基于DNDC模型的崇明島農(nóng)田土壤有機(jī)碳變化模擬和預(yù)測(cè)

張翰林,呂衛(wèi)光,施 儉,李雙喜,張娟琴,黃仁影,左 狄,鄭憲清?

(1上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究所,上海201403;2崇明區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心,上海202150;3安順學(xué)院農(nóng)學(xué)院,貴州561000)

據(jù)估計(jì),全球農(nóng)田的碳儲(chǔ)量高達(dá)170 Pg,占全球陸地碳儲(chǔ)量的10%以上[1],農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)同時(shí)還具有巨大的固碳潛力,不同尺度的碳儲(chǔ)存和固碳潛力可以作為評(píng)價(jià)一個(gè)區(qū)域的農(nóng)業(yè)與環(huán)境質(zhì)量的間接指標(biāo)[2-3]。近年來(lái),大區(qū)域農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)越來(lái)越受到人們關(guān)注,研究與開(kāi)發(fā)農(nóng)田增加碳匯的有效措施也成為研究熱點(diǎn)[4-5]。崇明島地處長(zhǎng)江入?？?是世界最大河口沖積島,也是我國(guó)的第三大島,研究其碳儲(chǔ)存及有機(jī)碳庫(kù)的變化趨勢(shì)特征具有重要的意義。

農(nóng)田碳循環(huán)的過(guò)程受到氣象條件、農(nóng)業(yè)管理措施、土壤肥力以及耕作方式等多重影響,采用模型模擬相比常規(guī)觀測(cè)試驗(yàn)可綜合考慮各項(xiàng)因素,簡(jiǎn)化試驗(yàn)過(guò)程,為區(qū)域情況摸底和技術(shù)推廣提供可靠的方法和依據(jù)[6]。DNDC(DeNitrification-DeComposition)模型是目前國(guó)際上最成功的陸地生態(tài)系統(tǒng)生物地球化學(xué)循環(huán)模型之一,在世界各地不同生態(tài)系統(tǒng)中都得到了驗(yàn)證與應(yīng)用。Tang等[7]利用DNDC模擬出我國(guó)糧田土壤碳儲(chǔ)量大約為3 968 Tg C,估計(jì)我國(guó)每年糧田生態(tài)系統(tǒng)凈排放118 Tg C;在我國(guó)、美國(guó)的稻田,DNDC所模擬的碳儲(chǔ)存量和溫室氣體排放量與實(shí)測(cè)結(jié)果均高度一致[8-9]。李長(zhǎng)生[10]則利用DNDC完成了對(duì)中國(guó)農(nóng)田近20年土壤有機(jī)碳變化量的估算。

本研究以崇明島14個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的3種農(nóng)田類(lèi)型(糧田、菜田和果園)為研究對(duì)象,以2003年數(shù)據(jù)為背景值,利用崇明島2009年和2013年土壤普查數(shù)據(jù)對(duì)參數(shù)的適宜性進(jìn)行了驗(yàn)證與校準(zhǔn),完成DNDC模型的崇明本地化,同時(shí)針對(duì)崇明島現(xiàn)有有機(jī)肥施用和秸稈還田技術(shù)進(jìn)行未來(lái)20年農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量變化預(yù)測(cè),為DNDC模型進(jìn)一步應(yīng)用于崇明島農(nóng)用土壤有機(jī)碳含量演變研究提供參考,為提升崇明島農(nóng)田土壤碳儲(chǔ)存提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 崇明島區(qū)域概況

崇明島位于東經(jīng) 121°09′30″—121°54′00″,北緯 31°27′00″—31°51′15″。 全島東西長(zhǎng)約 76 km,南北寬13—18 km不等,總面積約1 411 km2。崇明地處北亞熱帶,具有顯著的季風(fēng)氣候特征。四季分明,氣候溫和,日照充足,雨水充沛,年平均氣溫15.3℃,降水量1 003.7 mm,日照時(shí)數(shù)2 104 h,日照百分率47%,全年無(wú)霜期229 d。四面環(huán)水,境內(nèi)河道縱橫,全島地勢(shì)低平,90%以上的土地標(biāo)高(以吳淞標(biāo)高0 m為參照)在3.21—4.20 m。地下水位偏高,平均為85.7 cm。

1.2 樣點(diǎn)設(shè)置

從2003年、2009年、2013年3次崇明土壤普查數(shù)據(jù)庫(kù)中選取14個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),包含了崇明14個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)(每個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)1個(gè)樣點(diǎn)),糧田(6個(gè)樣點(diǎn))、菜田(6個(gè)樣點(diǎn))和果園(2個(gè)樣點(diǎn))3種農(nóng)田類(lèi)型,根據(jù)不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)的主要農(nóng)作物面積進(jìn)行種植類(lèi)型的選取,收集樣點(diǎn)的GIS點(diǎn)位、施肥時(shí)間與方式、施肥種類(lèi)與數(shù)量、灌溉方式、秸稈還田數(shù)量等信息。具體監(jiān)測(cè)點(diǎn)位信息見(jiàn)表1。

表1 各鄉(xiāng)鎮(zhèn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位信息Table 1 Monitoring points information of townships

1.3 土壤測(cè)定方法

土壤總有機(jī)碳測(cè)定采用重鉻酸鉀氧化-分光光度法,pH采用電位法測(cè)定(水土比2.5∶1),土壤容重及含水量采用環(huán)刀法測(cè)定[11]。

1.4 模型屬性參數(shù)設(shè)置

設(shè)置DNDC模型中與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)密切相關(guān)的參數(shù)模塊[12-13],包括點(diǎn)位數(shù)據(jù)模塊,土壤普查時(shí)采用GPS確定點(diǎn)位坐標(biāo);土壤初始數(shù)據(jù)模塊,數(shù)據(jù)來(lái)源于2003年崇明土壤普查數(shù)據(jù),包括有機(jī)碳含量、土壤容重、pH等指標(biāo);氣象數(shù)據(jù)模塊,數(shù)據(jù)來(lái)源于崇明氣象局逐日氣象數(shù)據(jù),包括日最高最低氣溫和日降水量等;施肥數(shù)據(jù)模塊,包括一年中各季作物的施肥時(shí)間、方式、化肥類(lèi)型以及施肥量等,在土壤普查時(shí)收集獲得;灌溉數(shù)據(jù)模塊,包括灌溉方式、時(shí)間、次數(shù)、深度等,同樣在土壤普查時(shí)收集獲得。

1.5 模型驗(yàn)證

盡管DNDC模型在中國(guó)乃至世界多處已經(jīng)有了成功應(yīng)用的范例,但還沒(méi)有針對(duì)崇明島土壤有機(jī)碳的模擬,因此要對(duì)其模擬值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行精度驗(yàn)證,以確定DNDC模型在本地區(qū)的適應(yīng)性。

模擬的精度通過(guò)每個(gè)模擬值與實(shí)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)r、均差M和均方根誤差RMSE(Root-mea-square error)來(lái)表示與驗(yàn)證,公式如下[14]:

式中,OBSi為實(shí)測(cè)值,SMi為模擬值為實(shí)測(cè)平均值,n為樣本容量。

系統(tǒng)軟件功能主要包括:智能拐杖終端軟件和手機(jī)端監(jiān)測(cè)軟件。其中,在智能拐杖終端軟件中,UM220模塊獲取時(shí)間、空間信息以及移動(dòng)速度,體溫傳感器獲取老人體溫,心率傳感器獲取老人心率,移動(dòng)狀態(tài)判斷模塊判斷老人移動(dòng)狀態(tài),LCD1602顯示數(shù)據(jù),GSM無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。手機(jī)端監(jiān)測(cè)軟件“北斗手杖”接收終端發(fā)送的信息。該系統(tǒng)的智能拐杖終端軟件流程如圖7所示。

RMSEn＜10%,表明模擬值與實(shí)測(cè)值一致性非常好;介于10%—20%之間,說(shuō)明模擬效果較好;若介于20%—30%之間表明模擬效果一般;RMSEn＞30%表明模擬效果差,模擬值與實(shí)測(cè)值偏差大。

1.6 數(shù)據(jù)處理

本研究中試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2007和SPSS 17.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,用Excel 2007作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)位土壤有機(jī)碳含量變化趨勢(shì)

崇明島14個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的2003年、2009年和2013年的土壤有機(jī)碳含量變化情況見(jiàn)圖1。從2003年到2013年14個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤有機(jī)碳含量均有一定程度提升,但增加速率差異較大,增長(zhǎng)幅度范圍在7.20%—120.39%。其中增長(zhǎng)幅度在50%以上有6個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn),均為采用了秸稈還田或者是施用有機(jī)肥技術(shù)的鄉(xiāng)鎮(zhèn),可見(jiàn)秸稈還田和施用有機(jī)肥可有效的增加土壤有機(jī)碳。港沿鎮(zhèn)和中興鎮(zhèn)試驗(yàn)點(diǎn)增長(zhǎng)幅度均低于10%,施肥種類(lèi)為復(fù)合肥與BB肥,可知僅施用化肥、無(wú)其他有機(jī)添加物很難促進(jìn)土壤有機(jī)碳的增長(zhǎng)。

圖1 崇明14個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位土壤有機(jī)碳含量變化趨勢(shì)Fig.1 Variations of soil organic carbon in 14 monitoring points of Chongming

2.2 DNDC模型模擬及驗(yàn)證

不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤有機(jī)碳的模型模擬檢驗(yàn)結(jié)果如圖2和圖3所示。DNDC模擬土壤有機(jī)碳的變化趨勢(shì)與實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)趨勢(shì)相關(guān)性較好,相關(guān)系數(shù)均達(dá)到了0.95以上,2009年和2013年監(jiān)測(cè)與模擬數(shù)據(jù)的RMSE值均小于10%(表2)。這說(shuō)明DNDC模擬值與實(shí)測(cè)值一致性較好,利用DNDC模型模擬崇明島不同農(nóng)田類(lèi)型的土壤有機(jī)碳變化趨勢(shì)是可行的。

圖2 2013年崇明14個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位土壤有機(jī)碳實(shí)測(cè)值(2013O)和模擬值(2013S)Fig.2 Observed values(2013O)and simulated values(2013S)of soil organic carbon of 14 monitoring points in Chongming in 2013

圖3 2009年崇明14個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位土壤有機(jī)碳實(shí)測(cè)值(2009O)和模擬值(2009S)Fig.3 Observed values(2009O)and simulated values(2009S)of soil organic carbon of 14 monitoring points in Chongming in 2009

表2 不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)位土壤有機(jī)碳含量模擬驗(yàn)證結(jié)果Table 2 Verification of soil organic carbon content simulation of different monitoring points

2.3 土壤有機(jī)碳未來(lái)變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)

本研究選取糧田、菜田和果園面積最大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)(糧田:三星鎮(zhèn),菜田:中興鎮(zhèn),果園:綠華鎮(zhèn))監(jiān)測(cè)點(diǎn)為例,對(duì)不同農(nóng)業(yè)措施(秸稈還田和有機(jī)肥施用)下不同農(nóng)田類(lèi)型土壤有機(jī)碳含量未來(lái)20年的變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。選擇2004—2013年的氣象條件作為前10年的模擬條件,后10年重復(fù)該氣象數(shù)據(jù)。保持原有施肥總量不變,調(diào)節(jié)秸稈還田量和有機(jī)肥施用量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

由于秸稈還田主要應(yīng)用于糧田系統(tǒng),因此主要選取糧田監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行秸稈還田數(shù)量對(duì)于土壤有機(jī)碳含量的影響預(yù)測(cè)。根據(jù)目前實(shí)際還田情況,施肥采用復(fù)合肥,保持施肥純氮量不變的條件下,設(shè)置5個(gè)秸稈還田量(t∕hm2):0、3、6、9、12。 由圖4可知,在沒(méi)有秸稈還田的情況下,表層土壤(0—20 cm)有機(jī)碳有緩步降低的趨勢(shì),增長(zhǎng)率為-2.63%,當(dāng)還田量為3、6、9、12時(shí),有機(jī)碳增長(zhǎng)率分別達(dá)到2.61%、6.49%、10.97%和15.29%,說(shuō)明秸稈還田可以長(zhǎng)期提高崇明地區(qū)糧田土壤有機(jī)碳含量,且提高數(shù)量與還田量正相關(guān)。

選取糧田、菜田和果園監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行有機(jī)肥施用量對(duì)于土壤有機(jī)碳含量的影響預(yù)測(cè)。根據(jù)目前糧田實(shí)際施肥情況,施肥采用復(fù)合肥與有機(jī)肥,保持各處理施肥純氮量一致,設(shè)置5個(gè)有機(jī)肥施用量(t∕hm2):0、3、6、9、12。由圖5可知,在僅施用化肥的情況下,表層土壤(0—20 cm)有機(jī)碳呈現(xiàn)降低的趨勢(shì),增長(zhǎng)率為-2.63%,當(dāng)有機(jī)肥施用量為3、6、9、12時(shí),有機(jī)碳增長(zhǎng)率分別達(dá)到3.40%、10.97%、17.31%和24.84%。有機(jī)肥施用可以長(zhǎng)期提高崇明地區(qū)糧田土壤有機(jī)碳含量,且提高數(shù)量與有機(jī)肥施用量正相關(guān)。

圖4 不同秸稈還田數(shù)量對(duì)糧田土壤有機(jī)碳含量影響的模擬Fig.4 Simulation of effect of straw manuring quantity on soil organic carbon in grain field

圖5 不同有機(jī)肥施用量對(duì)糧田土壤有機(jī)碳含量影響的模擬Fig.5 Simulation of effect of organic fertilizer rate on soil organic carbon in grain field

根據(jù)目前果園實(shí)際施肥情況,施肥采用復(fù)合肥與有機(jī)肥,保持各處理施肥純氮量一致,設(shè)置4個(gè)有機(jī)肥施用量(t∕hm2):0、7.5、15.0、22.5。 由圖7可知,在僅施用化肥的情況下,表層土壤(0—20 cm)有機(jī)碳呈現(xiàn)降低的趨勢(shì),增長(zhǎng)率為-6.30%,當(dāng)有機(jī)肥施用量為7.5、15.0、22.5時(shí),有機(jī)碳增長(zhǎng)率分別達(dá)到19.12%、39.57%和59.86%。有機(jī)肥施用可以長(zhǎng)期提高崇明果園土壤有機(jī)碳含量,提高數(shù)量與有機(jī)肥施用量正相關(guān)。

圖6 不同有機(jī)肥施用量對(duì)菜田土壤有機(jī)碳含量影響的模擬Fig.6 Simulation of effect of organic fertilizer rate on soil organic carbon in vegetable field

圖7 不同有機(jī)肥施用量對(duì)果園土壤有機(jī)碳含量影響的模擬Fig.7 Simulation of effect of organic fertilizer rate on soil organic carbon in orchard

3 討論

應(yīng)用DNDC模型進(jìn)行大區(qū)域土壤有機(jī)碳模擬與預(yù)測(cè)早有先例,解憲麗等[15]以江西省余江縣為例,利用DNDC模型模擬研究了典型紅壤丘陵區(qū)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量及其變化,模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本相符;韓東亮等[16]利用DNDC模型較準(zhǔn)確地模擬了不同施肥方式對(duì)土壤有機(jī)碳的影響,對(duì)新疆干旱綠洲農(nóng)田土壤有機(jī)碳演變趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。因此,采用DNDC模型對(duì)區(qū)域農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量變化進(jìn)行模擬與預(yù)測(cè)是可行的。

前人利用DNDC模型在崇明島也已開(kāi)展了一些研究。黃麗華等[17]在崇明東灘園區(qū)開(kāi)展了肥水管理對(duì)田間N2O排放的影響研究,結(jié)果表明DNDC模型能較好地模擬該地區(qū)N2O的排放情況。侯玉蘭[18]利用靜態(tài)箱-GC法在崇明島監(jiān)測(cè)了農(nóng)田CO2、CH4和N2O的日排放通量,并以此驗(yàn)證了DNDC模型,DNDC模型在溫室氣體排放方面的模擬已經(jīng)在崇明地區(qū)得到了廣泛的驗(yàn)證。本研究利用DNDC在模擬崇明農(nóng)田土壤有機(jī)碳方面進(jìn)行了驗(yàn)證,結(jié)果顯示該模型模擬數(shù)值的RMSE值小于10%,能夠用于崇明島不同種植類(lèi)型農(nóng)田土壤有機(jī)碳的模擬研究。

本研究在經(jīng)過(guò)驗(yàn)證后,應(yīng)用DNDC模型對(duì)崇明現(xiàn)有農(nóng)田管理措施中的秸稈還田和有機(jī)肥施用措施進(jìn)行模擬與預(yù)測(cè)。秸稈還田是提高資源利用率、節(jié)本增效、提高耕地基礎(chǔ)地力和發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)不可替代的有效途徑,在糧食作物生產(chǎn)中具有重要地位。前人研究發(fā)現(xiàn)[19-20],糧田秸稈還田對(duì)改善土壤的理化性狀有明顯效果,能顯著增加土壤有機(jī)質(zhì)積累,提高土壤養(yǎng)分,增強(qiáng)土壤蓄水能力和田間水的利用效率,顯著提高糧食作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。本研究無(wú)論是實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)還是模擬數(shù)據(jù)都證實(shí)了秸稈還田對(duì)土壤有機(jī)碳提升的作用,目前崇明島正在積極推廣糧田秸稈還田技術(shù),還田量大多在3—12 t∕hm2,根據(jù)模擬數(shù)據(jù)可知,現(xiàn)行秸稈還田方式可以顯著提升土壤碳儲(chǔ)存量,應(yīng)繼續(xù)保持并擴(kuò)大推廣面積。

施用有機(jī)肥是另一種有效的生態(tài)農(nóng)業(yè)技術(shù),前人研究表明[21-22]單施有機(jī)肥或有機(jī)肥配施化肥為土壤微生物提供碳源,加速土壤生物活動(dòng),因而能夠明顯提高土壤有機(jī)碳氮貯量及輕組有機(jī)質(zhì)碳氮含量及其比例,效果顯著優(yōu)于化肥單施。本研究的實(shí)測(cè)和模擬結(jié)果也驗(yàn)證了這一點(diǎn),針對(duì)目前糧田、菜田和果園中有機(jī)肥的應(yīng)用情況進(jìn)行了模擬,結(jié)果顯示在糧田中應(yīng)該加大有機(jī)肥施用量,少量使用對(duì)于有機(jī)碳積累并不明顯;菜田施用有機(jī)肥后有機(jī)碳提升明顯,但高于11.25 t∕hm2后提升效果有所降低;果園土壤有機(jī)碳對(duì)于有機(jī)肥的施用反應(yīng)顯著,提高數(shù)量與有機(jī)肥施用量成正比。

4 結(jié)論

(1)2003—2013年崇明14個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤有機(jī)碳含量增長(zhǎng)幅度范圍在7.20%—120.39%,增加速率差異較大。

(2)應(yīng)用2003—2013年的土壤有機(jī)碳實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)DNDC模型進(jìn)行本地化模擬與驗(yàn)證,結(jié)果顯示模擬值與實(shí)測(cè)值的RMSE值均小于10%,該模型能夠較好地模擬崇明島不同種植類(lèi)型農(nóng)田土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化。

(3)對(duì)秸稈還田和有機(jī)肥施用下不同種植類(lèi)型土壤有機(jī)碳含量進(jìn)行模擬,結(jié)果顯示崇明農(nóng)田碳儲(chǔ)量依然有很大的提高潛力,崇明現(xiàn)行的秸稈還田與施用有機(jī)肥技術(shù)均可顯著提升土壤有機(jī)碳含量,應(yīng)繼續(xù)保持并擴(kuò)大推廣面積。

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