基于作物-土壤模型的作物产量与农田氮素平衡模拟研究

摘要

不合理的农业管理措施（种植模式、施肥和耕作等）不仅影响作物产量，而且对农田氮素平衡有显著影响，进而增加水体与大气的环境风险。气候变化作用于农田生态系统，直接影响作物产量与农田氮素循环。因此，优化农业管理措施以及探索未来气候变化下的适应性措施是保持作物高产，降低环境风险，实现农业可持续发展的迫切需要。本文应用农业技术转移决策系统模型(DSSAT)、反硝化与分解模型(DNDC)以及基于加拿大氮素预算模型（CANB）和世界经济合作和发展组织农田氮素平衡模型(OECD)，研究不同作物种植体系、田间管理措施、气候变化情景对作物产量与农田氮素平衡的影响，评价其潜在环境风险。取得的主要进展如下:
　　1.DSSAT模型模拟的敏感性分析。依据加拿大Swift Current和Woodslee两地的春小麦和玉米长期试验，研究输入参数(1)土壤排水上限(DUL)，(2)土壤排水下限(LL)，(3)作物播种日期(PD)，(4)种植密度(PP)，(5)施氮量(FNR)和(6)逐日降水量(PREC)对模型输出的作物产量、土壤水含量和氮淋溶的影响。输入参数对小麦籽粒产量和地上部生物量的影响顺序是PREC＞FNR＞DUL＞PD＞LL＞PP，而对玉米产量和地上部生物量的影响顺序是FNR＞PREC＞DUL＞PD＞LL＞PP。土壤含水量对DUL和PREC有显著敏感性，土壤氮淋溶对DUL，FNR和PREC表现出显著敏感性。模型对于Swift Current试验默认参数下39年平均氮淋溶小于7 kgN hm-2，但是当施氮量为90 Kg N hm-2，氮淋溶能够达到20 kg N hm-2;正常降雨年Woodslee的氮淋溶小于5 kg N hm-2，然而在湿润的2011年发现有较高的氮淋溶(20-85 kg N hm-2)。敏感性分析结果表明，Swift Current春小麦和Woodslee玉米施氮量分别在90-110 kg N hm-2和150-210kg N hm-2时能够达到最大产量。
　　2.DSSAT模型研究气候变化对春小麦和玉米产量及氮淋溶影响。应用DSSAT模型评价未来气候变化对加拿大Swift Current春小麦及Woodslee玉米产量和氮淋失的影响以及适应性措施。将CanRCM4模型产生的RCP4.5和RCP8.5气候场景的天气数据，用于基准线(1971-2000)和未来时段2050s(2041-2070)和2080s(2071-2100)的模拟。在RCP4.52050s、RCP4.52080s、RCP8.52050s和RCP8.52080s气候条件下，与基准线(1971-2000)相比，小麦产量分别增加了8％、8％、11％和15％;然而，玉米产量分别降低15％、25％、22％和41％。在Swift Current更多的氮淋溶发生在生长季，而在Woodslee更多的氮淋溶则发生在非生长季。在RCP4.52050s、RCP4.52080s、RCP8.52050s和RCPS.52080s气候场景下，年平均氮淋溶在Swift Current分别增加了19％、57％、73％和129％，在Woodslee分别增加了84、117、208和317％。氮肥施用量从50增加到100 kgN hm-2能够显著增加小麦产量，但是同时也增加了氮淋溶。在Woodslee施肥量为150 kgN hm-2时可以获得较高的玉米产量和较低的氮淋溶。在基准线和未来RCP8.5场景下，提前播种对小麦产量有正效应，而推迟播种降低了RCP气候条件对玉米产量的负面影响。
　　3.区域化的DNDC模型校验与评价。采用加拿大Woodslee传统耕作(CT)和免耕(NT)处理的冬小麦-玉米-大豆轮作田间试验(1999-2006)实测数据，包括作物产量、土壤温度、含水量和N2O排放等对区域化的DNDC模型进行校验和评价。对于CT处理，统计量拟合指数(d)(0.92-0.98)，标准均方根误差(nRMSE)(0.69-0.93)和模拟效率(NSE)(3.4％-6.4％)均显示出模型模拟的作物产量与实测值有非常好的一致性。模型对NT处理也有较好模拟效果，统计量拟合指数(d)、标准均方根误差(nRMSE)和模拟效率(NSE)的变化范围分别为0.86-0.94、0.54-0.69和5.5-11.8％。DNDC模型对土壤水分含量(0-0.1 m)预测值较为合理，但高估了干旱条件下的土壤水分含量。统计结果表明，模型模拟的N2O排放总量与实测值有很好的一致性，但其高估了干旱年（2005年）N2O的排放，特别是NT处理高估了17.4％。
　　4.应用DNDC模型研究气候变化对作物产量和N2O排放的影响。以加拿大Woodslee冬小麦-玉米-大豆轮作体系为研究对象，分析比较传统耕作(CT)和免耕(NT)处理在基准线(1971-2000)和未来气候(2071-2100)场景下，作物产量和N2O的排放。当CO2浓度处于基准线条件时，在RCP4.5场景下，CT和NT处理的冬小麦产量分别降低了15.8％和15.9％;在RCP8.5场景下，冬CT和NT处理的小麦产量分别降低了32％和32.1％。当考虑CO2浓度的变化时，在RCP4.5和RCP8.5场景下，大豆平均产量分别增加了17.4％和33.5％。与基准线相比，在RCP4.5气候场景下，CT处理的冬小麦、玉米和大豆年平均N2O排放，分别增加了56.1％、10.7％和44.6％;在RCP8.5气候场景下分别增加了87.6％、9.5％和31.2％;在RCP4.5和RCP8.5气候场景下，NT处理的小麦年平均N2O排放分别显著增加了19.2％和31.7％，而玉米和大豆的年平均N2O排放无显著差异。与当前品种相比，CT和NT处理的新小麦品种，在RCP4.5场景下，N2O排放分别下降了32.5％和25.1％;在RCP8.5场景下，N2O排放分别降低了35.9％和33.9％。新玉米和大豆品种下的N2O排放也呈现了降低的趋势。
　　5.基于CANB和OECD模型研究中国农田土壤氮素平衡。采用CANB和OECD模型方法研究1984-2014年我国农田氮素平衡时空演变特征。从1984年到2014年全国农田氮素输入量从26.2 TgN(197.8 kgN hm-2)增加到54.5 TgN（315.7 kgN hm-2），输出量从20.3 TgN(153.2 kg Nhm-2)增加到41.7 TgN（241.5 kg N hm-2）和盈余量从5.9Tg N（44.6 kg N hm-2）增加到12.8 TgN(74.2 kgN hm-2)。1980s(1984-1989)、1990s(1990-1999)、2000s(2000-2009)和2010s(2010-2014)时期间农田氮素输入量、输出量和盈余量的增幅逐渐降低，且2010s时期的氮素盈余量略低于2000s时期。与2000s时期相比，2010s时期的农田氮素盈余率降低，而氮素利用率和氮素吸收率增加。除1980s时期单位面积氮素输入量以东南地区最高和输出量以长江中下游地区氮素最高，输入量以东北地区最低和输出量以西南地区最低外，从1990s到2010s时期单位面积氮素输入和输出量均以华北地区最高，分别为288.9-363.4 kgN hm-2和213.3-290.4 kgN hm-2，而西南地区最低，分别为209.2-245.6 kgN hm-2和156.6-178.2 kg N hm-2。N2、N2O、NO、NH3、淋溶和径流损失的氮素量在1980s-1990s增幅最大，1990s-2010s增幅逐渐减缓。其中华北地区的N2、N2O、NO、淋溶和径流单位面积损失量最高，主要以北京市和天津市损失量较大，而长江中下游地区的氨挥发单位面积损失量最高，主要以江苏省和上海市损失量较大。1980s-2010s氮素盈余总量以长江中下游最高，而单位面积氮素盈余量以东南地区最高为92.8-125.8 kgN hm-2，东北地区最低为13.1-26.8 kg N hm-2。2000s-2010s时期，除东南和西南地区外，其余地区的单位面积氮素盈余量均有所下降，东北地区氮素盈余量下降了39.9％。化学氮肥科学减施，有利于降低土壤氮素盈余及其潜在的环境风险。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1．1 机理模型

1．1．2 统计模型

1．2 DSSAT模型

1．2．1 DSSAT模型的发展

1．2．2 DSSAT模型的应用

1．3 DNDC模型

1．3．1 DNDC模型的发展

1．3．2 DNDC模型的应用

1．4 氮平衡模型

1．4．1 氮素平衡模型的发展

1．4．2 氮素平衡模型的应用

1．5 模型校验分析的统计学方法

1．5．1 显著性统计方法

1．5．2 差异性统计方法

1．6 研究契机与总体思路

1．6．1 研究契机

1．6．2 总体思路

第二章 DSSAT模型模拟的敏感性分析

2．1 材料与方法

2．1．2 模型的作物品种参数校验

2．1．3 模型的敏感陛分析参数

2．1．4 模型的敏感性分析方法

2．2 结果与讨论

2．2．1 作物产量敏感性分析

2．2．2 土壤水分敏感性分析

2．2．3 土壤矿质氮的敏感性分析

2．2．4 土壤氮淋溶敏感性分析

2．3 小结

第三章 应用DSSAT模型模拟气候变化对作物产量、土壤水分平衡以及氮淋溶的影响

3．1 材料与方法

3．1．1 试验地点

3．1．2 DSSAT模型参数化

3．1．3 RCP气候情景

3．2 结果与讨论

3．2．1 未来场景下的气候变化预测

3．2．2 气候变化对作物产量的影响

3．2．3 气候变化对水分平衡的影响

3．2．4 气候变化对氮淋溶的影响

3．2．5 适应性措施

3．2．6 不确定性和局限性分析

3．3 小结

第四章 应用DNDC模型模拟气候变化对作物产量和N2O排放的影响

4．1 材料与方法

4．1．1 田间试验

4．1．2 区域化DNDC模型

4．1．3 模型模拟的统计评价

4．1．4 气候变化场景

4．2 结果与讨论

4．2．1 模型的校验与评价

4．2．2 气候变化对作物产量和N2O排放的影响

4．3 小结

第五章 基于CANB和OECD土壤氮模型模拟中国农田土壤氮素平衡

5．1 材料与方法

5．1．1 数据来源

5．1．2 氮素平衡模型构建

5．2 结果与讨论

5．2．1 中国农田氮素输入的时空分布

5．2．2 中国农田氮素输出的时空分布

5．2．3 中国农田氮素平衡的时空分布

5．3 小结

6．1 主要结论

6．2 创新点

6．3 问题与展望

参考文献

致谢

作者简历