基于DNDC模型与二分法的滨海盐渍土水稻最佳施氮量研究

李 强， 李建国， 张忠启， 茆 彭

(江苏师范大学 地理测绘与城乡规划学院， 江苏 徐州 221116)

农业耕作是江苏东部滩涂围垦地区较常见的开发方式[1]，但围垦区土壤含盐量大、地下水矿化度高，极大抑制盐渍土地区作物产量提升，水稻产量相较省内其他地区明显偏低。据相关研究，滨海地区水稻产量较省内平均水平低约11.86%，较周边城市如淮安约低7.98%[2]。江苏滨海围垦区是中国主要的沿海农业开发地区，提升这一地区粮食产量与保护生态环境是保障区域粮食安全、提升农村发展能力的主要举措[3-4]。从中国各地区众多田间试验表明，通过调整肥料用量可大幅提高水稻产量[5-7]。适当增施氮肥能促进植物营养生长，促进叶绿素形成。敖和军等[5]学者于湖南等地的研究表明，当施氮肥水平由135 kg/hm2提升至225 kg/hm2时，水稻产量显著提升；黎忠祥等[6]学者于云南省陆良县的研究表明，增施氮肥对水稻产量有明显增产作用，并给出最高及最佳经济产量的施氮量；而宋宪青[7]的研究表明，除栽植密度对水稻产量有影响外，增施氮肥也能使水稻增产。然而，过多施用氮肥会增加硝酸盐淋溶和反硝化作用，引起温室气体排放、水体与土壤污染与劣变等环境问题。面对中国氮肥施用量大、施氮利用率低的现状[8-9]，在保证粮食产量稳定增长的同时兼顾环境效益，对进一步规范水稻施氮量具有重要指导意义。

施氮量对作物产量的影响除从微观田间试验角度研究外，还可从宏观模型模拟层面展开[10]。所谓模型模拟，即使用诸如DNDC，Century，Biome-BGC，RothC和NCSOIL等生物地球化学过程模型，模拟与目标区一致的气候、土壤环境，进行不同施氮措施下对作物产量定量化模拟。国内已有诸多学者使用模型方法进行农田生产力和环境效益的相关研究。高春雨[9]在施肥管理方面进行了县域农田作物产量和温室气体排量的模拟与估算；邱建军等[10]学者使用模型方法进行了土壤肥力对作物产量影响的研究；高懋芳[11]使用DNDC模型对小清河施肥条件下农业氮素排放对作物产量和面源污染的影响进行了模拟研究。相比田间试验，使用模型模拟研究施氮对生产力的影响具有方便快捷、高效率、高精度的特点。将野外调研与模型模拟相结合可以在很大程度上节约成本并提高精度。二分法是一种无约束一维搜索优化逼近算法，将其与模型模拟相结合可以快速确定最优模型参数，进一步提高模型模拟精度。将DNDC模型和数学二分法结合，测算滨海盐渍土水稻田最佳施氮量，探究不同施氮条件下的环境效益。指导中国滨海地区农业科学管理，促进滩涂生态环境保护。

1 材料与方法

1.1 试验田概况

试验田位于江苏省南通市如东县四桥村(北纬32°22′16″，东经121°22′27″)，气候为亚热带海洋性季风气候，年平均气温15 ℃，平均降雨量1 042 mm。如东县境内地势平坦，从西南略向东南倾斜，西北部高程约4.5 m，东南部高程约3.2 m。该地土壤类型为典型滨海盐渍土，土壤有机质(SOC)含量为9.3 g/kg，较省内平均水平显著偏低。土壤盐分组成主要为氯化钠，含量为1.0 g/kg，土壤理化性质如表1所示。

表1 试验田土壤理化性质

1.2 试验设计与处理

田间试验于2016年6—10月末在该地进行，种植水稻品种为宁稻13，平均行距23.2 cm，平均株距18.0 cm。水稻种植期间田间管理共灌水4次、施氮肥4次。施用磷肥143.56 kg/hm2作为底肥，施用氮肥为总氮大于46.4%，粒度范围为0.85～2.80 mm的尿素，氮肥总投入量为471.82 kg/hm2，施氮肥时间、种类和用量详见表2。

水稻收割前一星期进行测产，依五点法在田内均匀布置测产点5个，各点使用1 m2测产框将水稻其连根挖出作为一组样品，并量出该点的11行行距和11株株距，5个测产点的行距与株距取平均，得出平均行距与平均株距，测算田中水稻总棵数[12]。经计算，试验田水稻产量为7 050.75 kg/hm2。

除施肥管理数据和水稻田产量数据外，进行DNDC模型模拟试验还需气候数据、土壤数据和作物数据。气象数据来自南通市如东县气象站点。土壤参数包括土壤质地、容重、pH值、田间持水量等，为田间实测数据(见表3)。如东县土壤类型为滨海堆积平原沙壤盐土，对应模型中黏粒比0.06的Loamy Sand土壤质地值；土壤容重使用环刀法进行测定，在水稻种植前测定耕作层容重，测量值为1.78 g/cm3；土壤酸碱度使用电位测定法测定，测量值为7.8；田间持水量使用铁框法进行测定，测定土壤自然含水量、饱和含水量和灌溉深度，计算田间持水量为27%；土壤萎蔫点在水稻收割前测得，作物萎蔫时土壤中尚存留的水分含量为13%；土表初始有机碳含量在水稻种植前采样，使用碳氮仪测得[13]，值为0.009 3 kg/kg。作物数据使用模型定义的水稻数据(见表4)，包括最大生物量、生物量比、生物量碳氮比、生长积温等参数。

表2 水稻生育期灌溉与施氮措施

表3 DWDC模型模拟所需土壤参数

表4 DWDC模型模拟所需水稻参数

1.3 数据处理与分析

DNDC(denitrification-decomposition “脱氮—分解”)模型，是目前国际上最成功的生物地球化学模型之一，可用于模拟各个国家和地区农业生态系统中碳、氮以及生物量动态变化的生物地球化学循环[14-16]。2000年结束的亚太地区全球变化国际研讨会上，DNDC模型被指定为在亚太地区进行推广的首选生物地球化学模型[17]。试验以试验田2016年水稻施氮量为基准(471.82 kg/hm2)，在此基准上依次加施10%，加施20%，加施30%，减施10%，减施20%，减施30%和不施氮等共7种不同施氮管理方式作为模型试验的对比试验，每组试验输入的施氮量如表5示。将各组试验按照施氮量由小到大的顺序输入模型，当施氮达到一定数量时，模拟的水稻产量将不再增加(即已达到最大生物量)，则划定最大生物量所落在的施氮数量区间为[a，b]。将施氮数量区间[a，b]采用二分法取中值，将中值(a+b)/2带入模型再次模拟，若得出产量结果仍为最大生物产量，则最佳施氮量区间落于[a， (a+b)/2]，将区间再次细分；若得出产量结果不为最大生物产量，则最佳施氮量区间落于[(a+b)/2，b]，将区间再次细分。设区间[a，b]精度满足e=b-a<0.001时，结束循环，(a+b)/2即为最佳施氮量，试验设计流程如图1所示。

表5 不同方式施氮措施kg/hm2

图1 试验设计流程

2 结果与分析

2.1 不同施氮量下水稻生物量的变化

不同施氮量下水稻产量如图2所示。在水稻最大生物量达到之前，水稻总生物量与施氮量呈显著正相关，施氮肥量越大，总生物量越大。减施10%，20%，30%和增施10%，20%，30%氮肥时，水稻总生物量依次为14 069.97，13 577.52，13 077.96 kg/hm2和15 324.81，15 378.24，15 378.24 kg/hm2；相对基准值14 689.05 kg/hm2，总生物量依次减少4.22%，7.57%，10.97%，增加4.33%，4.69%，4.69%。相比不施氮的条件下，增施氮肥最高可使水稻增产37.59%。当加施20%氮肥时，水稻田产量达到最大值7 739.94 kg/hm2，再增施氮肥产量将不再变化。故根据模型模拟结果，在滨海围垦区的地理环境下，水稻的最大产量为7 739.94 kg/hm2。氮肥施用量与水稻产量趋势线可表示为：

Y=4 143.1lnX-18 560 (R2=0.956 5)

式中：Y——水稻产量(kg/hm2)；X——氮肥施用量(kg/hm2)。在未达到最大产量前，平均每增施1 kg/hm2氮肥，水稻产量可增加27.07 kg/hm2。

2.2 最佳施氮量的测算

由图3得，当水稻产量达到最大值时，对应的试验方法位于增施10%氮肥和增施20%氮肥之间，对应施氮量为519.0～566.18 kg/hm2，故最佳施氮量应位于此区间内。使用二分法结合DNDC模型对该区间进一步细分。如表6所示，测算最佳施氮量的算法共运行16次，当给定误差e<0.001时结束循环。第1次循环，区间中值为542.59 kg/hm2，将中值带入模型，得产量7 739.94 kg/hm2，为最大产量，误差e不满足要求，区间取下限，即[519.0，542.59]，进入下一循环；第2次循环，区间中值为530.795 kg/hm2，带入模型得产量7 739.94 kg/hm2，为最大产量，误差e不满足要求，区间取下限，即[519.0，530.795]，进入下一循环；以此类推，当循环至第16次时，区间中值528.214 kg/hm2，带入模型得产量7 739.940 kg/hm2，是最大产量，误差满足要求(e=0.000 7<0.001)，退出循环。即当施加氮肥量为528.214 kg/hm2时，滨海盐渍土水稻田产量最大，528.214 kg/hm2为该地区的最佳施氮量。

图2 氮肥施用量与水稻产量关系

表6 二分法求最佳施氮量

2.3 最佳施氮量环境效益

DNDC模型在模拟施氮条件下水稻产量的同时，通过土壤氧气或其他氧化物含量，根据能斯特公式(Nernst equation)[18]计算土壤的总体氧化还原电位(Eh)将土壤分为好氧与厌氧两部分，根据米邵公式(Michaelis-Menten equation)[19]计算硝化和反硝化反应速率，从而计算田间氮氧化合物排放量。如图3所示，随施氮量不断增加，水稻产量和种植期间总氮氧化合物排放量都呈上升趋势。在减施10%，20%，30%和增施10%，20%，30%氮肥时，水稻产量依次为6 431.67，5 939.22，5 439.66 kg/hm2和7 686.51，7 739.94，7 739.94 kg/hm2，相对的氮氧化合物排放量分别为8.28，7.38，6.47 kg/hm2和9.16，9.75，10.44 kg/hm2。当处于最佳施氮量之后，水稻产量增加到最大生物产量，并不再增加。与水稻产量不同，氮氧化合物排放量一直随施加氮肥量增加而增加，在不施氮肥状况下水稻种植期间共累计排放氮氧化合物0.49 kg/hm2；在基准施氮状况下(471.82 kg/hm2)共排放氮氧化合物8.88 kg/hm2；在最佳施氮量下(528.214 kg/hm2)共排放氮氧化合物9.24 kg/hm2；当处于加施30%过量施氮状态下(613.37 kg/hm2)，即便水稻产量7 739.940 kg/hm2不再增产，但作物未吸收利用的肥料留在土壤里，仍释放温室气体，氮氧化合物排放量(10.44 kg/hm2)仍在持续增加。

图3 不同施氮量下氮氧化合物排放量与水稻产量

可见，过量施氮并不会使水稻产量进一步增加，而且会造成氮肥利用率降低，导致氮氧化合物排放量的增加，进而放大温室效应。据IPCC 2013年有关农业碳排放会议指出，N2O对温室效应贡献程度，是相同质量CO2的298倍[20]。使用最佳施氮量对滨海水稻田进行施氮管理，不仅可以使作物产量最大化，还能减少氮氧化合物的排放，具有良好环境效益。在实际农业管理中，在采用最佳施氮量外，科学使用缓释肥料、硝化抑制剂能更好达到减少农业面源污染的效果[21]。

3 讨 论

3.1 DNDC模型水稻产量模拟在滨海垦区的适用性

模拟结果的精度是衡量模型适用性的重要指标。与试验田实测产量7 214.49 kg/hm2相比，DNDC模拟的基准产量7 050.75 kg/hm2与实测值实际误差为163.74 kg/hm2，为实测值的2.27%，误差小于10%，表明使用DNDC模型于滨海盐渍土地区水稻产量模拟精度较高，模型在滨海垦区产量模拟上适用性良好。DNDC模型也能正确模拟滨海垦区不同施氮量下水稻生物量累积的过程。如图4所示，纵观不同施氮量对生长期间水稻生物量的变化，水稻总生物量约在70 d后(即对应水稻灌浆成熟期)增长速度发生变异。在70 d前，对应水稻拔苗期、分蘖期、有穗分化期、抽穗扬花期，无论采用哪种施氮方法，水稻总生物量的变化趋势较为一致。而在水稻灌浆期，水稻总生物量增加速率随施氮量的增大而增大。该种总生物量变化的特点，反映出施用氮肥量增加与水稻果实生物量累积具有较高相关性，相关系数为0.904(p<0.05)。而水稻其他部分(根、茎、叶)生物量标准差为0，即不论施氮量是否变化，根、茎、叶的生物量不变，是因为氮肥在水稻生长过程中能够减少无效分蘖，提高有效成穗率，促进灌浆期茎鞘干物质向籽粒转移，从而增施氮肥更能促进水稻果实产量增加[22]，而对水稻其他部分生物量的累积影响较小。

图4 不同施氮量下水稻总生物量随时间变化

3.2 应用二分法确定最佳施氮量的意义

二分法定义最佳施氮量有着简单、便捷、易于理解的优点，且二分法总是收敛，结合田间数据和模型试验，能快速确定在特定管理方法下的最佳施氮量。二分法每进行一次查找即可筛选掉1/2的数据量，较遍历算法提升1/2的执行效率。滨海地区水稻最佳施氮量的测算试验是空间尺度、时间尺度较小的试验，将二分法应用于该试验，能够快速得出运算结果，具有较高的适用性和良好执行效率。但使用二分法的缺点也显而易见。当将研究的空间尺度和时间尺度继续扩大，如测算全省、全国乃至全世界各地区的最佳施氮量，海量地理空间数据、气候数据、土壤数据和种植管理数据成倍增加，使用二分法进行模拟试验就难免显得捉襟见肘。若将DNDC模型与二分法结合的方法测算最佳施氮量应用于更大尺度的研究，在结合GIS系统数据管理的同时，需将二分法进一步优化，提升算法收敛速率。

3.3 最佳施肥量确定方法探讨

微观联系是科学研究的需要，宏观综合是政府决策与管理的目标。不同氮肥施用量下滨海盐渍土粮食产量的测定，田间试验、模型模拟都可以实现，并且各自有各自的优点和缺点。田间试验根据试验目标进行试验设计，试验尤其是长期观测试验最能直接反映试验区土壤、作物生长状况。但田间试验具有先验约束带来先天性缺陷。而且，要投入大量人力、物力、财力进行。试验周期长、劳动量大且带有不可重复性。使用田间试验进行最佳施氮量的决策，田间试验结果给出的最佳施氮量往往是一个区间，而不是一个具体数值，实践指导作用受限。纵观已有的田间试验测算最佳施氮量的研究，如表7所示，敖和军等[5]给出的氮肥区间跨度为90 kg/hm2，黎忠祥等[6]为239.7 kg/hm2，宋宪青[7]为23.5 kg/hm2。大跨度的施氮区间，导致试验结果精确度差，给最佳施氮量的决策仍带来一定的困难。

而模型模拟是依靠生物地球化学过程模型进行模拟试验。根据研究区气候、土壤、作物和田间管理方式，模拟作物在具有局地特点的生物地球化学场下的生长过程，具有数据易获取、模拟结果精度高、省时高效、试验可重复等优点。从本文研究内容看，结合数学二分法研究区域最佳施氮量，可将最佳施氮区间收敛为一个具体数值，相较田间试验得出的最佳施氮区间有更高的精度。纵观已有使用模型试验来确定最佳施氮量的研究如表7所示，在华北平原进行的模型试验，小麦和玉米最佳施氮量为128和340 kg/hm2[23-24]，模型试验结果多为一个具体数值，不是一个施氮区间。

综上所述，田间试验和模型试验具有彼此不可替代的优势。在土肥研究工作中，将田间试验和模型试验结合，充分发挥田间试验和模型试验各自优点。农业部2017年8月印发的《种养结合循环农业示范工程建设规划(2017—2020年)》[25]，明确指出我国东部农业发展存在污染风险高、区域内协调资源环境保护压力大、面源污染严重等问题。提出确保水土质量安全的前提下，科学发展种植业的项目建设。本研究利用田间试验和模型二分法进行制定江苏垦区兼顾粮食产量和环境效益的精确施氮量，对指导农业精确管理、防治农业氮素污染起到巨大作用。

表7 最佳施氮量研究现状

4 结 论

(1) DNDC模型模拟滨海盐渍土水稻产量7 050.75 kg/hm2与田间测产值7 214.49 kg/hm2实际误差为163.74，在误差的10%以内，表明使用DNDC模型于滨海盐渍土地区水稻产量模拟精度较好。在减施10%，20%，30%和增施10%，20%，30%氮肥时，水稻产量依次为6 431.67，5 939.22，5 439.66 kg/hm2和7 686.51，7 739.94，7 739.94 kg/hm2;总氮氧化合物排放量分别为8.28，7.38，6.47 kg/hm2和9.16，9.75，10.44 kg/hm2。不同施氮肥数量下，加施氮肥可适当使滨海水稻田水稻产量提升，但当产量达到最大产量后，产量不再增加，而氮氧化合物随施氮肥量的增加持续增加。

(2) 滨海盐渍土水稻最佳施氮区间在增施10%～20%，即施氮区间为519.0～566.18 kg/hm2，最佳施氮量为528.214 kg/hm2;在采用最佳施氮时水稻生育期总氮氧化合物排放量为9.24 kg/hm2，具有良好环境效益。

(3) 二分法与DNDC模型相结合可以更为快速精确的确定滨海最佳施氮量，提高模型利用的效率。