DNDC模型模擬農田溫室氣體排放研究進展

呂曉東　王婷

摘要：在簡要介紹DNDC模型（脫氮分解模型）及其在中國的應用與改進基礎上，綜述了中國學者利用該模型模擬與估算農田溫室氣體排放和減排調控方面的研究進展，提出未來模型在中國的發展應針對中國農業種植體系的特點，增加模型模塊，修正模型參數，建立跨尺度農田生態系統綜合評估模型，加強大尺度和長時間序列的溫室氣體排放模擬與預測研究。同時，加強遙感和地理信息系統技術與模型的結合，以提高區域尺度模擬和預測精度，降低模擬結果的不確定性。

關鍵詞：DNDC；溫室氣體排放；模擬；研究進展

中圖分類號：X511 文獻標志碼：A 文章編號：1001-1463（2018）11-0091-06

doi：10.3969/j.issn.1001-1463.2018.11.026

Research Progress of DNDC Model Simulating Greenhouse Gas Emission

from Farmland

L？譈 Xiaodong， WANG Ting

（Institute of Soil， Fertilizer and Water-saving Agriculture， Gansu Academy of Agricultural Sciences， Lanzhou Gansu 730070， China）

Abstract：On the basis of a brief introduction of the DNDC model （denitrification decomposition model） and its application and improvement in China， this paper reviews the research progress of Chinese scholars in simulating and estimating greenhouse gas emissions and emission reduction and regulation in farmland by using this model， and proposes that the future model development in China should be based on the characteristics of China's agricultural planting system， add the model module， modify the model parameters， establish a cross-scale farmland ecosystem comprehensive assessment model， and strengthen the large-scale and long-term time series of greenhouse gas emissions simulation and prediction research. At the same time， the combination of remote sensing and GIS technology and models should be strengthened to improve the accuracy of regional scale simulation and prediction and reduce the uncertainty of simulation results.

Key words：DNDC；Greenhouse gas emissions；Simulation；Research progress

農業生態系統中溫室氣體的產生是一個復雜的生物地球化學過程，氣候、植被、土壤及農田管理等驅動因素的任何微小變化，都會改變溫室氣體CO2、CH4或N2O的產生及排放。大量科學實驗表明，全球各地農田溫室氣體排放具有空間異質性和時間變異性特征，用有限的點位尺度觀測資料來簡單地推算區域乃至全球尺度的溫室氣體排放量是不可靠的，其結果具有不確定性。溫室氣體排放傳統經驗統計模型盡管適用于區域范圍模擬，但點位模擬結果不確定性差[1 ]，且無法從過程上解釋溫室氣體排放的變異性。因此，發展生物地球化學過程模型來模擬控制溫室氣體產生的復雜生態系統是當前有關陸地生態系統碳、氮循環與全球變化的地球表層過程研究的重要領域。全球目前有30多種不同的生物地球化學過程模型[2 ]，用于研究溫室氣體排放較為成熟的過程模型有CENTURY、CANDY、NCSOIL、Roth-C、DAISY、DNDC等，DNDC（Denitrification-Decomposition）模型已被國際生態學界用于研究農業生態系統碳氮循環，是公認的模型之一[3 - 4 ]，廣泛應用于農田、草地、森林、濕地等多種類型的生態系統，模擬CH4、N2O、CO2等溫室氣體排放[5 - 7 ]，在我國也經大量驗證并且廣泛應用[8 - 11 ]。我們針對中國應用DNDC模型開展農業生態系統溫室氣體排放模擬的研究進行綜述，旨在推動模型更廣泛和有效的應用，為我國碳氮循環研究提供新的理念和方法參考。

1 DNDC模型簡介及其在中國的應用與改進

1.1 DNDC模型簡介

DNDC模型是基于與碳、氮循環有關的生物地球化學因素和過程而發展起來的計算機模擬模型，于1992年由美國New Hampshire大學Li等[12 ]創建并推廣在全球應用，經過26 a的發展，目前已更新到V9.5版本。DNDC模型由2個部分組成，其模型結構見圖1[13 ]。

第一部分包含土壤氣候、植物生長和有機質分解3個子模型，其作用是根據輸入的氣象、土壤、植被、土地利用和農田耕作管理數據預測植物-土壤系統中諸環境因子的動態變化；第二部分包含硝化、反硝化和發酵3個子模型，這部分的作用是由土壤環境因子來預測上述3個微生物參與的化學反應的速率。6個子模型的函數方程式由物理學、化學或生物學的基本理論以及實驗室模擬實驗的結果構建，以日或小時為時間步長，來模擬真實世界中環境條件-植物生長-土壤化學變化間的相互作用。

1.2 DNDC模型在中國的應用與改進

DNDC模型已在包括中國在內的20多個國家得到應用和檢驗[10 ]，針對農田生態系統、草地生態系統、森林生態系統開展了溫室氣體排放模擬及其減排措施優化[14 - 17 ]、氮素運移與流失[18 - 20 ]、不同立地條件下土壤碳動態及固存模擬及作物產量評估等方面的研究[21 - 24 ]。

DNDC模型采用數百個簡單方程式交互以再現生態系統中復雜的非線性過程，過程所采用的參數主要基于北美觀測數據建立，因此不完全適用于世界其他地區，尤其對于中國而言，DNDC模型缺乏一些中國特有而復雜的農業耕作特征。隨著DNDC模型在中國的廣泛應用，研究者逐步對模型進行了改進，使DNDC模型更適用于中國農業生態系統。模型改進部分主要包括增加了適合中國水稻種植的作物參數和物候學日期[25 ]。針對水肥一體化滴灌施肥，引入土壤溫度參數對NO3-和NH4+庫轉化為N2O的比例系數進行校正，提高了模型對土壤N2O排放、土壤NO3-和NH4+庫模擬的準確性[19 ]；通過修改土壤水氮運移過程的缺省參數，引入了地表徑流曲線和修正的通用土壤流失方程來控制和模擬地表徑流[26 ]，加入了覆膜管理模式的參數化模塊[27 ]；通過與遙感（RS）和地理信息系統（ArcGIS）技術結合，進行更為精確的區域溫室氣體排放模擬研究[28 - 30 ]。與CGE經濟模型結合，在作物投入產出上進行鏈接，評估肥料管理、農藥減量以及農機節能等低碳減排措施的效果[31 ]。高春雨等[32 ]基于DNDC模型構建了測土配方施肥減排GHG的碳交易計量方法，實現了縣域或更大區域實施測土配方施肥減排碳交易量核算。

2 DNDC模型在模擬與估算農田溫室氣體排放中的應用

2.1 模型驗證

模型驗證是判定DNDC模型模擬效果的先決條件，包括對模型缺省參數的修改、校正和模型缺失模塊的補充。研究表明，DNDC模型對點位尺度上溫室氣體排放田間觀測數據模擬精度較高，模擬值與實測值具有較高的擬合度[8 ]。如鄒鳳亮 等[28 ]對江漢平原稻田中稻-小麥、中稻-油菜、中稻-冬閑3種種植模式下溫室氣體CH4和N2O周年排放模擬驗證的結果表明，CH4排放的田間觀測值與模擬值決定系數R2為0.92～0.93，N2O排放R2為0.85～0.98。陳粲等[33 ]對吳江水稻生長季農田N2O排放田間觀測值與模擬值的相關系數為0.86。也有報道指出，模擬值與實測值擬合度低。候會靜等[34 ]對華東水稻控制灌溉下稻麥輪作田溫室氣體排放的模擬中認為，模型對后茬麥田N2O排放通量的模擬值多低于實測，模擬主峰值較實測值增大了14.96%（p < 0.05），模擬次峰值比實測值減小了18.1%（p < 0.05）。張萍等[35 ]的研究也得出相同結論。薛彥東等[36 ]基于冬小麥/夏玉米輪作體系再生水灌溉田間試驗數據對DNDC模型及其參數進行驗證，盡管模型能夠捕捉到灌溉、降水和施肥等事件所引起的N2O排放峰值，但是實測值往往滯后于模擬值，說明模型還無法精確預測單個時間結點的N2O排放通量。謝軍飛等[37 ]對北京地區大豆農田N2O排放模擬后認為，對于干旱期和非農業活動期農田N2O排放反應靈敏度不夠，模型低估了N2O排放通量。受不同地區農田土壤環境、氣候、栽培模式和種植管理制度的影響，導致了模型的輸出結果與實測值之間存在偏差，因此進行模型校正是保證模擬結果準確性的必要步驟。

2.2 點位和區域尺度模擬

基于點位尺度的溫室氣體模擬其主要作用是判斷模擬值與實測值的擬合度，對模型進行驗證，率定模型參數。如瞿振[38 ]以燕山東麓旱地春玉米為研究對象，設置減氮、增施有機物料、有機無機肥料配施等處理，對春玉米農田N2O和CO2排放通量進行了周年監測。模擬結果表明，模型基本上捕獲了由施肥和降水等事件造成的N2O排放峰，由秸稈還田、施用有機肥、翻耕、播種等管理措施產生的CO2排放峰，模型能夠很好的反映華北旱作春玉米農田N2O和CO2通量變化規律，模擬結果可靠。高小葉等[39 ]研究了苜蓿綠肥對水稻產量和稻田溫室氣體排放的影響，在對DNDC模型進行本地化修正的基礎上，建立了適宜我國長江中下游地區綠肥-水稻輪作生態系統的DNDC模型。王鶯[40 ]以甘肅河西地區黑河中游綠洲夏玉米農田為對象，利用模型模擬了該試驗點長時間序列下的溫室氣體通量。

DNDC在點位尺度上將生態驅動因素與環境營力聯系起來，并進一步計算各種生物地球化學反應的方向和速率，從而達到預測碳、氮這組生物地球化學元素的量和流。當把DNDC的預測由點位擴展到區域時，實際上是將此區域劃分為許多小單元，并認為每個小單元內部各種條件都是均勻的，使DNDC對所有單元進行逐一模擬，從而實現更大尺度上的模擬[41 ]。李長生等[10 ]對中國農田1990年溫室氣體排放進行了估算，結果表明中國農業生態系統的CO2凈排放量約9 500萬t C/a、CH4約920萬t C/a、N2O約130萬t N/a。根據全球增溫潛勢（GWP）計算，中國農田釋放的N2O對全球增溫的影響高于CO2和CH4。王效科等[42 ]對中國農田土壤N2O排放通量分布格局進行模擬，發現我國農田土壤N2O排放西北地區較低，東南地區較高。徐文彬等[43 - 44 ]采用DNDC模型估算了以縣為空間分辨尺度的貴州省農業土壤1995年N2O釋放通量和釋放量，定量評估了施肥和耕作農業活動對該地區N2O釋放量的貢獻。張黎明等[45 ]以整個太湖地區37個縣234萬hm2水稻土為例，分析了3種不同土壤數據單元法對CH4排放模擬的影響，結果表明以“縣”作為最小模擬單元，并用排放量范圍來表達區域CH4氣體排放較為合理。姜雨林等[46 ]選擇華北地區麥-玉（冬小麥-夏玉米）、春玉米連作、麥-豆（冬小麥-夏大豆）、麥-玉-春玉米和麥-玉-大豆等5種代表性輪作模式，模擬與預測分析了不同種植模式下該地區農田土壤溫室氣體排放的50 a長期（2003—2052）變化情況。張凡等[47 ]通過DNDC模型估算了我國西北地區旱作農田土壤N2O排放的時空變化特征。田展等[14 ]利用DNDC 模型模擬了中國過去40 a（1971 — 2010）氣候變化對水稻田溫室氣體排放的影響。孫圓圓等[48 - 49 ]對川中丘陵區典型稻田生態系統CH4、N2O、CO2通量進行了不同輪作制度下不同時空尺度的交換特征及定量化研究，進而闡明稻田在特定自然、農業生產條件下排放的溫室氣體通量及其空間分布特征。李虎等[50 ]對2003年黃淮海平原河北省范圍內的農田土壤溫室氣體排放進行估算，結果表明，河北省111個縣（市）的農業土壤CO2排放量約3.758×106 t C，N2O排放量為40.345×106 kg N，全省釋放的CO2和N2O中有40%左右來自冬小麥/夏玉米地。從上述文獻中我們可以看到，DNDC模型已經在中國針對不同時空尺度、不同地域和不同種植體系開展了大量研究。

2.3 敏感性分析

為了減少模型參數的不確定性以提高模擬結果的精度，敏感性分析作為評價和建立模型的必要步驟通常是必須的。例如，陳粲等[33 ]對2013年吳江水稻田模擬結果認為，年平均溫度、土壤 pH、土壤有機碳含量、施肥量和秸稈還田量對不同秸稈還田填埋深度下N2O氣體排放非常敏感。謝軍飛等[37 ]對北京地區大豆農田N2O排放模擬敏感性的分析結果表明，在一定范圍內，在其他條件不變的情況下，N2O-N排放模擬值對土壤初始表面有機碳含量的變化較為敏感，隨著土壤初始表面有機碳含量的增加，N2O-N排放模擬值也隨著線性增加；另外，N2O-N排放模擬值對降水中N素的含量變化也較為敏感，隨著降水中N素的含量的升高N2O-N排放模擬值也隨著非線性增加。張嘯林等[51 ]對南京地區稻麥輪作體系DNDC模型靈敏度的檢驗結果表明，年均溫度、土壤容重、土壤有機碳、土壤質地、土壤 pH等環境因子對GWP的影響顯著，施用氮肥、秸稈還田量和烤田期長短等管理因子對GWP的影響明顯。王秀斌 等[52 ]利用典型潮土N2O排放的田間試驗數據對DNDC及其參數進行驗證，結果表明，氮肥用量、施肥次數、土壤初始無機氮含量和土壤質地的改變對土壤N2O排放量均很敏感，其中氮肥用量和施肥次數的改變最為敏感。因此，進行敏感性分析可以確定影響模擬結果的關鍵模型參數，從而控制模擬結果。

3 DNDC模型在農田溫室氣體減排調控中的應用

DNDC模型不僅能夠模擬和預測溫室氣體排放量，而且能夠評估不同管理方式的減排效果，還可以通過模擬土壤生物化學過程的交互作用，定量評估某種溫室氣體的減排措施對其他溫室氣體排放量的影響，并且驗證該措施是否具有其他的不利影響[53 ]。如徐文彬等[54 ]以貴州省玉米-油菜輪作田和大豆-冬小麥輪作田為N2O釋放通量測量對象，采用DNDC模型定量探討了上述作物生長季節有機肥施用量、N肥施用量及施肥日期、N肥類型和施肥深度、翻耕深度和翻耕日期等變化對亞熱帶旱田生態系統N2O釋放的潛在影響。瞿 振[38 ]對華北旱作春玉米農田N2O減排的模擬分析表明，有機無機肥料配施和農民習慣處理相比凈溫室效應降幅達33.5%。農民習慣施肥+有機肥凈溫室效應下降53.9%，農民習慣施肥+秸稈還田凈溫室效應降幅達87.4%；農民習慣施肥+減氮40%+秸稈還田的凈溫室效應為0.047 t CO2-eq/（hm2·a），遠小于農民習慣施肥下的2.3 t CO2-eq/（hm2·a）。趙崢等[55 ]采用DNDC模型對減量化施肥和秸稈還田措施下稻麥輪作系統的模擬結果表明，化肥減量25%+秸稈還田在獲得最佳水稻產量的同時有效減少51.85%的N2O排放量，但同時會增加110.03%的CH4排放量。徐丹[56 ]指出，稻田在減排操作中應盡量控制秸稈還田比例或選擇合理的秸稈還田方式，以減少CH4排放。楊黎等[57 ]對東北地區春玉米農田不同施氮和秸稈還田措施下的模擬結果表明，與當地農民習慣施肥相比，優化施氮措施不會明顯影響作物產量，能減少N2O排放，可降低溫室氣體凈排放8%～13%。優化施氮+秸稈還田能在保障供試農田春玉米產量的同時大幅度減少春玉米種植系統溫室氣體凈排放。

4 展望

綜上所述，經過20多年的探索，DNDC模型針對中國的農業生態系統進行了大量改進和校準，在我國大多數地區得到了驗證和應用，在作物估產、環境評價、農田管理、決策制定和長期預測等方面取得了豐碩成果。然而，DNDC模型反映了生物地球化學以追蹤化學元素遷移變化來探索生命與環境間的復雜關系，因此它仍然需要不斷創新來更加適宜模擬自然界的規律。未來模型在中國的發展需要注重以下幾個方面的研究。一是針對中國農業種植體系的特點，增加模型模塊，修正模型參數，提高模擬精度；二是采用遙感、地理信息系統技術提高區域尺度模擬和預測的精度，降低模擬結果的不確定性[58 - 59 ]；三是建立跨尺度農田生態系統綜合評估模型，加強大尺度和長時間序列的溫室氣體排放模擬與預測研究。

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（本文責編：陳 偉）