基于DNDC模型的稻田氮素流失及温室气体排放研究

发布时间：2020-08-28 15:43

　　过量施肥是目前我国水稻种植业中普遍存在的问题,由于过高的施肥水平和较低的氮素利用率,施肥投入的氮仅有小部分能被作物吸收利用,而大部分将通过不同的途径流失到周边环境中,进而引起一系列的环境污染问题。例如,氮素的地表径流流失是造成地表水体富营养化的主要原因;氮素的渗漏流失则会引起地下水的硝酸盐污染,严重威胁人类饮水安全;而氮素的气态损失如N_2O的排放等则是全球气候变暖的主要贡献者。随着世界人口的持续增长和对粮食需求的进一步增高,这些环境问题将有可能进一步恶化,因此,解决水稻生产过程中的环境问题迫在眉睫。目前,有关稻田氮素流失和温室气体排放的传统研究以大田实验和土柱实验等手段为主,虽然研究结果可靠,但这些野外观测实验需要消耗大量的时间,同时也需要花费大量的人力、物力和财力,投入巨大。本文以传统的野外观测实验为基础,研究了不同施肥方式下稻田系统的氮素流失和温室气体排放特征,同时结合生物地球化学模型——DNDC模型的使用,进行了一系列的情景模拟试验,对稻田系统中的最佳施肥方式进行探索,在保证水稻最大产量的前提下尽可能的减少水稻生产过程对周边环境的污染输出,这对于我国的粮食安全和环境保护均具有十分重要的意义。主要研究结果如下:1.采用测坑定位实验对施肥条件下稻田系统的氮素流失特征进行监测,研究不同施肥方式对稻田氮素流失的影响,同时测坑实验所获得的野外观测数据将用于DNDC模型的校准和验证。结果表明,施用尿素的稻田产生的氮素流失负荷最高,为18.79 kg N/hm~2;施用有机肥能够显著降低稻田氮素流失,与施用尿素的CT处理相比,施用有机肥的MT和OT处理能够分别减少21.86%和30.41%的稻田氮素流失负荷;施肥和降雨是影响稻田氮素流失的主要因素,稻田地表径流排水量(Y)和降雨量(X)之间的关系可用经验公式Y=0.91X-12.78来表示;与渗漏流失相比,地表径流是稻田氮素流失的主要方式;三种施肥处理的稻田其氮流失系数(流失量在总施氮量中所占的比例)为3.12%~5.02%,其中,地表径流流失占2.61%~3.94%,而渗漏流失仅占0.50%~1.08%。2.在测坑定位实验过程中,采用静态箱采集-气相色谱测定的方法同时研究了三种施肥方式下稻田温室气体的排放特征。结果表明,施肥会显著增加稻田系统呼吸作用的CO_2排放,但三种不同施肥方式之间差异不显著,稻田CO_2的排放主要与土壤的通气条件有关;整个水稻生长季,施用尿素的CT处理所产生的N_2O平均排放通量最高,为1.81kg/hm~2,而施用有机肥的OT处理所产生的CH_4平均排放通量最高,为283.02 kg/hm~2,即稻田施用有机肥能够显著降低N_2O的排放通量,但同时也会显著增加CH_4的排放通量;对于稻田CH_4和N_2O排放的综合增温潜能(GWP)则是施用有机肥的OT处理最高,为7.24×10~3 kg CO_2/hm~2;稻田CH_4和N_2O的排放均与施肥和田间水分管理密切相关,其中,CH_4的排放通常出现在水稻淹水期,而N_2O的排放则往往出现在施肥后或田间水分管理发生变化时。3.利用测坑定位实验所获得的野外观测数据对DNDC模型进行校准和验证,探索DNDC模型模拟稻田氮素流失的可行性。在模型运行前,根据水稻田的结构特点和水分管理特征对DNDC模型中相关的参数进行修正,主要包括以下5个参数:(1)稻田田埂高度,(2)渗漏水下渗速率,(3)肥料氮在田面水中的溶解,(4)施肥后氮在稻田土壤和田面水中的分配比,(5)灌溉水中的氮浓度。运行修正后的模型对不同施肥方式下稻田系统的氮素流失进行模拟,并将模拟结果和野外观测结果进行对比,从而验证DNDC模型的可行性。验证结果表明:修正后的DNDC模型不仅准确的模拟了不同施肥方式下稻田的氮素流失负荷,同时也较好的再现了稻田氮素流失的动态过程,相关性分析也表明模型的模拟结果与野外观测结果之间高度相关;参数修正后,DNDC模型仍然保持了对水稻产量和稻田温室气体排放模拟的良好表现;此外,模型的模拟结果也与野外观测规律一致,均表明施用有机肥能够显著降低稻田氮素流失,但同时也会增加以CH_4为主的稻田温室气体的排放。4.运行验证后的DNDC模型对稻田的氮素流失和温室气体排放进行情景分析、区域模拟和敏感性分析,以此探索适用于稻田的最佳施肥方式。情景分析结果表明若稻田单独施用尿素,则最佳施肥量为250 kg N/hm~2;若稻田长期坚持施用有机肥,则最佳施肥量为300 kg N/hm~2;与单独施用尿素或有机肥相比,二者的混合施用是更加有效和环保的施肥方式,最佳配施比例为150 kg N/hm~2尿素加100 kg N/hm~2有机肥,有机无机配施不仅能够维持最佳水稻产量,同时也能显著降低稻田氮素流失;区域模拟的结果表明上海地区的水稻种植业对周边的环境产生了巨大的压力,以2013年为例,稻田产生的氮流失总量高达1142.48 t,N_2O排放量高达160.75 t,CH_4排放量则高达3.10万t,若稻田能够采用有机无机配施的最佳施肥方式,虽然会在一定程度上增加稻田温室气体的排放,但却能够减少458.36 t的氮素流失负荷;敏感性分析则表明施肥、降雨和土壤性质是影响稻田氮素流失和温室气体排放的主要因素,但影响不同碳氮去向的最敏感性因素不同,稻田最佳施肥方式的选择应当综合考虑对水稻产量、稻田氮素流失以及温室气体排放的影响,以此寻求水稻生产和生态环境之间的平衡。
【学位单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2016
【中图分类】：S153.6;S511
【部分图文】：

水稻种植面积,种植面积,世界

研究背景水稻（Oryza sativa）是世界上最主要的粮食作物之一，全球有超过三分之一的米作为主食[1]。水稻主要种植在亚洲，亚洲的水稻产量约占世界总产量的 90是世界上水稻种植的大国，拥有悠久的水稻种植历史，至少可追溯至 7000 年前，水稻也是我国种植面积最大的粮食作物，约占我国粮食总种植面积的 23%[4粮农组织的统计数据显示[5]，我国水稻的种植面积由上世纪 60 年代的 2700 万到了现在的 3000 万公顷左右，约占世界水稻总种植面积的 18%，如图 1-1 所去的 50 多年中，我国水稻的产量也处于上升趋势，2013 年的产量约占世界总30%，如图 1-2 所示。不难看出我国水稻的单产处于世界领先水平，用仅占世界稻种植面积生产出了占世界 30%的稻米产量。

水稻产量,稻田

图 1-2 1961~2013 年中国和世界水稻产量Fig. 1-2 Rice production quantities for China and World from 1961 to 2013近 50 年来，世界水稻的总产量也处于持续增产状态，而这主要归功于工业革学肥料的出现和使用。相关资料表明，化肥的使用对世界粮食增产的贡献率~60%，对我国粮食增产的贡献也在 40%左右[6, 7]，我国水稻的高产也与较高的分不开。调查研究表明，我国单季稻的氮肥施用量平均约为 180 kg N/hm2，比水平高 75%[8]。在我国某些地区，稻田氮肥的施用量却远高于该水平，如江苏区稻田的施氮水平约为 300 kg N/hm2[9, 10]；而在太湖流域某些高产稻田中，施高达 350 kg N/hm2[11]。据统计，21 世纪初我国施氮水平超过 250 kg N/hm2和 3m2的稻田就分别占全国水稻总种植面积的 30%和 13%[12]，如此高的施肥水平已出了相关研究人员所建议的稻田最佳施肥量[13, 14]。近 10 年来，我国氮肥的总不断升高，这也与我国稻田的高施肥水平分不开，目前我国已经成为了世界上肥消费国，氮肥总使用量已经超过了世界总使用量的 30%，仅 2010 年的使用

氮肥,农田,世界,稻田

图 1-3 2002~2010 年中国和世界氮肥使用量Fig. 1-3 Consumption of nitrogen fertilizer for China and World from 2002 to 2010值得注意的是，虽然我国的氮肥使用量较高，居于世界首位，但我国农田的氮却较低，仅为 30%左右，远远低于发达国家的平均水平[15]。而氮肥的高施用用率就意味着施肥投入的氮只有很小一部分能被作物吸收利用，而绝大部分的不同的途径流失到周边环境中，进而引起一系列的环境污染问题[16, 17]。如氮素失不仅会引起地表水体的富营养化，同时也是造成地下水硝酸盐污染的主要原影响人类的饮水安全[18, 19]；而氮素的气态损失会对大气环境造成污染，如稻田 N2O 等的排放是导致全球气候变暖的主要原因之一[20]，而稻田氨挥发（NH3起酸雨等环境问题[21]。由此可见，虽然稻田是人类生存和发展的重要食物来源化学肥料的使用，稻田也对周边的环境产生了巨大的压力。近年来，稻田氮素起的环境污染问题已经成为了国内外研究者关注的热点。我国水稻田普遍采用传统的“淹灌+中期烤田”的水分管理方式，水稻种植过

【参考文献】