基于DNDC模型模拟江汉平原稻田不同种植模式条件下温室气体排放

稻田被认为是温室气体CH_4和N_2O的主要排放源之一。湖北省江汉平原地区水稻常年种植面积约8×105 hm2,占湖北省水稻种植面积的40%左右。研究江汉平原地区稻田温室气体排放特征,对于评估区域稻田温室气体排放以及稻田温室气体减排具有重要意义。目前,DNDC模型已被广泛应用于模拟和估算田间尺度的温室气体排放,DNDC模型与地理信息系统(Arc GIS)结合,可进行区域尺度的温室气体排放模拟与估算。本研究以湖北省典型稻作区江汉平原为研究区域,运用DNDC模型模拟和估算江汉平原稻田区域尺度的温室气体排放。设置大田定点观测试验,监测中稻-小麦(RW)、中稻-油菜(RR)、中稻-冬闲(RF)3种种植模式下稻田温室气体CH_4和N_2O的周年排放特征。通过田间观测值与DNDC模拟值的比较进行模型验证,并利用获取DNDC模型所需的气象、土壤、作物及田间管理等区域数据,模拟江汉平原稻田不同种植模式下温室气体CH_4和N_2O的排放量。田间试验表明,江汉平原稻田RW、RR和RF模型的CH_4排放通量为-2.80~39.78 mg·m-2·h-1、-1.74~42.51 mg·m-2·h-1和-1.57~55.64 mg·m-2·h-1,N_2O周年排放通量范围分别为0~1.90 mg·m-2·h-1、0~1.76mg·m-2·h-1和0~1.49 mg·m-2·h-1;CH_4排放量RW和RR模式显著高于RF模式,N_2O排放量为RF显著低于RW和RR模式。模型验证结果表明,不同种植模式温室气体排放实测值与模拟值比较的决定系数(R2)为0.85~0.98,相对误差绝对值(RAE)为8.29%~16.42%。根据DNDC模型模拟和估算的结果,江汉平原区域稻田CH_4周年的排放量为0.292 9 Tg C,N_2O周年的排放量为0.009 2 Tg N,不同种植模式稻田CH_4排放量表现为RWRRRF,N_2O排放量表现为RWRFRR,增温潜势(GWP)表现为RWRRRF。不同地区稻田CH_4排放量表现为监利县荆门市公安县天门市仙桃市洪湖市松滋市汉川市潜江市石首市荆州市江陵县赤壁市嘉鱼县,N_2O排放量表现为监利县荆门市公安县洪湖市仙桃市天门市汉川市潜江市松滋市荆州市江陵县赤壁市石首市嘉鱼县。本研究结果表明DNDC模型能较好地应用于模拟江汉平原稻田温室气体排放,RR和RF模式相比RW模式可有效减少温室气体CH_4和N_2O的排放。     

丘陵区稻田N2O排放的特点

１９９３－１９９４年在中国科学院红壤生态试验站通过田间试验研究了丘陵区稻田Ｎ２Ｏ排放的特点。结果表明,稻田Ｎ２Ｏ排放主要集中在水分落干期间,淹水状态下几乎没有Ｎ２Ｏ排放。由于早稻稻草还田、晚稻稻田Ｎ２Ｏ排放量即使在水分离落干期间也不高。稻田Ｎ２Ｏ排放量随地形降低而逐渐增加,１９９３－１９９４年两年中坡底、坡腰和坡顶稻田水稻生长期平均Ｎ２Ｏ－Ｎ排放通量分别为１０．９０、５．６０和２．１１μｇ／（ｍ＾     

太湖地区稻田不同轮作制度下的氮肥减量研究

通过设置不同轮作制度及施氮量, 研究其对稻季的田面水氮素含量、氮素径流损失、产量及土壤养分的影响, 结果表明: 在江苏宜兴地区, 冬季种植紫云英或黑麦草替代小麦种植, 从而减少稻季化学氮肥的施用是可行的。紫云英或黑麦草参与轮作还田, 提高了土壤的供氮水平, 促进了水稻对氮素的吸收利用, 产量显著提高, 且冬季种植无需施用氮肥, 减少了冬季旱地土壤的氮素损失, 降低了环境负荷; 在总施氮量相等的情况下, 提高肥料中有机肥比例可以降低稻田田面水中的总氮含量, 降低了因田面水外排导致的氮素径流损失,且绿肥种植成本低, 尤其是紫云英对无机氮肥的替代性强, 可以有效降低稻季的施肥成本。在江苏宜兴地区,如适当地将传统的小麦?水稻轮作制度改为紫云英?水稻轮作制度, 并在稻季减少120 kg·hm?2 的纯氮投入, 则可兼顾经济效益、产量效益和环境效益。     

N2O,CO2温室气体与土壤DNDC模型

本文对Ｎ２Ｏ，ＣＯ２两种温室气体的工作进行了评述，重点介绍了土壤脱氮－分解模型的起始原由，发展过程及其结构，并通过对模型在不同国家和地区的灵敏度检验。表明与实测结果非常吻合，得出了非常重要的结论，这一模型不仅对Ｎ２Ｏ，ＣＯ２等温室气体的全球研究有重要意义，面对对土壤农业耕作实践也有指导作用，但这些结论有待于进一步的详细研究。     

典型潮土N2O排放的DNDC模型田间验证研究

利用典型潮土N2O排放的田间试验数据对脱氮-分解模型（DNDC）及其参数进行验证。结果表明,DNDC模型能较好地模拟田间实测到的冬小麦、夏玉米季土壤湿度和土壤日平均地表温度的动态变化。小麦和玉米季土壤N2O排放通量与土壤水分（WFPS）呈显著正相关,与土壤温度相关性不大。田间实测到的N2O排放高峰主要受降水和施肥的影响,在N2O排放峰的峰值和出现时间上模拟值与实测值较接近,但准确地捕捉N2O季节性的排放通量仍需对模型进行修正。通过比较施肥、土壤和田间管理等输入参数的改变对DNDC模型进行灵敏性分析,氮肥用量、施肥次数、土壤初始无机氮含量和土壤质地的改变对土壤N2O排放量均很敏感,其中氮肥用量和施肥次数的改变最为敏感。基于当地土壤特性和田间管理的校正,DNDC模型为评价农田生态系统N2O的排放提供了强有力的工具。     

稻田CO2排放对大气CO2浓度升高的响应

利用FACE (free-air carbon dioxide enrichment)平台,采用静态暗箱-气相色谱法,研究了大气CO2浓度升高对稻田土壤CO2通过土壤-大气(土气)和植被-大气(植气)界面排放的影响.在整个水稻生长季中,土气界面CO2排放通量与土壤表面水层深度指数负相关,且在中期烤田和收获前排水阶段出现较大值;而植气界面CO2排放通量与根系生物量的变化趋势基本一致.在低氮(N 125 kg/hm2)和常氮(N 250 kg/hm2)水平上,高浓度CO2(对照大气CO2浓度+200 μmol/mol)有提高水稻生物量、降低土气和植气界面CO2累积排放量的趋势.在水稻的拔节、抽穗和成熟期,较高的施氮量显著增加水稻地上部分生物量,促进植气界面CO2的排放.研究结果表明,未来大气CO2浓度升高的环境下,稻田生态系统有增加CO2的固定(增加水稻生物量),减少CO2的排放(土气和植气界面CO2的排放)的趋势,可能发挥着碳汇的作用.     

稻麦轮作稻田中N_2O排放规律的研究

通过连续3年在中国浙江杭州的大型稻田原状土柱渗漏计中开展稻麦轮作稻田中N2O排放规律的研究,探讨了不同作物生长季节、不同年份、不同氮肥用量和氮肥品种对N2O排放的影响。结果表明:稻季的N2O排放主要发生在施肥之后,呈单高峰特征;麦季N2O排放则发生在施肥和较大降水之后,呈多高峰特征,麦季排放与降水有密切相关;不施氮情况下,稻田中N2O排放通量和累计排放量都是稻季高于麦季,稻季分别为麦季的1.97倍和1.34倍;施氮情况下,稻季与麦季排放通量和累计排放量则差别不大,排放通量是稻季略高于麦季(+17%),而累计排放量则是麦季略高于稻季(+21.96%).;施加氮肥可以促进N2O的排放;尿素的排放因子大于硫铵;在麦季施N100~1000 kghm-2的条件下,尿素的排放因子值为0.75~1.31,硫铵为0.15~0.16;在稻季施N150~300 kg hm-2的条件下,硫铵的排放因子值为0.19~0.20;在中国浙江省杭州稻麦轮作稻田中,N2O本底排放量为0.12~0.25 kgN2O-Nhm-2 yr-1,施肥引起的N2O排放占总排放的33%~59%。渗漏水中的N2O/NO3比值随种植季数而增高,可用乘幂关系式表达。     

稻麦轮作农田氮素循环的DNDC模型分析

基于长江中下游稻麦轮作体系的氮肥施用田间试验,采用Denitrification- Decomposition model (DNDC) 模型研究了气候条件、土壤属性、农业管理等输入因素的不确定性对子粒产量、作物氮吸收、氨挥发、N2O排放等预测结果的影响。结果显示:采用DNDC模型模拟的土壤氨挥发速率和N2O排放通量与田间实测结果较为吻合,氨挥发通量模拟值与实测值相关系数为0.688,N2O排放通量模拟值与实测值相关系数为0.528,均达极显著水平,表明DNDC模型预测农田土壤氮素具有较高可信度。模拟结果显示,气温和氮肥用量是影响作物产量和吸氮量的关键因素;土壤氨挥发主要受氮肥品种影响,并随氮肥用量增加而增加;土壤N2O排放主要受温度、土壤pH值、土壤有机碳含量的影响。为使DNDC能更有效地估算氨挥发和N2O排放,有必要获取更翔实的资料以减少输入数据的不确定性。     

基于DNDC模型的冬小麦?夏玉米农田滴灌施肥优化措施研究

【目的】滴灌施肥是一种具有节水、节肥等优点的水肥一体化田间管理措施,然而其对N₂O排放和经济效益的影响仍存在不确定性。针对我国重要的粮食生产方式—冬小麦?夏玉米轮作,优化设计适宜的滴灌施肥管理制度,对于提高水肥资源利用效率,减少环境污染,提高经济效益具有重大的实际意义。 【方法】在山东桓台冬小麦?夏玉米典型农田上设置试验,进行不同灌溉系数和不同施氮量处理对农田土壤N₂O排放和作物产量影响的研究。根据田间实测数据对DNDC模型进行校正和验证,利用验证后的模型定量评估滴灌施肥对N₂O排放的影响,综合考虑作物产量和N₂O减排效果和经济效益,最终提出华北平原冬小麦?夏玉米体系的优化滴灌施肥措施。 【结果】DNDC模型具备模拟滴灌施肥一体化管理措施下冬小麦、夏玉米生长情况和产量的能力,模型校正后能较好地模拟滴灌施肥条件下冬小麦/夏玉米农田土壤N₂O排放特征。在田间试验筛选出的最佳滴灌量和施氮量的基础上设置不同的滴灌量、施氮量以及玉米季施氮次数、施氮时间模拟情景,经过模型情景模拟最终筛选出的最优滴灌施肥措施是冬小麦季分4次滴灌施肥,滴灌量130 mm,随水施N 189 kg/hm2,夏玉米避开雨季分4次滴灌施肥,滴灌量19 mm,随水施N 231 kg/hm2。该模型模拟出的最优措施能够在不影响作物产量的基础上比田间试验筛选出的最佳滴灌和施氮量处理减少16%的N₂O排放。 【结论】与当地习惯漫灌撒肥措施相比,优化后的滴灌施肥管理全年共节水58.6%、减氮30.0%、减少50% N₂O排放,同时净收益增加了1336.41元/hm2,增加投资部分的收益率为230.34%,远大于部分预算法中100%的新技术采用标准。研究结果可为滴灌施肥技术在华北农田推广应用提供实际参考。     

华北平原典型农田CO2和N2O排放通量及其与土壤养分动态和施肥的关系

对华北平原小麦-棉花(麦棉)、小麦-大豆(麦豆)、小麦-玉米(麦玉)轮作田的CO2和N2O排放通量进行了测定,分析了温室气体排放通量与土壤中碳、氮元素、气温以及施肥等之间的关系。主要结论:1)麦棉、麦豆、麦玉田的土壤CO2平均排放通量分别为CO2-C 141.7、109.8、128.2 mg.m-2.h-1,其中夏播作物的排放通量高于小麦季;2)麦棉、麦豆及麦玉田作物生长季的土壤N2O平均排放通量分别为N2O-N 98.8、38.9、44.7μg.m-2.h-1,也表现为麦后季作物的排放量高于小麦季;3)同一生育期中不同处理的N2O排放主要与土壤中无机氮含量相关,不同生育期的N2O排放通量主要受不同生育期的土壤温度及水分状况的影响;4)在施肥灌溉后的9 d内土壤N2O排放通量较高,之后逐渐降低,至施肥后22～27 d即与不施肥处理的排放持平。     

不同施肥处理对稻田氧化亚氮排放的影响

2004年在湖南省望城县黄金乡长期肥料监测站对不同施肥处理稻田中N2O排放通量进行了连续观测,发现不同施肥处理稻田中N2O排放季节变化具有一致的规律:生长中前期N2O排放量较小,晒田及之后排放量较大。各施肥处理N2O排放的差异早晚稻不同,早稻各处理间差异不显著,NPK处理排放量最大,为1.48kg.hm2;晚稻各处理差异极显著(p<0.01),NPKS处理排放量最大,为1.40kg.hm2;同是有机肥和化肥配施,早稻NKM处理N2O排放大于NPKS处理,两者差异不显著,而晚稻NPKS处理N2O排放远大于NKM处理,二者差异显著(p<0.05)。稻田水分状况也影响N2O排放,淹水期N2O排放较少,落干期N2O排放较多。     

长期大气CO2浓度升高对稻田CH4排放的影响

大气CO2浓度升高可直接或间接影响稻田CH4排放。深入研究长期大气CO2浓度升高对稻田CH4排放及其相关微生物的影响,对评估和应对未来气候背景下稻田CH4排放的响应具有重要意义。为探明长期大气CO2浓度升高对稻田CH4排放的影响及其机制,依托连续运行10年以上的中国稻田FACE（free-air CO2 enrichment）平台,观测2016—2017年正常大气条件（ACO2）和大气CO2浓度升高200 μmol?mol-1条件（ECO2）下稻田CH4排放通量、产甲烷菌和甲烷氧化菌群落丰度,并采用Meta分析方法定量研究CO2熏蒸年限对稻田CH4排放及其相关微生物群落丰度的影响。结果表明：对比ACO2处理,长期ECO2处理使稻田CH4排放降低28%（P<0.05）,产甲烷菌群落丰度降低39%（P<0.05）,同时甲烷氧化菌群落丰度增加21%（P>0.05）。Meta分析结果发现,随着CO2熏蒸年限的增加,大气CO2浓度升高对稻田CH4排放和产甲烷菌群落丰度的促进作用逐渐减弱,对甲烷氧化菌群落丰度的促进作用却逐渐增大。因此,未来气候条件下,长期大气CO2浓度升高会降低稻田CH4排放,这对缓解水稻种植带来的温室效应具有重要意义。     

长期施肥对湖南稻田甲烷排放的影响

采用静态箱-气相色谱法对长期不同施肥处理的稻田甲烷排放进行了手动观测。结果表明，不同施肥处理的稻田甲烷排放具有一致的规律，混施有机肥的处理甲烷排放大于单施氮肥的处理，同施用稻草相比，发酵猪粪处理的甲烷排放较少。文章还对影响稻田甲烷排放的因素进行了讨论。     

四川单季稻区主栽水稻品种的生长模拟*4

利用四川单季稻区7个农业气象观测站5个主栽品种的田间观测数据,结合当地栽培管理措施、土壤条件及逐日气象资料对ORYZA2000模型进行参数调试,并确定四川单季稻区5个主栽品种的作物参数值;利用4～5a各主栽品种的观测数据对单季稻生育期、叶面积指数、生物量和产量等指标的模拟结果进行验证和评价。结果表明,合系39营养生长期发育速率最大,而生殖生长期发育速率最小,Ⅱ优838营养生长期发育速率最小,而D优63和汕优2生殖生长期发育速率最大;模型对5个单季稻主栽品种的生育期模拟效果较好,各品种开花期与成熟期的相对模拟误差均在1～2d,归一化均方根误差（NRMSE）均小于1%;各品种产量的NRMSE在5.26%～10.01%,叶面积指数的NRMSE为10.37%～19.19%,地上部总生物量、茎生物量、绿叶生物量及穗生物量的 NRMSE 分别为13.17%～18.69%、14.31%～20.41%、18.95%～24.74%和20.85%～25.39%。由此可见,ORYZA2000模型能够较为准确地模拟四川单季稻区5个主栽品种的发育及产量形成过程,适应能力较强,可以应用于四川单季稻生产。     

四川单季稻区主栽水稻品种的生长模拟

利用四川单季稻区7个农业气象观测站5个主栽品种的田间观测数据,结合当地栽培管理措施、土壤条件及逐日气象资料对ORYZA2000模型进行参数调试,并确定四川单季稻区5个主栽品种的作物参数值;利用4～5a各主栽品种的观测数据对单季稻生育期、叶面积指数、生物量和产量等指标的模拟结果进行验证和评价。结果表明,合系39营养生长期发育速率最大,而生殖生长期发育速率最小,Ⅱ优838营养生长期发育速率最小,而D优63和汕优2生殖生长期发育速率最大;模型对5个单季稻主栽品种的生育期模拟效果较好,各品种开花期与成熟期的相对模拟误差均在1～2d,归一化均方根误差（NRMSE）均小于1%;各品种产量的NRMSE在5.26%～10.01%,叶面积指数的NRMSE为10.37%～19.19%,地上部总生物量、茎生物量、绿叶生物量及穗生物量的NRMSE分别为13.17%～18.69%、14.31%～20.41%、18.95%～24.74%和20.85%～25.39%。由此可见,ORYZA2000模型能够较为准确地模拟四川单季稻区5个主栽品种的发育及产量形成过程,适应能力较强,可以应用于四川单季稻生产。     

稻田CH4和N2O排放对大气CO2浓度升高响应的研究进展

大气CO₂浓度升高是全球气候变化的主要驱动力,可直接或间接影响陆地生态系统碳氮循环。阐明稻田生态系统CH₄和N₂O排放对大气CO₂浓度升高的响应及其机制,是农业生产应对全球气候变化的重要组成部分。本文综述了国内外不同大气CO₂浓度升高模拟技术平台条件下稻田CH₄和N₂O排放的响应规律,进一步讨论分析了大气CO₂浓度升高影响CH₄和N₂O排放的相关机制,并展望了今后稻田CH₄和N₂O排放对大气CO₂浓度升高响应的主要研究方向,以期为应对全球气候变化提供理论依据和技术支撑。     

自由大气CO2浓度升高对稻田CH_4排放的影响研究

采用FACE田间试验,对高CO2浓度影响稻田CH4排放规律进行了观测分析,并利用δ13C技术初步分析了土壤CH4的排放来源。结果显示,植株和土壤的CH4排放速率在高CO2浓度处理大于对照18%以上,其增加幅度为土壤大于植物,CH4排放速率可能受田间水分条件影响较大。与对照比较,高CO2浓度条件下植物和土壤部分CH4累积排放总量增加,且变化幅度随生长期而降低,前期（54d）常规氮处理（NN）高于低氮处理（LN）,后期LN高于NN;但是行间裸土CH4累积排放总量在前期（54d）增加和之后降低的幅度均为NN高于LN。土壤排放CH4δ13C值从移栽到第102d,高CO2浓度处理LN和NN水平下土壤对照（CK）仅分别升高9.0%和8.3%,种水稻则降低8.8%和8.1%;但是在对照CO2浓度条件下土壤对照降低17.2%和112.5%（P=0.047）,种水稻降低40.3%和105.9%（P=0.023）,表明高CO2浓度下有更多C4来源的碳释放,对照CO2浓度条件下有更多C3来源的碳释放。水稻不同生长期与土壤对照比较,种水稻土壤排放CH4δ13C值降低的幅度总和在高CO2浓度条件LN和NN水平下分别为114.8%和72.7%,对照CO2浓度条件下分别为41.9%和72.8%,表明在种有植物的情况下更多当季的碳分解释放,LN水平下高CO2浓度促进来源于当季碳的CH4排放,NN水平下没有发现CO2浓度的影响,可能与作物生物量和它的间接产物（根系分泌物）的影响有关。     

福建省不同气候年型下水稻种植制度合理布局规划与对策

运用运筹学原理，将农业气象产量预测的数学方法与线性规划相结合，客观地规划不同气候年型下１９９６年和２０００年福建省水稻种植制度布局和可能达到的总产目标。在此基础上提出建议，可供农业生产领导作为最佳决策的依据。     

铜镉污染土壤上CO2升高对水稻光合特性的影响

采用盆栽试验,在开顶式气室(Open Top Chamber,OTC)中种植水稻,研究了南北方10个水稻品种(5种籼稻、5种粳稻)在CO2浓度升高下不同污染土壤上不同生育期的光合特性影响.研究结果表明:高CO2浓度和正常CO2浓度条件下,大部分的水稻品种最大光合速率在分蘖期,在成熟期最小;CO2浓度升高使水稻在不同生育期光合速率都增加,且在不同污染土壤上的水稻品种光合速率变化一致,5种粳稻光合速率增加幅度均在抽穗期最大,其增加幅度在高污染土壤和低污染土壤上分别为:64.14％～ 143.19％、73.58％ ～132.3％,5种籼稻光合速率增加幅度均在成熟期最大,其增加幅度在高污染土壤和低污染土壤上分别为:104.33％ ～ 256.00％、100.99％～254.81％.CO2浓度的升高对光合速率、胞间CO2浓度的影响表现出趋势一致性变化,且都达到了显著水平,气孔导度与蒸腾速率在CO2浓度升高的情况下在各个生育期的变化趋势不一致,且都没有达到显著水平.