应用DNDC模型模拟关中地区农田长期施肥条件下土壤碳含量及作物产量

为探讨长期不同施肥条件下土壤有机碳和作物产量的变化规律及DNDC模型在关中地区的适用性,利用在陕西杨凌设置的长期定位施肥试验数据,选取不施肥(CK)、单施氮磷钾无机肥(NPK)、无机肥配施秸秆(SNPK)、无机肥配施低量有机肥(M1NPK)及无机肥配施高量有机肥(M2NPK)5个处理,分析了20年来土壤有机碳(SOC)含量、碳循环以及农作物产量的变化趋势等基本特征。分析数据表明:CK使得土壤肥力持续下降,显著地降低了SOC含量和作物产量;NPK处理虽可促进作物产量,但对表层土壤肥力的增加不明显,与CK处理无显著差异;而SNPK、M1NPK与M2NPK处理既增加了作物产量,同时也显著提高了土壤肥力,且以M2NPK的增产增肥效果最佳。在此基础上,利用实测数据标定和验证了DNDC模型,通过均方根误差(RMSE),标准化的均方根误差(N-RMSE)以及符合度指数(d)对模型适用性分析,模型预测精度较好,可用于预测该地区作物产量和土壤有机碳动态。从模型输出20年来土壤碳含量的变化看,施肥能提高作物地上部、地下部生物量以及土壤异氧呼吸作用,即同时提高了外源碳携入量和内源碳消耗量,但各施肥处理均在碳储量上表现为盈余状态。因此,在关中地区,为提高土壤肥力、碳储量以及作物产量,可推广无机肥配施有机肥的措施。     

DNDC模型对北京旱地农田N_2O排放的模拟对比分析

通过DNDC(Version 77)模型和田间原位观测,对北京地区大豆农田的N2O排放特征进行了模拟与对比分析。结果表明,DNDC模型能较好地模拟田间实测到的大豆生长期内N2O排放通量、气温和土壤地表温度的变化和N2O排放对每日降水的响应。但模型还存在一些问题：对于干旱期和非农业活动期农田的N2O排放反应灵敏度不够,模型低估了干旱期和非农业活动期农田的N2O排放通量。总的来说,在以生长期为时间尺度的计算上,模拟和实测值总量相差不大,在将来北京地区旱地农田N2O排放量估算上有很强的应用价值。为了进一步确定影响大豆生长期内N2O排放的主要因子,本文还进行了敏感性实验分析。结果表明,在一定范围内,在其他条件不变的情况下,N2O-N排放模拟值对土壤初始表面有机碳含量的变化较为敏感,随着土壤初始表面有机碳含量的增加,N2O-N排放模拟值也随着线性增加;另外,N2O-N排放模拟值对降雨中N素的含量变化也较为敏感,随着降雨中N素的含量的升高,N2O-N排放模拟值也随着非线性增加。     

高产粮区农业生态系统土壤碳氮循环的模拟研究--以河北省曲周县为例

以高产粮区河北省曲周县为例,运用生物地球化学循环模型-DNDC模型,在实测田间试验数据进行模型验证的基础上,对该地区农业生态系统土壤碳氮平衡进行了模拟研究.结果表明1998年曲周县47 821 hm2农业耕地土壤的总有机碳储量为C 742.94×106 kg,平均每公顷耕地土壤有机碳(SOC)储量为C 15 536.05 kg.1998年耕地土壤有机碳为正平衡,1990年为负平衡,2年SOC显著差异的主要原因在于秸秆还田比例的多少.1998年曲周县农业土壤氮库表现为盈余.土壤有机碳的长期模拟动态表明与当前管理相比,增加有机肥和秸秆还田比例、采用免耕均可有效的增加土壤有机碳的积累.     

华北平原不同轮作模式固碳减排模拟研究

为探索解决长期冬小麦-夏玉米(麦-玉)单一轮作两熟模式导致农田温室气体排放加剧的问题,基于Denitrification-Decomposition(DNDC)模型分析当前气侯环境下华北地区不同轮作模式对土壤耕层有机碳储量及温室气体排放的影响。结果表明:2003—2014年各轮作模式碳汇速率整体表现为麦-玉麦-豆麦-玉-春玉米麦-玉-大豆春-玉米连作;长期模拟发现,一年两熟制两年三熟制一年一熟制轮作模式,麦玉轮作模式碳汇速率最高,有利于有机碳的长期积累,春玉米连作有机碳储量短期内有所增加,长期则表现出负增长趋势。全球增温潜势(GWP)研究发现,各轮作模式增温潜势整体表现为麦-玉麦-玉-春玉米麦-豆麦-玉-大豆春-玉米连作;从长远角度看,各模式增温潜势短期内都呈增加趋势,15年后维持稳定,稳定后麦玉模式排放量最大,而春玉米连作模式排放最低,禾豆轮作相比禾本科轮作具有很好的固碳减排效应。因此,在华北地区农田管理方面,可考虑推行禾豆轮作模式,最终达到提高土壤有机碳库和减少温室气体排放的目标。     

未来气候条件下秸秆还田和氮肥种类对夏玉米产量及土壤氨挥发的影响

【目的】秸秆还田配施氮肥可以提高作物生产力,但在气候变化条件下,不同管理措施对夏玉米农田氮素利用存在很大的不确定性。明确在未来气候条件下秸秆还田与氮肥种类对夏玉米产量和土壤氨挥发的影响,以应对气候变化。【方法】利用DNDC模型预测未来不同情景下,秸秆还田和不同氮肥种类对关中地区夏玉米产量和土壤氨挥发的影响。通过田间土壤温度、水分、产量和土壤氨挥发累积量试验数据的验证,DNDC模型可以很好地模拟未来气候条件下不同处理的作物产量和土壤氨挥发累积量。【结果】模拟和实测结果均表明,在当前气候条件下秸秆还田会提高作物产量并促进土壤氨挥发,稳定性氮肥与普通尿素相比对产量无显著影响但会显著减少土壤氨挥发累积量。敏感性分析表明,作物产量与土壤氨挥发累积量均对施氮量最敏感。在RCP4.5排放情景下,单施稳定性氮肥（NF1）和单施尿素（NF2）分别在2050s—2090s和2070s—2090s产量显著降低,秸秆配施稳定性氮肥（SF1）和秸秆配施尿素（SF2）均在2050s—2090s产量显著升高;在RCP8.5排放情景下,单施稳定性氮肥（NF1）在2070s—2090s产量显著降低,单施尿素（NF2）产...     

肥水管理方式对蔬菜田N2O释放影响的模拟研究

通过田间静态箱临测和DNDC模型模拟的方法,对比研究了崇明岛东滩蔬菜田在常规肥水管理和精确滴灌施肥方式下N2O的排放情况,从排放特征、全年通量、单位氮肥N2O损失率以及单位作物产量排放量等方面分析了不同肥水管理方式对旱田土壤N2O排放的影响.结果表明,基于土壤和作物养分平衡管理的精确滴灌施肥技术,由于减少了氮肥施用量并改进了肥水分配方式,提高了肥料的利用效率,在保持农作物产量的基础上减少了N2O的排放.与常规肥水管理方式相比,滴灌施肥区2006年和2007年的N2O排放通量分别减少6.2和6.8 kg N.hm-2·a-1,单位氮肥N2O损失率明显降低,2006年和2007年单位产量排放量分别削减53.2%和58.9%.     

不同施肥和秸秆还田措施对稻麦轮作系统碳氮流失的影响

过量施肥和秸秆的处理问题一直是制约我国农业生态可持续发展的阻碍,并因此产生了诸多环境问题。采用DNDC模型对减量化施肥和秸秆还田措施下稻麦轮作系统中碳氮的迁移转化过程进行模拟,从而筛选适用于上海地区稻麦轮作系统中的最佳农田管理措施。结果表明:减量化施肥与秸秆还田均能显著影响稻麦轮作系统的氮素流失、温室气体排放和土壤碳储量变化。75%CK+SR处理即减量25%施肥量同时采用秸秆还田是适用于上海地区稻麦轮作系统中的最佳农田管理措施,能够在获得最佳水稻产量的同时有效减少41.67%的氮素流失量和51.85%的N_2O排放量。虽然秸秆还田会增加稻麦轮作系统的CH_4排放量,但同时也能显著增加土壤的碳储量。减量化施肥50%的处理(50%CK和50%CK+SR)则会导致水稻减产3.06%~9.90%。与目前上海地区传统的田间管理措施CK相比,75%CK+SR能够有效改善稻麦轮作系统的生态环境效益。研究结果为我国稻麦轮作系统碳氮流失的控制提供了参考。     

应用DNDC模型分析东北黑土有机碳演变规律及其与作物产量之间的协同关系

【目的】探索长期不同施肥方式下土壤有机碳的动态变化及其与作物产量之间的耦合关系,以期为东北地区黑土耕地资源的持续利用与管理提供科学依据。 【方法】基于黑土区国家土壤肥力与肥料效益监测网站公主岭监测基地的23年长期定位试验数据,选取不施肥（CK）、单施氮磷钾肥（NPK）、无机肥配施低量有机肥（NPKM1）、1.5倍的无机肥配施低量有机肥[1.5（NPK）M1]、无机肥配施高量有机肥（NPKM2）和无机肥配施秸秆（NPKS）6个处理进行土壤有机碳和产量的分析,将数据用于DNDC模型验证,并对6种施肥处理在未来气候下（40 a）黑土有机碳的演变进行模拟。 【结果】试验监测结果表明:从1990~2012年的土壤有机碳数据分析得出,长期不施肥土壤有机碳从12.49 g/kg以年均0.69%的速率下降,有机无机配施可以提升土壤有机碳含量。DNDC验证结果如下:DNDC验证土壤有机碳时各处理的相对均方根误差（RMSE）为14.98%~37.91%,验证作物产量时各处理的RMSE为8.28%~11.19%,说明模型能够基本反映长期不同施肥下的作物产量和土壤有机碳的变化。未来气候下的模拟结果表明:CK和NPK处理土壤有机碳在未来40年里分别下降16.67%和11.21%。而3个化肥有机肥配施处理在未来40年呈稳定增长态势,NPKM1、1.5（NPK）M1和NPKM2处理的土壤有机碳将分别增加13.65%、15.74%和15.84%,以1.5（NPK）M1增势最为显著。NPKS处理的有机碳相对初始略有增加。当施氮量从160 kg/hm2增至320 kg/hm2时,土壤有机碳每增加1.00 g/kg,作物产量的增加量从44.48 kg/hm2下降至15.95 kg/hm2。 【结论】从长期实测数据的分析和DNDC模型模拟得出,实施秸秆还田和有机肥配施无机肥能有效持续增加SOC含量,并能获得较高的作物产量。在施氮量160~320 kg/hm2水平下,作物产量随着土壤有机碳含量的增加而升高,且土壤有机碳含量对产量的提升幅度随着施氮量的升高而降低。     

基于DNDC模型的东北地区春玉米农田固碳减排措施研究

春玉米是我国东北地区主要粮食作物,但由于连年耕作和氮肥的高投入,春玉米农田也可能成为重要的温室气体排放源。因此,通过优化田间管理措施在保证作物产量的同时实现固碳减排,对于春玉米种植系统的可持续发展具有重要意义。过程模型（Denitrification Decomposition, DNDC）是评估固碳减排措施的有效工具,本研究在对DNDC模型进行验证的基础上,应用模型研究不同施氮和秸秆还田措施对东北地区春玉米农田固碳和氧化亚氮（N2O）排放的长期综合影响。模型验证结果表明,DNDC模拟的不同处理下土壤呼吸季节总量、 N2O排放季节总量和春玉米产量与田间观测结果较一致;同时模型也能较好地模拟不同处理下土壤呼吸和N2O排放季节变化动态。这表明DNDC模型能较理想地模拟不同施氮和秸秆还田措施对春玉米农田土壤呼吸、 N2O排放和作物产量的影响。利用模型综合分析不同管理情景对产量和土壤固碳减排的长期影响,结果表明: 1）与当地农民习惯施肥相比,优化施氮措施不会明显影响作物产量,能减少N2O排放,且对土壤固碳影响很小,因而能降低温室气体净排放,但净排放降低幅度有限（8%~13%）; 2）在优化施氮措施的同时秸秆还田能在保障供试农田春玉米产量的同时大幅度减少春玉米种植系统温室气体净排放,甚至可能将供试农田由温室气体排放源转变为温室气体吸收汇。本研究结果可为优化管理措施实现春玉米种植系统固碳减排提供科学依据。     

Modelling soil and root respiration in a cotton field using the DNDC model

The DNDC model was able to simulate the temporal variation in soil respiration, although it underestimated the cumulative CO₂ emission by 15%. A good correlation was found between predicted and measured root respiration. However, this model is limited in its ability to simulate heterotrophic respiration which was underestimated by 59%. The sensitivity tests showed that temperature, precipitation, soil organic C content, fertilization, and irrigation had a positive effect on soil respiration.