DNDC模型和TOPSIS法聯(lián)合確定生物降解地膜覆蓋農(nóng)田合理施氮量

冷 旭，李仙岳，郭 宇，丁宗江

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，呼和浩特 010018；2.高效節(jié)水技術(shù)裝備與水土環(huán)境效應(yīng)內(nèi)蒙古工程研究中心，呼和浩特 010018)

目前糧食安全問題被全世界所關(guān)注，而擴(kuò)大糧食種植面積和提高糧食單產(chǎn)水平是其重要的解決方案。但在種植面積不能增加的情況下，農(nóng)民為了提高產(chǎn)量增加收益，盲目過量施肥，導(dǎo)致大量的資源浪費(fèi)，氮肥利用率降低，并伴隨著地下水污染、水體富營養(yǎng)化等問題。另外，連續(xù)多年覆蓋塑料地膜，造成嚴(yán)重的“白色污染”，導(dǎo)致農(nóng)膜殘片在土層中累積，破壞土體結(jié)構(gòu)，作物產(chǎn)量下降。盡管生物降解地膜價(jià)格稍貴，但其是解決該問題的主要措施。諸多學(xué)者對(duì)生物降解地膜和塑料地膜覆蓋的效果進(jìn)行大量研究表明，生物降解地膜隨作物生育期推進(jìn)，通過光照、土壤微生物活動(dòng)等因素發(fā)生破損并自行降解，并對(duì)產(chǎn)量影響較小，且最終分解為水和二氧化碳，可有效改善地膜殘留問題；張景俊研究發(fā)現(xiàn)，生物降解地膜和塑料地膜覆蓋下全生育期0—20 cm土層平均地溫僅相差0.73 ℃，無明顯差異，但比無膜覆蓋處理分別提高7.74%和10.90%；且土壤含水量隨地膜破損程度加大而降低，0—20 cm土層含水率比塑料地膜覆蓋降低0.93%～7.35%；李仙岳等研究指出，在作物生長前期，生物降解地膜與塑料地膜覆蓋土層硝態(tài)氮含量無顯著差異，在生長末期土層硝態(tài)氮含量比塑料地膜覆蓋降低28.84%，但比無膜覆蓋處理提高20.46%，且隨著施氮量增加土層硝態(tài)氮含量增加；同時(shí)Chen等通過調(diào)節(jié)生物降解地膜覆蓋下的施氮量發(fā)現(xiàn)，施280 kg/hm氮肥比210，140 kg/hm在0—100 cm土層硝態(tài)氮濃度分別提高0.018，0.037 mg/cm。

雖然在不同覆膜條件和施肥制度對(duì)作物生長與土壤氮環(huán)境變化的影響已有大量研究，但在制定適宜的覆膜施氮制度時(shí)，資金、時(shí)間和勞動(dòng)力的投入制約著試驗(yàn)結(jié)果的精度，同時(shí)沒有綜合考慮產(chǎn)量、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)效益以及不同地區(qū)的特點(diǎn)，導(dǎo)致所制定的最優(yōu)方案失真。作物生長模型能更方便獲取作物生長變化過程，如DNDC(denitrification-decomposition model，脫氮—分解作用)模型可模擬不同時(shí)期地膜覆蓋率變化和施氮量改變對(duì)作物生長的影響，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)生物降解地膜覆蓋及氮肥調(diào)控下的作物生長模擬，但該模型并沒有對(duì)地膜類型進(jìn)行優(yōu)化，也沒有考慮到成本收益和環(huán)境影響等內(nèi)容，缺乏對(duì)其的綜合評(píng)價(jià)。而改進(jìn)的TOPSIS(technique for order preference by similarity to ideal solution)方法是根據(jù)有限的評(píng)價(jià)對(duì)象與理想化目標(biāo)的接近程度進(jìn)行排序的方法，是在現(xiàn)有對(duì)象中進(jìn)行相對(duì)優(yōu)劣的評(píng)價(jià)，可實(shí)現(xiàn)多指標(biāo)多目標(biāo)決策分析，并克服傳統(tǒng)TOPSIS法在確定指標(biāo)權(quán)重因子時(shí)主觀因素的影響，具有較高的科學(xué)性與合理性，目前主要在土地利用合理性、節(jié)水改造效益和排灌方案優(yōu)化等方面大量應(yīng)用?；诟倪M(jìn)的TOPSIS法與DNDC耦合模型確定適宜的地膜類型和施氮制度是一種高效、經(jīng)濟(jì)且合理的手段，但這方面的研究目前相對(duì)較少。因此，本研究主要通過構(gòu)建、率定和驗(yàn)證不同覆膜及不同施氮量條件下DNDC作物生長模型，再設(shè)置不同情景獲得其主要指標(biāo)，并基于改進(jìn)的TOPSIS法考慮產(chǎn)量、氮淋失量、殘膜量、氮肥利用率和凈收益5個(gè)方面進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，提出干旱區(qū)生物降解膜覆蓋下優(yōu)化的施氮量，以期為生物降解地膜推廣及氮肥高效利用奠定理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2016—2017年在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)木壘灘節(jié)水試驗(yàn)站(106°56′30″E，40°31′48″N)進(jìn)行。該地區(qū)春秋季時(shí)間較短，夏季較為炎熱。年均氣溫7.6 ℃，年均降水量少，僅為144.5 mm；年均蒸發(fā)量較大，為2 397.6 mm；5—9月內(nèi)積溫高，為3 100 ℃；晝夜溫差大，為14.5 ℃。試驗(yàn)田塊土壤為粉砂壤土，質(zhì)地均勻；地下水埋深較大，均在6 m以下。體積田間持水率為36.89%，平均容重1.49 g/cm，電導(dǎo)率為305.2 μS/cm。0—30 cm土層總氮、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比和pH分別為0.78，6.3 g/kg和8.1，速效磷、速效鉀、速效氮質(zhì)量比分別為11.22，126.9，58.32 mg/kg。

玉米在每年的5月1日進(jìn)行播種，并于同年9月20日進(jìn)行收獲。種植密度為55 555株/hm。試驗(yàn)在高氮水平(常規(guī)施氮336 kg/hm)下設(shè)置3種覆膜處理，包括塑料地膜(PFM3)、生物降解地膜(BFM3)和無膜覆蓋處理(NFM3)；同時(shí)在生物降解地膜覆蓋下設(shè)立3個(gè)施氮水平，包括中氮(BFM2，276 kg/hm)、低氮(BFM1，216 kg/hm)和不施氮(BFM0，0 kg/hm)，共6個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次，用田埂分割出18個(gè)小區(qū)隨機(jī)排列。根據(jù)當(dāng)?shù)毓嗨?jīng)驗(yàn)，共灌水5次，每次灌水105 mm，總灌水量為525 mm。各處理的灌溉制度相同，灌水時(shí)間及生育期的氣象變化情況見圖1。

圖1 2016年和2017年作物生育期氣溫、降雨量和灌水量

1.2 測定指標(biāo)與方法

田間滲漏量：分別在膜上與膜間選擇50 cm土層深度為耕作層的下邊界，在邊界上下(40—60 cm)安裝土壤張力計(jì)，監(jiān)測該土層的基質(zhì)勢，并根據(jù)非飽和流動(dòng)的達(dá)西定律計(jì)算相應(yīng)土層的下邊界通量。

硝態(tài)氮淋失量：采用由210 cm長、11 cm粗的PVC管制成的田間淋溶管測定膜上與膜間土壤剖面50 cm的氮淋失量，其中頂部30 cm高于地表，土層下50～140 cm管壁均勻打孔，底部預(yù)留40 cm用于收集土層50 cm 深度以下的滲漏液。每次灌水和降雨后3～5天內(nèi)采集滲漏液，并清空管內(nèi)殘留的水樣，采用雙波長比色法測定膜上與膜間淋溶水樣中平均硝態(tài)氮濃度，乘以相應(yīng)的水通量來計(jì)算硝態(tài)氮淋失量。

地膜破損率：各小區(qū)隨機(jī)選取3個(gè)固定的地膜觀測區(qū)，將相機(jī)固定在地膜觀測區(qū)上方40 cm處，并在區(qū)域邊界放直尺作參照物，每次拍攝3張照片，將照片導(dǎo)入AutoCAD 2008(Autodesk, Inc)進(jìn)行處理，計(jì)算破損率與覆蓋率。

作物吸氮量與產(chǎn)量：各處理在收獲時(shí)隨機(jī)取5株玉米，放入干燥箱內(nèi)以105 ℃的溫度殺青30 min，再以80 ℃的溫度將植株干燥至質(zhì)量恒定，粉碎過篩，采用HSO—HO消煮—蒸餾法測定作物吸氮量。同時(shí)各處理隨機(jī)連續(xù)選取10株玉米，自然風(fēng)干脫粒后考種，測量并計(jì)算每公頃產(chǎn)量。

投入成本與收入：根據(jù)市場調(diào)研得知，種子600元/hm，生物降解地膜1 500元/hm，塑料地膜600元/hm，塑料地膜清理費(fèi)150元/hm，水費(fèi)1 350元/hm，打藥及其他480元/hm；復(fù)合肥2.6元/kg，尿素1.8元/kg，玉米收購價(jià)1.92元/kg。

塑料地膜不易降解且難清理，殘留的碎片隨覆蓋年限增加呈線性增長，牛文全等研究發(fā)現(xiàn)其函數(shù)關(guān)系為=5.5460+47.8400(=0.871 0)，減產(chǎn)率同樣呈線性增加(=0.0418+0.4114，=0.982 7)，本試驗(yàn)根據(jù)該經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算了連續(xù)覆蓋塑料地膜10年后殘膜量為103.30 kg/hm，減產(chǎn)率達(dá)4.73%；而當(dāng)連續(xù)覆蓋塑料地膜52年后殘膜量為336.23 kg/hm，此時(shí)由殘膜累積導(dǎo)致的玉米減產(chǎn)率(14.47%)將大于該地區(qū)由地膜覆蓋技術(shù)引起的增產(chǎn)率(14.24%)。

氮肥利用率計(jì)算公式為：

=(-)×100%

(1)

式中：為施氮區(qū)植株吸氮量(kg/hm)；為未施氮區(qū)吸氮量(kg/hm)；為施氮區(qū)施肥純氮投入量(kg/hm)。

1.3 DNDC模型

DNDC模型(denitrification-decomposition model，脫氮—分解作用模型)由美國新罕布什爾大學(xué)陸地海洋空間研究中心開發(fā)研制，是一種基于過程的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳和氮生物地球化學(xué)模型，用于評(píng)價(jià)管理實(shí)踐對(duì)產(chǎn)量或環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的影響，已在全球使用監(jiān)測數(shù)據(jù)得到良好的驗(yàn)證。模型的原理和數(shù)據(jù)庫構(gòu)建在李仙岳等和Leng等的研究中得到詳細(xì)介紹。由圖2可知，塑料地膜全生育期幾乎不發(fā)生降解，而生物降解地膜在播種后43～44天出現(xiàn)大量裂縫、破損，在播種后60，86，116，143天，覆蓋率分別為82.06%，71.42%，55.4%和29.74%(試驗(yàn)覆膜時(shí)，地膜之間的裸露區(qū)域?qū)?0 cm，因此每平方米初始覆膜率約為89%)。

圖2 玉米生育期生物降解地膜和塑料地膜的覆蓋率與破損率

1.4 模型評(píng)價(jià)

玉米產(chǎn)量、吸氮量和氮淋失量的模擬值與實(shí)測值采用一致性指數(shù)()、決定系數(shù)()和標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差(NRMSE)3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。當(dāng)NRMSE值接近0，與值接近1，說明模擬值與實(shí)測值吻合，模型的精確度較高。

(2)

(3)

(4)

式中：、分別為模擬值與觀測值；、分別為模擬值與觀測值的均值；為觀測個(gè)數(shù)。

1.5 不同地膜覆蓋下氮肥調(diào)控綜合效應(yīng)評(píng)價(jià)

采用改進(jìn)的TOPSIS評(píng)價(jià)方法對(duì)不同施氮量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，通過計(jì)算評(píng)價(jià)對(duì)象與絕對(duì)正理想解和絕對(duì)負(fù)理想解之間的距離，確定反映不同覆膜條件下不同施氮量的綜合效應(yīng)評(píng)價(jià)值()。具體步驟為：

(1)建立標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣：

=1,2,…,;=1,2,…,

(5)

(2)計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)熵值：

=1,2,…,;=1,2,…,

(6)

(3)計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重：

=1,2,…,;=1,2,…,

(7)

(4)建立加權(quán)決策矩陣：

=1,2,…,;=1,2,…,

(8)

(5)計(jì)算矩陣的正理想解向量和負(fù)理想解向量：

(9)

(10)

(6)計(jì)算各評(píng)價(jià)單元與正理想解和負(fù)理想解的歐式距離：

=1,2,…,;=1,2,…,

(11)

=1,2,…,;=1,2,…,

(12)

(7)計(jì)算各評(píng)價(jià)單元與最優(yōu)值的相對(duì)接近度(合理度)：

(13)

式中：為評(píng)價(jià)對(duì)象的個(gè)數(shù)；為評(píng)價(jià)指標(biāo)的個(gè)數(shù)。

(8)按相對(duì)接近度大小排序，越接近100%，表示第個(gè)評(píng)價(jià)單元越接近最優(yōu)水平，合理度越高；值越小，表示第個(gè)評(píng)價(jià)單元水平越差，合理度越低。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，Origin 9.0軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 DNDC模型率定與驗(yàn)證

利用玉米產(chǎn)量、吸氮量和氮淋失量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)DNDC模型進(jìn)行參數(shù)率定(2016年)與驗(yàn)證(2017年)。結(jié)果顯示，DNDC模型對(duì)不同類型地膜覆蓋及不同施氮量條件下氮素遷移模擬精度較高，模擬氮淋失量與吸氮量的決定系數(shù)()在0.92～0.99范圍內(nèi)，一致性指數(shù)()在0.83～0.99范圍內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差(NRMSE)在6.58%～19.28%范圍內(nèi)(表1)。同時(shí)產(chǎn)量的模擬值與觀測值有較高的擬合精度，與均大于0.93，NRMSE均小于10%。由于模型不能考慮重茬、病蟲害等自然因素和種植密度等人為因素，難以將現(xiàn)實(shí)中不確定因素考慮齊全，故模擬值與實(shí)測值存在一定差異，但在合理誤差范圍內(nèi)。從模擬效果與各項(xiàng)驗(yàn)證指標(biāo)來看，DNDC模型能擬合出覆膜和氮肥調(diào)控條件下玉米生長及氮素遷移的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，可用于該地區(qū)生物降解地膜覆蓋農(nóng)田作物生產(chǎn)力與資源利用的預(yù)測和評(píng)估。

表1 DNDC模型的率定和驗(yàn)證

2.2 氮淋失量及利用效率對(duì)覆膜類型和施氮量的響應(yīng)

玉米根系主要集中分布在0—50 cm土層，因此土壤深層的氮素不能被作物吸收利用。而DNDC模型可以很好地估算出50 cm以下的氮淋失量。通過情景模擬可知，當(dāng)施氮量較低時(shí)，不同地膜覆蓋氮淋失量均較少。比如，僅施用基肥(56 kg/hm)情景下，塑料地膜覆蓋(PFM)比生物降解地膜覆蓋(BFM)和無膜覆蓋(NFM)氮淋失量分別提高0.13%和10.57%；當(dāng)施氮量增加到456 kg/hm時(shí)，PFM相比BFM和NFM處理氮淋失量分別提高0.07%和26.69%，且相比氮量為56 kg/hm，施氮量為456 kg/hm時(shí)PFM、BFM和NFM氮淋失量分別提高606.54%，606.15%和516.28%(圖3a)?？梢?，隨施氮水平提高，不同地膜覆蓋下的氮淋失量均呈線性增長(BFM：=0.621-23.588，=0.980 4；PFM：=0.6215-23.294，=0.981 1；NFM：=0.4753-12.617，=0.979 6)，且BFM與PFM處理的氮淋失量無明顯差異，均遠(yuǎn)大于NFM處理。

不同地膜覆蓋處理的氮肥利用率隨施氮量增加先呈上升趨勢(圖3b)，均在施106 kg/hm氮肥時(shí)達(dá)到峰值。由于生物降解地膜破損，促進(jìn)硝化反應(yīng)，此時(shí)BFM的氮肥利用率比PFM處理提高0.58%，且比NFM處理提高10.11%。繼續(xù)增加施氮量，不同地膜覆蓋處理的氮肥利用率均呈線性下降(BFM：=-0.0972+66.89，=0.990 5；PFM：=-0.0951+66.507，=0.990 4；NFM：=-0.0826+59.102，=0.992 7)。當(dāng)施氮量為456 kg/hm時(shí)，BFM的氮肥利用率比PFM處理降低0.65%，但比NFM處理提高8.22%，而PFM、BFM和NFM處理施456 kg/hm氮肥與施106 kg/hm氮肥相比氮肥利用率分別降低56.88%，57.41%和56.66%。可見，施用過量氮肥利用效率明顯下降，不但增加農(nóng)民的支出，還造成資源浪費(fèi)，環(huán)境污染。從資源利用角度來看，表現(xiàn)為塑料地膜>生物降解地膜>無膜處理。

圖3 不同處理的氮淋失量和氮肥利用率

2.3 覆膜類型和施氮量對(duì)產(chǎn)量的影響

不同地膜覆蓋處理的作物產(chǎn)量隨施氮量增加呈先快速上升后趨于穩(wěn)定并緩慢降低趨勢(表2)。BFM、PFM和NFM處理分別在施氮量分別為281，331，406 kg/hm時(shí)產(chǎn)量達(dá)到峰值，但僅比施氮量為256 kg/hm時(shí)產(chǎn)量分別提高0.30%，1.17%和0.39%，且繼續(xù)增加施氮量，產(chǎn)量不再提高。在生物降解地膜覆蓋下獲得最大產(chǎn)量的施氮水平下(281 kg/hm)，PFM比BFM處理產(chǎn)量僅提高2.64%，但比NFM處理提高12.71%。

表2 不同類型地膜覆蓋和不同施氮量對(duì)作物產(chǎn)量的影響 單位：kg/hm2

產(chǎn)量與施氮量存在閾值效應(yīng)，相比施氮量為56 kg/hm時(shí)，3種覆膜處理的最大產(chǎn)量平均提高241.33%，同時(shí)BFM與PFM處理的產(chǎn)量較相近，均明顯高于NFM。然而連續(xù)多年覆蓋塑料地膜造成農(nóng)膜在土壤中累積，影響作物—土壤系統(tǒng)，導(dǎo)致作物減產(chǎn)。在施氮量為281 kg/hm時(shí)，連續(xù)覆蓋10年塑料地膜(PFM)和連續(xù)覆蓋52年塑料地膜后(PFM)處理的產(chǎn)量分別比BFM處理分別降低2.55%和12.51%；與NFM處理相比，PFM處理的產(chǎn)量提高7.37%，而PM處理的產(chǎn)量降低3.60%。從對(duì)產(chǎn)量的影響來看，表現(xiàn)為覆蓋1年塑料地膜>生物降解地膜>連續(xù)覆蓋10年塑料地膜>無膜>連續(xù)覆蓋52年塑料地膜處理。

2.4 覆膜類型和施氮量對(duì)經(jīng)濟(jì)效益的影響

地膜覆蓋明顯提高玉米產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)收益，但成本也隨之增加。BFM處理在施氮量為281 kg/hm時(shí)收益最大，與PFM處理相比毛收益僅降低2.24%(表3)，因?yàn)楸M管生物降解地膜覆蓋不用殘膜回收成本，但生產(chǎn)成本高，導(dǎo)致凈收益反而降低6.84%。BFM與NFM處理相比，毛收益和凈收益分別提高10.18%和3.17%；與PFM和PFM處理相比，毛收益分別提高2.62%和14.30%；凈收益分別提高-1.11%和13.22%。NFM處理在施氮量為406 kg/hm時(shí)毛收益最大，施氮量為281 kg/hm時(shí)凈收益最大。可見，無地膜覆蓋處理下，隨施氮量增加毛收益增長速度慢于成本增加速度，導(dǎo)致凈收益降低，但遠(yuǎn)高于PFM處理。從對(duì)經(jīng)濟(jì)影響來看，表現(xiàn)為覆蓋1年塑料地膜>連續(xù)覆蓋10年塑料地膜>生物降解地膜>無膜>連續(xù)覆蓋52年塑料地膜處理。

表3 不同處理的成本和收益

2.5 不同類型地膜覆蓋及氮肥調(diào)控的綜合評(píng)價(jià)

利用DNDC模型模擬不同類型地膜覆蓋和不同施氮量處理的產(chǎn)量、氮淋失量、氮肥利用率和凈收益，并基于改進(jìn)的TOPSIS法評(píng)估地膜類型和施氮量的合理度。結(jié)果顯示，不同地膜覆蓋下均在施氮量為106 kg/hm時(shí)氮肥利用率最高，氮淋失量較少，但產(chǎn)量和凈收益較低(圖4)。隨施氮量增加，盡管不同類型地膜覆蓋處理的產(chǎn)量和凈收益迅速上升，但是氮淋失量增加，氮肥利用率降低，從而合理度呈下降趨勢。當(dāng)施氮量為231～256 kg/hm時(shí)，BFM和PFM處理的合理度再次達(dá)到峰值，且同一地膜覆蓋下施用231，256 kg/hm氮肥的合理度無明顯差異。該施氮條件下比施用106 kg/hm氮肥的合理度與氮肥利用率分別降低0.43%～1.57%和16.98%～24.21%，但產(chǎn)量、凈收益和氮淋失量依次提高63.99%～74.80%，93.91%～108.00%和131.56%～168.53%，繼續(xù)增加施氮量合理度呈下降趨勢。對(duì)于農(nóng)民，如果優(yōu)先考慮產(chǎn)量、收益和環(huán)境時(shí)，得到地膜覆蓋下最優(yōu)施氮量為231～256 kg/hm。在該施氮水平下，均為PFM處理的合理度最高(圖4)。而BFM與PFM處理相比，合理度平均僅降低1.90%，但與NFM處理相比，合理度提高6.39%。隨著塑料地膜覆蓋年限增加，合理度明顯下降，連續(xù)覆蓋10年(PFM)和52年(PFM)平均分別降低4.00%和17.20%。在連續(xù)覆蓋52年后，合理度已比NFM處理降低10.20%。綜合考慮經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會(huì)三方面，從可持續(xù)發(fā)展角度來看，在生物降解地膜覆蓋下施231～256 kg/hm氮肥是干旱地區(qū)最合理的覆膜施氮制度。

圖4 不同施氮量與不同地膜覆蓋的綜合評(píng)價(jià)

3 討 論

3.1 施氮量對(duì)產(chǎn)量、氮淋失、NUE和收益的影響

施氮量增加提高土層硝態(tài)氮含量，增加作物吸氮量，促進(jìn)作物生長，進(jìn)而提高產(chǎn)量。但作物對(duì)氮素吸收的能力有限，過量施用氮肥，作物不再有明顯的生長變化。本研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)施氮量增加至256 kg/hm時(shí)，產(chǎn)量上升至平臺(tái)值，繼續(xù)增加施氮量，產(chǎn)量不再提高，甚至出現(xiàn)緩慢降低趨勢。這是因?yàn)橄鯌B(tài)氮含量增加導(dǎo)致土層溶質(zhì)勢較高，進(jìn)而抑制水分吸收，吸氮量和光合能力不再提高。Xue等研究發(fā)現(xiàn)，施氮量從0增加到300 kg/hm時(shí)，蓖麻籽產(chǎn)量持續(xù)增加，但當(dāng)施氮量增加到400 kg/hm時(shí)，蓖麻籽產(chǎn)量明顯降低，減產(chǎn)7.24%。同時(shí)土層中的硝態(tài)氮易隨水分遷移，硝態(tài)氮濃度越高，淋失量越大。Chen等利用HYDRUS模型模擬生物降解地膜覆蓋下土壤氮平衡發(fā)現(xiàn)，當(dāng)施氮量從210 kg/hm增加至280 kg/hm，硝態(tài)氮含量增加33.63%，氮淋失量增加30.02%。本研究也發(fā)現(xiàn)，氮淋失量與施氮量存在線性關(guān)系，其函數(shù)關(guān)系式為=0.621-23.588，=0.980 4。隨著施氮量增加，氮素以氣體形式的揮發(fā)同樣增加，巨曉棠等研究發(fā)現(xiàn)，施氮量增加至360 kg/hm時(shí)，氨揮發(fā)損失增加至7.20%，導(dǎo)致NUE降低。因此，NUE與氮淋失量呈相反的變化趨勢，隨施氮量增加而下降。Yin等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)施氮量由160 kg/hm增加至240 kg/hm，NUE降低21.63%。凈收益與產(chǎn)量相關(guān)，在控施氮條件下，凈收益隨產(chǎn)量增加而增加，而當(dāng)過量施氮時(shí)產(chǎn)量增加創(chuàng)造的收益低于施氮量增加所需要的成本，因此本研究發(fā)現(xiàn)，隨施氮量增加，凈收益呈先上升后下降的趨勢，在種植花椰菜、小麥、棉花和烤煙等作物上，均得到相似的結(jié)論。

3.2 不同地膜覆蓋對(duì)產(chǎn)量、氮淋失、NUE和收益的影響

地膜覆蓋切斷土壤與大氣的連接，減少土壤水分揮發(fā)，提高土壤溫度，為作物營造良好的生長環(huán)境起到增產(chǎn)作用，本研究發(fā)現(xiàn)，塑料地膜比無膜覆蓋產(chǎn)量提高12.71%。但塑料地膜不易降解，可在土壤中存留約200年，且隨著覆蓋年限增加，殘膜量增加，造成減產(chǎn)。諸多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，生物降解地膜是塑料地膜理想的替代品。隨著生物降解地膜的破損，恢復(fù)土壤與大氣之間的氣體傳輸通道，蒸散增加，保溫效果減弱，產(chǎn)量也有一定下降，但并不顯著。李仙岳等研究發(fā)現(xiàn)，生物降解地膜比塑料地膜產(chǎn)量僅降低3.97%，與本研究結(jié)果一致。同時(shí)，地膜也減少氮素以氣體形式損失，劉小娥研究發(fā)現(xiàn)，地膜覆蓋后氨氣揮發(fā)減少90.00%，因此土層中硝態(tài)氮含量和氮淋失量也高于無膜處理，分別提高24.66%和26.25%。生物降解地膜在降解破損后，不僅增加氮素?fù)]發(fā)，還使降雨入滲量增加，氮淋失量也隨之上升，BFM氮淋失量與PFM無明顯差異。地膜覆蓋處理的NUE同樣無明顯差異，均顯著高于NFM。雖然不覆膜處理減少人工和地膜成本的投入，但產(chǎn)量低，因此凈收益低于覆膜處理。

3.3 施肥制度優(yōu)化與不同地膜評(píng)價(jià)

科學(xué)的施肥制度與覆蓋適宜的地膜能夠保證較高的產(chǎn)量與氮肥利用率，并減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中氮素與殘膜導(dǎo)致的面源污染。Zhang等利用DNDC模型模擬估算可接受的產(chǎn)量和氮淋失量，確定玉米臨界施氮量為150～240 kg/hm。然而選取適宜的覆蓋地膜、制定合理的施氮制度，不能僅考慮某一方面最優(yōu)，現(xiàn)有研究多是單純考慮增產(chǎn)效果、氮淋失或經(jīng)濟(jì)效益等單一指標(biāo)作為約束條件，為了簡化問題，往往忽略經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會(huì)3方面的協(xié)調(diào)和統(tǒng)一，選取的最優(yōu)方案容易失真。需根據(jù)研究對(duì)象的目標(biāo)與需求側(cè)重點(diǎn)，通過建立多目標(biāo)、多情景模型來得到3方面綜合最優(yōu)方案。嚴(yán)富來等利用灰色關(guān)聯(lián)度分析法對(duì)干物質(zhì)累積、產(chǎn)量、籽粒氮素累計(jì)和水氮利用率進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)，最優(yōu)施氮量為300 kg/hm，但由于其試驗(yàn)處理較少，施氮制度尋優(yōu)的精度有所不足。而借助模型軟件，能比較經(jīng)濟(jì)、高效地掌握作物生長發(fā)育和土壤氮遷移過程，再利用評(píng)價(jià)方法能更精準(zhǔn)地提出最優(yōu)施氮量。因此，本試驗(yàn)利用DNDC模型進(jìn)行多情景模擬，并結(jié)合改進(jìn)的TOPSIS法對(duì)產(chǎn)量、氮淋失量、殘膜量、氮肥利用率和凈收益5個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，從生態(tài)、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)3方面選出，在生物降解地膜覆蓋下施用氮肥231～256 kg/hm，是干旱地區(qū)最合理的覆膜施肥制度。

4 結(jié) 論

(1)DNDC模型對(duì)不同類型地膜覆蓋及不同施氮量條件下氮淋失量、吸氮量和產(chǎn)量的模擬精度較高，與均大于0.83，NRMSE均小于20%，該模型可用于干旱區(qū)生物降解地膜覆蓋作物生產(chǎn)力與資源利用的預(yù)測和評(píng)估。

(2)隨施氮水平提高，不同地膜覆蓋下的氮淋失量均呈線性增長；當(dāng)施氮量增加至106 kg/hm時(shí)，氮肥利用率最大，繼續(xù)增加施氮量呈線性下降；當(dāng)施氮量增加至281 kg/hm時(shí)，生物降解地膜覆蓋下的產(chǎn)量和凈收益達(dá)到峰值。與塑料地膜覆蓋相比，產(chǎn)量、氮淋失量、氮肥利用率無明顯差異，均顯著高于無膜覆蓋處理，且凈收益提高3.17%。

(3)連續(xù)52年覆蓋塑料地膜后，由殘膜累積導(dǎo)致的玉米減產(chǎn)率將大于由地膜覆蓋技術(shù)引起的增產(chǎn)率，進(jìn)而收益也隨之下降。利用改進(jìn)的TOPSIS法對(duì)產(chǎn)量、氮淋失量、殘膜量、氮肥利用率和凈收益5個(gè)方面進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，選出在生物降解地膜覆蓋下施用氮肥231～256 kg/hm是干旱地區(qū)最合理的覆膜施氮制度。