由直線和平臺的交點求得）；p為平臺產量。

1.4 模型評價

玉米產量、土壤硝態(tài)氮含量模擬值與實測值采用一致性指數（F）、決定系數（2）、均方根誤差（MSE）和標準均方根誤差（RMSE）4個指標進行評價，利用Microsoft Excel 2016、SPSS 22.0 進行數據分析，Origin 9.0制圖。

式中i、i分別為模擬值與觀測值；m和m為他們的均值；為觀測值個數。當MSE與RMSE值越接近0，F(xiàn)與2值越接近1則說明模擬值與實測值更吻合，模型的精確度越高。

2 結果與分析

2.1 不同處理對指標的影響

2.1.1不同處理對干物質累積量的影響

播種（5月1日）至苗期（6月1日－12日），作物植株矮小，光合作用弱，不同處理無明顯差異（圖2）。在拔節(jié)期（6月13日－7月9日），作物光合能力增強，對水分、養(yǎng)分需求量增大，干物質累積量呈線性增長，不同處理之間差異逐漸增大。塑料地膜覆蓋提高了水肥利用效率，有利于作物生長，提高了干物質累積量。隨降解地膜（BN3）破損程度加大，與塑料地膜（PN3）覆蓋處理差異也逐漸增大，但并不顯著，仍顯著高于無膜（NN3）覆蓋處理，在灌漿期（7月25日－8月24日）和收獲期（8月25日－9月20日）BN3比PN3處理干物質累積量2 a平均分別降低了2.41%和3.07%（＞0.05），比NN3處理干物質累積量2 a平均分別提高了9.65%和9.69%（＜0.05）。

基于編碼器得到的抽象編碼表示，另一個RNN用于對表示進行解碼，得到最終的語言輸出序列Y=[y1，…，yLY]；例如，可以利用如下最基本的模型：st=f(yt-1，st-1，c)；p(yt/y

不同施氮量處理在進入拔節(jié)期（6月13日）后差異逐漸顯現(xiàn)，且隨作物生長對養(yǎng)分需求量增大，差異也增大（圖3）。在收獲期BN3（施氮量336 kg/hm2）比BN2（施氮量276 kg/hm2）處理干物質累積量2a平均降低了1.06%，而比BN1（施氮量216 kg/hm2）處理干物質累積量2 a平均提高了6.41%（<0.05），可見干物質累積量與施氮量成非線性關系。施氮量增加不能無限提高干物質累積量，但均遠高于不施氮處理，2 a平均提高了188.39%～210.18%。

2.1.2 不同處理對玉米吸氮量的影響

作物吸氮量主要受耕層土壤含量氮和水分影響，而地膜覆蓋可有效提高保水、儲氮能力，提高土壤礦化度，利于作物對氮素的吸收。進入拔節(jié)期后隨著作物需氮量的提高，無膜處理下土壤供氮能力不足，相同灌水施肥條件下的PN3和BN3處理玉米日吸氮量顯著高于NN3處理（圖3），2a平均比NN3分別提高了8.22%和7.04%（<0.05）。PN3、BN3和NN3處理下玉米生育期累積吸氮量2 a平均分別為162.87、166.57和149.55 kg/hm2，PN3和BN3處理分別比NN3處理提高了11.38%和8.91%?？梢?，由于作物生長前期（5月1日－6月12日）降解地膜與塑料地膜覆膜效應相近，有較好的保水保肥功能，生長中期（6月13日－7月24日）降解膜降解程度較小故無顯著差異，只有在作物生長后期（7月25日－9月20日）降解地膜大面積破損，造成土壤水分降低，從而吸氮量減少，BN3處理玉米2 a平均日吸氮量比PN3處理降低了1.09%，生育期累積吸氮量降低了2.22%（>0.05）。

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著（P＜0.05），下同。

圖3 不同類型地膜覆蓋及不同施氮量對2016和2017年玉米日吸氮量的影響

對于不同施氮量處理，苗期至抽雄期（7月9日—7月24日），作物對養(yǎng)分需求量較少，另外可降解地膜覆蓋后氮損失降低，氮素利用率提高，不同施氮量處理無顯著差異，均能滿足作物正常生長。灌漿期玉米對養(yǎng)分需求加大，而低氮處理下土壤供氮能力不能保證玉米生殖生長每日所需氮肥，日吸氮量降低。隨著追肥施氮量增加，玉米日吸氮量提高。收獲期，玉米停止生長，各器官基本不再發(fā)生變化，很少吸收養(yǎng)分，但BN1處理和BN0處理由于受氮肥脅迫，作物生育期被延長，在該時段繼續(xù)吸收氮素以供生長。BN3較BN2處理日吸氮量2 a平均提高了0.35%，而比BN1處理提高了8.38%（<0.05），BN3，BN2和BN1處理生育期累積吸氮量2 a平均分別為130.77、161.161和162.87 kg/hm2，BN3較BN2處理僅提高了0.78%，而比BN1處理提高了23.58%（<0.05）?？梢钥闯鲎魑镂颗c施氮量同樣無線性關系，在生長前期，作物吸氮能力有限，增加施氮量不能提高作物吸氮量，僅在生長后期隨作物需求增加施氮量，作物吸氮量增加，但當施氮量大于276 kg/hm2后，土壤貯氮與作物吸氮能力達到上限，繼續(xù)增加施氮量，無明顯促進作用。與不施肥處理相比，施氮后，作物吸氮量顯著增加，不施肥處理土壤中的氮含量極低，嚴重限制了作物對氮的被動吸收。

2.1.3 不同處理對玉米產量及氮肥利用率的影響

與無膜處理相比，塑料地膜與降解地膜覆蓋下產量2 a平均分別提高了18.38%和13.67%（表3）。雖然降解地膜在生育期后期大面積破損，玉米吸氮量下降，但BN3處理產量2 a平均僅比PN3降低了3.97%（＞0.05）差異并不顯著，從而氮素的利用效率差異也未達顯著水平，BN3處理的2 a平均氮肥利用效率、氮素吸收效率僅比PN3處理降低了3.08%、2.22%（＞0.05），但比NN3處理提高了12.90%、8.90%（＜0.05）。

表3 不同處理下作物產量及相應氮肥生產效率

注：同列數據后不同小寫字母表示差異顯著（＜0.05）。

Note: Different lowercase letters after the same column data indicate significant difference (<0.05).

隨著追肥施氮量增加，產量隨之提高，但由于玉米吸氮能力限制，當施氮量提高至276 kg/hm2后，繼續(xù)增加氮肥產量上漲幅度較小，甚至出現(xiàn)降低現(xiàn)象。2016年BN3比BN2產量降低了21.14 kg/hm2，可能是由于施氮量增加導致土壤濃度增加，而2016年強降雨較多，導致氮素淋失嚴重，土層貯氮量要低于BN2，故產量略有降低，2017年提高了97.87 kg/hm2，2a平均僅提高了0.34%（＞0.05），但顯著高于BN1和BN0處理，2 a平均分別提高了35.37%和214.96%（＜0.05）。可見對于干旱區(qū)降解地膜處理下施氮量與產量存在閥值效應，追肥施氮量為220 kg/hm2時，產量達到峰值，增加氮肥對產量無明顯正效應。而氮素的利用效率隨施氮量增加而降低，當施氮水平從BN1提高到BN3，2 a氮肥利用率平均分別降低了4.97%和16.96%，氮素吸收效率分別降低了10.47%和17.22%。

2.2 DNDC模型驗證優(yōu)化

2.2.1 率定及驗證

利用2016年試驗數據進行參數率定，以玉米日吸氮量、干物質累積量和產量為目標變量，通過比較模擬值與實測值的擬合度來確定玉米參數，并利用2017年田間試驗數據對模型進行驗證（圖4）。

結果顯示，DNDC模型對不同類型地膜覆蓋及不同施氮量處理模擬效果均較好，玉米日吸氮量、干物質累積量和產量的模擬值與實測值均分布在1:1線附近，且三者F與2均大于0.93，MSE范圍分別為0.10～0.16、1181.52～1236.68和723.94～761.35 kg/hm2，RMSE分別為7.85%～13.34%、9.18%～9.73%和7.52%～8.28%，模型對作物生長發(fā)育及氮素的吸收較為敏感，該模型能夠捕捉作物生長動態(tài)規(guī)律。從模擬效果與各項驗證指標來看，DNDC模型能較為精準的模擬干旱地區(qū)在不同類型地膜覆蓋和施氮處理條件下玉米產量以及氮素吸收利用變化情況，因此DNDC模型可用于該地區(qū)可降解地膜覆蓋農田作物生產力的預測和評估。

2.2.2 不同類型地膜覆蓋條件下玉米追施氮量優(yōu)化

根據構建的DNDC模型模擬不同類型地膜覆蓋條件和不同氮肥施用量情景下的籽粒產量，并采用線性+平臺模型擬合施氮量和玉米產量之間的關系，總體上產量隨施氮量增加呈先快速上升后趨于穩(wěn)定的趨勢（圖5）。塑料地膜（PM）、降解地膜（BM）和無膜（NM）覆蓋下臨界施氮量分別為257.53、252.94和274.43 kg/hm2，在該施氮制度下不同覆膜處理產量達到變化節(jié)點，兩年平均平臺產量分別為11 725.96、11 357.37和10 361.28 kg/hm2，當施氮量低于臨界用量時，產量分別用方程=2 619.64+35.36、=2 651.15+34.42和=2 561.99+28.42來確定?？梢娪捎谧魑镂芰τ邢?，當吸收能力飽和時，多余的氮肥殘留土層中或隨水分淋失，并不能使產量持續(xù)上漲，產量與施氮量存在明顯閥值效應。BM的最優(yōu)施氮量比PM減少了1.78%，產量僅降低3.14%，但比NM施氮量減少了7.83%，產量提高了9.61%，可見降解地膜在促進作物生長方面的功效可以較為完美的替代塑料地膜，且施氮量252.94 kg/hm2為北方干旱地區(qū)較優(yōu)的施肥制度。

圖4 DNDC模型的率定和驗證

圖5 不同類型地膜覆蓋及不同施氮量對玉米產量的影響

3 討 論

3.1 不同類型地膜覆蓋處理對作物生長發(fā)育的影響

對于干旱寒冷地區(qū)，地膜覆蓋形成的“隔膜效應”明顯改善土壤環(huán)境，從而促進了玉米生長。河套灌區(qū)目前覆膜面積已達到52萬hm2，覆膜率超過90%，而塑料地膜不能被完全回收，據統(tǒng)計農膜殘留量約占總使用量的1/4～1/3[28]，土壤中殘膜會明顯影響水分和養(yǎng)分運移，破壞土壤透氣性及物理性質，阻礙作物根系伸展，進而導致作物減產[29]。降解地膜可隨時間推移實現(xiàn)完全降解，進而改善“白色污染”。降解地膜在前期降解過程中，盡管地膜的力學性能下降但破損程度較小，覆蓋效果與塑料地膜無顯著差異，故土壤中氮含量、水分與溫度與塑料地膜覆蓋相近，在生育期后期降解地膜已無大塊地膜覆蓋，破損明顯高于塑料地膜，從而導致土壤活性下降，土壤內微生物、氮礦化量、水分、無機氮濃度相對較低，作物同化作用減弱，進而吸氮量下降，但此時作物已進入生殖生長階段，影響較小，從而降解地膜覆蓋下生理性狀與普通塑料地膜無顯著差異。本研究表明降解地膜覆蓋與塑料地膜覆蓋相比干物質累積量、累積吸氮量和產量2 a平均分別降低了3.07%、2.22%和3.97%，未達顯著水平，而比不覆膜處理分別提高了9.69%、8.91%和13.67%，可替代塑料地膜投入到農田中使用，與曹玉軍等[30]、周昌明等[13]和申麗霞等[31]研究一致。

3.2 可降解地膜覆蓋不同施氮量對作物生長發(fā)育的影響

作物生長對氮肥較為敏感，施用氮肥會加快作物根系的生長和發(fā)育，并提高吸氮量，但施肥過量或者不足均會對作物生長形態(tài)發(fā)生改變抑制籽粒成熟[32]。降解地膜覆蓋不同氮施用量下作物生長、氮的利用效率與塑料地膜覆蓋及無膜覆蓋的規(guī)律一致。嚴重氮素脅迫會刺激玉米生長前期根系生長，根系養(yǎng)分分配比增大，地上部分養(yǎng)分分配比降低，葉面積及葉片中葉綠素含量、光合速率降低，在后期與地上部分對碳水化合物的競爭增強，加快根系衰老，最終由于作物體內氮素不足影響籽粒灌漿造成減產。當過量施氮時，土壤氮濃度較高進而抑制玉米生育前期側根生長，且根系中氮素濃度過高會提高根系的呼吸速率，同樣加快根系衰老，而地上部分活性沒有明顯變化，過量的氮吸收不能促進光合產物的合成，對玉米籽粒灌漿和產量形成作用較小[33]。比如謝英荷等[34]研究表明在施氮量150 kg/hm2基礎上再繼續(xù)增加施氮量，對玉米的株高和干物質積累已無明顯促進作用，施氮量低于210 kg/hm2時，產量隨施氮量的增加而增加，超過210 kg/hm2時則略有下降。本研究表明追肥施氮量336 kg/hm2比276 kg/hm2產量僅提高0.34%，比216 kg/hm2產量提高35.37%。可見產量與施氮量呈二次拋物線關系，比如Yin等[35]與李仙岳等[36]通過回歸分析得出，作物產量與施氮量變化曲線為開口向下的拋物線。故氮素利用效率并不是施氮量越高越好。呂麗華等[37]研究表明氮素吸收效率、氮素利用效率和氮肥利用率均隨施氮量增加而減小，與本研究結果一致，本研究表明降解地膜覆蓋下追肥施氮水平從施氮量為216 kg/hm2提高到336 kg/hm2，氮肥利用率2 a平均分別降低了4.97%和16.96%，氮素吸收效率分別降低了10.47%和17.22%。Zhang等[27]利用DNDC模型模擬了玉米在不同施氮量下的產量和硝態(tài)氮淋失量，并根據該種植系統(tǒng)的可接受產量和硝態(tài)氮淋失量確定了臨界施氮量。研究顯示施氮提高了玉米產量，而硝態(tài)氮淋失量隨施氮量的增加而增加，最佳施氮量范圍為150～240 kg/hm2，在保證產量的同時，硝態(tài)氮淋失量相對較低。本研究通過DNDC模型對可降解地膜覆蓋不同施肥量進行模擬，并采用線性+平臺模型對施氮量和玉米產量關系進行擬合，確定了北方干旱地區(qū)降解地膜覆蓋下施氮量為252.94 kg/hm2時，產量處于變化節(jié)點，且繼續(xù)增加施氮量產量無明顯變化，為當地較優(yōu)施肥模式。

4 結 論

本文通過不同類型地膜覆蓋及不同施氮量處理對農田玉米生長和氮素利用影響的試驗研究，基于DNDC模型構建了不同類型地膜覆蓋條件下農田作物生長模擬模型，通過高、中、低施氮條件下降解地膜覆蓋（BN3，施氮量336 kg/hm2；BN2，施氮量276 kg/hm2；BN1，施氮量216 kg/hm2）、高氮塑料地膜覆蓋（PN3，施氮量336 kg/hm2）及高氮無膜覆蓋（NN3，施氮量336 kg/hm2）對玉米葉面積、干物質累積量、產量和吸氮量變化規(guī)律的研究，揭示了玉米生長及氮素利用特征，具體如下。

1）DNDC模型對作物吸氮量、干物質累積量和產量的模擬效果較好，F(xiàn)與2均大于0.93，MSE范圍分別為0.10~0.16、1181.52～1236.68和723.94～761.35 kg/hm2，RMSE分別為7.85%~13.34%、9.18%~9.73%和7.52%～8.28%，模型對作物生長發(fā)育及氮素的吸收較為敏感。

2）BN3與PN3處理相比2 a平均灌漿期和收獲期的干物質累積量分別降低了2.41%、3.07%；日吸氮量降低了1.09%；生育期累積吸氮量降低了2.22%；產量降低了3.97%；氮肥利用效率降低了3.08%及氮素吸收效率降低了2.22%（>0.05），但比NN3分別提高了9.65%、9.69%；7.04%；8.91%；13.67%；12.90%和8.90%（<0.05），降解地膜對于作物生長及養(yǎng)分利用的促進作用與塑料地膜無明顯差異。

3）降解地膜覆蓋下，干物質累積量、日吸氮量、累積吸氮量和產量與施氮量無線性關系，BN3比BN1處理2 a平均分別提高了6.41%、8.38%、23.58%和35.37%（<0.05），但比BN2處理干物質累積量降低了1.06%，日吸氮量、累積吸氮量和產量僅提高了0.35%、0.78%和0.34%（>0.05）。當施氮水平從BN1提高到BN3時，2 a氮肥利用率平均分別降低了4.97%和16.96%，氮素吸收效率分別降低了10.47%和17.22%。從高產及氮肥高效利用來看，施氮量為276 kg/hm2（BN2）時氮肥綜合效率較高，2 a平均產量為11 308.36 kg/hm2，氮肥利用效率為41.77%，氮素吸收效率為58.55 kg/kg。

4）利用DNDC模型對不同覆膜及不同追肥情況下玉米生長進行模擬，并通過線性+平臺模型尋優(yōu)，表明在降解地膜與塑料地膜在促進作物生長方面的功效相當。且在施氮量為252.94 kg/hm2時，產量達變化節(jié)點為11 357.37 kg/hm2，為當地降解地膜覆蓋較優(yōu)施氮制度。

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Simulation and optimization of maize growth and nitrogen utilization under degradation film mulching in arid areas of North China

Li Xianyue1, Leng Xu1, Zhang Jingjun1, Guo Yu1, Ding Zongjiang1, Hu Xiaodong1, Zhu Kunlun2

(1.,,010018,; 2.-.,,250110,)

It is great meaningful to optimize the fertilization system under degradable film mulching for alleviating environmental pollution.In order to capture the effects of degradable film mulching on crop growth and nitrogen fertilizer utilization under in arid area, a two-year experiment (2016-2017) was carried out at the Muleitan water-saving experimental station in Hetao Irrigation District, Inner Mongolia of China. Four nitrogen application levels were set under degradable film mulching: 0 (BN0), 216 (BN1: 160 for topdressing), 276 (BN2: 220 for topdressing) and 336 (BN3: 280 for topdressing) kg/ha, and high nitrogen with plastic film mulching (PN3) and high nitrogen with no mulching (NN3) treatment as a control. The effects of different types of film mulching and different nitrogen application rates on maize growth, nitrogen uptake and utilization efficiency were studied, and the DNDC (denitrification-decomposition) models for different types of film mulching were calibrated and verified, and fertilizer pattern was optimized under degradable film mulching based on the linear and platform model. The results showed that simulated data of the DNDC model on the nitrogen uptake, dry matter accumulation and yield of crops are in good agreement with the measured results,Fand2were all greater than 0.93,MSEwas 0.10-0.16, 1181.52-1236.68 and 723.94-761.3 kg/ha,RMSE7.85%-13.34%, 9.18%-9.73% and 7.52%-8.28%, respectively. There were no significant differences for maize growth between degradable film mulching and plastic film mulching during maize filling stage, the dry matter accumulation for degradable film mulching treatment decreased by 2.41% (>0.05) compared with the plastic film mulching treatment, and increased by 9.65% (<0.05) compared with no film mulching treatment. In maize harvest period, the difference of maize growth between plastic film mulching and degradable film mulching increased butdid not reach significant level, only 3.07% (>0.05), and increased by 9.69% (<0.05) compared with no film mulching treatment. There were no significant differences in nitrogen uptake, yield, nitrogen use efficiency and daily nitrogen uptake efficiency between the degradable film mulching and plastic film mulching, only decreased by 1.09%, 3.97%, 3.08% and 2.22% (>0.05), but increased significantly by 7.04%, 13.67%, 12.90% and 8.90% compared with no mulching treatment (<0.05), respectively. The growth rate of dry matter accumulation was decreased by 1.06%, daily nitrogen uptake, accumulation nitrogen uptake and yield only increased by 0.35%, 0.78 and 0.34% with the increase of nitrogen application rate for BN3 compared with BN2, respectively (>0.05), while increased by 6.41%, 8.38%, 23.58%, and 35.37% (<0.05) compared with BN1, so the BN2 treatment with the topdressing nitrogen content of 220 kg/ha showed the best growth and nitrogen utilization. Additionally, the optimal nitrogen rate was 252.94 kg/ha that was obtained by different scenario simulation of DNDC model and optimization of linear and platform model under the degradable film mulching, and there was high nitrogen utilization efficiency, and the yield-increasing effect would not appear if nitrogen fertilizer was continued to increase. So, there was similar effects of degradable film mulching on maize growth and nitrogen utilization compared with plastic film mulching, and the optimal nitrogen application was 252.94 kg/ha, and the maize yield could reach 11 357.37 kg/ha under degradable film mulching in arid area.

nitrogen; crops; DNDC model; arid area; biodegradable film mulching; nitrogen utilization; optimization

2019-11-12

2019-12-22

國家自然科學基金（51969024，51669020，51469022）；內蒙古自治區(qū)科技重大專項（zdzx2018059）

李仙岳，教授，博士生導師，主要從事干旱節(jié)水灌溉理論與新技術研究。Email：lixianyue80@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.013

S158.5; S626.2

A

1002-6819(2020)-05-0113-09

李仙岳，冷 旭，張景俊，郭 宇，丁宗江，胡小東，朱昆侖. 北方干旱區(qū)降解膜覆蓋農田玉米生長和氮素利用模擬及優(yōu)化[J]. 農業(yè)工程學報，2020，36(5)：113－121. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.013 http://www.tcsae.org

Li Xianyue, Leng Xu, Zhang Jingjun, Guo Yu, Ding Zongjiang, Hu Xiaodong, Zhu Kunlun. Simulation and optimization of maize growth and nitrogen utilization under degradation film mulching in arid areas of North China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(5): 113－121. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.013 http://www.tcsae.org