基于DNDC的夏玉米農(nóng)田控氨穩(wěn)產(chǎn)氮肥和秸稈措施優(yōu)化

趙政鑫 王曉云 田雅潔 王 銳 彭 青 蔡煥杰

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)中國(guó)旱區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水研究院，陜西楊凌 712100)

0 引言

由于工業(yè)的快速發(fā)展、燃料的大量使用以及各種人為因素導(dǎo)致全球氣候變暖，大氣中CO2濃度升高，這些變化會(huì)嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境和農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)[1-2]。近年來(lái)，如何應(yīng)對(duì)人為和自然因素引起的氣候變化問(wèn)題是科學(xué)研究領(lǐng)域面對(duì)的重要課題[3]。1980年陜西省化肥施用量為2.964×105t，到2020年陜西省的化肥施用量為2.117×106t，增長(zhǎng)了6.14倍，每公頃化肥施用強(qiáng)度遠(yuǎn)超國(guó)際公認(rèn)化肥施用上限78%。每年全球施用的化學(xué)氮肥和有機(jī)氮肥中，由于氨揮發(fā)造成的氮肥損失率分別占施氮量的23%和14%[4]，我國(guó)是最大的氨排放國(guó)家，其中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系中產(chǎn)生的NH3是氨排放主要來(lái)源[5]。因此，制定合理的施肥管理措施，保證作物穩(wěn)產(chǎn)并減少NH3、CO2和N2O等氣體的排放對(duì)發(fā)展高效低碳農(nóng)業(yè)和減緩氣候變化具有重要意義[6]。

秸稈還田能夠提高土壤固碳能力及土壤肥力，是保護(hù)性耕作的核心措施之一[7]。有研究表明，秸稈還田能夠改善土壤耕層結(jié)構(gòu)，對(duì)土壤有保水保墑的作用[8]，提高土壤酶活性[9]，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量。有研究利用DNDC模型對(duì)華北平原冬小麥-夏玉米農(nóng)田水肥措施進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明DNDC模型可以準(zhǔn)確模擬作物產(chǎn)量及N2O、CO2、CH4等氣體的排放規(guī)律，可為農(nóng)田水肥措施研究提供有效工具[10-13]。田間施肥管理措施在施氮量和秸稈還田量上有很大的靈活性，田間試驗(yàn)處理的局限性可能錯(cuò)過(guò)最優(yōu)穩(wěn)產(chǎn)減排方案，且前人研究得到的較為優(yōu)化的管理措施通?；诋?dāng)前氣候條件，由于在未來(lái)氣候條件下溫度、空氣中CO2濃度等因素會(huì)發(fā)生變化，所以當(dāng)前最優(yōu)的管理措施在未來(lái)氣候條件下未必適用。因此，在氣候變化的背景下，適合關(guān)中地區(qū)的控氨穩(wěn)產(chǎn)措施需進(jìn)一步研究。

本研究以關(guān)中地區(qū)夏玉米為研究對(duì)象，利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)DNDC模型進(jìn)行校正與驗(yàn)證，并利用校正后硝化反硝化(Denitrification-Decomposition，DNDC)模型與未來(lái)不同排放情景下的氣象數(shù)據(jù)結(jié)合，通過(guò)設(shè)置不同施肥-秸稈措施情景，以產(chǎn)量較高且單位產(chǎn)量土壤氨揮發(fā)累積量較低為目標(biāo)，篩選適合未來(lái)氣候條件的控氨穩(wěn)產(chǎn)管理措施，為應(yīng)對(duì)氣候變化、保證作物穩(wěn)產(chǎn)和控制農(nóng)田氨排放以及減少環(huán)境污染提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)于2019年6—10月和2020年6—10月在西北農(nóng)林科技大學(xué)節(jié)水灌溉試驗(yàn)站進(jìn)行(108°04′ E，34°17′ N，海拔 521 m)。該區(qū)屬典型的暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年均無(wú)霜期 210 d，日照時(shí)數(shù)2 164 h，年平均氣溫12.9℃，多年平均降水量550 mm。供試土壤類(lèi)型為塿土，pH值7.82，0～20 cm耕層有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比14.48 g/kg，容重1.40 g/cm3，速效磷質(zhì)量比13.67 mg/kg，土壤全氮質(zhì)量比0.95 g/kg，硝態(tài)氮質(zhì)量比2.5 mg/kg，銨態(tài)氮質(zhì)量比2.0 mg/kg。

1.2 田間試驗(yàn)

試驗(yàn)采用完全隨機(jī)組合設(shè)計(jì)，試驗(yàn)因素為氮肥種類(lèi)和秸稈還田模式。氮肥種類(lèi)包括施用穩(wěn)定性氮肥(180 kg/hm2，F(xiàn)1)、尿素(180 kg/hm2，F(xiàn)2)；秸稈還田模式設(shè)置兩個(gè)水平，包括秸稈不還田(N)和秸稈全量還田(S)。其中，F(xiàn)2尿素施氮量參考前人研究中推薦施氮量[14]，F(xiàn)1穩(wěn)定性氮肥施氮量與F2一致。穩(wěn)定性氮肥在播種前一次性施入，尿素在播種前以基肥形式施入總施氮量的60%，施肥方式為均勻撒播后進(jìn)行人工翻耕，以追肥形式在玉米抽雄期施入余下40%，施肥方式為均勻撒播。試驗(yàn)共4個(gè)處理，重復(fù)3次，共12個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積為12 m2。秸稈還田方式為秸稈粉碎覆蓋還田，還田量為8 000 kg/hm2，秸稈為小麥秸稈(碳氮比為72)。試驗(yàn)作物為玉米，品種為鄭單958，種植密度為6×104株/hm2。2019年和2020年播種時(shí)間分別為6月15日和6月19日，追肥時(shí)間分別為7月30日和7月26日，收獲時(shí)間分別為10月2日和9月30日。夏玉米全生育期病蟲(chóng)防治與田間除草管理與當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶(hù)相同。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1土壤NH3揮發(fā)累積量測(cè)定

土壤NH3揮發(fā)累積量采用通氣法進(jìn)行測(cè)定[15]，測(cè)定頻率為施肥后7 d內(nèi)每天取樣1次，之后視測(cè)量結(jié)果每3 d取樣1次，后期可延長(zhǎng)到7 d取樣1次直至揮發(fā)量很低停止取樣。取樣結(jié)束后將收集的海綿立即裝入500 mL裝有300 mL濃度為1 mol/L氯化鉀溶液的塑料瓶?jī)?nèi)進(jìn)行震蕩提取，浸提液用AA3型流動(dòng)分析儀(SEAL公司，德國(guó))測(cè)定溶液中的銨態(tài)氮含量。由于試驗(yàn)條件原因，在2019年只測(cè)量了追肥后各處理的土壤氨揮發(fā)累積量，在2020年測(cè)量了夏玉米全生育期的土壤氨揮發(fā)累積量。

氨揮發(fā)累積量計(jì)算公式為

(1)

式中CAE——氨揮發(fā)累積量，kg/hm2

Mi——單個(gè)裝置平均每次收集的氨量，mg

A——收集裝置的橫截面積，取0.017 7 m2

n——收集次數(shù)

其中0.01為轉(zhuǎn)換系數(shù)，0.99為捕獲裝置回收率。

1.3.2產(chǎn)量測(cè)定

夏玉米成熟期時(shí)，在各處理小區(qū)隨機(jī)選取10株玉米穗，自然風(fēng)干后，測(cè)定其行粒數(shù)和穗行數(shù)，然后進(jìn)行人工脫粒和稱(chēng)量，測(cè)定其百粒質(zhì)量，同時(shí)測(cè)定含水率，并折算每公頃產(chǎn)量(含水率14%)。

1.3.3地上部生物量測(cè)定

在玉米生長(zhǎng)各生育期(苗期、拔節(jié)期、吐絲期、灌漿期、成熟期)各處理試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取3株玉米，貼地面采集玉米地上部分，將樣品莖、葉、果分部分裝袋，置于干燥箱內(nèi)105℃殺青30 min，之后75℃干燥至質(zhì)量恒定，稱(chēng)取干質(zhì)量。

1.3.4籽粒氮素含量測(cè)定

將干燥后玉米籽粒稱(chēng)量后粉碎，過(guò)0.5 mm篩，用濃H2SO4-H2O2消煮，用AA3型流動(dòng)分析儀測(cè)定玉米籽粒氮素含量。

1.4 DNDC模型

表1 DNDC模型輸入作物參數(shù)

采用CMIP5模式提供的未來(lái)氣象數(shù)據(jù)(https:∥esgf-node.llnl.gov/search/cmip5/)，包括日最高溫、日最低溫、日降水量、日平均風(fēng)速等氣象要素。選擇CMIP5模式的RCP4.5(到2100年大氣中CO2質(zhì)量濃度達(dá)到1.3 mg/L)和RCP8.5(到2100年大氣中CO2質(zhì)量濃度達(dá)到2.7 mg/L)排放情景。為了減少不同模型對(duì)未來(lái)氣象數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)的不確定性，本研究選擇常用的33個(gè)GCM模式(大氣環(huán)流模式)的未來(lái)氣象數(shù)據(jù)[18]，模擬結(jié)果取各GCM模式的均值。

1.5 未來(lái)氣候條件下不同施肥管理情景設(shè)置

田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，秸稈還田會(huì)顯著提高夏玉米產(chǎn)量，施用穩(wěn)定性氮肥會(huì)顯著降低土壤氨揮發(fā)量，因此，以SF1處理為基礎(chǔ)，設(shè)置不同秸稈還田模式與不同施氮量隨機(jī)組合，秸稈還田模式設(shè)置秸稈全量還田(8 000 kg/hm2)、秸稈半量還田(4 000 kg/hm2)、秸稈不還田(0 kg/hm2)3種，穩(wěn)定性氮肥施用量分別減少30%(126 kg/hm2)、20%(144 kg/hm2)、10%(162 kg/hm2)，不變(180 kg/hm2)，增加10%(198 kg/hm2)、20%(216 kg/hm2)、30%(234 kg/hm2)，隨機(jī)組合共21種情景(表2)，利用校正后的DNDC模型對(duì)不同情景的作物產(chǎn)量和土壤氨揮發(fā)累積量進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果取33種大氣環(huán)流模式的均值，以產(chǎn)量較高和生產(chǎn)單位產(chǎn)量玉米的土壤氨揮發(fā)累積量較小為目標(biāo)，篩選出未來(lái)不同時(shí)期不同排放情景下的最優(yōu)穩(wěn)產(chǎn)減排管理措施。單位產(chǎn)量玉米的土壤氨揮發(fā)累積量I計(jì)算式為

表2 施肥-秸稈措施情景設(shè)置

(2)

式中Y——作物產(chǎn)量，kg/hm2

2 結(jié)果與分析

2.1 DNDC模型驗(yàn)證

2.1.1夏玉米產(chǎn)量

圖1為2019年和2020年各處理夏玉米產(chǎn)量的實(shí)測(cè)值和模擬值。2019年和2020年夏玉米產(chǎn)量各處理實(shí)測(cè)結(jié)果由大到小依次為SF1、SF2、NF1、NF2，兩年的模擬值各處理結(jié)果也表現(xiàn)相同的趨勢(shì)。兩年產(chǎn)量實(shí)測(cè)值表明，施用相同種類(lèi)氮肥時(shí)，秸稈還田會(huì)提高產(chǎn)量4.96%～7.52%和5.80%～9.41%，2019年和2020年模擬值表明施用相同種類(lèi)氮肥時(shí)，秸稈還田會(huì)提高產(chǎn)量12.04%～12.96%和12.20%～12.40%。兩年實(shí)測(cè)值表明，施用相同種類(lèi)氮肥時(shí)，秸稈還田會(huì)提高籽粒氮素含量3.14%～4.51%和20.18%～40.33%，模擬值表明，施用相同種類(lèi)氮肥時(shí)，秸稈還田會(huì)提高籽粒氮素含量12.03%～12.94%和12.03%～12.38%。同時(shí)2019年和2020年的產(chǎn)量模擬值與實(shí)測(cè)值的nRMSE分別為3.09%和4.29%，籽粒氮素含量模擬值與實(shí)測(cè)值的nRMSE分別為5.99%和14.00%，表明產(chǎn)量和籽粒氮素含量的實(shí)測(cè)值與模擬值表現(xiàn)出較好的一致性，且校正后DNDC模型能反映出秸稈還田對(duì)產(chǎn)量和籽粒氮素含量的提高作用。

圖1 產(chǎn)量和籽粒氮素含量驗(yàn)證

2.1.2地上部生物量

圖2為2019年和2020年各處理地上部生物量變化的實(shí)測(cè)值和模擬值擬合結(jié)果。2019年和2020年實(shí)測(cè)值表明，有秸稈還田各處理收獲時(shí)地上部生物量分別高于無(wú)秸稈還田各處理的0.99%～1.44%和3.15%～5.08%，施用穩(wěn)定性氮肥各處理收獲時(shí)地上部生物量分別高于施用尿素各處理0.18%～0.61%和3.15%～5.09%；兩年的模擬值表明：有秸稈還田各處理收獲時(shí)地上部生物量分別高于無(wú)秸稈還田各處理的6.08%～6.50%和6.03%～6.09%，施用穩(wěn)定性氮肥各處理收獲時(shí)地上部生物量分別高于施用尿素各處理0.03%～0.44%和0.68%～0.79%，2019年和2020年各處理的實(shí)測(cè)值與模擬值的R2分別為0.801～0.994和0.983～0.995，以上結(jié)果說(shuō)明校正后DNDC模型能較好地模擬不同施肥-秸稈措施對(duì)夏玉米地上部生物量的影響。

圖2 2019年和2020年地上部生物量驗(yàn)證結(jié)果

2.1.3土壤氨揮發(fā)累積量

圖3為2019年夏玉米追肥后和2020年全生育期的土壤氨揮發(fā)累積量實(shí)測(cè)值和模擬值。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，2019年追肥后施用穩(wěn)定性氮肥的NF1和SF1處理土壤氨揮發(fā)累積量顯著低于施用尿素的NF2和SF2處理，秸稈還田條件下的SF1和SF2處理土壤氨揮發(fā)累積量分別高于秸稈不還田條件下的NF1和NF2處理9.82%和6.77%；2020年全生育期土壤氨揮發(fā)累積量NF1和SF1處理分別低于NF2和SF2處理45.68%和46.60%，秸稈還田條件下的SF1和SF2處理土壤氨揮發(fā)累積量分別高于秸稈不還田條件下的NF1和NF2處理21.65%和22.98%。模型模擬的各處理土壤氨揮發(fā)累積量也表現(xiàn)出相似的結(jié)果，2019年各處理的nRMSE為7.0%～30.7%，R2為0.773～0.988，2020年各處理的nRMSE為21.3%～24.4%，R2為0.854～0.926，說(shuō)明校正后DNDC模型能較好地模擬土壤氨揮發(fā)累積量的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。

圖3 2019年和2020年壤氨揮發(fā)累積量驗(yàn)證結(jié)果

2.2 未來(lái)氣候條件下施肥-秸稈措施優(yōu)化

2.2.1未來(lái)氣候變化

未來(lái)氣候條件下不同排放情景的年均最高溫、最低溫和年降水量變化如圖4(每個(gè)柱狀圖包含33種大氣環(huán)流模式，框邊界表示25%和75%值，誤差棒表示10%和90%值，框中線(xiàn)和十字分別表示中位數(shù)和均值，虛線(xiàn)表示當(dāng)前氣候下的均值)所示。當(dāng)前年均最高溫為19.41℃，年最低溫為9.34℃，在RCP4.5排放情景下，到2030、2050、2070、2090年年均最高溫較當(dāng)前分別提高0.83、1.57、2.04、2.23℃，年均最低溫較當(dāng)前分別提高0.33、0.81、1.16、1.31℃，年降水量較當(dāng)前分別提高26.18、50.22、69.04、84.94 mm；在RCP8.5排放情景下，到2030、2050、2070、2090年年均最高溫較當(dāng)前分別提高1.03、2.1、3.35、4.59℃，年均最低溫較當(dāng)前分別提高0.47、1.24、2.13、3.04℃，年降水量較當(dāng)前分別提高19.28、46.52、77.28、103.13 mm。在未來(lái)不同RCP排放情景下，年均最高溫、最低溫和年降水量均呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)，且RCP8.5排放情景上升的幅度更大。不同排放情景年降水量跨度隨時(shí)間逐漸增大，說(shuō)明在未來(lái)氣候條件下極端降水事件出現(xiàn)的概率逐漸增大。

圖4 未來(lái)氣候條件下溫度和降水的變化

2.2.2施肥-秸稈措施優(yōu)化

模擬結(jié)果表明，在相同秸稈還田量條件下，隨著施氮量逐漸增大，未來(lái)各時(shí)期生產(chǎn)單位產(chǎn)量玉米的土壤氨揮發(fā)累積量均呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，作物產(chǎn)量隨施氮量的增大呈現(xiàn)先升高后不變的趨勢(shì)。如表3所示，在RCP4.5排放情景下，當(dāng)秸稈全量還田時(shí)，穩(wěn)定性氮肥施用量為180 kg/hm2時(shí)在未來(lái)各時(shí)期的生產(chǎn)單位產(chǎn)量玉米的土壤氨揮發(fā)累積量最低；當(dāng)秸稈半量還田時(shí)，穩(wěn)定性氮肥施用量為198 kg/hm2時(shí)在未來(lái)各時(shí)期的生產(chǎn)單位產(chǎn)量玉米的土壤氨揮發(fā)累積量最低，秸稈半量還田配施198 kg/hm2穩(wěn)定性氮肥的夏玉米產(chǎn)量較秸稈全量還田配施180 kg/hm2穩(wěn)定性氮肥在2030、2050、2070、2090年分別低6.29%、0.71%、1.60%、2.26%；當(dāng)秸稈不還田時(shí)，在2030—2050年和2070—2090年分別施用162 kg/hm2和180 kg/hm2穩(wěn)定性氮肥的生產(chǎn)單位產(chǎn)量玉米的土壤氨揮發(fā)累積量最低，但與有秸稈還田的情景相比，生產(chǎn)單位產(chǎn)量玉米的土壤氨揮發(fā)累積量明顯較高且產(chǎn)量較低。因此，綜合考慮產(chǎn)量和生產(chǎn)單位產(chǎn)量玉米的土壤氨揮發(fā)累積量，在RCP4.5排放情景下，秸稈全量還田配施180 kg/hm2穩(wěn)定性氮肥為RCP4.5排放情景下關(guān)中地區(qū)2030—2090年較優(yōu)的高產(chǎn)高效施肥-秸稈措施。

表3 RCP4.5背景下不同情景作物產(chǎn)量和生產(chǎn)單位產(chǎn)量玉米的土壤氨揮發(fā)累積量

如表4所示，在RCP8.5排放情景下，當(dāng)秸稈全量還田時(shí)，在2030—2050年穩(wěn)定性氮肥施用量為180 kg/hm2時(shí)生產(chǎn)單位產(chǎn)量玉米的土壤氨揮發(fā)累積量最低，作物產(chǎn)量為10 775、10 756 kg/hm2，在2070—2090年穩(wěn)定性氮肥氮肥施用量為162 kg/hm2時(shí)生產(chǎn)單位產(chǎn)量玉米的土壤氨揮發(fā)累積量最低，作物產(chǎn)量分別為9 661、8 778 kg/hm2；當(dāng)秸稈半量還田時(shí)，在2030—2050年穩(wěn)定性氮肥施用量為198 kg/hm2時(shí)生產(chǎn)單位產(chǎn)量玉米的土壤氨揮發(fā)累積量最低，但產(chǎn)量較秸稈全量還田配施180 kg/hm2穩(wěn)定性氮肥降低3.46%和0.48%，在2070—2090年穩(wěn)定性氮肥施用量為180 kg/hm2時(shí)生產(chǎn)單位產(chǎn)量玉米的土壤氨揮發(fā)累積量最低，但產(chǎn)量較秸稈全量還田配施162 kg/hm2穩(wěn)定性氮肥降低2.45%和1.78%。當(dāng)秸稈不還田時(shí)，在未來(lái)2030—2090年施用162 kg/hm2穩(wěn)定性氮肥的生產(chǎn)單位產(chǎn)量玉米的土壤氨揮發(fā)累積量最低，但與有秸稈還田的情景相比，生產(chǎn)單位產(chǎn)量玉米的土壤氨揮發(fā)累積量明顯較高且產(chǎn)量較低。因此，綜合考慮產(chǎn)量和生產(chǎn)單位產(chǎn)量玉米的土壤氨揮發(fā)累積量，在未來(lái)RCP8.5排放情景下，秸稈全量還田配施180 kg/hm2穩(wěn)定性氮肥和秸稈全量還田配施162 kg/hm2穩(wěn)定性氮肥分別為關(guān)中地區(qū)2030—2050年和2070—2090年較優(yōu)的高產(chǎn)高效施肥-秸稈措施。

表4 RCP8.5背景下不同情景作物產(chǎn)量和生產(chǎn)單位產(chǎn)量玉米的土壤氨揮發(fā)累積量

3 討論

3.1 DNDC模型模擬評(píng)價(jià)

有研究表明，DNDC模型對(duì)于不同作物如冬小麥[19]、馬鈴薯[20]、水稻[21]等產(chǎn)量的模擬性能相當(dāng)。李仙岳等[22]利用玉米日吸氮量、產(chǎn)量和干物質(zhì)積累量對(duì)DNDC模型進(jìn)行校正與驗(yàn)證，結(jié)果表明，該模型能夠很好地模擬玉米生長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)規(guī)律，能夠較為精確地模擬干旱地區(qū)不同地膜覆蓋和施氮處理?xiàng)l件下玉米產(chǎn)量和氮素利用變化情況，因此DNDC模型可用于農(nóng)田作物生產(chǎn)力的預(yù)測(cè)和評(píng)估。本研究結(jié)論與之相似，2019年和2020年產(chǎn)量和籽粒氮素含量模擬值與實(shí)測(cè)值的nRMSE分別為3.09%、4.29%和5.99%、14.00%，對(duì)于地上部生物量的模擬2019年和2020年各處理的實(shí)測(cè)值與模擬值擬合的R2分別為0.801～0.994和0.983～0.995，說(shuō)明模擬值與實(shí)測(cè)值較為一致。同時(shí)，DNDC模型可以很好地模擬秸稈還田對(duì)產(chǎn)量、籽粒氮素含量和地上部生物量的提高，在兩年的模擬中，在施肥種類(lèi)相同的條件下，實(shí)測(cè)值與模擬值均體現(xiàn)出有秸稈還田的處理高于無(wú)秸稈還田的處理。因此，DNDC模型可用于模擬夏玉米生長(zhǎng)和不同施肥-秸稈措施的優(yōu)化。在不同施氮量和土壤環(huán)境下，作物各器官所占比重及碳氮比等參數(shù)會(huì)有一定差異，本研究中不同處理均采用同樣的作物參數(shù)，這可能是模擬值與實(shí)測(cè)值存在微弱差異的原因[23]。

有研究表明，DNDC模型可以模擬由施肥引起的氨排放峰，對(duì)氨揮發(fā)損失總量的模擬結(jié)果與觀(guān)測(cè)結(jié)果相關(guān)性達(dá)到極顯著水平[24]。本研究結(jié)果與之類(lèi)似，實(shí)測(cè)值和模擬值均體現(xiàn)了施肥后7 d土壤氨揮發(fā)累積量上升較快以及施用穩(wěn)定性氮肥的土壤氨揮發(fā)累積量顯著低于施用尿素的特點(diǎn)，校正后DNDC模型對(duì)施用穩(wěn)定性氮肥的各處理土壤氨揮發(fā)累積量模擬值的nRMSE和R2分別為7.0%～30.7%和0.854～0.988，說(shuō)明校正后DNDC模型對(duì)于土壤氨揮發(fā)累積量的模擬效果較好。部分模擬值比實(shí)測(cè)值偏高，這可能是由于在試驗(yàn)中施肥不均勻?qū)е聹y(cè)量結(jié)果偏低，也有可能在3 d或7 d取1次樣時(shí)出現(xiàn)降雨天氣導(dǎo)致土壤氨揮發(fā)量升高[25]，但實(shí)際并未檢測(cè)到。

3.2 氣候變化及施肥-秸稈措施優(yōu)化

3.2.1未來(lái)氣候條件下溫度和降水的變化

大氣環(huán)流模式是目前預(yù)測(cè)未來(lái)氣候變化的主要工具，其依據(jù)為氣象系統(tǒng)中的物理和化學(xué)性質(zhì)及相互作用的過(guò)程。目前，有許多研究對(duì)CMIP5氣候模式在我國(guó)的實(shí)用性進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，大多數(shù)氣候模式可以較好地模擬氣候變化[26]。本研究得到的溫度和降水的變化趨勢(shì)與前人研究一致[27]，即在未來(lái)不同排放情景下年均最高溫、最低溫和降水量都呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)，且RCP8.5排放情景下溫度和降水量升高幅度更大。由于不同GCM模式本身的空間分辨率不同或降維統(tǒng)計(jì)方法不同[28]，不同GCM模式的降水量和部分時(shí)期溫度預(yù)測(cè)變化范圍很大(圖4)。因此，本研究利用33個(gè)不同GCM模式未來(lái)氣候數(shù)據(jù)模擬的產(chǎn)量和土壤氨揮發(fā)累積量的均值以減少不同GCM模式的初始條件、參數(shù)和模型結(jié)構(gòu)的不確定性引起的未來(lái)氣候預(yù)測(cè)的不確定性。

3.2.2未來(lái)氣候條件下施肥-秸稈措施優(yōu)化

有研究表明，在未來(lái)氣候情境下，有機(jī)肥配施無(wú)機(jī)肥較單施無(wú)機(jī)肥會(huì)顯著增加小麥、玉米的產(chǎn)量[29]，本研究結(jié)果與之相似，在未來(lái)氣候條件下，秸稈還田會(huì)提高夏玉米產(chǎn)量。這是由于秸稈還田能提高葉綠素含量導(dǎo)致光合速率提高[30]，秸稈還田能有效抑制土壤水分蒸發(fā)，為作物生長(zhǎng)提供更好的水分條件，在未來(lái)降水量增加的條件下，秸稈更易分解[31]，進(jìn)而會(huì)提高土壤孔隙度，秸稈分解后會(huì)增加有機(jī)碳含量，為作物生長(zhǎng)提供充足的養(yǎng)分[32]，同時(shí)，秸稈還田會(huì)緩解根系衰老，促進(jìn)玉米根系生長(zhǎng)，增大植物對(duì)養(yǎng)分和水分吸收面積[33]。有研究表明，隨著施氮量的增加，作物產(chǎn)量會(huì)呈現(xiàn)先增加后不變的趨勢(shì)，土壤氨揮發(fā)量會(huì)隨施氮量的增大而增大[34]，本研究結(jié)果與之類(lèi)似，隨施氮量增加單位產(chǎn)量的土壤氨揮發(fā)量先降低后升高，產(chǎn)量呈現(xiàn)先增加后不變的趨勢(shì)。本研究中綜合考慮產(chǎn)量和生產(chǎn)單位產(chǎn)量玉米的土壤氨揮發(fā)累積量，在未來(lái)RCP8.5排放情景下，2070—2090年相比于2030—2050年適宜的施氮量較少，這可能是由于在RCP8.5排放情景下降水量會(huì)顯著增加，降水通過(guò)下滲作用會(huì)將氮肥帶入深層土壤，使得土壤對(duì)氮素的吸附量增大，氮肥更好的被作物吸收利用，進(jìn)而提高氮素的利用率[35]，因此施氮量可適當(dāng)減少。

4 結(jié)論

(1)DNDC模型對(duì)關(guān)中地區(qū)不同施肥管理措施下夏玉米生長(zhǎng)及土壤氨揮發(fā)的模擬效果較好，可作為優(yōu)化不同施肥措施的有效工具。

(2)在未來(lái)氣候條件下，秸稈還田會(huì)提高夏玉米產(chǎn)量并降低生產(chǎn)單位產(chǎn)量玉米的土壤氨揮發(fā)累積量，是一種適宜的穩(wěn)產(chǎn)減排管理措施。

(3)綜合考慮產(chǎn)量和生產(chǎn)單位產(chǎn)量玉米的土壤氨揮發(fā)累積量，秸稈全量還田配施180 kg/hm2穩(wěn)定性氮肥為RCP4.5排放情景下關(guān)中地區(qū)2030—2090年較為優(yōu)化的控氨穩(wěn)產(chǎn)施肥-秸稈措施；秸稈全量還田配施180 kg/hm2穩(wěn)定性氮肥和秸稈全量還田配施162 kg/hm2穩(wěn)定性氮肥分別為RCP8.5排放情景下關(guān)中地區(qū)2030—2050年和2070—2090年較為優(yōu)化的控氨穩(wěn)產(chǎn)施肥-秸稈措施。