黄土高原地膜农田土壤碳氮循环过程研究-DNDC模型改进与应用

Plastic film mulch is the dominate agriculture management method in the semi-arid areas of Loess Plateau. The impact of plastic film mulching on the soil hydraulic-thermal condition and carbon- nitrogen cycle was still unclear, and lack of plastic film mulching comprehensive mechanism modelling, which limits the sustainability of local agriculture development. DNDC is one of the most used soil carbon-nitrogen cycle model, widely used in the study of soil carbon-nitrogen dynamic under different managements. As lack of plastic film mulching model in the semi-arid area of Loess Plateau, and the advantages of DNDC model in the study of carbon-nitrogen cycle. The object of this study is understand the mechanism of carbon-nitrogen cycle of plastic film mulching management and establishing a process-based biogeochemical model, which based on the dynamic of carbon-nitrogen impacted by soil hydraulic-thermal change under plastic film mulching. The project is expected to build plastic film mulching DNDC model, which use to evaluate the soil carbon nitrogen change and the sustainability of rain fed agriculture in the Loess Plateau under plastic film mulching, and optimize the plastic film mulching method.

地膜覆盖是黄土高原半干旱地区旱作农业之首选，是该区使用最广，效果最好的农业管理方式之一。目前，地膜影响土壤水热状况和碳氮循环机理的研究不够深入，且缺乏模型对已有研究结果从机理上整合和进行系统研究，一定程度上限制了地膜农田的发展与推广。DNDC模型是国际上流行的土壤碳氮循环模型，广泛应用于研究农田管理措施对土壤碳氮循环的影响，探索最优农耕管理方式。基于目前国内外无地膜农田土壤碳氮循环模型这一现状及DNDC模型在研究未覆膜农业碳氮循环过程的优势。本研究以覆膜对壤水热变化过程的影响及由此导致的碳氮循环变化为研究对象，对循环中涉及的生物、化学反应过程及产物进行量化分析，阐明覆膜管理方式对土壤碳氮循环过程影响的机理，基于DNDC框架构建黄土高原地膜农田碳氮循环模型，评估地膜农田管理方式对土壤碳氮循环和生态系统可持续发展的影响，优化覆膜管理方式，为地膜农田的发展和提高提供科学依据。

地膜覆盖是黄土高原半干旱地区旱作农业使用最广，效果最好、最重要的农业管理措施。对半干旱农业区地膜覆盖下土壤水热状况和碳氮循环机理的研究不够深入，且缺乏模型手段对已有研究结果进行整合及系统研究，限制了地膜农田的发展与推广。DNDC 模型广泛应用于研究农田管理措施对土壤碳氮循环的影响。基于目前国内外无地膜农田土壤碳氮循环模型这一现状及DNDC模型在研究农业碳氮循环过程的优势。本研究以覆膜对壤水热变化过程的影响及由此导致的碳氮循环变化为研究对象，在DNDC模型的基础上重新构建了黄土高原地膜农田碳氮循环模型,并评估了地膜农田管理方式对土壤碳氮循环和生态系统可持续发展的影响，以及未来气候情景下，地膜农业将何去何从。 经过5年的田间实验，本研究成功建立了垄沟覆膜模型，并采用大量的田间实验数据对模型进行了校正以及对模拟结果进行了验证。验证结果表明：模型可以有效模拟垄沟覆膜农业管理措施下土壤温度，湿度，生物量以及土壤碳氮循环过程。模拟平均精度R2>0.5（P<0.01）。田间实验表明，地膜覆盖下，土壤的温度，的和湿度以及作物产量都有显著提升。但是，对于土壤温室气体CO2的通量，与不覆膜的处理相比，CO2通量提升量并不显著（P>0.1）。这一结果说明，由于黄土高原区域土壤有机碳（SOC）本底含量较低，因此覆膜后土壤CO2大部分可能来自于新增的植物凋落物以及分泌物分解过程。此外，覆膜后植物生长较旺盛，植物根系的呼吸也为覆膜后土壤CO2通量增加做出了一定的贡献。 黄土高原本身是一个CH4汇，本研究也证实了这一观点，同时，覆膜后，土壤本身的CH4通量与不覆膜并无显著差异，因此说明覆膜必不会对CH4带来较大的影响。N2O则会在覆膜的情况有所增加。通过结合IPCC AR5未来温室气体排放情景，利用本项目中建立的覆膜模型结合RCP4.5及RCP8.5气候变化情景对截止2100年项目研究区覆膜管理下生物量以及SOC的变化进行了预测。结果表明，在RCP4.5低排放情景下，覆膜农业可以有效的提升作物产量，同时还可以保持SOC的不断增加。但是在RCP8.5情景下，2060年以后，覆膜管理措施则对作物产量提升不再有显著作用，同时还会带来SOC减少的负面效应。最后，为了有效的推广这一新模型，研究组同时为这一模型构建了云平台在线评估模拟体系，以期让国内外同行更便捷的评估此模型。