長期施用有機(jī)肥情景下華北平原旱地土壤固碳及N2O排放的空間格局

王樹會1，陶雯，梁碩1，張旭博，孫楠1，徐明崗1

長期施用有機(jī)肥情景下華北平原旱地土壤固碳及N2O排放的空間格局

王樹會1，2，陶雯3，梁碩1，2，張旭博3*，孫楠1*，徐明崗1

1中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部耕地質(zhì)量監(jiān)測與評價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2Gembloux Agro-Bio Tech，University of Liege，Passage des deportes 2，Gembloux 5030，Belgium；3中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所/生態(tài)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101

【目的】研究施用有機(jī)肥對農(nóng)田土壤固碳及溫室氣體排放的綜合影響，為減緩全球氣候變暖提供理論指導(dǎo)?！痉椒ā炕陂L期定位試驗(yàn)點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)，利用驗(yàn)證后的機(jī)理過程模型——SPACSYS，結(jié)合區(qū)域數(shù)據(jù)庫及ArcGIS，模擬2010—2050年華北平原旱地3種施肥情景（等氮量）即單施化肥情景（NPK）、50%化肥配施50%有機(jī)肥情景（NPKM(5﹕5)）和30%化肥配施70%有機(jī)肥情景（NPKM(3﹕7)）下，土壤年均固碳速率（SOCSR）、土壤N2O年均排放量和年均凈全球增溫潛勢（NGWP）的空間格局?！窘Y(jié)果】華北平原旱地SOCSR表現(xiàn)為東部較高、西部較低，較高的地區(qū)主要包括江蘇省和山東省。相關(guān)分析結(jié)果表明，SOCSR與初始土壤有機(jī)碳含量呈顯著負(fù)相關(guān)，逐步線性回歸分析進(jìn)一步表明，初始土壤有機(jī)碳含量、年均溫和土壤pH是影響SOCSR的3個(gè)重要因子，共解釋其變異的24%。土壤N2O年均排放量表現(xiàn)為中部較高、北部和南部較低，較高的地區(qū)主要包括山東省部分地區(qū)和江蘇省。相關(guān)分析結(jié)果表明，土壤N2O年均排放量與初始土壤有機(jī)碳含量呈顯著正相關(guān)?？傮w來看，與NPK情景相比，NPKM(5﹕5)和NPKM(3﹕7)兩種情景均增加華北平原旱地SOCSR、降低土壤N2O年均排放量，其中SOCSR（233和236 kg C·hm-2·a-1）分別增加了79%和82%，土壤N2O年均排放量（15.8和14.4 kg N·hm-2·a-1）分別降低了21%和28%，NGWP（6.6和5.9 t CO2-eq·hm-2·a-1）分別降低了26%和34%?！窘Y(jié)論】長期來看，相比傳統(tǒng)的單施化肥模式，化肥配施有機(jī)肥有利于華北平原旱地土壤固碳、土壤N2O減排和減緩溫室效應(yīng)。

華北平原；有機(jī)肥；土壤固碳速率；N2O排放；模型

0 引言

【研究意義】IPCC第五次評估報(bào)告指出，未來全球氣候?qū)⒗^續(xù)變暖，預(yù)計(jì)到21世紀(jì)末，全球地表平均溫度將增加0.3—4.8℃[1]。大氣中的二氧化碳（CO2）、氧化亞氮（N2O）和甲烷（CH4）等溫室氣體濃度的不斷上升是引起全球氣候變暖的直接原因[1]，緩解氣候變暖需要大幅度降低全球的溫室氣體排放[2]。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是重要的溫室氣體排放源，其溫室氣體排放量約占全球溫室氣體排放總量的14%[1]。華北平原作為我國主要的糧食產(chǎn)區(qū)，是典型的冬小麥-夏玉米輪作高水肥集約化管理農(nóng)田，其高氮素投入導(dǎo)致農(nóng)田土壤排放大量N2O[3-6]。增加陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量對減緩氣候變暖具有重要作用[7]。施用有機(jī)肥可通過外源有機(jī)碳的輸入直接增加土壤固碳、提高土壤肥力[8-9]。因此，優(yōu)化華北平原的施肥模式對于增加農(nóng)田土壤固碳、減少土壤N2O排放及減緩全球氣候變暖具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】目前大量研究表明，適量施用有機(jī)肥能有效增加土壤固碳或減少土壤溫室氣體排放[10-12]，如GUO等[13]研究表明，降低化肥氮投入量并結(jié)合秋季施用有機(jī)肥會降低東北玉米田的土壤N2O排放，且在等施氮量條件下，單位產(chǎn)量的土壤N2O排放量隨有機(jī)肥施用量的增加而降低，但該研究未考慮施用有機(jī)肥后土壤的固碳作用。而有機(jī)肥的施用往往會增加農(nóng)田土壤固碳，因此，只關(guān)注土壤N2O排放并不能反應(yīng)有機(jī)肥施用對減緩溫室效應(yīng)的整體貢獻(xiàn)。LIU等[14]在山東省冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)的研究表明，當(dāng)有機(jī)肥完全替代化肥時(shí)，土壤固碳大大增加，使得農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)由碳源（2.7 t CO2-eq·hm-2·a-1）轉(zhuǎn)變?yōu)樘紖R（-8.8 t CO2-eq·hm-2·a-1）。然而關(guān)于長期有機(jī)肥與化肥不同配施比例對農(nóng)田土壤固碳及溫室氣體減排的綜合影響并不明確。目前針對農(nóng)田土壤溫室氣體排放的研究多集中于點(diǎn)位尺度，對區(qū)域尺度溫室氣體排放的研究較少[6]。而由于區(qū)域內(nèi)氣候、土壤條件及農(nóng)業(yè)活動(dòng)的差異，溫室氣體的排放往往呈現(xiàn)一定的空間差異性[15]。因此，明確區(qū)域有機(jī)肥配施化肥條件下土壤固碳及溫室氣體排放特征及其差異性對于制定合理的溫室氣體減排措施具有重要意義?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前，關(guān)于有機(jī)肥施用對農(nóng)田土壤溫室氣體排放的影響多集中于點(diǎn)位尺度，且未考慮長期有機(jī)肥與化肥不同配施比例對土壤固碳及溫室氣體減排的綜合影響。華北平原作為我國主要的糧食產(chǎn)區(qū)，明確該地區(qū)長期有機(jī)肥配施化肥條件下土壤固碳及溫室氣體排放的空間格局對溫室氣體減排具有重要意義。【擬解決的關(guān)鍵問題】本研究基于長期定位試驗(yàn)點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)，依托區(qū)域數(shù)據(jù)庫，通過機(jī)理過程模型——SPACSYS，探究與長期單施化肥情景相比，長期有機(jī)肥配施化肥情景下華北平原旱地土壤固碳及N2O排放的空間格局，旨為區(qū)域溫室氣體減排提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

華北平原位于亞熱帶和中溫帶過渡帶，由黃河、淮河、海河、灤河沖積而成，其地理坐標(biāo)為34°39′— 42°52′N，113°46′—112°7′E，包括北京市南部、天津市、河北省南部、山東省、河南省北部和東部、安徽省北部和江蘇省北部地區(qū)。華北平原屬暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，四季變化明顯，資源條件豐富，是我國主要的糧食產(chǎn)區(qū)。其地帶性土壤為棕壤或褐土，糧食作物主要為小麥和玉米，主要的種植方式為冬小麥-夏玉米一年兩熟制。圖1所示為華北平原旱地分布情況。

1.2 數(shù)據(jù)來源

氣象數(shù)據(jù)（最高溫度、最低溫度、降雨量、風(fēng)速、相對濕度、日照時(shí)數(shù)和輻射），來源于國家氣象局網(wǎng)站（http://data.cma.cn/site/index.html）。土壤數(shù)據(jù)（黏粒、粉粒、砂粒含量，土壤有機(jī)質(zhì)含量，土壤全氮含量和pH），來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)網(wǎng)站（http://www.resdc.cn/）。氮肥施用量數(shù)據(jù)，來源于農(nóng)業(yè)農(nóng)村部監(jiān)測點(diǎn)位的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。其他管理數(shù)據(jù)如作物品種、播種收獲時(shí)間、灌溉和耕作制度等統(tǒng)一設(shè)置為當(dāng)前傳統(tǒng)管理模式。旱地?cái)?shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)網(wǎng)站（http://www.resdc.cn/）。氣象數(shù)據(jù)利用1981—2010年30年的數(shù)據(jù)作為一個(gè)循環(huán)周期，循環(huán)至2050年。管理措施均與2010年保持一致，循環(huán)至2050年。2010年華北平原旱地施氮量見圖2，初始土壤有機(jī)碳密度見附圖1。

圖1 華北平原旱地分布及研究點(diǎn)位

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)了3種施肥情景，分別是長期單施化肥情景（NPK）、長期化肥配施低量有機(jī)肥情景（NPKM(5:5)）和長期化肥配施高量有機(jī)肥情景（NPKM(3:7)）。3種施肥均為等氮量投入。NPK代表單施氮磷鉀化肥，如果NPKM(5:5)和NPKM(3:7)代表化肥和有機(jī)肥投入的氮分別各占50%及30%和70%。氮肥50%作基肥、50%作追肥施用，有機(jī)肥作基肥一次施用，有機(jī)肥為牛糞肥，其可溶性有機(jī)碳含量為0.77%，全氮含量為1.96%[16]。華北平原旱地作物系統(tǒng)統(tǒng)一為冬小麥-夏玉米一年兩熟種植制度，作物統(tǒng)一為同一品種，主要的作物參數(shù)見附表1。冬小麥10月中旬播種，次年5月底收獲，夏玉米6月中旬播種，9月底收獲。冬小麥和夏玉米分別在3月初和7月底追肥1次。每年分別在6月和10月耕作1次，1月和7月灌溉1次。小麥玉米秸稈均不還田。圖1為2010年華北平原的旱地分布情況，其中100個(gè)點(diǎn)為模型模擬點(diǎn)位（利用ArcGIS將華北平原區(qū)劃圖疊加旱地?cái)?shù)據(jù)以30 km為距挑選得到）。SPACSYS模型的驗(yàn)證工作參考已發(fā)表文獻(xiàn)[17]，模型的土壤參數(shù)見附表1，模型的模擬精度見附表2。

圖2 2010年華北平原旱地施氮量

1.4 SPACSYS模型

SPACSYS（Soil Plant and Atmosphere Continuum SYStem）模型由英國洛桑研究所Wu 研究員開發(fā)，是一個(gè)多維度的、田間尺度的、由氣候驅(qū)動(dòng)的機(jī)理過程模型，可以模擬土壤-植物-微生物之間的碳氮循環(huán)過程。模型包括土壤碳氮模塊、水分運(yùn)移模塊和熱量傳輸模塊，各模塊間相互聯(lián)系調(diào)用。模型將土壤有機(jī)碳氮?jiǎng)澐譃?個(gè)部分，分別是新鮮有機(jī)質(zhì)庫、可溶解有機(jī)質(zhì)庫、腐殖質(zhì)庫和微生物庫。無機(jī)氮（銨態(tài)氮和硝態(tài)氮）和可溶解有機(jī)氮可隨水在土壤剖面移動(dòng)、隨水移動(dòng)到田間排水管或深層地下水或發(fā)生徑流損失。模型可以模擬植物的發(fā)育、光合、呼吸、光合產(chǎn)物的分配、根系生長及對養(yǎng)分和水分的吸收。模型將植物的地上部分與地下部分聯(lián)系起來，將土壤-植物-大氣中的碳氮循環(huán)、水分轉(zhuǎn)移及熱量傳輸作為一個(gè)連續(xù)體。有關(guān)模型參數(shù)的具體介紹可參考相關(guān)文獻(xiàn)[18-22]。SPACSYS模型已在英國、德國、意大利、荷蘭、以色列等多個(gè)國家進(jìn)行應(yīng)用[23]。目前，SPACSYS模型已在我國不同氣候區(qū)、不同土壤類型及不同種植模式下進(jìn)行了適應(yīng)性評價(jià)[24-28]。

1.5 模型評價(jià)

用于評價(jià)模型模擬效果的指標(biāo)包括決定系數(shù)（2），標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差（）和模型預(yù)測效率（），其中2表示模擬值與觀測值之間的相關(guān)程度，表示模擬值與觀測值之間的一致性，表示模擬值與觀測值之間的接近程度。

1.6 計(jì)算方法

土壤年均固碳速率（SOCSR，kg C·hm-2·a-1），由下式計(jì)算：

SOCSR=（SOCT- SOCi）/t （4）

式中，SOCT和SOCi分別為2050年和2010年的土壤有機(jī)碳密度（kg C·hm-2），t為40年。

不同的溫室氣體對全球氣候變暖的影響不同，綜合考慮不同溫室氣體的影響才能準(zhǔn)確評估某一區(qū)域?qū)厥倚?yīng)的貢獻(xiàn)。由于CH4主要是稻田土壤中產(chǎn)生的，對旱地土壤溫室氣體排放的貢獻(xiàn)相對較小[29]，因此本研究并未考慮CH4的影響。依據(jù)IPCC報(bào)告[1]的計(jì)算方法，以100年的時(shí)間尺度為計(jì)，將CO2作為參考?xì)怏w來估算溫室氣體排放對全球氣候變暖的影響。采用如下公式：

NGWP= N2O× 44/28×298 - SOCSR× 44/12 （5）

式中，NGWP為2010—2050年年均凈全球增溫潛勢（net global warming potential）（kg CO2-eq·hm-2·a-1），N2O為2010—2050年土壤N2O年均排放量（kg N·hm-2·a-1）。44/28和44/12為轉(zhuǎn)換系數(shù)，44/28為將N2O-N轉(zhuǎn)化為N2O當(dāng)量，44/12為將SOCSR轉(zhuǎn)換為CO2當(dāng)量。常數(shù)298為100年時(shí)間范圍內(nèi)N2O相對于CO2的輻射強(qiáng)迫常數(shù)。

1.7 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行土壤年均固碳速率與環(huán)境變量間的“Pearson”相關(guān)分析及逐步線性回歸分析。利用Origin 2021b進(jìn)行初始土壤有機(jī)碳含量與土壤年均固碳速率及土壤N2O年均排放量的相關(guān)分析。利用ArcGIS 10.5進(jìn)行施氮量、初始土壤有機(jī)碳密度、土壤年均固碳速率、土壤N2O年均排放量和年均凈全球增溫潛勢的空間格局分析（采用Kriging插值方法）。

2 結(jié)果

2.1 長期施肥情景下華北平原旱地土壤年均固碳速率（SOCSR）的空間格局（2010—2050年）

3種施肥情景長期施肥40年，華北平原旱地土壤年均固碳速率變化范圍為87—362 kg C·hm-2·a-1，表現(xiàn)出較明顯的地區(qū)差異，西部較低、東部較高，較高的地區(qū)主要包括江蘇省和山東?。▓D3）。與NPK相比，NPKM(5:5)和NPKM(3:7)均增加華北平原旱地土壤年均固碳速率，分別為233和236 kg C·hm-2·a-1，分別增加了79%和82%（圖3，表1）。

NPK、NPKM(5:5)和NPKM(3:7)分別代表單施化肥情景、50%化肥配施50%有機(jī)肥情景和30%化肥配施70%有機(jī)肥情景，3種施肥情景為等氮量投入。下同

表1 3種施肥情景下2010—2050年華北平原不同地區(qū)旱地土壤年均固碳速率（SOCSR）

2.2 長期施肥情景下華北平原旱地土壤N2O年均排放量的空間格局（2010—2050年）

3種施肥情景長期施肥40年，華北平原旱地土壤N2O年均排放量變化范圍為6—46 kg N·hm-2·a-1，表現(xiàn)出較明顯的地區(qū)差異，中部較高、北部和南部較低，較高的地區(qū)主要包括山東省部分地區(qū)和江蘇?。▓D4）。與NPK相比，NPKM(5:5)和NPKM(3:7)均降低華北平原旱地土壤N2O年均排放量，分別為15.8和14.4 kg N·hm-2·a-1，分別降低了21%和28%（圖4，表2）。

表2 3種施肥情景下2010—2050年華北平原不同地區(qū)旱地土壤N2O年均排放量

圖4 2010—2050年華北平原3種施肥情景下旱地土壤N2O年均排放量的空間格局

2.3 長期施肥情景下華北平原旱地年均凈全球增溫潛勢（NGWP）的空間格局（2010—2050年）

3種施肥情景長期施肥40年，華北平原旱地土壤均表現(xiàn)為溫室氣體排放源，變化范圍為2.2—21.2 t CO2-eq·hm-2·a-1。與土壤N2O排放類似，華北平原旱地年均凈全球增溫潛勢同樣表現(xiàn)出中部較高、北部和南部較低的特征，較高的地區(qū)主要為山東省部分地區(qū)（圖5）。與NPK相比，NPKM(5:5)和NPKM(3:7)均降低華北平原旱地年均凈全球增溫潛勢，分別為6.6和5.9 t CO2-eq·hm-2·a-1，分別降低了26%和34%（圖5，表3）。

2.4 長期施肥情景下華北平原旱地土壤年均固碳速率和土壤N2O年均排放量的影響因素

長期施肥情景下華北平原旱地土壤年均固碳速率與初始土壤有機(jī)碳含量呈顯著負(fù)相關(guān)（圖6-a，＜0.001，附表3）。逐步線性回歸分析結(jié)果進(jìn)一步表明，初始土壤有機(jī)碳含量、年均溫和土壤pH是影響土壤年均固碳速率的3個(gè)重要因子（表4），共解釋土壤年均固碳速率變異的24%（校正2=0.24）。其中初始土壤有機(jī)碳含量是影響土壤年均固碳速率的最重要因素，其次是年均溫和土壤pH。長期施肥下華北平原旱地土壤N2O年均排放量與初始土壤有機(jī)碳密度的空間格局呈高度相似性（附圖1）。相關(guān)分析結(jié)果表明，土壤N2O年均排放量與初始土壤有機(jī)碳含量呈顯著正相關(guān)（圖6-b，＜0.001）。

圖5 2010—2050年華北平原3種施肥情景下旱地年均凈全球增溫潛勢（NGWP）的空間格局

表3 3種施肥情景下2010—2050年華北平原不同地區(qū)旱地年均凈全球增溫潛勢（NGWP）

圖6 華北平原3種施肥情景下旱地土壤年均固碳速率、土壤N2O年均排放量與初始土壤有機(jī)碳含量的關(guān)系

表4 土壤年均固碳速率（SOCSR）與環(huán)境變量間的逐步線性回歸

3 討論

3.1 長期不同施肥情景下華北平原旱地土壤固碳速率

與長期單施化肥情景相比，長期化肥配施有機(jī)肥情景增加了華北平原旱地土壤年均固碳速率（圖3），這與現(xiàn)有研究結(jié)果一致[30-31]。有機(jī)肥的施用通過直接或間接增加外源有機(jī)碳的投入或影響土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性進(jìn)而影響土壤固碳速率[32-35]?；逝涫┯袡C(jī)肥一方面向土壤中投入了大量的有機(jī)質(zhì)，另一方面有機(jī)質(zhì)與化學(xué)肥料的共同作用使得有機(jī)質(zhì)更易固定在土壤中[36]?；逝涫└吡坑袡C(jī)肥可以顯著增加土壤活性有機(jī)碳含量，提高土壤碳庫管理指數(shù)[37]。趙金瑋[38]研究了不同比例化肥與有機(jī)肥配施條件下土壤活性有機(jī)碳含量的變化，得出N2M4處理比N3M3處理土壤活性有機(jī)碳含量提高了12.7%（N2M4代表施用1/3的化肥和2/3的有機(jī)肥，N3M3代表施用1/2的化肥和1/2的有機(jī)肥）。

本研究表明，長期單施化肥情景下華北平原旱地土壤年均固碳速率為（130±27）kg C·hm-2·a-1（表1）。前人對全國農(nóng)田土壤固碳速率的研究表明，相較于施用有機(jī)肥、秸稈還田及免耕等技術(shù)，單施化肥處理的土壤固碳速率最低，為129 kgC·hm-2·a-1，化肥配施有機(jī)肥對土壤的固碳作用最大，達(dá)到了889 kg C·hm-2·a-1 [39]。相關(guān)分析結(jié)果表明，華北平原旱地長期不同施肥情景下土壤年均固碳速率與初始土壤有機(jī)碳含量呈顯著負(fù)相關(guān)（圖6-a，附表3），這與現(xiàn)有研究結(jié)果一致[30,40]。低碳土壤的固碳潛力相對較大，因?yàn)橥寥谰嚯x飽和水平較遠(yuǎn)。STEWART等[41]研究表明外源碳添加導(dǎo)致的土壤固碳與土壤距離飽和水平（飽和虧損）顯著相關(guān)。MANN[42]研究表明土壤中存在一種初始碳效應(yīng)，即極低碳土壤在耕作后傾向于獲得少量碳，而高碳土壤在耕作期間碳儲量損失了20%以上。在一定范圍內(nèi)，溫度升高會加速土壤有機(jī)碳分解。土壤pH通過影響微生物活性來影響土壤有機(jī)碳含量，pH過高（＞8.5）或過低（＜5.5）均不適宜微生物的生長與繁殖，微生物活性受到抑制，進(jìn)而土壤有機(jī)碳的分解速率下降，易于土壤有機(jī)碳的積累[43]。

3.2 長期不同施肥情景下華北平原旱地土壤N2O排放

與長期單施化肥情景相比，長期化肥配施有機(jī)肥情景降低華北平原旱地土壤N2O年均排放（圖4），這與已有研究結(jié)果類似[12, 44-45]?；逝涫┯袡C(jī)肥降低土壤N2O排放，這可能是因?yàn)橛袡C(jī)肥的投入為土壤提供了大量的活性有機(jī)物質(zhì)，有機(jī)物質(zhì)的分解消耗了大量的氧氣，一方面會抑制土壤中有機(jī)氮的硝化與礦化作用，減少N2O排放；另一方面，隨著氧氣的消耗，反硝化過程中產(chǎn)生的N2O會代替氧氣作為反硝化過程中的電子受體進(jìn)一步被還原成N2，也會減少N2O排放[46]。在河南封丘小麥-玉米輪作系統(tǒng)為期3年的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，施用50%有機(jī)肥氮和50%化肥氮相比單施化肥氮減少了26%—51%的N2O排放[47]。然而，也有研究認(rèn)為化肥配施有機(jī)肥會增加土壤N2O排放[41]或?qū)ν寥繬2O排放影響不明顯[48]。這可能是由于試驗(yàn)條件（有機(jī)肥種類或施用方法）的不同造成的。有機(jī)肥的C/N比對土壤N2O排放有很大影響，有機(jī)肥C/N過大，將導(dǎo)致微生物從土壤環(huán)境中吸收無機(jī)氮用于自身的生長與繁殖，使土壤無機(jī)氮含量降低，土壤的硝化作用減弱[49]。

本研究表明，長期單施化肥情景下華北平原旱地土壤N2O年均排放量為（20.1±7.0）kg N·hm-2·a-1（表2），與以往對華北平原農(nóng)田土壤N2O排放量的研究結(jié)果較為接近（18.5 kg N·hm-2·a-1）[50]。華北平原各地區(qū)土壤N2O排放表現(xiàn)出很大的空間差異性，其高排放區(qū)集中于山東省部分地區(qū)和江蘇?。▓D4），與初始土壤有機(jī)碳密度的空間格局高度相似（附圖1），相關(guān)分析結(jié)果證實(shí)土壤N2O年均排放量與初始土壤有機(jī)碳含量呈顯著正相關(guān)（圖6-b，＜0.001）。這說明初始土壤有機(jī)碳含量高的土壤N2O排放量也高，這與已有研究結(jié)果一致[46,51]。首先土壤有機(jī)碳的分解提供了大量的土壤氮素，為硝化反硝化過程提供了大量底物[52]。其次，反硝化過程是消耗電子的異養(yǎng)呼吸過程，有機(jī)質(zhì)礦化為反硝化過程提供電子[53]。有機(jī)碳含量高的土壤，其易礦化的有機(jī)碳含量也高，因而釋放的電子也越多，從而越有利于反硝化過程的進(jìn)行[54-55]。另外，有機(jī)碳含量高的土壤由于其微生物活性較強(qiáng)，消耗了土壤中的O2，形成厭氧環(huán)境，進(jìn)而間接增強(qiáng)了微生物的反硝化作用，使N2O排放增多[56]。土壤N2O排放隨著氮肥施用量的增加而顯著增加[57]。當(dāng)前華北平原氮肥施用量普遍高于400 kg N·hm-2·a-1（圖2），有研究表明當(dāng)施氮量為136 kg N·hm-2·a-1時(shí)，華北平原土壤N2O排放強(qiáng)度降到最低[3]。因此，針對目前華北平原的N2O減排，應(yīng)首先降低氮肥施用量。前人研究表明，華北平原冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)氮肥施用量降低30%—60%可使氮素?fù)p失降低2倍[58]。

3.3 區(qū)域模擬結(jié)果的不確定性分析

利用機(jī)理過程模型模擬溫室氣體排放時(shí)，對模型進(jìn)行充分的驗(yàn)證是減小溫室氣體排放估算不確定性的有效方法[59]。SPACSYS模型已在點(diǎn)位尺度上進(jìn)行了大量的驗(yàn)證與應(yīng)用，本研究對華北平原旱地土壤固碳速率與土壤N2O排放量的模擬結(jié)果與前人相關(guān)研究結(jié)果比較接近，但本研究的模擬結(jié)果仍存在一定的誤差。首先，本研究在華北平原旱地均勻選取了100個(gè)模擬點(diǎn)位進(jìn)行批量模擬，即假設(shè)每一個(gè)模擬點(diǎn)位代表一定范圍內(nèi)的土壤性質(zhì)、施肥措施及其他農(nóng)田管理措施是一致的，而實(shí)際上土壤在空間上存在異質(zhì)性，各地區(qū)的農(nóng)田管理方式也存在一定的差異[60]。因此，基于此假設(shè)必然會造成一定的誤差，然而這種誤差目前是無法避免的，但可以通過縮小空間單元或者柵格的尺寸來減小[61]；其次，區(qū)域模擬基于區(qū)域數(shù)據(jù)庫的建立，區(qū)域數(shù)據(jù)庫的準(zhǔn)確性直接影響模型模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性[50]。建立高分辨率且精準(zhǔn)的區(qū)域數(shù)據(jù)庫是提高模型區(qū)域模擬精度的重要前提；另外，在對模擬結(jié)果進(jìn)行空間插值時(shí)，插值方法的選擇也會對模擬結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。根據(jù)前人對不同插值方法的大量研究，認(rèn)為Kriging插值方法通常為未測量位置的估計(jì)提供更好的結(jié)果[62-64]。BHUNIA等[65]比較了5種插值方法模擬印度不同土地利用方式下土壤有機(jī)碳儲量空間分布的差異，結(jié)果表明Kriging插值方法的模擬結(jié)果均方根誤差最小，模擬精度最高。因此本研究采用了Kriging插值方法。完善高分辨率且精準(zhǔn)的區(qū)域數(shù)據(jù)庫的建立，同時(shí)選擇合適的空間插值方法，將為區(qū)域溫室氣體排放的準(zhǔn)確估算提供更有力的基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

本研究基于長期定位試驗(yàn)點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)，利用驗(yàn)證后的機(jī)理過程模型——SPACSYS，然后結(jié)合區(qū)域數(shù)據(jù)庫及ArcGIS，模擬2010—2050年華北平原3種施肥情景下旱地土壤年均固碳速率、土壤N2O年均排放量及年均凈全球增溫潛勢的空間格局。結(jié)果表明：（1）3種施肥情景長期施肥40年，華北平原旱地土壤年均固碳速率表現(xiàn)為西部較低、東部較高，較高的地區(qū)主要包括江蘇省和山東省。土壤N2O年均排放量表現(xiàn)為中部較高、北部和南部較低，較高的地區(qū)主要包括山東省部分地區(qū)和江蘇省。（2）初始土壤有機(jī)碳含量、年均溫和土壤pH是影響土壤年均固碳速率的3個(gè)重要因子，共解釋其變異的24%。土壤N2O年均排放量與初始土壤有機(jī)碳含量呈顯著正相關(guān)。（3）與長期單施化肥情景相比，兩種長期化肥配施有機(jī)肥情景均增加華北平原旱地土壤年均固碳速率、降低土壤N2O年均排放量，其中土壤年均固碳速率分別增加了79%和82%，土壤N2O年均排放量分別降低了21%和28%，年均凈全球增溫潛勢分別降低了26%和34%。因此，長期來看，相比傳統(tǒng)的單施化肥模式，化肥配施有機(jī)肥有利于華北平原旱地土壤固碳、土壤N2O減排和減緩溫室效應(yīng)。

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The Spatial Characteristics of Soil Organic Carbon Sequestration and N2O Emission with Long-Term Manure Fertilization Scenarios from Dry Land in North China Plain

WANG ShuHui1,2, TAO Wen3, LIANG Shuo1,2, ZHANG XuBo3*, SUN Nan1*, XU MingGang1

1Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Arable Land Quality Monitoring and Evaluation, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100081;2Gembloux Agro-Bio Tech, University of Liege, Passage des deportes 2, Gembloux 5030, Belgium;3Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences/Key Laboratory of Ecosystem Network Observation and Modeling, Beijing 100101

【Objective】To provide theoretical guidance for mitigating global warming, the comprehensive effects of manure amendment on soil organic carbon sequestration and greenhouse gas emissions were studied.【Method】Based on the long-term experiment, the validated process-based model-SPACSYS, combined with regional database and ArcGIS, was used to clarify the spatial characteristics of average annual soil organic carbon sequestration rate (SOCSR), average annual soil N2O emission and average annual net global warming potential (NGWP) under three long-term fertilization scenarios (equal nitrogen fertilization), namely, chemical fertilizers only (NPK), 50% of chemical fertilizers combined with 50% of manure (NPKM(5:5)) and 30% of chemical fertilizers combined with 70% of manure (NPKM(3:7)), from dry land in the North China Plain from 2010 to 2050.【Result】The SOCSRfrom dry land in the North China Plain was higher in the east and lower in the west, and the higher regions mainly included Jiangsu Province and Shandong Province.Correlation analysis showed that there was a significant negative correlation between SOCSRand initial soil organic carbon content.Stepwise linear regression analysis further indicated that initial soil organic carbon content, mean annual temperature and soil pH were three important factors affecting SOCSR, which accounted for 24% of the variation of SOCSR.The average annual soil N2O emission was higher in the central part of the North China Plain, lower in the north and south, and the higher regions included parts of Shandong Province and Jiangsu Province.Correlation analysis showed that there was a significant positive correlation between average annual soil N2O emission and initial soil organic carbon content.In general, compared with NPK, NPKM(5:5) and NPKM(3:7) both increased SOCSRand decreased average annual soil N2O emission from dry land in the North China Plain, of which SOCSR(233 and 236 kg C·hm-2·a-1)increased by 79% and 82%, respectively, the average annual soil N2O emission（15.8 and 14.4 kg N·hm-2·a-1)decreased by 21% and 28%, respectively.As a result, NGWP (6.6 and 5.9 t CO2-eq·hm-2·a-1)decreased by 26% and 34%, respectively.【Conclusion】Compared with the application of chemical fertilizers, the application of chemical fertilizers combined with manure was beneficial to SOC sequestration, soil N2O emission reduction and mitigation of glowing warming from dry land in the North China Plain over the long-term.

North China Plain; manure; soil organic carbon sequestration rate; N2O emission; model

2021-02-26；

2021-08-12

國家自然科學(xué)基金（41620104006、41701333）、中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（Y2017LM06）

王樹會，Tel：18801084605；E-mail：shuhuiwang0512@163.com。通信作者孫楠，Tel：010-82105062；E-mail：sunnan@caas.cn。通信作者張旭博，Tel：18810995090；E-mail：zhangxb@igsnrr.ac.cn

（責(zé)任編輯 李云霞）