賀 美，王迎春，王立剛*，朱 平，李長(zhǎng)生,3

（1 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)部面源污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院–美國(guó)新罕布什爾大學(xué)可持續(xù)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)研究聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2 吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所，長(zhǎng)春 130033；3 美國(guó)新罕布什爾大學(xué)地球海洋與空間研究所，Durham NH 03824）

應(yīng)用 DNDC 模型分析東北黑土有機(jī)碳演變規(guī)律及其與作物產(chǎn)量之間的協(xié)同關(guān)系

賀 美1，王迎春1，王立剛1*，朱 平2，李長(zhǎng)生1,3

（1 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)部面源污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院–美國(guó)新罕布什爾大學(xué)可持續(xù)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)研究聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2 吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所，長(zhǎng)春 130033；3 美國(guó)新罕布什爾大學(xué)地球海洋與空間研究所，Durham NH 03824）

【目的】探索長(zhǎng)期不同施肥方式下土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)變化及其與作物產(chǎn)量之間的耦合關(guān)系，以期為東北地區(qū)黑土耕地資源的持續(xù)利用與管理提供科學(xué)依據(jù)?！痉椒ā炕诤谕羺^(qū)國(guó)家土壤肥力與肥料效益監(jiān)測(cè)網(wǎng)站公主嶺監(jiān)測(cè)基地的 23 年長(zhǎng)期定位試驗(yàn)數(shù)據(jù)，選取不施肥 (CK)、單施氮磷鉀肥 (NPK)、無(wú)機(jī)肥配施低量有機(jī)肥(NPKM1)、1.5 倍的無(wú)機(jī)肥配施低量有機(jī)肥 [1.5 (NPK)M1]、無(wú)機(jī)肥配施高量有機(jī)肥 (NPKM2) 和無(wú)機(jī)肥配施秸稈(NPKS) 6 個(gè)處理進(jìn)行土壤有機(jī)碳和產(chǎn)量的分析，將數(shù)據(jù)用于 DNDC 模型驗(yàn)證，并對(duì) 6 種施肥處理在未來(lái)氣候下(40 a) 黑土有機(jī)碳的演變進(jìn)行模擬?！窘Y(jié)果】試驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：從 1990～2012 年的土壤有機(jī)碳數(shù)據(jù)分析得出，長(zhǎng)期不施肥土壤有機(jī)碳從 12.49 g/kg 以年均 0.69% 的速率下降，有機(jī)無(wú)機(jī)配施可以提升土壤有機(jī)碳含量。DNDC 驗(yàn)證結(jié)果如下：DNDC 驗(yàn)證土壤有機(jī)碳時(shí)各處理的相對(duì)均方根誤差 (RMSE) 為 14.98%～37.91%，驗(yàn)證作物產(chǎn)量時(shí)各處理的 RMSE 為 8.28%～11.19%，說(shuō)明模型能夠基本反映長(zhǎng)期不同施肥下的作物產(chǎn)量和土壤有機(jī)碳的變化。未來(lái)氣候下的模擬結(jié)果表明：CK 和 NPK 處理土壤有機(jī)碳在未來(lái) 40 年里分別下降 16.67% 和 11.21%。而 3 個(gè)化肥有機(jī)肥配施處理在未來(lái) 40 年呈穩(wěn)定增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，NPKM1、1.5 (NPK）M1 和 NPKM2 處理的土壤有機(jī)碳將分別增加 13.65%、15.74% 和 15.84%，以 1.5 (NPK)M1 增勢(shì)最為顯著。NPKS 處理的有機(jī)碳相對(duì)初始略有增加。當(dāng)施氮量從 160 kg/hm2增至 320 kg/hm2時(shí)，土壤有機(jī)碳每增加 1.00 g/kg，作物產(chǎn)量的增加量從 44.48 kg/hm2下降至 15.95 kg/hm2?！窘Y(jié)論】從長(zhǎng)期實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析和 DNDC 模型模擬得出，實(shí)施秸稈還田和有機(jī)肥配施無(wú)機(jī)肥能有效持續(xù)增加 SOC 含量，并能獲得較高的作物產(chǎn)量。在施氮量 160～320 kg/hm2水平下，作物產(chǎn)量隨著土壤有機(jī)碳含量的增加而升高，且土壤有機(jī)碳含量對(duì)產(chǎn)量的提升幅度隨著施氮量的升高而降低。

DNDC 模型；長(zhǎng)期施肥；土壤有機(jī)碳；農(nóng)田生產(chǎn)力

土壤有機(jī)碳 (SOC) 在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的功能以及土壤肥力方面發(fā)揮重要作用[1–2]。全球土壤碳庫(kù)儲(chǔ)量 1500 Gt，約為大氣碳庫(kù)的 2 倍，它的微小變化就會(huì)引起大氣 CO2濃度的顯著波動(dòng)[3–4]，合理的農(nóng)田管理措施如施肥、秸稈還田以及耕作等可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)田土壤碳匯功能[5]。東北地區(qū)是我國(guó)重要的商品糧基地[6–7]，2015 年黑龍江和吉林兩省的糧食產(chǎn)量約占全國(guó)糧食總產(chǎn)的 15%，也是世界上僅有的三大黑土帶之一，有機(jī)碳儲(chǔ)量 12.6×109t，占全國(guó) SOC 儲(chǔ)量的28.3%，黑土區(qū)由碳源向碳匯的轉(zhuǎn)變將對(duì)全球氣候變化產(chǎn)生重要影響[8–10]。

SOC 含量是由輸入和輸出之間的平衡決定的。大量研究表明，化肥可以增加土壤速效養(yǎng)分含量，提高作物產(chǎn)量，有機(jī)肥可以協(xié)調(diào)植物生長(zhǎng)的水、肥、氣、熱，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤微生物活性，增加 SOC 含量[11–14]。有機(jī)肥無(wú)機(jī)肥配合施用在培肥土壤、增加有機(jī)質(zhì)含量以及增產(chǎn)增收方面效果顯著[15–16]。秸稈還田可以提高土壤固碳潛力，與化肥配合施用可以改善土壤結(jié)構(gòu)，提高作物產(chǎn)量，減緩地力衰竭[17–18]。近年來(lái)，SOC 含量對(duì)作物產(chǎn)量的效應(yīng)也越來(lái)越受到關(guān)注，高 SOC 含量與產(chǎn)量、穩(wěn)產(chǎn)性之間具有顯著相關(guān)性[19–20]，徐明崗等[21]研究發(fā)現(xiàn) SOC每提高 1 g/kg，作物的穩(wěn)產(chǎn)性提高 10%～20%；Pan等[22]通過(guò)分析 1949～2000 年的全國(guó)各省 SOC 與產(chǎn)量數(shù)據(jù)，得出大部分省 SOC 含量與作物產(chǎn)量及穩(wěn)產(chǎn)性成正相關(guān)關(guān)系的結(jié)論。但是大部分關(guān)于 SOC 與作物產(chǎn)量協(xié)同效應(yīng)的研究均未能將環(huán)境因素對(duì)農(nóng)田生產(chǎn)力的影響剔除，如何有效控制其他因變量，獨(dú)立分析不同 SOC 水平下的作物產(chǎn)量變化態(tài)勢(shì)，是研究SOC 與作物產(chǎn)量之間協(xié)同效應(yīng)的關(guān)鍵。

SOC 的周轉(zhuǎn)過(guò)程非常緩慢，它對(duì)環(huán)境條件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和自身轉(zhuǎn)化的過(guò)程具有復(fù)雜性，現(xiàn)有的田間試驗(yàn)由于時(shí)間和空間的局限，不足以揭示長(zhǎng)期不同管理措施下農(nóng)田 SOC 的動(dòng)態(tài)變化，并且，在大田試驗(yàn)中，難以找到生態(tài)條件相同但土壤肥力不同的田塊來(lái)開(kāi)展 SOC 與作物產(chǎn)量關(guān)系的定量研究。隨著研究手段的發(fā)展，一些陸地生態(tài)系統(tǒng)模型被成功的用于 SOC 的預(yù)測(cè)中，較為成熟的方法有 DNDC、CENTURYE、RothC 等，其中 DNDC 模型因強(qiáng)大的模擬功能和簡(jiǎn)單的參數(shù)輸入以及較為精準(zhǔn)的模擬在世界范圍內(nèi)被廣泛應(yīng)用[23–30]。公主嶺市處于吉林省中西部，在當(dāng)?shù)赜小坝衩字l(xiāng)” 之稱(chēng)，屬于寒溫帶半干旱半濕潤(rùn)氣候區(qū)，有機(jī)質(zhì)含量偏低，是典型瘠薄黑土區(qū)，本研究通過(guò)應(yīng)用 DNDC 模型控制農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的復(fù)雜變量，利用國(guó)家土壤肥力與肥料效益監(jiān)測(cè)網(wǎng)黑土試驗(yàn)點(diǎn)吉林省公主嶺的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，分析長(zhǎng)期不同施肥措施對(duì) SOC 及作物產(chǎn)量的影響，在調(diào)試和驗(yàn)證模型的基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)黑土有機(jī)碳未來(lái)變化趨勢(shì)并分析 SOC 與農(nóng)田生產(chǎn)力的協(xié)同關(guān)系，為東北地區(qū)黑土耕地資源的持續(xù)利用與管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于國(guó)家黑土肥力與肥料效益監(jiān)測(cè)基地吉林省公主嶺市，成土母質(zhì)為第四紀(jì)黃土狀沉積物，地勢(shì)平坦，是典型黑土區(qū)。年平均氣溫 4～5℃，4～5 月平均氣溫為 7～16℃，6～8 月份氣溫在19～25℃，9 月份在 16℃ 左右，年最高氣溫 34℃，最低 –35℃，有效積溫在 2600～3000℃，年降水量450～650 mm，年蒸發(fā)量 1200～1600 mm，無(wú)霜期120～140 d，為一年一季雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。

試驗(yàn)從 1990 年開(kāi)始，初始土壤 (0—20 cm) 的理化性狀：容重 1.19 g/cm3、有機(jī)碳 13.2 g/kg、全氮1.4 g/kg、有效磷 11.79 mg/kg、速效鉀 158.33 mg/kg、pH 值 7.6、田間持水量 35.8%、孔隙度53.4%、粘粒含量 (＜0.02 mm) 31%。種植模式為春玉米連作，試驗(yàn)開(kāi)始以來(lái)供試玉米品種：1991～1994 年為丹玉 13，1995～1996 年是吉單 304，1997～1999 是吉單 209，2000～2003 是四密 25，2004～2005 是吉單 209，2006～2012 為鄭單 958。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究選擇長(zhǎng)期定位試驗(yàn)的 6 個(gè)處理：1) 對(duì)照處理不施肥 (CK)；2) 單施化肥 (NPK)；3) 化肥低量有機(jī)肥 (NPKM1)；4) 1.5 倍的化肥低量有機(jī)肥 [1.5 (NPK)M1]；5) 化肥配施高量有機(jī)肥 (NPKM2)；6) 化肥配施秸稈 (NPKS)，各處理施肥量見(jiàn)表 1。試驗(yàn)小區(qū)面積 400 m2。有機(jī)肥 (M) 為豬廄肥，自 2005 年后換成牛糞，S 為玉米秸稈。各處理中磷鉀肥播種前作為底肥一次性施入，氮肥 1/3 播種前用作底肥，2/3于拔節(jié)期追施，有機(jī)肥于玉米收獲后施入地里，前一年的作物秸稈在第二年粉碎后于 6 月下旬撒施于壟溝里。在收獲時(shí)各處理地上留茬 15 cm，并同根茬一起還田。播種時(shí)間在每年 4 月 21～30 日，收獲時(shí)間大約 9 月 21～30 日，生育期 150 天左右。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 土壤樣品的采集與測(cè)定 土壤樣品采集是在每一年作物收獲后，在每個(gè)小區(qū)按梅花形五點(diǎn)法采集0—20 cm 土層土樣并混勻，經(jīng)篩選后自然風(fēng)干，磨碎過(guò)篩后測(cè)定。每小區(qū)樣品重復(fù)測(cè)定 3 次，本研究中的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)數(shù)據(jù)均為 3 次測(cè)定結(jié)果的平均值。土壤有機(jī)質(zhì)的測(cè)定采用重鉻酸鉀外加熱法[31]。

1.3.2 作物產(chǎn)量的測(cè)定 春玉米成熟后，在每個(gè)小區(qū)選3 個(gè) 10 m2的樣方，將樣方內(nèi)所有玉米棒裝袋，曬干后脫粒稱(chēng)重，并測(cè)試計(jì)算含水量后，折算成公頃產(chǎn)量。

表1 各處理施肥量Table 1 Fertilizer application amount in each treatment

1.4 DNDC 模型簡(jiǎn)介以及參數(shù)獲取

DNDC 模型是對(duì)土壤碳、氮循環(huán)過(guò)程全面描述的機(jī)理模型，適用于點(diǎn)位或區(qū)域的任何氣候帶下的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。該模型由 2 個(gè)部分 6 個(gè)子模型構(gòu)成，第一部分包括土壤氣候、農(nóng)作物生長(zhǎng)和有機(jī)質(zhì)分解 3個(gè)子模型，第二部分包含硝化、反硝化以及發(fā)酵 3個(gè)子模型，描述了土壤有機(jī)質(zhì)的產(chǎn)生、分解及轉(zhuǎn)化，最后以日為單位輸出土壤有機(jī)碳各組分的含量，以及 CO2、CH4、N2O 等溫室氣體通量。運(yùn)行模型需要的輸入數(shù)據(jù)包括逐日氣象數(shù)據(jù) (來(lái)源于國(guó)家氣象局1990～2012 年氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù))、土壤理化和生物學(xué)性質(zhì) (來(lái)源于試驗(yàn)站 1990～2012 年的實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果記錄)、土地利用以及農(nóng)田管理措施等 (來(lái)源于試驗(yàn)站1990～2012 年的田間管理措施記錄)，具體見(jiàn)表 2。

1.5 模型預(yù)測(cè)的氣候情景設(shè)置

SOC 組分在土壤中的轉(zhuǎn)化過(guò)程需要幾十年甚至上百年，因此，有必要對(duì)不同施肥管理措施下 SOC的變化趨勢(shì)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間尺度的模擬研究。本研究利用 DNDC 模型進(jìn)一步模擬了 40 年內(nèi) 6 種田間管理措施下土壤有機(jī)碳的變化，總的模擬時(shí)間段為 1990～2050 年。氣候因素是影響 SOC 更替的重要因子，本研究以距離公主嶺市最近的氣象站點(diǎn)四平市日值氣象數(shù)據(jù)代替，二者相距 64 公里，均處于松遼平原腹地，氣象環(huán)境一致性相對(duì)較高，2011～2050 年的氣象數(shù)據(jù)是 1991～2010 年的 2 次重復(fù)。

表2 DNDC 模型輸入?yún)?shù)Table 2 Input parameters of DNDC

1.6 模型敏感度計(jì)算方法

能夠評(píng)估和減少結(jié)果的不確定性是應(yīng)用模型評(píng)價(jià)不同施肥措施對(duì) SOC 影響的重要前提。研究中對(duì)模型結(jié)果的驗(yàn)證主要有平均偏差法、相關(guān)系數(shù)法、相對(duì)誤差法和均方根法[32]，本研究主要采用的統(tǒng)計(jì)參數(shù)是平均絕對(duì)誤差 MAE (mean absolute error)、相對(duì)均方根誤差 RMSE (root mean square error) 和決定系數(shù) R2(coefficient of determination)，計(jì)算公式如下：

式中，OBSi是觀測(cè)值；OBSavg是平均觀測(cè)值；SMi是模擬值；SMavg是平均模擬值；n 是樣本容量。R2越接近于 1，表明實(shí)測(cè)值與模擬值線性相關(guān)性越好。RMSE 的值越小，表明模擬值與實(shí)測(cè)值的擬合度越高。模型模擬值與實(shí)測(cè)值之間的偏差越小，模型的模擬結(jié)果越準(zhǔn)確、可靠。一般情況下，RMSE 值小于 10%，即模擬值與實(shí)測(cè)值一致性非常好，在 10%～20% 之間表明模擬效果一般，大于 30% 則表明模擬值與實(shí)際值偏差大，模擬效果不理想[33]。

2 結(jié)果與分析

2.1 長(zhǎng)期不同施肥措施下春玉米產(chǎn)量的變化

通過(guò)田間原位試驗(yàn)的監(jiān)測(cè)，對(duì) 23 年來(lái)的 5 個(gè)施肥處理和 1 個(gè)對(duì)照處理的春玉米產(chǎn)量變化進(jìn)行分析(圖 1)，CK 處理產(chǎn)量最低，平均產(chǎn)量只有 3525 kg/hm2，施用化肥增產(chǎn)顯著，NPK 處理平均產(chǎn)量是 8978 kg/hm2，比對(duì)照增產(chǎn) 154.70%，氮肥農(nóng)學(xué)效率為 33.05 kg/kg。NPK、NPKM1、NPKM2 和 1.5 (NPK) M1 以及NPKS 處理的春玉米產(chǎn)量年際間波動(dòng)趨勢(shì)大致相同。NPKM1、1.5 (NPK) M1、NPKM2 和 NPKS 平均產(chǎn)量是 9088、9699、9833 和 9021 kg/hm2，分別高出NPK 處理 1.22%、8.02%、9.52% 和 0.48% (表 3)。

2.2 長(zhǎng)期不同施肥措施下土壤有機(jī)碳的變化

對(duì)試驗(yàn)站 1990～2012 年的 5 個(gè)施肥處理和 1 個(gè)對(duì)照處理的 SOC 變化進(jìn)行分析 (圖 2)，各處理 SOC含量 NPKM1、1.5 (NPK) M1 和 NPKM2 三個(gè)有機(jī)肥處理逐漸升高，CK、NPK、NPKS 處理 SOC 含量變化相對(duì)平穩(wěn)。經(jīng)過(guò) 23 年的耕種，CK、NPK、NPKM1、1.5 (NPK) M1、NPKM2 和 NPKS 的 SOC 含量分別是10.5、11.4、21.4、23.9、21.5 和 12.9 g/kg，1.5 (NPK) M1處理 SOC 含量高于 CK 處理 127.62%。平均值以 CK處理最低，僅為 12.48 g/kg，并且呈緩慢下降趨勢(shì)，2012 年 SOC 含量相對(duì) 1990 年降低 18.85%。NPK 處理的平均值為 13.2 g/kg，稍高于試驗(yàn)初始 SOC 值。NPKM1、1.5 (NPK) M1 和 NPKM2 三個(gè)處理的平均值分別為 17.23、19.61 和 18.02 g/kg，較試驗(yàn)初始SOC 含量分別提升 26.53%、36.12% 和 28.13%。化肥配施秸稈處理 (NPKS) 平均值為 13.40 g/kg，稍高于初始 SOC 含量 (表 4)。

圖1 1990～2012 年不同施肥措施下春玉米產(chǎn)量的變化Fig.1 Changes of maize yields under different fertilizer treatments from 1990 to 2012

表3 不同時(shí)間段不同施肥處理春玉米平均產(chǎn)量 (kg/hm2)Table 3 Average maize yield in different periods under different fertilization treatments

圖2 1990～2012 年不同施肥措施下土壤有機(jī)碳含量的變化Fig.2 Changes of soil organic carbon contents under different fertilizer treatments from 1990 to 2012

2.3 長(zhǎng)期不同施肥下春玉米產(chǎn)量的 DNDC 模型驗(yàn)證

長(zhǎng)期不同施肥處理下春玉米的產(chǎn)量模擬值和實(shí)測(cè)值比較接近 (圖 3)，模型驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)表 5。除 CK外，其他處理的均方根誤差 RMSE (%) 以及平均絕對(duì)誤差 MAE (%) 均在 20% 以?xún)?nèi)，且各處理間模擬值與實(shí)測(cè)值之間的相關(guān)性均達(dá)到極顯著水平，說(shuō)明DNDC 模型可以很好地模擬作物產(chǎn)量，能夠反映農(nóng)田作物產(chǎn)量的實(shí)際波動(dòng)趨勢(shì)。

2.4 長(zhǎng)期不同施肥下土壤有機(jī)碳的 DNDC 模型驗(yàn)證

長(zhǎng)期不同施肥措施下 SOC 含量模擬值與實(shí)測(cè)值比較如圖 4所示，根據(jù)試驗(yàn)的實(shí)測(cè)值和模擬值計(jì)算出各個(gè)處理相對(duì) RMSE (%)、MAE (%) 和 R2值 (表6)，各處理模擬值和實(shí)測(cè)值的相對(duì) RMSE 都小于15%，各處理的 MAE 都在 10% 以?xún)?nèi)，并且各施肥處理模擬值與實(shí)測(cè)值的相關(guān)性均達(dá)到了顯著水平，說(shuō)明 DNDC 模型能夠很好地模擬不同施肥管理措施下土壤有機(jī)碳的變化趨勢(shì)。

2.5 長(zhǎng)期不同施肥措施下 SOC 的未來(lái)氣候情景模擬分析

表4 不同時(shí)間段不同施肥措施下土壤平均有機(jī)碳含量 (g/kg)Table 4 Average soil organic carbon content in different periods under different fertilizer treatments

圖3 不同施肥措施下春玉米產(chǎn)量模擬值與實(shí)測(cè)值的比較Fig.3 Comparison between the observed and simulate value of maize yield under different fertilizer treatments

40 年的長(zhǎng)期模擬 (圖 5) 表明，CK 與 NPK 處理下，0—20 cm SOC 含量總體均呈下降趨勢(shì)，且 CK處理降幅更顯著，至 2050 年 SOC 含量為 10.2 g/kg，比試驗(yàn)開(kāi)始 (1990 年) 下降了 22.55%，平均每年降低0.37%。NPK 降幅較低，前 35 年相對(duì)平穩(wěn)的下降了4%，后 25 年降速增大，SOC 含量從 12.5 g/kg 下降至 11.6 g/kg，下降了 7.76%。NPKS 處理的 SOC 含量變化趨勢(shì)在整個(gè)模擬期間相對(duì)比較穩(wěn)定，從 1990年的 12.1 g/kg 增長(zhǎng)至 2050 年的 14.4 g/kg，平均每年遞增 0.31%。而三個(gè)化肥有機(jī)肥配施的處理 NPKM1、1.5 (NPK) M1 和 NPKM2 在未來(lái) 40 年里 (2011～2050)呈穩(wěn)定增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，以 1.5 (NPK) M1 增勢(shì)最為顯著。從 2010 年到 2050 年 NPKM1 處理 SOC 含量增加13.65%，1.5 (NPK) M1 處理下 SOC 增加了 15.74%，NPKM2 處理下 SOC 增加 15.84%?；视袡C(jī)肥配施和秸稈還田可以保持和提高 SOC 含量。

表5 不同施肥措施下春玉米產(chǎn)量模擬效果Table 5 Model performance on maize yield under different fertilizer treatments

圖4 不同施肥措施下 SOC 模擬值與實(shí)測(cè)值的比較Fig.4 Comparison between the observed and simulate value of soil organic carbon under different fertilizer treatments

2.6 不同 SOC 值與產(chǎn)量的耦合關(guān)系模擬

在不同的氮肥施用基礎(chǔ)上，建立 SOC 與作物產(chǎn)量之間的耦合關(guān)系。以試驗(yàn)初始 SOC 含量 13.2 g/kg和常量施氮水平 (160 kg/hm2) 為基數(shù)，依次遞增 SOC值和施氮量，每次模擬代入近 7 年 (2006～2012 年)的氣象數(shù)據(jù)，將模擬結(jié)果中的 7 個(gè)年份的產(chǎn)量的加權(quán)平均值作為特定 SOC 和氮肥水平下的產(chǎn)量。

模擬結(jié)果表明 (圖 6)，在相同的施氮水平下，作物產(chǎn)量隨著 SOC 的增加而增加，當(dāng)施氮量分別為160、200、240、280 和 320 kg/hm2時(shí)，SOC 每增加1 g/kg 時(shí)，作物產(chǎn)量平均增加 44.48、42.28、32.59、23.21 和 15.95 kg/hm2，即施氮量越低的情況下，SOC對(duì)產(chǎn)量的影響越顯著，反之，施氮量高的情況下，產(chǎn)量對(duì) SOC 的敏感度降低。

表6 不同施肥處理下土壤有機(jī)碳模擬效果Table 6 Model performance on soil organic carbon under different fertilizer treatments

圖5 不同施肥措施下 0—20 cm 土層未來(lái)土壤有機(jī)碳變化趨勢(shì)Fig.5 The predicted variation trend of soil organic carbon content in 0–20 cm soil layer under different fertilizer treatments

3 討論

3.1 長(zhǎng)期不同施肥處理對(duì)春玉米產(chǎn)量及土壤有機(jī)碳的影響

1990～2012 年的田間試驗(yàn)表明，23 年后不同施肥處理 SOC 的含量高低順序：1.5 (NPK) M1＞NPKM2＞NPKM1＞NPKS＞NPK＞CK。其中 1.5 (NPK) M1、NPKM2、NPKM1 和 NPKS 處理土壤有機(jī)碳呈不斷上升趨勢(shì)。施用化肥能夠提高作物的生物量，進(jìn)而增加了歸還土壤的根茬量，使得最初幾年 SOC 含量下降不明顯。長(zhǎng)期看來(lái)，單施化肥 (NPK)處理最終表現(xiàn)為 SOC 的明顯虧缺，不利于 SOC 的保持。秸稈還田、化肥配施有機(jī)肥都可以維持土壤碳固存。綜合各種施肥措施對(duì)產(chǎn)量和 SOC 的總體影響來(lái)看，有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施可以最大程度地提高產(chǎn)量和SOC。這與很多研究者在不同區(qū)域、不同土壤類(lèi)型以及不同土地利用方式下得出的結(jié)論一致[34–36]。NPKM1處理下的產(chǎn)量在試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)低于 NPK 處理，從試驗(yàn)開(kāi)始后第 8 年起效果顯著，主要原因可能是有機(jī)肥中可以被植物直接吸收利用的礦質(zhì)態(tài)養(yǎng)分較少，并且施用有機(jī)肥的土壤 C/N 一般較高，在分解初期為了滿(mǎn)足自身對(duì)氮素的需求會(huì)從土壤中吸收礦質(zhì)氮，造成和植物競(jìng)爭(zhēng)養(yǎng)分，影響了作物產(chǎn)量[37]。適應(yīng)高C/N 比的微生物種群后來(lái)逐漸占優(yōu)勢(shì)，從而保障了養(yǎng)分的持續(xù)供給。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，在保證一定C/N 比的基礎(chǔ)上，通過(guò)推廣秸稈還田技術(shù)或者有機(jī)肥配施無(wú)機(jī)肥的措施，能夠穩(wěn)定提升土壤有機(jī)碳含量，維持土地生產(chǎn)力。

圖6 不同氮肥水平下 0—20 cm 土層有機(jī)碳含量與作物產(chǎn)量的耦合關(guān)系Fig.6 Coupling relationship between the simulated maize yield and soil organic carbon content in 0–20 cm soil layer under different nitrogen application rates

3.2 DNDC 模型的驗(yàn)證

本研究中，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)模型模擬值之間的擬合程度整體表現(xiàn)較好，從驗(yàn)證結(jié)果來(lái)看模型模擬該地區(qū)土壤有機(jī)碳是可行的，但也存在部分年份模擬值與實(shí)測(cè)值仍有一定的差異。有些異常年份如 1994 年模型表現(xiàn)出是低產(chǎn)年，而所有處理的實(shí)測(cè)產(chǎn)量數(shù)據(jù)相對(duì)較高，推測(cè)可能是由試驗(yàn)站點(diǎn)與替代氣象站點(diǎn)的氣象差異導(dǎo)致的。而 1999 年是豐產(chǎn)年，除了 CK 處理外其他處理的產(chǎn)量均明顯升高，推測(cè)是由于 CK處理肥料成為產(chǎn)量的首要限制因子，對(duì)其他環(huán)境因素 (降水、氣溫等) 的敏感性低于肥料所引起。尤其是遇到干旱或者洪澇年份，由于模型內(nèi)部參數(shù)設(shè)置的限制，模型可能存在高估或者低估產(chǎn)量的可能，說(shuō)明模型也存在著不確定性[30]。而在模擬土壤有機(jī)碳方面，由于土壤有機(jī)碳在實(shí)際土壤中的變化是一個(gè)非常緩慢的過(guò)程，而實(shí)際監(jiān)測(cè)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)因采樣點(diǎn)的不均勻、采樣人的不確定性以及試驗(yàn)方面的人為誤差造成的測(cè)量值年際間的大波動(dòng) (如 2003～2009 年的 NPKM2 處理)，實(shí)測(cè)值比模擬值呈現(xiàn)出更大的波動(dòng)性，因此，DNDC 模型為客觀地反映土壤有機(jī)碳的演變規(guī)律提供了理論依據(jù)。

通過(guò) DNDC 模型模擬結(jié)果顯示，秸稈還田可以穩(wěn)定地維持 SOC 含量，無(wú)機(jī)肥配施有機(jī)肥能夠快速提升 SOC 含量，主要是由于有機(jī)肥的施用不僅直接增加土壤腐殖質(zhì)的數(shù)量，同時(shí)加快活性有機(jī)質(zhì)的分解，促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成，進(jìn)而加強(qiáng)了對(duì)土壤穩(wěn)定性有機(jī)碳的物理保護(hù)。而秸稈還田對(duì) SOC 的保持在于秸稈殘?bào)w中的多糖、纖維素和半纖維素等有機(jī)物質(zhì)有利于促進(jìn)大粒徑團(tuán)聚體的增加，進(jìn)而增加了對(duì)土壤碳的保護(hù)[38–41]。

有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施的 3 個(gè)處理中，SOC 含量均表現(xiàn)先快速上升后增加趨勢(shì)逐漸趨于平緩，年增長(zhǎng)率逐漸遞減，Six 等[42]認(rèn)為土壤碳儲(chǔ)量不可能無(wú)限制的增加，SOC 存在飽和水平；Hutchinson 等[43]認(rèn)為土壤并不代表一個(gè)碳的永久“緩沖溶液”，當(dāng)農(nóng)田管理措施、氣象條件等環(huán)境因素保持長(zhǎng)期不變時(shí)，SOC 將達(dá)到一個(gè)新的平衡，此時(shí)有機(jī)碳的合成與分解速度相等，年增長(zhǎng)率表現(xiàn)為零。Sampson 等[44]通過(guò)收集數(shù)據(jù)計(jì)算得出，任何農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)在耕作方式改變后，前 20 年土壤碳都以穩(wěn)定的速率積累，后20 年的積累速率直線下滑，最終達(dá)到一個(gè)碳累積速率為零的穩(wěn)態(tài)。從目前的模擬來(lái)看，各施肥處理新的 SOC 平衡點(diǎn)還沒(méi)有達(dá)到，東北地區(qū) SOC 的平衡點(diǎn)可能需要更長(zhǎng)的時(shí)間尺度和更大范圍的空間尺度的試驗(yàn)和模擬來(lái)回答。

3.3 土壤有機(jī)碳和作物產(chǎn)量之間的耦合關(guān)系

作物產(chǎn)量受土壤養(yǎng)分狀況、田間管理以及自然條件等多種因素的綜合制約。本研究參考當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣施肥量設(shè)置 5 個(gè)氮肥水平，通過(guò)模擬不同氮肥輸入條件下產(chǎn)量對(duì) SOC 含量變化的響應(yīng)，綜合分析不同氮肥供應(yīng)梯度下 SOC 與產(chǎn)量的耦合關(guān)系。在相同的施氮水平下，產(chǎn)量隨著 SOC 含量的升高呈現(xiàn)持續(xù)增加的趨勢(shì)，但是在高的 SOC 水平下產(chǎn)量的增幅大大降低。在施氮量 160～320 kg/hm2范圍內(nèi)，SOC每增加 1 g/kg 時(shí)，作物產(chǎn)量平均增加 32.10 kg/hm2，這與王衛(wèi)等[45]研究的在高有機(jī)質(zhì)省區(qū)有機(jī)質(zhì)增加1 g/kg 引起的產(chǎn)出增加量 22.2 kg/hm2的結(jié)論相近，低于邱建軍等[7]研究的 SOC 增加 1 g/kg 時(shí)東北地區(qū)玉米產(chǎn)量增加 176 kg/hm2的結(jié)果，推測(cè)是由于上述研究代表地區(qū)黑龍江省齊齊哈爾市的作物平均產(chǎn)量為 7757 kg/hm2，而本研究中基于模擬的 NPK 處理1990～2012 年的平均產(chǎn)量已達(dá)到 8978 kg/hm2，以目前的田間管理措施為基準(zhǔn)，產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到該管理措施下的相對(duì)理想水平，由此導(dǎo)致產(chǎn)量對(duì) SOC 的敏感度降低的結(jié)果。盡管前人在 SOC 與作物產(chǎn)量關(guān)系上做了大量的研究，多數(shù)的研究和生產(chǎn)實(shí)踐表明環(huán)境因素尤其是氣候因素對(duì)耕地產(chǎn)量的影響要大于 SOC本身對(duì)作物產(chǎn)量的影響，而基于模型研究的優(yōu)勢(shì)是可以假定特定的氣候與農(nóng)田管理措施，使作物產(chǎn)量的差異單純地由 SOC 含量差異引起。

4 結(jié)論

1) 通過(guò)對(duì)吉林省公主嶺市長(zhǎng)期定位試驗(yàn) 23 年的春玉米產(chǎn)量和 SOC 含量的數(shù)據(jù)分析，有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施和無(wú)機(jī)肥配施秸稈還田技術(shù)不僅增產(chǎn)效果較好，同時(shí)可以最大程度地提高土壤有機(jī)碳含量。

2) 長(zhǎng)期定位實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了 DNDC 模型在研究區(qū)域的適用性，通過(guò)平均絕對(duì)誤差 (MAE)、相對(duì)均方根誤差 (RMSE) 和決定系數(shù) (R2) 對(duì)模型的適用性進(jìn)行分析，模型可以用于模擬東北地區(qū)黑土 SOC 的變化趨勢(shì)。

3) DNDC 模型模擬結(jié)果顯示，長(zhǎng)期不施肥 CK和單施化肥 NPK 處理導(dǎo)致土壤有機(jī)碳降低；長(zhǎng)期有機(jī)無(wú)機(jī)配施或者秸稈還田可以增加 SOC 含量。在施氮量 160～320 kg/hm2水平下，作物產(chǎn)量隨著土壤有機(jī)碳含量的增加而升高，且在施氮量低的情況下產(chǎn)量的提升幅度相對(duì)高施氮量大。

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Using DNDC model to simulate black soil organic carbon dynamics as well as its coordinate relationship with crop yield

HE Mei1, WANG Ying-chun1, WANG Li-gang1*, ZHU Ping2, LI Chang-sheng1,3
( 1 Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Nonpoint Source Pollution Control, Ministry of Agriculture/CAAS-UNH Joint Laboratory for Sustainable Agro-ecosystem Research, Beijing 100081, China; 2 Institute of Agricultural Resources and Environment Research, Jilin Academy of Agricultural Sciences, Changchun 130033, China; 3 Institute for the Study of Earth, Ocean and Space, University of New Hampshire, NH 03824, USA )

【Objectives】The effects of long-term fertilization on black soil organic carbon content and crop yield were researched and stimulated using the DNDC model in Northeast China, which will provide a scientific basis for the sustainable use of the arable land resources and scientific managements in the region.【Methods】Data were collected from the long-term experiments carried out in National Fertility Monitoring Net in Gongzhuling City, Jilin Province. Six of the fertilization treatments were chosen to analyze the changes in soilorganic carbon (SOC) and crop yield, including: no fertilizer (CK), only chemical fertilizer application (NPK), combining chemical and low levels of organic manure (NPKM1), 1.5 times of the amount of inorganic and organic fertilizer of NPKM1 (1.5(NPK)M1), combining chemical and high amount of organic manure (NPKM2), inorganic fertilizer plus straw (NPKS), and the DNDC model was validated using these data. The model was used to imitate the variation of SOC in the coming 40 years under the six fertilization treatments.【Results】The root mean square error (RMSE) of SOC in treatment was in range of 14.98%–37.91%, those of crop yields were in range of 8.28%–11.19%, which suggested that the simulated values were consistent with the observed values, so the DNDC model was reliable for the simulation purpose in the studied area. The simulated results indicated that the SOC in CK and NPK treatments would drop by 16.67% and 11.21% respectively, and those in NPKM1, NPKM2 and 1.5(NPK)M1 treatments would be steadily increasing in the next 40 years, with the most significant growth in treatment of 1.5 (NPK)M1. The SOC contents in NPKM1, 1.5 (NPK)M1 and NPKM2 will be increased by 13.65%, 15.74%, 15.84% from 2010 to 2050 respectively. The measured SOC content in NPKS treatment had slightly increased since the beginning of the experiment. When the nitrogen application was increased from 160 kg/hm2to 320 kg/hm2, the SOC would simultaneously increase in magnitude of 1.00 g/kg, and the crop yields increase would drop from 44.48 kg/hm2to 15.95 kg/hm2.【Conclusions】Analyzation of data from the measured and DNDC model simulated, combined application of straw, manure and inorganic fertilizer will be effective in increasing the content of soil organic carbon continuously, and leading to steadily increase of crop yields at the same time. When the nitrogen application rate is between 160 kg/hm2-320 kg/hm2, the crop yields will keep increasing with the increasing of soil organic carbon content, and the hoist scope of SOC in increasing crop yield would fall with the increase of nitrogen application rate.

DNDC model; long-term fertilization; soil organic carbon; farmland productivity

2016–04–11接受日期：2016–05–26

公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專(zhuān)項(xiàng)（201303126-2，201303103）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFED101100）資助。

：賀美（1990—），女，河南漯河人，碩士研究生，從事農(nóng)田土壤碳循環(huán)研究。E-mail：hemei0911@126.com

* 通信作者 E-mail：wangligang@caas.cn