吴晋波，张吴平，贾若男

（山西农业大学资源环境学院，山西 太谷 030801）

经济发展的同时带来大量温室气体的排放和污染等问题。我国农业发展自21 世纪以来有了长足的进步，但是化肥使用量的增加，使得农业环境方面有沉重的负担[1]，气候变化专门委员会的第五次报告指出，温度逐年呈上升趋势[2]。近100 a 以来，温室气体排放的主要原因是人类活动，而其中农业温室气体排放占全球温室气体排放总量的20%～35%[3]。在我国，农业排放的研究主要集中在CO2，N2O排放方面，有关统计表明，农业生产排放的N2O 占人类活动排放总量的84%[4]。而研究使用的数据多是传统的农业种植数据，或者是采用点位的实际测量，但是这种试验的方法持续周期长，研究进展相对比较慢，并且在一定程度上，仅仅依靠少部分的抽样调查并不能体现作物生长期内的排放趋势[5]。

DNDC 模型能够根据一系列数据的输入来模拟作物“从出生到死亡”整个过程的碳氮排放。DNDC模型应用广泛[6-8]，田展等[9]利用DNDC 模型模拟我国水稻田温室气体排放，结果表明，温度升高会促进CH4排放，降雨量增加会促进N2O 排放，气候变化影响了水稻温室气体的排放机制。王立刚等[10]利用DNDC 模型研究指出，实行秸秆还田或增加作物生物产量还田及免耕等措施可有效持续地增加SOC 含量，提高土壤的可持续利用能力。

太谷县以农业为主，玉米种植占农作物的比例很大，2016年，太谷县玉米种植面积达到20 570 hm2，占总种植面积的78.96%。因此，研究太谷县玉米种植的环境排放具有重要意义[11]。

本研究以山西省太谷县为试验点，以玉米种植为研究对象，应用DNDC 模型模拟玉米种植整年的土壤温室气体排放及玉米在不同施肥量下的碳氮排放[12]，通过对比模拟结果中的土壤表层温度与实测数据，校正DNDC 模型参数，最终调整到模拟值与实测值拟合，以评估玉米排放量对环境的影响规律，旨在为区域研究温室气体排放提出合理的建议。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

太谷县位于山西省晋中盆地东北部，地理坐标为 112°28′～ 113°01′E，37°12′～37°03′N，东北与榆次市相依，东南与榆社县交界，西南与祁县毗邻，西北与清徐县接壤。东西长50 km，南北长39 km，总面积1 033.6 km2。太谷县气候适宜、平原广阔，因此，农业种植较为广泛[13]。

1.2 DNDC模型

DNDC 模型是一个描述农业生态系统中碳和氮生物地球化学过程的计算机模拟模型，即反硝化 - 分解作用 （Denitrification-Decomposition）[14]。DNDC 模型的模拟分为点位模拟和区域模拟，本研究使用点位模拟，它所需要的数据包括气象信息、土壤信息、农田管理信息。

1.3 试验设计

在太谷县建立玉米种植农田试验区，不定期记录土壤表层温度和土壤含水量等数据（土壤含水量利用中子仪测量）。对用DNDC 模型模拟的土壤含水量、地表温度数据与实测数据进行模拟验证，得到参数本地化的DNDC。通过验证后的模型模拟得出2016年调查施肥量下土壤C，N 排放的变化以及不同施肥水平下的环境排放，以期为减少农业种植环境排放提出合理建议。

1.4 数据来源及处理

1.4.1 气象数据 通过中国气象数据网收集2016年的气象数据并进行处理，数据包括日均降水量、日最高气温、日最低气温、平均风速、地面湿度5 个方面。在模型中输入所有必要条件并且模拟在不同施肥量条件下的作物生长。

1.4.2 土壤数据 土壤数据主要来自于实地测量，具体如表1所示。

1.4.3 农田管理数据 农田管理数据是通过实地问卷调查的方式收集，具体包括播种与收获日期、耕作方式、施肥种类及施肥方式、产量、收入等。根据问卷调查结果，玉米的播种日期在每年的5月上旬，收获日期在9月下旬。在本试验中，设置播种日期和收获日期分别是5月5日和9月26日。采用农户常用的施肥量与施肥方式，肥料为玉米专用复合肥，在播种前一次性施入，施肥量为1 050 kg/hm2。把收集到的气象数据、实测的土壤数据以及农田管理数据输入DNDC 模型，得出在当地种植习惯下玉米种植的环境排放。

表1 太谷县土壤剖面数据

1.5 模拟不同施肥条件下的环境排放

为了研究不同施肥水平下玉米种植的环境排放，本研究以正常施肥量（1 050 kg/hm2）为对照，设置了5 个施肥水平（表2），应用DNDC 模型模拟得出不同施肥条件下的环境排放。

表2 试验施肥水平 kg/hm2

1.6 模型验证

通过模拟结果与实测值验证能够调整模型参数，实现DNDC 模型的参数本地化，使模型能够适用于本地区的模拟。本研究的验证方式是采用相关系数R2的线性回归模型的拟合度进行计算。

1.7 数据处理

试验数据使用Excel 2010 软件进行表格绘制和拟合验证处理。

2 结果与分析

2.1 模型模拟结果验证

2.1.1 土壤水分变化与DNDC 模型模拟结果对比分析 通过对2016年试验地的土壤含水量实测值与DNDC 模型模拟结果比较发现，DNDC 模型能较好模拟田间作物生长过程中土壤水分的变化，模拟值与实测值的相关系数R2为0.85。作物生长初期，正值太谷县春季，该地区降雨少，大风天气较多，作物需水量少，所以土壤含水量较少；夏季降水增多，作物生长旺盛，植株叶片变大，在一定程度上遮盖了土壤的蒸发量，土壤含水量缓慢上升；生长后期作物的需水量上升，再加之秋季降水减少，土壤水分又有下降的趋势。DNDC 模型能够模拟土壤水分变化的过程，在DNDC 模型模拟结果中有土壤含水量的详细变化过程，包括每天的含水量大小等。

2.1.2 土壤地表温度和DNDC 模拟结果对比分析由于太阳辐射周期性日变化和年变化的影响，土壤温度也有相应的变化。由DNDC 模型模拟的土壤温度和实际采集温度对比分析发现，模型能够较好地模拟作物周期内的土壤表层温度变化（R2＝0.925 5）（图1），土壤的温度随着大气温度变化而变化。当夏季来临时，太阳辐射增高，大气温度升高，土壤温度也升高；随着秋季的到来，太阳辐射逐渐降低，大气温度也降低，土壤温度也随之降低。以模拟产量与实地调查的产量作对比，二者能够较好地拟合，因此，证明DNDC 模型实现了参数本地化。

2.2 模型模拟太谷县玉米种植年份土壤碳排放变化

温室气体的作用是使地球表面变得更暖。DNDC 模拟了在玉米种植年份整年的土壤碳总排放量和每天的变化量。由图2可知，土壤呼吸与玉米生长有明显的相关性，土壤呼吸体现了明显的种植特征，在种植玉米前，土壤的碳排放趋近于0，种植玉米后，土壤碳排放随着玉米的生长逐渐上升；玉米生长前期，玉米根系不发达，土壤呼吸量小；玉米生长中期，土壤呼吸碳排放量逐渐平稳，每10 d累积碳排放量达到18.92 kg/hm2，是耕作前碳排放量的14.67 倍；玉米收获后，土壤碳排放逐渐升高，这是因为收获后作物根茎叶等还田处理给土壤呼吸提供了大量的碳源，使呼吸量逐渐加大。

2.3 模型模拟太谷县玉米种植年份土壤氮排放变化

温室气体中氮的排放占了很大一部分比例，DNDC 模拟结果表明，在作物期内，土壤氮排放在不同的阶段有不同的排放量，图3是对2016年每10 d 累积土壤氮排放量的统计结果。由图3可知，土壤的氮排放与玉米生长阶段相关，在玉米生长初期，根系较少，同时土壤温度较低，抑制了氮的排放，所以排放量小；当玉米生长发育40 d 左右，一方面由于玉米对于氮的需求在增长，另一方面是土壤中的氮向空气中排放，使得氮排放上升；在玉米生长后期，土壤中的氮供给了植物或者排放到了空气中，此时土壤氮含量降低。在作物期内10 d 累积氮排放量最高可达0.084 kg/hm2，非作物期10 d 累积氮排放量为0.002 kg/hm2，仅为作物期平均排放量的3%。因此，作物生长对土壤氮排放具有重要的影响作用。

2.4 不同施肥条件下的环境排放量

通过DNDC 模型模拟可以发现，不同施肥量下碳、氮排放均不相同。由图4可知，在作物不施肥的情况下，环境排放量较低，随施肥量增高，CO2，N2O排放逐渐增高，持续增加施肥的情况下，硝酸盐淋洗量会快速上升。这是因为在作物生长阶段，土壤的排放不会一直上升[15]，在施肥量达到原施肥量（T3）的1.5 倍时，CO2及N2O 排放的上升幅度会降低；受硝化作用的影响，硝酸盐淋洗量会上升。T3 处理的硝酸盐淋洗量是TI 处理下硝酸盐淋洗量8.5 倍，是T5 处理硝酸盐淋洗量的35%。因此，玉米生产中应当考虑到投入与产量和效益的关系，当化肥施用量达到常规施肥量的1.5 倍时，产量不会有大幅度的上升，但会产生不必要的经济投入和环境负担。

3 结论与讨论

通过参数验证后的DNDC 模型能够较好地模拟作物生长过程中的温室气体排放，验证过程应用中子仪实地测量的土壤水分与模型模拟的水分变化进行比较，通过计算，拟合度较高，R2达到0.85；利用实地测量的土壤温度与模拟温度拟合，R2达到0.92 以上，说明DNDC 模型能够较好地模拟太谷县玉米种植整个年际间的变化，该模型具有可行性。

模拟碳排放结果表明，在作物生长初期，作物根系不发达、温度低、微生物群落活性不高等原因使得土壤碳排放不显著；随着作物的生长，其根系逐渐发达，加之夏季降水量较多，使得土壤的呼吸作用上升，每10 d 累积碳排放达到18.92 kg/hm2，是耕作前排放量的14.67 倍；在作物收获后，土壤碳排放量反而呈现上升趋势，这是因为玉米收获后，秸秆还田为其提供了大量的碳源，收获后温度适宜土壤微生物对有机质的分解，有机质进入土壤后，在微生物酶的作用下发生氧化反应，彻底分解而释放大量的CO2和H2O，使碳排放量增加[16]。

模拟氮排放结果表明，在作物生长期内氮的排放会显著上升，并且在作物长势较快的时间段内土壤氮排放量较大。对比碳、氮排放发现，在降雨时，作物的碳排放较低，氮排放较高，这是因为在降雨时发生硝化作用，当地表水表面或植物外体空间的氨分压大于其上方空气中的氨分压时，氮排放上升。而在北方地区，由于降水少,在土壤中反硝化作用较小，土壤氮排放总量较小[17-19]。

DNDC 模型能够较好地模拟作物生长整年的排放，作物播种前期，土壤碳排放与氮排放均不显著，在作物种植后，碳排放会逐渐上升，尤其在作物收获后，土壤碳排放在一定时间内呈上升趋势；在作物开始生长后土壤氮排放会上升，但是总量较小，作物收获后氮排放量趋于0。不同施肥处理下的CO2，N2O 和硝酸盐淋洗量变化较大，施肥量越高，CO2，N2O 排放量和硝酸盐淋洗量越大，施肥量与碳氮排放量和硝酸盐淋洗量呈正相关关系。