基于DNDC模型的稻田氮素流失及溫室氣體排放研究.pdf

1、過量施肥是目前我國水稻種植業(yè)中普遍存在的問題，由于過高的施肥水平和較低的氮素利用率，施肥投入的氮僅有小部分能被作物吸收利用，而大部分將通過不同的途徑流失到周邊環(huán)境中，進(jìn)而引起一系列的環(huán)境污染問題。例如，氮素的地表徑流流失是造成地表水體富營養(yǎng)化的主要原因；氮素的滲漏流失則會引起地下水的硝酸鹽污染，嚴(yán)重威脅人類飲水安全；而氮素的氣態(tài)損失如 N2O的排放等則是全球氣候變暖的主要貢獻(xiàn)者。隨著世界人口的持續(xù)增長和對糧食需求的進(jìn)一步增高，這些環(huán)境問

2、題將有可能進(jìn)一步惡化，因此，解決水稻生產(chǎn)過程中的環(huán)境問題迫在眉睫。目前，有關(guān)稻田氮素流失和溫室氣體排放的傳統(tǒng)研究以大田實(shí)驗(yàn)和土柱實(shí)驗(yàn)等手段為主，雖然研究結(jié)果可靠，但這些野外觀測實(shí)驗(yàn)需要消耗大量的時間，同時也需要花費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力，投入巨大。本文以傳統(tǒng)的野外觀測實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，研究了不同施肥方式下稻田系統(tǒng)的氮素流失和溫室氣體排放特征，同時結(jié)合生物地球化學(xué)模型——DNDC模型的使用，進(jìn)行了一系列的情景模擬試驗(yàn)，對稻田系統(tǒng)中的最佳施肥方式

3、進(jìn)行探索，在保證水稻最大產(chǎn)量的前提下盡可能的減少水稻生產(chǎn)過程對周邊環(huán)境的污染輸出，這對于我國的糧食安全和環(huán)境保護(hù)均具有十分重要的意義。主要研究結(jié)果如下：
　　1.采用測坑定位實(shí)驗(yàn)對施肥條件下稻田系統(tǒng)的氮素流失特征進(jìn)行監(jiān)測，研究不同施肥方式對稻田氮素流失的影響，同時測坑實(shí)驗(yàn)所獲得的野外觀測數(shù)據(jù)將用于 DNDC模型的校準(zhǔn)和驗(yàn)證。結(jié)果表明，施用尿素的稻田產(chǎn)生的氮素流失負(fù)荷最高，為18.79 kg N/hm2；施用有機(jī)肥能夠顯著降低稻田氮

4、素流失，與施用尿素的CT處理相比，施用有機(jī)肥的MT和OT處理能夠分別減少21.86％和30.41%的稻田氮素流失負(fù)荷；施肥和降雨是影響稻田氮素流失的主要因素，稻田地表徑流排水量（Y）和降雨量（X）之間的關(guān)系可用經(jīng)驗(yàn)公式Y(jié)=0.91X-12.78來表示；與滲漏流失相比，地表徑流是稻田氮素流失的主要方式；三種施肥處理的稻田其氮流失系數(shù)（流失量在總施氮量中所占的比例）為3.12%~5.02%，其中，地表徑流流失占2.61%~3.94%，而滲漏

5、流失僅占0.50%~1.08%。
　　2.在測坑定位實(shí)驗(yàn)過程中，采用靜態(tài)箱采集-氣相色譜測定的方法同時研究了三種施肥方式下稻田溫室氣體的排放特征。結(jié)果表明，施肥會顯著增加稻田系統(tǒng)呼吸作用的CO2排放，但三種不同施肥方式之間差異不顯著，稻田 CO2的排放主要與土壤的通氣條件有關(guān)；整個水稻生長季，施用尿素的CT處理所產(chǎn)生的N2O平均排放通量最高，為1.81 kg/hm2，而施用有機(jī)肥的OT處理所產(chǎn)生的CH4平均排放通量最高，為283.

6、02 kg/hm2，即稻田施用有機(jī)肥能夠顯著降低N2O的排放通量，但同時也會顯著增加CH4的排放通量；對于稻田CH4和N2O排放的綜合增溫潛能（GWP）則是施用有機(jī)肥的OT處理最高，為7.24×103 kg CO2/hm2；稻田CH4和N2O的排放均與施肥和田間水分管理密切相關(guān)，其中，CH4的排放通常出現(xiàn)在水稻淹水期，而 N2O的排放則往往出現(xiàn)在施肥后或田間水分管理發(fā)生變化時。
　　3.利用測坑定位實(shí)驗(yàn)所獲得的野外觀測數(shù)據(jù)對 DN

7、DC模型進(jìn)行校準(zhǔn)和驗(yàn)證，探索DNDC模型模擬稻田氮素流失的可行性。在模型運(yùn)行前，根據(jù)水稻田的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和水分管理特征對DNDC模型中相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行修正，主要包括以下5個參數(shù)：（1）稻田田埂高度，（2）滲漏水下滲速率，（3）肥料氮在田面水中的溶解，（4）施肥后氮在稻田土壤和田面水中的分配比，（5）灌溉水中的氮濃度。運(yùn)行修正后的模型對不同施肥方式下稻田系統(tǒng)的氮素流失進(jìn)行模擬，并將模擬結(jié)果和野外觀測結(jié)果進(jìn)行對比，從而驗(yàn)證DNDC模型的可行性。驗(yàn)

8、證結(jié)果表明：修正后的DNDC模型不僅準(zhǔn)確的模擬了不同施肥方式下稻田的氮素流失負(fù)荷，同時也較好的再現(xiàn)了稻田氮素流失的動態(tài)過程，相關(guān)性分析也表明模型的模擬結(jié)果與野外觀測結(jié)果之間高度相關(guān)；參數(shù)修正后，DNDC模型仍然保持了對水稻產(chǎn)量和稻田溫室氣體排放模擬的良好表現(xiàn)；此外，模型的模擬結(jié)果也與野外觀測規(guī)律一致，均表明施用有機(jī)肥能夠顯著降低稻田氮素流失，但同時也會增加以CH4為主的稻田溫室氣體的排放。
　　4.運(yùn)行驗(yàn)證后的DNDC模型對稻田的

9、氮素流失和溫室氣體排放進(jìn)行情景分析、區(qū)域模擬和敏感性分析，以此探索適用于稻田的最佳施肥方式。情景分析結(jié)果表明若稻田單獨(dú)施用尿素，則最佳施肥量為250 kg N/hm2；若稻田長期堅(jiān)持施用有機(jī)肥，則最佳施肥量為300 kg N/hm2；與單獨(dú)施用尿素或有機(jī)肥相比，二者的混合施用是更加有效和環(huán)保的施肥方式，最佳配施比例為150 kg N/hm2尿素加100 kg N/hm2有機(jī)肥，有機(jī)無機(jī)配施不僅能夠維持最佳水稻產(chǎn)量，同時也能顯著降低稻田氮

10、素流失；區(qū)域模擬的結(jié)果表明上海地區(qū)的水稻種植業(yè)對周邊的環(huán)境產(chǎn)生了巨大的壓力，以2013年為例，稻田產(chǎn)生的氮流失總量高達(dá)1142.48 t，N2O排放量高達(dá)160.75 t，CH4排放量則高達(dá)3.10萬t，若稻田能夠采用有機(jī)無機(jī)配施的最佳施肥方式，雖然會在一定程度上增加稻田溫室氣體的排放，但卻能夠減少458.36 t的氮素流失負(fù)荷；敏感性分析則表明施肥、降雨和土壤性質(zhì)是影響稻田氮素流失和溫室氣體排放的主要因素，但影響不同碳氮去向的最敏感性