不同耕作措施下溫度升高對旱作春小麥農(nóng)田土壤N2O排放的影響

劉興宇，李 廣，袁建鈺，徐萬恒，趙 萍

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學信息科學技術學院，甘肅 蘭州 730070; 2. 甘肅農(nóng)業(yè)大學林學院，甘肅 蘭州 730070)

關鍵字：APSIM模型；春小麥；N2O；溫度升高；耕作措施

聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會IPCC指出，目前全球平均表面溫度GMST上升速度高于工業(yè)化前的水平，并在未來依舊會持續(xù)升高[1]。氧化亞氮(N2O)是造成全球變暖的主要溫室氣體，其增溫效應是CO2的298倍，在大氣中滯留時間長，且會導致臭氧層損耗，自1750年以來，大氣中N2O濃度增加了20%[2]，其中農(nóng)業(yè)活動是導致N2O濃度增加的主要原因之一[3]。甘肅省定西市位于黃土丘陵區(qū)域，屬于半干旱大陸性氣候，春小麥是該地區(qū)主要糧食作物，其生產(chǎn)對氣候變化異常敏感。近年來，有研究表明[4-5]耕作措施不僅會改變農(nóng)田土壤理化性質(zhì)，還會影響農(nóng)田溫室氣體排放。因此，了解氣候變化對定西地區(qū)不同耕作措施下旱作春小麥農(nóng)田土壤N2O排放的影響，對未來氣候變化條件下該地區(qū)春小麥生產(chǎn)中選擇合理的應對措施具有一定意義。

作物-土壤模擬模型可以跨越時間、季節(jié)、土壤類型和氣候帶，將土壤和作物在田間的測度用模型加以擴展描述，是研究農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳、氮循環(huán)的重要方法。APSIM(Agricultural Production Systems sIMulator)模型作為國際廣泛驗證和推廣的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模型之一，已經(jīng)被許多學者用來定量評估不同農(nóng)作管理措施下作物生產(chǎn)和相應的環(huán)境足跡。Li等[6]檢驗了APSIM模型對華北平原農(nóng)田在不同時間尺度上模擬農(nóng)田N2O排放的能力，研究發(fā)現(xiàn)對消化系數(shù)(k2)進行校正后，模型能夠較好地模擬不同時間尺度和不同施肥處理下小麥-玉米系統(tǒng)的土壤N2O排放，但是對于一些較高的峰值排放模擬效果欠佳。王良等[7]運用APSIM模型進行不同氮肥管理情景模擬，發(fā)現(xiàn)模型可以系統(tǒng)分析施氮量對作物生產(chǎn)和N2O排放等氮損失。李建政等[8]在華北地區(qū)冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)APSIM對N2O排放模擬的多數(shù)峰值出現(xiàn)在氮肥的施用、灌溉或降雨，與實測峰值不符合，但對于每季的N2O排放總量，該模型模擬效果較好。馬晨光等[9]在探究不同水氮處理對農(nóng)田溫室氣體通量影響時，發(fā)現(xiàn)APSIM模型對農(nóng)田N2O氣體通量的模擬效果較好。

縱觀APSIM模型關于溫室氣體的研究，大多集中在水氮處理、時間尺度、管理措施、作物輪作系統(tǒng)對溫室氣體的影響等。對于溫度升高對不同耕作措施下旱作農(nóng)田N2O排放的研究較少?；诖?，在本研究通過校準APSIM在模擬土壤水分、作物產(chǎn)量以及N2O排放性能，利用校準后的APSIM模型，針對未來可能出現(xiàn)的溫度變化情形，對定西市安定區(qū)不同耕作措施旱地旱作麥田N2O排放進行模擬。為保障作物產(chǎn)量，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)溫室氣體減排提供理論支撐和科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗地位于甘肅省定西市安定區(qū)安家坡村旱農(nóng)綜合試驗站，該地區(qū)屬于典型黃土丘陵溝壑區(qū)，土壤為黃綿土，土質(zhì)綿軟，養(yǎng)分含量低，抗侵蝕能力弱。土壤容重1.26 g·cm-3，土壤全氮0.96 g·kg-1、有機質(zhì)含量12.01 g·kg-1；平均海拔2 000 m，無霜期約占全年1/3，年均降水量為385 mm，年均蒸發(fā)量1 537 mm，年日照時數(shù)2 476.6 h,年平均氣溫6.4℃，≥10℃的積溫2 239.1℃，為典型的半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)[10]。

1.2 田間試驗設計

試驗于2020—2021 年在甘肅省定西市安定區(qū)安家坡村進行，供試作物為春小麥甘春32號，3月中下旬播種，8月份進行收獲。設置4種耕作措施: 傳統(tǒng)耕作、傳統(tǒng)耕作+秸稈覆蓋、免耕、免耕+秸稈覆蓋(表1)。每個處理設計3個重復小區(qū)，小區(qū)面積均為24 m2(4 m×6 m)，每個小區(qū)內(nèi)隨機設置1個0.5 m×0.5 m的固定采樣區(qū)，用來定期采集農(nóng)田N2O氣體。播種前每小區(qū)一次性施加折合純氮105 kg·hm-2(尿素+二銨)，過磷酸鈣150 kg·hm-2。作物生長期間除了除草外無其他作業(yè)，無任何灌溉措施。

表1 耕作措施描述Table 1 Description of tillage systems

1.3 氣體采集方法

采用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法對農(nóng)田土壤N2O排放通量進行原位監(jiān)測。采樣箱由箱體和底座構成，箱體規(guī)格為50 cm×50 cm×50 cm，使用6 mm厚不透光聚苯乙烯保溫材料，并在外圍覆蓋泡沫防止取樣時箱內(nèi)溫度變化，箱內(nèi)裝有小風扇和溫度傳感器。耕種前將底座埋入小區(qū)，最大限度降低對作物和土壤內(nèi)部的干擾。

田間監(jiān)測在作物生長季(3—8月，每月5、15日和25日)的9∶00—11∶00進行取樣，靜態(tài)箱封閉后0、9、18、27、36 min使用帶三通閥密封良好的塑料醫(yī)用注射器，抽取箱內(nèi)氣體并注入E-Switch鋁箔復合膜氣體采樣袋保存。3 d內(nèi)使用氣相色譜儀(儀盟A90，常州磐諾儀器有限公司) 測定N2O濃度，并利用公式(1)計算排放通量，利用內(nèi)插法計算相鄰兩次檢測間通量，后將每天的交換通量累加得到生育期氣體交換總量[11]。

(1)

式中，F(xiàn)為氣體通量(mg·m-2·h-1)，dc/dt為采樣時箱內(nèi)目標氣體濃度隨時間變化的回歸曲線斜率，M為被測氣體摩爾質(zhì)量(g·mol-1)，V為標準狀態(tài)下的氣體摩爾體積(mL·mol-1) ，P0和T0為理想氣體標準狀態(tài)下的空氣壓力和氣溫，P和T為采樣時箱內(nèi)的實際氣壓和氣溫，H為采樣箱內(nèi)高度[12]。

1.4 數(shù)據(jù)來源及處理

研究所需的氣象數(shù)據(jù)由試驗點氣象站自動測定，土壤數(shù)據(jù)和N2O排放量來源于試驗實測數(shù)據(jù)，作物管理數(shù)據(jù)則根據(jù)試驗地實際管理方式設置。采用Microsoft Excel 2016進行數(shù)據(jù)整合，通過SPSS 24.0對數(shù)據(jù)進行處理，用Origin 2018進行繪圖。

1.5 APSIM模型

1.5.1 模型概述 APSIM是一個綜合農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)管理模型，用于研究受環(huán)境和人為變化影響的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和養(yǎng)分循環(huán)。APSIM模擬作物生長和土壤碳氮過程，在日時間尺度上響應氣候(溫度、降雨量和輻射)、土壤水分有效性和土壤養(yǎng)分狀況,該模型通過模擬土壤硝化與反硝化過程來模擬土壤N2O 排放[13]，其最大硝化速率遵循米氏動力學，硝化反應計算公式：

(2)

Nnit=K2×Rnit

(3)

式中，Nnit為硝化反應速率,K2為硝化反應產(chǎn)生的N2O與實際N硝化量的比值。

反硝化速率公式：

Rdenit=KdenitnCAf(W)f(T)

(4)

CA=0.0031(HUMC+FOMC)+24.5

(5)

式中，Rdenit為實際反硝化速率,Kdenit為反硝化常數(shù),n為土壤硝酸根質(zhì)量濃度,CA為土壤活性有機碳質(zhì)量濃度,f(W)、f(T)分別為土壤水分、溫度限制因子,HUMC和FOMC為來自腐殖質(zhì)和新鮮有機質(zhì)的有機碳。反硝化過程產(chǎn)生的N2O通過計算反硝化過程產(chǎn)生的N2和N2O 的比值估算，本文中N2與N2O比值定為10[14]。

1.5.2 APSIM模型參數(shù)調(diào)試與驗證 本研究中模型使用試錯法調(diào)整參數(shù)；用遮雨棚下春小麥生育期觀測數(shù)據(jù)調(diào)整作物所需積溫、春化指數(shù)和光周期系數(shù)等參數(shù)。驗證后的參數(shù)調(diào)整結果:灌漿到成熟的積溫取值580℃，春化系數(shù)取值1，光周期系數(shù)取值2，最大灌漿速率取值2.3，播種期地表蒸發(fā)系數(shù)(土壤)取值7.2，發(fā)芽期地表蒸發(fā)系數(shù)(土壤)取值6.2。用APSIM 模型分別模擬2020—2021年4種耕作措施下N2O排放量，通過模擬值與實測值驗證實現(xiàn)模型參數(shù)本地化。用模擬值和實測值間的決定系數(shù)(R2)和國際上檢驗模型通用的均方根誤差法，歸一化均方根差(NRMSE)來度量模擬數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)的相對差異度。一般認為，NRMSE越小，模擬值與實測值的差異越小。決定系數(shù)(R2)反映模擬值與實測值之間的一致性，其數(shù)值越趨近于1表示模擬效果越好。

2 結果與分析

2.1 不同耕作措施下旱作春小麥農(nóng)田N2O 排放特征

如圖1所示，2020—2021年不同耕作措施下春小麥農(nóng)田土壤N2O排放通量均為正值，處于釋放N2O狀態(tài)，因此旱地春小麥農(nóng)田土壤為N2O排放源。不同耕作措施下農(nóng)田土壤N2O排放通量在相同時間段內(nèi)整體變化趨勢基本一致，且都表現(xiàn)為隨時間變化的雙峰型曲線，主要的排放峰為每年5—6月，即春小麥生長季中期。由此可知，春小麥農(nóng)田土壤N2O排放通量與作物生長有關，隨著春小麥生長各處理N2O排放通量有明顯變化特征，且生長旺盛期N2O排放通量高于生長季初期和末期。如圖2所示，不同耕作措施下春小麥農(nóng)田土壤N2O累積排放量存在顯著差異，表現(xiàn)為T>NT>TS>NTS。

圖1 不同耕作措施下旱作春小麥農(nóng)田 N2O排放通量Fig.1 N2O emission flux from the dryland spring wheat farmland under different tillage measures

圖2 不同耕作措施下旱作春小麥農(nóng)田生長季 N2O累積排放量Fig.2 Cumulative emissions of N2O during the growth period of dry-fed spring wheat fields under different tillage measures

2.2 APSIM模型驗證及模擬誤差分析

由表2可知，不同耕作措施(T、TS、NT、NTS)實測值與模擬值的歸一化均方根差(NRMSE)最大值為0.17，決定系數(shù)(R2)最小值為0.80，相關性均達到顯著水平(P<0.05)。所以APSIM模型可以較好地模擬隴中地區(qū)旱作春小麥不同耕作措施下農(nóng)田N2O氣體排放。由圖3可知，不同耕作措施下旱作麥田在生長季排放的N2O模擬值與實測值保持一致的規(guī)律均為T>NT>TS>NTS；但模擬值均低于實測值。APSIM模型雖然被國內(nèi)外大量學者驗證有效性，尤其在干旱地區(qū)模擬的溫室氣體排放適用性較高，但該模型對N2O的產(chǎn)生及排放過程是基于假設，這些復雜繁瑣的過程在模型中被簡化為硝化反應與反硝化反應產(chǎn)生的N2O之和，且無法較精確地模擬部分單個時間節(jié)點的N2O排放通量，這可能導致模擬結果存在一定誤差。此外N2O的實測過程中也存在不可避免的人為誤差。

圖3 不同耕作措施下旱作麥田N2O累積排放量實測值與模擬值Fig.3 Measured and simulated N2O emissions from dryland wheat fields under different tillage measures

表2 N2O排放量實測值與模擬值擬合結果Table 2 Fitting results of measured and simulated N2O emissions

2.3 情景設計下結果分析

2.3.1 不同耕作措施下溫度升高對旱作麥田土壤N2O排放的影響 按照模擬試驗設計，基于驗證后的APSIM模型，改變輸入模塊中逐日最高、最低溫度的參數(shù)值，并以0.5℃為一個溫度梯度，通過計算機模擬2018—2021年傳統(tǒng)耕作(T)、傳統(tǒng)耕作+秸稈還田(TS)、免耕(NT)和免耕+覆蓋(NTS)4種耕作措施下溫度升高對旱作麥田土壤N2O排放進行耦合模擬實驗。由表3～6可見：當日最高溫不變，日最低溫每上升0.5℃，日最低溫對N2O排放表現(xiàn)為正效應，呈增排趨勢。當日最低溫不變，日最高溫上升時，日最高溫對N2O排放表現(xiàn)為負效應，呈減排趨勢。

表3 傳統(tǒng)耕作下溫度升高旱作麥田土壤 N2O排放的動態(tài)模擬/(kg·hm-2)Table 3 Dynamic simulation of soil N2O emission in dryland wheat field with increasing temperature under conventional tillage

表4 免耕下溫度升高旱作麥田土壤N2O 排放的動態(tài)模擬/(kg·hm-2)Table 4 Dynamic simulation of soil N2O emission in dryland wheat field with increasing temperature under no-tillage

表5 傳統(tǒng)耕作+覆蓋下溫度升高旱作麥田 土壤N2O排放的動態(tài)模擬/(kg·hm-2)Table 5 Dynamic simulation of soil N2O emission in dryland wheat field with increasing temperature under traditional tillage + mulch

表6 免耕+覆蓋措施下溫度升高旱作麥田 土壤N2O排放的動態(tài)模擬/(kg·hm-2)Table 6 Dynamic simulation of of soil N2O emission in dryland wheat field with increasing temperature under non-tillage + mulching measures

2.3.2 不同耕作措施下溫度升高對旱作麥田土壤N2O排放的協(xié)同效應分析 通過對不同耕作措施下旱作麥田土壤N2O排放量進行雙因素方差分析，得到T處理下日最高、最低溫度兩因素的F值為366.781、712.1(P<0.01)，NT處理下日最高、最低溫度兩因素的F值為264.12、658.24(P<0.01)，TS處理下日最高、最低溫度兩因素的F值為324.56、702.36(P<0.01)，NTS處理下日最高、最低溫度兩因素的F值為90.34，163.24(P<0.01)，4種不同耕作措施下日最高、最低溫度的F值和P值均達到顯著性差異，表明日最高、最低溫兩因子對旱作麥田土壤N2O排放均有顯著影響。

以旱作麥田土壤N2O排放量為因變量(Y)，日最高溫(X1)和日最低溫(X2)為自變量，用SPSS軟件進行多項式回歸分析。建立不同耕作措施下日最高、最低溫升高對旱作麥田土壤N2O排放量影響的回歸方程。

YT=2.480-0.011X1+0.015X2

YNT=2.321-0.009X1+0.014X2

YTS=2.048-0.008X1+0.012X2

YNTS=1.817-0.007X1+0.01X2

R越接近1，表明方程越顯著。公式中，T、NT、TS、NTS耕作措施下相關系數(shù)(R)分別為0.958、0.942、0.961、0.956。表明不同耕作措施的回歸方程達到了顯著水平，能充分反映出旱作麥田土壤N2O排放與逐日最高溫、最低溫之間的關系。結果分析顯示：不同耕作措施下逐日最高溫度(X1)的偏回歸系數(shù)分別為-0.011、-0.009、-0.008和-0.007，表現(xiàn)為負效應; 不同耕作措施下逐日最低溫度(X2)的偏回歸系數(shù)分別為0.015、0.014、0.012和0.01，表現(xiàn)為正效應。

以日最高溫度(X1)、日最低溫度(X2)為自變量，旱作麥田土壤N2O排放量(Y)為因變量，運用SPSS進行通徑分析(圖4)。4種耕作措施下X1→Y通徑系數(shù)分別為-0.560、-0.515、-0.524、-0.386，X1X2→Y的通徑系數(shù)分別為-0.128、0.028、-0.052、-0.261，表明日最高溫升高對排放量呈減排效應。日最低溫不變時，日最高溫每增加0.5℃，排放量平均減排幅度分別為1.68%、1.52%、1.28%、1.14%。X2→Y的通徑系數(shù)分別為0.830、0.840、0.852、0.974，表明日最低溫升高對排放量呈增排效應，日最低溫每增加0.5℃，排放量平均增排幅度分別為2.41%、2.36%、2.24%、1.92%?？傮w來看4種耕作措施下日最高、最低溫存在負交互作用，且日最低溫升高帶來的增排效應占主導地位。

圖4 不同耕作措施下日最高、最低溫對旱作麥田土壤N2O排放量通徑分析Fig.4 A general analysis of the daily maximum and minimum temperature under different tillage measures on the N2O emission from the dry wheat field soil

3 討 論

本研究發(fā)現(xiàn)，參數(shù)本地化后的APSIM模型對4種耕作措施下旱作麥田土壤N2O排放的模擬結果與實測值較為一致，歸一化均方根差(NRMSE)最大值為0.17，決定系數(shù)(R2)最小值為0.80, 相關性均達到顯著水平(P<0.05)。APSIM模型可以較好地捕捉不同耕作措施下旱作麥田在生長季排放的N2O，與實測值保持相似的規(guī)律均為T>NT>TS>NTS。主要原因為不同耕作措施下土壤理化性質(zhì)和氮組分含量存在差異，免耕和秸稈覆蓋顯著增加了表層土壤容重、有機碳及土壤含水量[15]。一定程度上增加了微生物活動，有利于春小麥吸收養(yǎng)分，減少土壤硝、銨態(tài)氮的殘留，從而降低了土壤N2O排放。但APSIM模型模擬值顯著低于實測值，且對于部分單個時間節(jié)點N2O排放通量和排放峰值存在一定誤差。

黃土丘陵地區(qū)主要氣候變化特征表現(xiàn)為溫度升高、降水時節(jié)分配不均。土壤N2O排放的主要來源是土壤微生物的硝化與反硝化作用，而溫度升高不僅影響硝化反硝化微生物活性，還影響著 N2O 在土壤中的運輸與擴散，是影響土壤 N2O形成的關鍵因素[16]。因此，在當?shù)爻Ｓ玫?種耕作措施下分別探討日最高溫、最低溫變化對旱作麥田土壤N2O排放的影響規(guī)律，能對當?shù)卮盒←溕a(chǎn)與減排提供針對性的指導。在APSIM模型驗證的基礎上，運用模型對不同耕作措施下日最高、最低溫度升高耦合條件的旱作麥田土壤N2O進行模擬，結果顯示：日最高溫度不變時，日最低溫度升高會增加N2O排放。增排效果表現(xiàn)為T>NT>TS>NTS。日最低溫度不變時，日最高溫度升高會減少N2O排放，減排效果表現(xiàn)為T>TS>NT>NTS。由于日最低溫度升高帶來的增排效應大于高溫升高帶來的減排效應，日最高溫、最低溫升高對N2O排放存在正互作作用。從研究結果分析，T處理下旱作麥田土壤N2O排放量對溫度升高比較敏感，不論是日最高溫升高帶來的減排效應還是日最低溫度升高帶來的增排效應都高于其他處理。主要是由于T處理土壤孔隙較大, 加速了土壤水分的蒸發(fā), 溫度升高更容易降低土壤含水量，促使土壤干濕交替變化加快，從而加速了N2O的產(chǎn)生與釋放[17]; 此外, 由于土壤擾動力度大, 加強了土壤透氣性，可能將土壤從厭氧狀態(tài)改變?yōu)楦谎鯛顟B(tài)，雖能加強土壤硝化反應但抑制了反硝化作用。NTS耕作措施相較于其他耕作措施增排效應較小，這主要是由于秸稈只是覆蓋于土壤表面，土壤未經(jīng)擾動，更利于土壤有機碳的固定，且土壤較為緊實，土壤容重大，濕度大[18]; 另一方面，秸稈覆蓋降低了土壤蒸發(fā)，利于保持土壤水分和土壤的厭氧環(huán)境。這與閆翠萍等[19]的研究基本一致。

本文運用APSIM模型模擬旱作麥田土壤N2O排放時未考慮病蟲害、田間管理等因素的影響，后續(xù)需要進一步研究。

4 結 論

APSIM模型可以較準確地模擬定西地區(qū)旱作春小麥不同耕作措施下土壤N2O氣體排放，累積排放量實測值與模擬值的歸一化均方根差(NRMSE)最大值為0.17，決定系數(shù)(R2)最小值為0.80, 相關性均達到顯著水平(P<0.05)；4種耕作措施下，日最低溫升高對N2O排放呈正效應，日最高溫不變，日最低溫每升高0.5℃旱作麥田土壤N2O排放量在T、NT、TS和NTS處理下分別平均增排2.41%、2.36%、2.24%、1.92%；日最高溫升高對N2O排放呈負效應，日最低溫不變，日最高溫每升高0.5℃旱作麥田土壤N2O排放量在T、NT、TS和NTS處理下分別平均減排1.68%、1.52%、1.28%、1.14%。日最低溫升高帶來的增排效應大于日最高溫升高帶來的減排效應。