赵政鑫 王晓云 田雅洁 王 锐 彭 青 蔡焕杰
(1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌 712100；
2.西北农林科技大学中国旱区农业节水研究院，陕西杨凌 712100)
由于工业的快速发展、燃料的大量使用以及各种人为因素导致全球气候变暖，大气中CO2浓度升高，这些变化会严重影响农业生态环境和农作物种植结构[1-2]。近年来，如何应对人为和自然因素引起的气候变化问题是科学研究领域面对的重要课题[3]。1980年陕西省化肥施用量为2.964×105t，到2020年陕西省的化肥施用量为2.117×106t，增长了6.14倍，每公顷化肥施用强度远超国际公认化肥施用上限78%。每年全球施用的化学氮肥和有机氮肥中，由于氨挥发造成的氮肥损失率分别占施氮量的23%和14%[4]，我国是最大的氨排放国家，其中农业生产体系中产生的NH3是氨排放主要来源[5]。因此，制定合理的施肥管理措施，保证作物稳产并减少NH3、CO2和N2O等气体的排放对发展高效低碳农业和减缓气候变化具有重要意义[6]。
秸秆还田能够提高土壤固碳能力及土壤肥力，是保护性耕作的核心措施之一[7]。有研究表明，秸秆还田能够改善土壤耕层结构，对土壤有保水保墒的作用[8]，提高土壤酶活性[9]，进而提高作物产量。有研究利用DNDC模型对华北平原冬小麦-夏玉米农田水肥措施进行优化，结果表明DNDC模型可以准确模拟作物产量及N2O、CO2、CH4等气体的排放规律，可为农田水肥措施研究提供有效工具[10-13]。田间施肥管理措施在施氮量和秸秆还田量上有很大的灵活性，田间试验处理的局限性可能错过最优稳产减排方案，且前人研究得到的较为优化的管理措施通常基于当前气候条件，由于在未来气候条件下温度、空气中CO2浓度等因素会发生变化，所以当前最优的管理措施在未来气候条件下未必适用。因此，在气候变化的背景下，适合关中地区的控氨稳产措施需进一步研究。
本研究以关中地区夏玉米为研究对象，利用试验数据对DNDC模型进行校正与验证，并利用校正后硝化反硝化(Denitrification-Decomposition，DNDC)模型与未来不同排放情景下的气象数据结合，通过设置不同施肥-秸秆措施情景，以产量较高且单位产量土壤氨挥发累积量较低为目标，筛选适合未来气候条件的控氨稳产管理措施，为应对气候变化、保证作物稳产和控制农田氨排放以及减少环境污染提供理论基础。
1.1 研究区概况
试验于2019年6—10月和2020年6—10月在西北农林科技大学节水灌溉试验站进行(108°04′ E，34°17′ N，海拔 521 m)。该区属典型的暖温带半湿润季风气候，年均无霜期 210 d，日照时数2 164 h，年平均气温12.9℃，多年平均降水量550 mm。供试土壤类型为塿土，pH值7.82，0～20 cm耕层有机质质量比14.48 g/kg，容重1.40 g/cm3，速效磷质量比13.67 mg/kg，土壤全氮质量比0.95 g/kg，硝态氮质量比2.5 mg/kg，铵态氮质量比2.0 mg/kg。
1.2 田间试验
试验采用完全随机组合设计，试验因素为氮肥种类和秸秆还田模式。氮肥种类包括施用稳定性氮肥(180 kg/hm2，F1)、尿素(180 kg/hm2，F2)；
秸秆还田模式设置两个水平，包括秸秆不还田(N)和秸秆全量还田(S)。其中，F2尿素施氮量参考前人研究中推荐施氮量[14]，F1稳定性氮肥施氮量与F2一致。稳定性氮肥在播种前一次性施入，尿素在播种前以基肥形式施入总施氮量的60%，施肥方式为均匀撒播后进行人工翻耕，以追肥形式在玉米抽雄期施入余下40%，施肥方式为均匀撒播。试验共4个处理，重复3次，共12个小区，小区面积为12 m2。秸秆还田方式为秸秆粉碎覆盖还田，还田量为8 000 kg/hm2，秸秆为小麦秸秆(碳氮比为72)。试验作物为玉米，品种为郑单958，种植密度为6×104株/hm2。2019年和2020年播种时间分别为6月15日和6月19日，追肥时间分别为7月30日和7月26日，收获时间分别为10月2日和9月30日。夏玉米全生育期病虫防治与田间除草管理与当地农户相同。
1.3 测定项目与方法
1.3.1土壤NH3挥发累积量测定
土壤NH3挥发累积量采用通气法进行测定[15]，测定频率为施肥后7 d内每天取样1次，之后视测量结果每3 d取样1次，后期可延长到7 d取样1次直至挥发量很低停止取样。取样结束后将收集的海绵立即装入500 mL装有300 mL浓度为1 mol/L氯化钾溶液的塑料瓶内进行震荡提取，浸提液用AA3型流动分析仪(SEAL公司，德国)测定溶液中的铵态氮含量。由于试验条件原因，在2019年只测量了追肥后各处理的土壤氨挥发累积量，在2020年测量了夏玉米全生育期的土壤氨挥发累积量。
氨挥发累积量计算公式为
(1)
式中CAE——氨挥发累积量，kg/hm2
Mi——单个装置平均每次收集的氨量，mg
A——收集装置的横截面积，取0.017 7 m2
n——收集次数
其中0.01为转换系数，0.99为捕获装置回收率。
1.3.2产量测定
夏玉米成熟期时，在各处理小区随机选取10株玉米穗，自然风干后，测定其行粒数和穗行数，然后进行人工脱粒和称量，测定其百粒质量，同时测定含水率，并折算每公顷产量(含水率14%)。
1.3.3地上部生物量测定
在玉米生长各生育期(苗期、拔节期、吐丝期、灌浆期、成熟期)各处理试验小区内随机选取3株玉米，贴地面采集玉米地上部分，将样品茎、叶、果分部分装袋，置于干燥箱内105℃杀青30 min，之后75℃干燥至质量恒定，称取干质量。
1.3.4籽粒氮素含量测定
将干燥后玉米籽粒称量后粉碎，过0.5 mm筛，用浓H2SO4-H2O2消煮，用AA3型流动分析仪测定玉米籽粒氮素含量。
1.4 DNDC模型
表1 DNDC模型输入作物参数
采用CMIP5模式提供的未来气象数据(https:∥esgf-node.llnl.gov/search/cmip5/)，包括日最高温、日最低温、日降水量、日平均风速等气象要素。选择CMIP5模式的RCP4.5(到2100年大气中CO2质量浓度达到1.3 mg/L)和RCP8.5(到2100年大气中CO2质量浓度达到2.7 mg/L)排放情景。为了减少不同模型对未来气象数据预测的不确定性，本研究选择常用的33个GCM模式(大气环流模式)的未来气象数据[18]，模拟结果取各GCM模式的均值。
1.5 未来气候条件下不同施肥管理情景设置
田间试验数据表明，秸秆还田会显著提高夏玉米产量，施用稳定性氮肥会显著降低土壤氨挥发量，因此，以SF1处理为基础，设置不同秸秆还田模式与不同施氮量随机组合，秸秆还田模式设置秸秆全量还田(8 000 kg/hm2)、秸秆半量还田(4 000 kg/hm2)、秸秆不还田(0 kg/hm2)3种，稳定性氮肥施用量分别减少30%(126 kg/hm2)、20%(144 kg/hm2)、10%(162 kg/hm2)，不变(180 kg/hm2)，增加10%(198 kg/hm2)、20%(216 kg/hm2)、30%(234 kg/hm2)，随机组合共21种情景(表2)，利用校正后的DNDC模型对不同情景的作物产量和土壤氨挥发累积量进行模拟，模拟结果取33种大气环流模式的均值，以产量较高和生产单位产量玉米的土壤氨挥发累积量较小为目标，筛选出未来不同时期不同排放情景下的最优稳产减排管理措施。单位产量玉米的土壤氨挥发累积量I计算式为
表2 施肥-秸秆措施情景设置
(2)
式中Y——作物产量，kg/hm2
2.1 DNDC模型验证
2.1.1夏玉米产量
图1为2019年和2020年各处理夏玉米产量的实测值和模拟值。2019年和2020年夏玉米产量各处理实测结果由大到小依次为SF1、SF2、NF1、NF2，两年的模拟值各处理结果也表现相同的趋势。两年产量实测值表明，施用相同种类氮肥时，秸秆还田会提高产量4.96%～7.52%和5.80%～9.41%，2019年和2020年模拟值表明施用相同种类氮肥时，秸秆还田会提高产量12.04%～12.96%和12.20%～12.40%。两年实测值表明，施用相同种类氮肥时，秸秆还田会提高籽粒氮素含量3.14%～4.51%和20.18%～40.33%，模拟值表明，施用相同种类氮肥时，秸秆还田会提高籽粒氮素含量12.03%～12.94%和12.03%～12.38%。同时2019年和2020年的产量模拟值与实测值的nRMSE分别为3.09%和4.29%，籽粒氮素含量模拟值与实测值的nRMSE分别为5.99%和14.00%，表明产量和籽粒氮素含量的实测值与模拟值表现出较好的一致性，且校正后DNDC模型能反映出秸秆还田对产量和籽粒氮素含量的提高作用。
图1 产量和籽粒氮素含量验证
2.1.2地上部生物量
图2为2019年和2020年各处理地上部生物量变化的实测值和模拟值拟合结果。2019年和2020年实测值表明，有秸秆还田各处理收获时地上部生物量分别高于无秸秆还田各处理的0.99%～1.44%和3.15%～5.08%，施用稳定性氮肥各处理收获时地上部生物量分别高于施用尿素各处理0.18%～0.61%和3.15%～5.09%；
两年的模拟值表明：有秸秆还田各处理收获时地上部生物量分别高于无秸秆还田各处理的6.08%～6.50%和6.03%～6.09%，施用稳定性氮肥各处理收获时地上部生物量分别高于施用尿素各处理0.03%～0.44%和0.68%～0.79%，2019年和2020年各处理的实测值与模拟值的R2分别为0.801～0.994和0.983～0.995，以上结果说明校正后DNDC模型能较好地模拟不同施肥-秸秆措施对夏玉米地上部生物量的影响。
图2 2019年和2020年地上部生物量验证结果
2.1.3土壤氨挥发累积量
图3为2019年夏玉米追肥后和2020年全生育期的土壤氨挥发累积量实测值和模拟值。实测结果表明，2019年追肥后施用稳定性氮肥的NF1和SF1处理土壤氨挥发累积量显著低于施用尿素的NF2和SF2处理，秸秆还田条件下的SF1和SF2处理土壤氨挥发累积量分别高于秸秆不还田条件下的NF1和NF2处理9.82%和6.77%；
2020年全生育期土壤氨挥发累积量NF1和SF1处理分别低于NF2和SF2处理45.68%和46.60%，秸秆还田条件下的SF1和SF2处理土壤氨挥发累积量分别高于秸秆不还田条件下的NF1和NF2处理21.65%和22.98%。模型模拟的各处理土壤氨挥发累积量也表现出相似的结果，2019年各处理的nRMSE为7.0%～30.7%，R2为0.773～0.988，2020年各处理的nRMSE为21.3%～24.4%，R2为0.854～0.926，说明校正后DNDC模型能较好地模拟土壤氨挥发累积量的动态变化规律。
图3 2019年和2020年壤氨挥发累积量验证结果
2.2 未来气候条件下施肥-秸秆措施优化
2.2.1未来气候变化
未来气候条件下不同排放情景的年均最高温、最低温和年降水量变化如图4(每个柱状图包含33种大气环流模式，框边界表示25%和75%值，误差棒表示10%和90%值，框中线和十字分别表示中位数和均值，虚线表示当前气候下的均值)所示。当前年均最高温为19.41℃，年最低温为9.34℃，在RCP4.5排放情景下，到2030、2050、2070、2090年年均最高温较当前分别提高0.83、1.57、2.04、2.23℃，年均最低温较当前分别提高0.33、0.81、1.16、1.31℃，年降水量较当前分别提高26.18、50.22、69.04、84.94 mm；
在RCP8.5排放情景下，到2030、2050、2070、2090年年均最高温较当前分别提高1.03、2.1、3.35、4.59℃，年均最低温较当前分别提高0.47、1.24、2.13、3.04℃，年降水量较当前分别提高19.28、46.52、77.28、103.13 mm。在未来不同RCP排放情景下，年均最高温、最低温和年降水量均呈现逐渐上升的趋势，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随时间逐渐增大，说明在未来气候条件下极端降水事件出现的概率逐渐增大。
图4 未来气候条件下温度和降水的变化
2.2.2施肥-秸秆措施优化
模拟结果表明，在相同秸秆还田量条件下，随着施氮量逐渐增大，未来各时期生产单位产量玉米的土壤氨挥发累积量均呈现先降低后升高的趋势，作物产量随施氮量的增大呈现先升高后不变的趋势。如表3所示，在RCP4.5排放情景下，当秸秆全量还田时，稳定性氮肥施用量为180 kg/hm2时在未来各时期的生产单位产量玉米的土壤氨挥发累积量最低；
当秸秆半量还田时，稳定性氮肥施用量为198 kg/hm2时在未来各时期的生产单位产量玉米的土壤氨挥发累积量最低，秸秆半量还田配施198 kg/hm2稳定性氮肥的夏玉米产量较秸秆全量还田配施180 kg/hm2稳定性氮肥在2030、2050、2070、2090年分别低6.29%、0.71%、1.60%、2.26%；
当秸秆不还田时，在2030—2050年和2070—2090年分别施用162 kg/hm2和180 kg/hm2稳定性氮肥的生产单位产量玉米的土壤氨挥发累积量最低，但与有秸秆还田的情景相比，生产单位产量玉米的土壤氨挥发累积量明显较高且产量较低。因此，综合考虑产量和生产单位产量玉米的土壤氨挥发累积量，在RCP4.5排放情景下，秸秆全量还田配施180 kg/hm2稳定性氮肥为RCP4.5排放情景下关中地区2030—2090年较优的高产高效施肥-秸秆措施。
表3 RCP4.5背景下不同情景作物产量和生产单位产量玉米的土壤氨挥发累积量
如表4所示，在RCP8.5排放情景下，当秸秆全量还田时，在2030—2050年稳定性氮肥施用量为180 kg/hm2时生产单位产量玉米的土壤氨挥发累积量最低，作物产量为10 775、10 756 kg/hm2，在2070—2090年稳定性氮肥氮肥施用量为162 kg/hm2时生产单位产量玉米的土壤氨挥发累积量最低，作物产量分别为9 661、8 778 kg/hm2；
当秸秆半量还田时，在2030—2050年稳定性氮肥施用量为198 kg/hm2时生产单位产量玉米的土壤氨挥发累积量最低，但产量较秸秆全量还田配施180 kg/hm2稳定性氮肥降低3.46%和0.48%，在2070—2090年稳定性氮肥施用量为180 kg/hm2时生产单位产量玉米的土壤氨挥发累积量最低，但产量较秸秆全量还田配施162 kg/hm2稳定性氮肥降低2.45%和1.78%。当秸秆不还田时，在未来2030—2090年施用162 kg/hm2稳定性氮肥的生产单位产量玉米的土壤氨挥发累积量最低，但与有秸秆还田的情景相比，生产单位产量玉米的土壤氨挥发累积量明显较高且产量较低。因此，综合考虑产量和生产单位产量玉米的土壤氨挥发累积量，在未来RCP8.5排放情景下，秸秆全量还田配施180 kg/hm2稳定性氮肥和秸秆全量还田配施162 kg/hm2稳定性氮肥分别为关中地区2030—2050年和2070—2090年较优的高产高效施肥-秸秆措施。
表4 RCP8.5背景下不同情景作物产量和生产单位产量玉米的土壤氨挥发累积量
3.1 DNDC模型模拟评价
有研究表明，DNDC模型对于不同作物如冬小麦[19]、马铃薯[20]、水稻[21]等产量的模拟性能相当。李仙岳等[22]利用玉米日吸氮量、产量和干物质积累量对DNDC模型进行校正与验证，结果表明，该模型能够很好地模拟玉米生长的动态规律，能够较为精确地模拟干旱地区不同地膜覆盖和施氮处理条件下玉米产量和氮素利用变化情况，因此DNDC模型可用于农田作物生产力的预测和评估。本研究结论与之相似，2019年和2020年产量和籽粒氮素含量模拟值与实测值的nRMSE分别为3.09%、4.29%和5.99%、14.00%，对于地上部生物量的模拟2019年和2020年各处理的实测值与模拟值拟合的R2分别为0.801～0.994和0.983～0.995，说明模拟值与实测值较为一致。同时，DNDC模型可以很好地模拟秸秆还田对产量、籽粒氮素含量和地上部生物量的提高，在两年的模拟中，在施肥种类相同的条件下，实测值与模拟值均体现出有秸秆还田的处理高于无秸秆还田的处理。因此，DNDC模型可用于模拟夏玉米生长和不同施肥-秸秆措施的优化。在不同施氮量和土壤环境下，作物各器官所占比重及碳氮比等参数会有一定差异，本研究中不同处理均采用同样的作物参数，这可能是模拟值与实测值存在微弱差异的原因[23]。
有研究表明，DNDC模型可以模拟由施肥引起的氨排放峰，对氨挥发损失总量的模拟结果与观测结果相关性达到极显著水平[24]。本研究结果与之类似，实测值和模拟值均体现了施肥后7 d土壤氨挥发累积量上升较快以及施用稳定性氮肥的土壤氨挥发累积量显著低于施用尿素的特点，校正后DNDC模型对施用稳定性氮肥的各处理土壤氨挥发累积量模拟值的nRMSE和R2分别为7.0%～30.7%和0.854～0.988，说明校正后DNDC模型对于土壤氨挥发累积量的模拟效果较好。部分模拟值比实测值偏高，这可能是由于在试验中施肥不均匀导致测量结果偏低，也有可能在3 d或7 d取1次样时出现降雨天气导致土壤氨挥发量升高[25]，但实际并未检测到。
3.2 气候变化及施肥-秸秆措施优化
3.2.1未来气候条件下温度和降水的变化
大气环流模式是目前预测未来气候变化的主要工具，其依据为气象系统中的物理和化学性质及相互作用的过程。目前，有许多研究对CMIP5气候模式在我国的实用性进行评价，结果表明，大多数气候模式可以较好地模拟气候变化[26]。本研究得到的温度和降水的变化趋势与前人研究一致[27]，即在未来不同排放情景下年均最高温、最低温和降水量都呈现逐渐上升的趋势，且RCP8.5排放情景下温度和降水量升高幅度更大。由于不同GCM模式本身的空间分辨率不同或降维统计方法不同[28]，不同GCM模式的降水量和部分时期温度预测变化范围很大(图4)。因此，本研究利用33个不同GCM模式未来气候数据模拟的产量和土壤氨挥发累积量的均值以减少不同GCM模式的初始条件、参数和模型结构的不确定性引起的未来气候预测的不确定性。
3.2.2未来气候条件下施肥-秸秆措施优化
有研究表明，在未来气候情境下，有机肥配施无机肥较单施无机肥会显著增加小麦、玉米的产量[29]，本研究结果与之相似，在未来气候条件下，秸秆还田会提高夏玉米产量。这是由于秸秆还田能提高叶绿素含量导致光合速率提高[30]，秸秆还田能有效抑制土壤水分蒸发，为作物生长提供更好的水分条件，在未来降水量增加的条件下，秸秆更易分解[31]，进而会提高土壤孔隙度，秸秆分解后会增加有机碳含量，为作物生长提供充足的养分[32]，同时，秸秆还田会缓解根系衰老，促进玉米根系生长，增大植物对养分和水分吸收面积[33]。有研究表明，随着施氮量的增加，作物产量会呈现先增加后不变的趋势，土壤氨挥发量会随施氮量的增大而增大[34]，本研究结果与之类似，随施氮量增加单位产量的土壤氨挥发量先降低后升高，产量呈现先增加后不变的趋势。本研究中综合考虑产量和生产单位产量玉米的土壤氨挥发累积量，在未来RCP8.5排放情景下，2070—2090年相比于2030—2050年适宜的施氮量较少，这可能是由于在RCP8.5排放情景下降水量会显著增加，降水通过下渗作用会将氮肥带入深层土壤，使得土壤对氮素的吸附量增大，氮肥更好的被作物吸收利用，进而提高氮素的利用率[35]，因此施氮量可适当减少。
(1)DNDC模型对关中地区不同施肥管理措施下夏玉米生长及土壤氨挥发的模拟效果较好，可作为优化不同施肥措施的有效工具。
(2)在未来气候条件下，秸秆还田会提高夏玉米产量并降低生产单位产量玉米的土壤氨挥发累积量，是一种适宜的稳产减排管理措施。
(3)综合考虑产量和生产单位产量玉米的土壤氨挥发累积量，秸秆全量还田配施180 kg/hm2稳定性氮肥为RCP4.5排放情景下关中地区2030—2090年较为优化的控氨稳产施肥-秸秆措施；
秸秆全量还田配施180 kg/hm2稳定性氮肥和秸秆全量还田配施162 kg/hm2稳定性氮肥分别为RCP8.5排放情景下关中地区2030—2050年和2070—2090年较为优化的控氨稳产施肥-秸秆措施。
