呼伦贝尔地区苜蓿人工草地CO_2通量变化特征

试验采用密闭箱技术对呼伦贝尔地区种植的苜蓿人工草地进行碳通量研究,采用反硝化-分解作用模型(DNDC)进行模拟。试验结果表明:对苜蓿人工草地CO2通量24h连续观测发现,CO2通量全天变化的平均值(238.15mg/(m2·h)与11∶00(245.32mg/(m2·h)的通量变化值接近,试验从早上9∶00~11∶00进行温室气体的采集方法合理、可行;在整个生长季变化表明,7、8月CO2通量变化较显著(P0.05),且受到降水的影响较大,伴随降水的发生,CO2通量会发生不同幅度的变化,土壤温度和含水量对CO2通量有一定的影响(r0.45,P0.05);通过DNDC模型的模拟,能较好的反映苜蓿人工草地CO2通量的变化情况,但模拟结果数值普遍有些偏高。     

设施菜地土壤氮素运移及淋溶损失模拟评价

设施菜地因大水大肥管理方式导致的氮素淋失已成为当前关注焦点。探寻氮素淋失阻控技术需要首先探明土壤中NO_3~--N的运移和淋失过程,找到淋失阻控的关键点,从而实现蔬菜栽培高产量低环境成本。本研究以京郊设施菜地黄瓜-番茄轮作系统为研究对象,通过田间试验获取土壤温度、湿度、NO_3~--N含量等数据,对反硝化-分解(DNDC)模型进行参数校验,并以农民常规种植模式为基线情景,设置改变土壤基础性质、灌溉量、施氮量等不同情景,运用DNDC模型对设施菜地系统土壤氮素运移及淋溶损失进行定量评价。结果表明:经验证后的DNDC模型能够较好地模拟蔬菜产量、5 cm土壤温度和0～20 cm土壤孔隙含水率变化以及NO_3~--N的迁移过程,是模拟和评价氮素运移和损失的有效工具。模拟不同情景表明,设施菜地0～60 cm土壤NO_3~--N累积主要受灌溉水量和氮肥施入量的影响,此外土壤pH和土壤有机碳的变化也是影响NO_3~--N运移的重要因子。节水节肥是设施菜地氮素淋失减量的最有效方法,相比常规措施,同时减少20%灌溉量和20%施氮量可明显降低59.04%的NO_3~--N淋失量。同时,在节水节肥的基础上改变灌溉方式并提高20%土壤有机碳含量,在保证蔬菜产量的前提下,能够进一步降低69.04%的NO_3~--N淋失量。可见, DNDC模型为设施菜地NO_3~--N淋失评价和阻控提供了一个较好的解决方案。在当前重点关注减氮节水等管理措施的同时,提高土壤本身的质量,不失为一种更有效的减少设施菜地氮素淋失的途径。     

紫色土坡耕地氮素淋失通量的实测与模拟

氮淋失是氮素循环研究中最重要的环节之一,获得准确的氮淋失通量是当今农田氮循环研究中必不可少而又较为困难的工作之一。紫色土土层薄,土壤氮素难以蓄存,加之降水丰富,下伏透水性较弱的母岩,淋溶水达到母岩后难以垂直下渗而沿土壤岩石界面出流、汇流形成壤中流,紫色土氮素淋失主要表现为氮素随壤中流迁移流失。DNDC模型是基于过程的一种土壤碳氮循环模型,常用于农田温室气体排放模拟,但其应用于氮素淋溶的验证与测试不足。本文利用大型坡地排水采集器(lysimeter),测定紫色土坡耕地淋溶水量(壤中流流量)和氮素淋失通量,并利用观测数据对DNDC模型进行验证。结果表明,紫色土坡耕地小麦玉米季累积淋溶水通量为323.6 mm,径流系数33.3%,氮素淋失量为36.93 kg.hm 2,占全年氮素施用量的13.2%。壤中流流量与氮素淋失量实测值和模拟值的Pearson相关系数分别为0.944(P<0.05)和0.972(P<0.05),Theil不等系数分别为0.07和0.1,降雨量、土壤孔隙率和施氮水平是氮流失模拟的高敏感性参数。DNDC模型应用于紫色土坡耕地氮素淋失通量的模拟具有较高的可靠性,同时DNDC基于过程模型的优势可以描述持续降雨条件下的氮淋失过程,未来可通过进一步的验证,测试DNDC模型应用于氮淋失过程及区域氮淋失评估的可行性。     

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。     

未来30年川东平行岭谷区县域农田SOC动态模拟

以位于川东平行岭谷的典型县——垫江县为研究对象,探讨在特定气候模式下未来30 a研究区农田土壤有机碳(SOC)及其动态变化,为研究区未来耕地可持续利用与管理提供数据支持和科学依据。利用生物地球化学模型DNDC,选取IPCC AR4报告中的BCCR_BCM 2.0的B1模式,在基于研究区土壤性质和农业管理制度等建立的GIS区域数据库的支持下,模拟研究区2011—2041年SOC动态变化。结果表明:1)DNDC模型能够较好地模拟特定气候条件下SOC及其动态变化,模拟值和观测值的相关系数r为0.981,达到0.01水平下的极显著相关关系;模拟值和观测值的RMSE值为16%,模拟结果较好。2)未来30 a研究区农田0~20 cm土层SOC密度和储量均呈显著增加态势,单位面积碳增量2 637.07~8 091.55 kg(C)·hm~(-2),增幅为10%~34%,新增固碳量2.7×10~5~8.3×10~5 t,年均增速87.9~269.7 kg(C)·hm~(-2)·a~(-1)。3)未来30 a川东平行区县域农田土壤总体呈持续碳增汇状态,研究区固碳、丢碳以及相对平衡三者间的差异将逐渐凸显。     

气候与种植结构变化对温室气体排放及灌溉需水的影响

针对气候变化和种植结构调整对黄淮海地区农业生产作用不明晰的问题,基于反硝化分解模型(Denitrification-decomposition, DNDC),采用情景分析法评估了气候与种植结构变化对黄淮海地区农业温室气体(CO₂、CH₄和N₂O)排放和灌溉需水量的影响。结果表明：从1995年到2015年,研究区气候向暖湿化方向发展,其中年均最高温度无显著变化,年均最低温度上升0.7℃,年降水量增长46.5 mm; 1995年研究区玉米、小麦和水稻种植面积分别约为7.9×10⁶、1.4×10⁷、2.9×10⁶ hm²;2015年3种作物种植面积均增大,而水稻、小麦种植比例减小。气候变化影响下,黄淮海地区农业温室气体排放增加,灌溉需水量小幅减小。与1995年相比,2015年CO₂、CH₄、N₂O排放强度分别增长至3 730.5、443.2、5.9 kg/hm²     

黄淮海平原地区夏玉米农田土壤呼吸的动态研究

本文通过对黄淮海平原地区玉米生长季土壤呼吸的测定表明:该地区土壤呼吸日变化呈现单峰曲线;土壤呼吸季节变化大体呈现随温度变化的趋势,最大值出现在8月10日左右;土壤呼吸受5cm地温的影响最大,达到极显著水平。施有机肥对土壤呼吸影响较大,氮磷配施也增加了土壤呼吸量,免耕比耕翻有较少的土壤呼吸量。运用DNDC模型模拟土壤呼吸变化趋势和土壤呼吸变化通量均与田间实测的比较接近,可以用来模拟分析黄淮海平原地区农业土壤碳氮的循环。     

应用DNDC模型分析施肥与翻耕方式对土壤有机碳含量的长期影响

利用中国农业大学曲周实验站的氮磷化肥配施长期定位试验和翻免耕长期定位试验数据验证DNDC(脱氮—分解 )模型 ,说明其模型模拟值与实测值之间吻合程度较好 ,证明DNDC模型可以用来模拟当地土壤有机碳(SOC)含量的动态变化。对 2个试验长期 (10 0a)的模拟结果表明 :对于氮磷化肥配施试验 ,对照、单施氮肥和单施磷肥的处理SOC含量呈现下降趋势 ,氮肥与磷肥配合施用的处理土壤有机碳含量均呈上升的趋势 ,每年施用氮肥(纯N) 2 70kg·hm-2 配合施用磷肥 (P2 O5) 135kg·hm-2 的处理SOC含量与初始值相比增加了 31%。对于翻免耕试验 ,免耕并施用 112 5kg·hm-2 氮肥 (纯N)再配合每年秸秆还田 4 5 0 0kg·hm-2 的处理比初始值增加了 6 2 % ,翻耕并施用 187 5kg·hm-2 氮肥、15 0kg·hm-2 磷肥再配合每年秸秆还田 4 5 0 0kg·hm-2 的处理SOC含量比初始值增加了 5 6 %。从DNDC模型模拟得出 ,实行秸秆还田或增加作物生物产量还田及免耕等耕作措施将有效持续的增加SOC含量 ,提高土壤的可持续利用能力。     

Carbon sequestration potential of recommended management practices for paddy soils of China, 1980-2050

China's rice paddies, accounting for 19% of the world's total, play an important role in soil carbon (C) sequestration. In order to reduce uncertainties from upscaling spatial processes of the DeNitrification-DeComposition (DNDC) model for improving the understanding of C sequestration under recommended management practices (RMPs), we parameterized the DNDC model with a 1:1,000,000 polygonal soil database to estimate how RMPs influence potential C sequestration of the top 30 cm of Chinese paddy soils and to identify which management practices have the greatest potential to increase soil organic carbon (SOC) in these soils. These practices include reduced/no tillage, increasing crop residue return, and increasing manure applications. A baseline and eleven RMP scenarios were projected from 2009 to 2080, including traditional and conservation tillage, increasing crop residue return, increasing manure incorporation, and the combination of these practices. The results indicated that C sequestration potential under modeled RMPs increased compared to the baseline scenario, and varied greatly from 29.2 to 847.7 Tg C towards the end of the study period with an average rate of 0.7 to 20.2 Tg C yr^− 1. In general, increasing crop residue return was associated with higher rates of C sequestration when compared to increasing manure application or practicing conservation tillage. The simulations demonstrated that the most effective soil C sequestration strategy probably involves the implementation of a combination of RMPs, and that they vary by location.