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基于APSIM模型的农田温室气体排放对亏缺灌溉的响应

马晨光  
【摘要】:氧化亚氮(N_2O)是一种存在时间长,温室效应大的气体,其排放与农田中灌溉和施氮措施密切相关,高水高氮在保证产量的同时也会一定程度上促进农田土壤N_2O的排放,不利于农业的可持续发展,亟需优化农田管理措施,找到合理的减氮灌水模式。本研究以杨凌地区冬小麦-夏玉米为对象,以2016?2018年田间试验数据为基础,对APSIM(Agricultural Production Systems Simulator)模型进行校验,并通过校验后的APSIM模型分别进行了两种情景设计下的模拟。第一种情景设计以2017?2018年田间试验为基础进行20年的轮作模拟,气候数据采用2017?2018年气象数据的20年重复,设置6个水分处理CK(充分灌水)、T1(苗期和拔节期重度亏水)、T2(苗期重度亏水、拔节期中度亏水)、T3(苗期重度亏水、灌浆期中度亏水)、T4(苗期和拔节期中度亏水)、T5(苗期和灌浆期中度亏水),氮肥设置6个梯度N50(50 kg/hm~2)、N100(100 kg/hm~2)、N150(150 kg/hm~2)、N200(200 kg/hm~2)和N250(250 kg/hm~2)和N300(300 kg/hm~2);第二种情景设计通过频率法分析杨凌地区30年(1984?2013)降水数据,确定枯、平、丰典型水文年,并以此为基础进行20年轮作,气象数据为该典型年的20年重复,设定灌溉至100%W(作物需水量)为高水处理,80%W为中水处理,60%W为低水处理,若降雨满足作物需水量则不进行灌溉。氮肥设置4个梯度N100(100 kg/hm~2)、N150(150 kg/hm~2)、N200(200 kg/hm~2)和N250(250 kg/hm~2)。两种情景设计皆为气象数据的重复,研究农作措施对作物产量、水分利用效率和N_2O排放量的长期影响。主要得到了以下结论:(1)利用田间试验监测数据对APSIM模型的适用性进行了校验,调整参数后的APSIM模型可以较为准确的模拟作物产量(R~2≥0.84)、土壤水分(R~2≥0.76)和每季N_2O总排放(R~2≥0.84)。(2)在情景设计一条件下,模拟结果显示单季施氮量不超过200 kg/hm~2时,从长远角度看亏缺灌溉并不能显著降低土壤N_2O排放,但在施氮量高于200 kg/hm~2时,苗期重度亏水有利于N_2O减排。亏水处理下冬小麦-夏玉米轮作体系最佳施氮量为每季150 kg/hm~2,此时除T1处理外,各处理轮作总产量和水分利用效率皆达到峰值。在施氮量为每季150 kg/hm~2时,在苗期和拔节期中度亏水的T4处理水分利用效率WUE为2.37kg/m~3显著高于其他处理,总产量略低于充分灌水CK处理,而N_2O排放强度与T1处理外的其它处理并无显著性差异,所以本研究认为在施氮量为每季150 kg/hm~2时T4处理最佳。(3)在情景设计二条件下,枯水年、平水年和丰水年中亏缺灌溉可以一定程度上降低N_2O排放,但在施氮量低于200 kg/hm~2时差异并不显著;此外亏缺灌溉可以提高作物水分利用效率,但也会一定程度上降低产量。枯水年水氮协同效果明显,施氮量为每季150 kg/hm~2时,低水处理最佳,此时低水处理水分利用效率显著高于中水和高水处理,与其他水分处理间产量和N_2O排放也无显著性差异。当施氮量为每季200 kg/hm~2时,中水处理更有利,此时中水处理与低水水处理水分利用效率并无显著性差异,但中水处理产量显著高于低水处理,与高水处理间无显著性差异。在平水年低水和中水处理明显优于高水处理。在施氮量为每季200 kg/hm~2时,低水处理最佳;此时低水处理轮作总产量与中水和高水轮作总产量并无显著性差异,但N_2O排放量显著低于中水和高水处理;水分利用效率显著高于高水处理。在施氮量为每季250 kg/hm~2时,中水处理最佳;此时中水处理轮作总产量显著高于低水,与高水处理无显著性差异;水分利用效率显著高于高水处理;N_2O排放强度与低水无显著性差异。在丰水年,低水处理最为适宜,此时夏玉米季降水充足,土壤储水充足,为冬小麦的生长发育提供了水分支持,而施氮量则以每季施氮量为200 kg/hm~2时较好,此时轮作总产量与施氮量为250 kg/hm~2时并无显著性差异,但N_2O排放量和排放强度显著低于250 kg/hm~2施氮量时。综合考虑冬小麦-夏玉米轮作的经济和环境效应,本研究认为每季施氮量在150?250 kg/hm~2为宜,水分处理则以低水和中水为佳,生育期内亏水应以苗期亏水为主。


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