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未来气候情景下露地菜地阻控活性氮损失的多目标水氮管理措施模拟认领

作者：

魏娜

学位授予单位：

中国农业科学院

摘要：

由于农业生产中氮肥不合理施用导致的活性氮排放对气候及环境造成了巨大影响,且蔬菜生产中粗放的管理方式使集约化蔬菜生产系统在氮肥不合理施用方面的问题更为突出。在准确估算不同农作管理措施下的活性氮排放及筛选合理的活性氮多目标阻控措施方面,有限的田间试验及处理个数无法全面考虑各种因素,需要结合模型的强大功能来进行优化管理措施的模拟和筛选。本研究在总结中国气候变化减缓与适应政策及行动的基础上进行菜地水氮管理措施案例研究,采用能够模拟土壤中碳氮水循环及植物生长的WHCNS模型作为研究工具,通过采用实证试验数据对模型进行校准和验证、并对模型的输入参数进行敏感性分析,用校准了的模型通过设置不同的水氮管理情景,评估未来不同气候情景下各种管理措施的氮损失阻控效果,筛选出活性氮排放总量综合最低的管理措施,评估华北地区典型露地菜地在未来气候变化情景下（2021-2040年）的最佳水氮管理策略。本研究结果可为该地区露地蔬菜绿色生产的水氮管理提供科学管理策略,为集约化农业种植系统活性氮排放控制及适应未来气候和减缓其气候及环境方面的风险提供数据支撑。本文的主要结论如下: （1）模型校验:WHCNS模型对河北保定连续3年春黄瓜-秋白菜生长过程及水氮去向的模拟结果与实测数据一致性较好,经校验后的各指标模拟值与实测值误差在可接受范围内,可以应用校准了的模型定量分析该地区蔬菜生长及其水分运移和氮素转化。（2）敏感性分析:土壤水力学参数（饱和含水量）对土壤含水量、硝态氮淋洗量、氨挥发量和N2O排放量的影响较大,而其在适宜的较小范围内变化对蔬菜产量和吸氮量的影响较小。作物参数对吸氮量和硝态氮淋洗量影响较大,对土壤含水量的影响较小。氮素转化参数中NO3-N吸附系数、氨挥发一阶动力学系数、N2O占反硝化速率比例分别对硝态氮淋洗量、氨挥发量、N2O排放量有显著影响,而对土壤含水量、产量和吸氮量的影响较小。（3）在综合考虑节约水肥资源及保证产量的前提下,选择在N2基础上配合其它管理措施,模拟露地菜地蔬菜生长和主要氮损失途径,筛选活性氮综合损失最小的管理措施。（4）未来RCP4.5情景下,在常规漫灌条件下,硝态氮淋洗量随着施氮量的减少而减少,与农民习惯施肥（N3）相比,减氮20%（N2）和减氮50%（N1）多年平均在黄瓜季淋洗出80cm土壤剖面的硝态氮分别减少12%和30%,白菜季的硝态氮淋洗则分别减少14%和36%。有机无机肥配施比纯施化肥（N2F）的硝态氮淋洗量多年平均减少了10.5%（黄瓜季）和7.6%（白菜季）。与N2处理比,在N2施氮量的水平上配合脲酶抑制剂和硝化抑制剂（N2I）,减少硝态氮淋洗的效果在白菜季比较显著,降低了37%,而在黄瓜季的效果不明显（约3.9%）。相比N2,阻控措施N2I、N2LW（减氮20%+灌溉量减少20%）、N2DI（减氮20%+滴灌）的硝态氮淋洗量在黄瓜季分别减少3.9%、29%和8.9%,在白菜季分别减少37%、26%和24%。RCP8.5情景下N2DI阻控氮淋洗的效果优于RCP4.5情景下,其它处理不同气候情景下阻控氮淋洗的效果接近。（5）未来RCP8.5情景下,相比农民常规水氮处理（N3）,N2和N1处理的多年平均硝态氮淋洗量在黄瓜季分别减少12%和26%,在白菜季分别减少10%和27%。有机无机配施比纯化肥（N2F）的硝态氮淋洗量减少了12%（黄瓜季）和6%（白菜季）。相比于N2,在N2施氮量的水平上添加抑制剂的阻控效果在白菜季（36%）要好于黄瓜季（8%）;阻控措施N2I、N2LW、N2DI淋洗量分别比N2减少8.2%、30%、16%（黄瓜季）和36%、32%、28%（白菜季）。RCP8.5情景下,N2LW（减氮20%+灌溉量降低20%）和N2DI（减氮20%+滴灌）对硝态氮淋洗的阻控效果优于在RCP4.5情景下的阻控,是未来阻控硝态氮淋洗的优选措施。（6）未来RCP4.5情景下,黄瓜季和白菜季均是农民常规水肥处理（N3）下的氨挥发量最高,减少氮肥施用量可以显著降低氨挥发量,N2、N1的氨挥发量多年平均与N3相比,在黄瓜季分别减少18%和36%,在白菜季分别减少49%和66%。与N2处理相比,在N2施氮量的水平上,添加双抑制剂、减少灌溉量以及滴灌在黄瓜季的阻控效果（21%、61%、11%）好于在白菜季（效果弱）的阻控效果。（7）未来RCP8.5情景下,黄瓜季和白菜季依然是N3的氨挥发量较高,氨挥发量随着氮肥施用量的减少而降低,大部分措施阻控氨挥发的效果相较RCP4.5情景有较大幅度提高。N2、N1的氨挥发量多年平均与N3相比,在黄瓜季分别减少27%和50%,在白菜季分别减少37%和69%。在黄瓜季,相比N2处理,在N2施氮量的水平上,添加双抑制剂、减少灌溉量以及滴灌等阻控措施分别能减少氨挥发46%、57%和13%,阻控效果较好,在白菜季的效果不显著。（8）未来RCP4.5情景下,黄瓜季和白菜季N3的N2O累计排放量最高;施氮量减少,N2O排放也会相应降低,与N3相比,多年平均N2和N1在黄瓜季分别降低31%和64%,在白菜季分别降低24%和40%。在N2基础上结合双抑制剂（N2I）,N2O的排放量相比N2在黄瓜季减少55%,在白菜季减少43%。与N2相比,在N2施氮量水平上减少灌溉量（N2LW）和滴灌（N2DI）的N2O的排放在黄瓜季分别减少53%和8%,在白菜季效果不显著。（9）未来RCP8.5情景下,黄瓜季和白菜季的N3的N2O累计排放量也表现为较高,N2O的排放随着施氮量的减少而降低,各措施的减排效果较RCP4.5略有增加。与N3相比,多年平均N2和N1在黄瓜季分别降低31%和65%,在白菜季分别降低17%和40%。与N2相比,在N2施氮量的水平上,添加双抑制剂（N2I）和减少灌溉量（N2LW）会使N2O排放量在黄瓜季分别降低56%和55%,在白菜季分别降低48%和5%。总体来讲,控制灌溉量对硝态氮淋洗的阻控效果较好,减少施氮量在阻控氨挥发方面的效果较为显著,添加双抑制剂和减少灌溉量对N2O的排放的阻控效果较佳。综上,在保证产量的前提下,合理调整施氮量配合双抑制剂、同时控制灌溉量是阻控活性氮损失、降低环境负荷的经济有效措施,所以推荐在农民施氮量基础上添加双抑制剂并配合灌溉量降低20%为该地区的推荐水氮管理方案。

摘要译文

关键词：

露地菜地; WHCNS模型; 硝态氮淋洗; 氨挥发; N2O排放

学位年度：

2022

学位类型：

硕士

学科专业：

大气科学

导师：

郭李萍

中图分类号：

P46[气候学];S626[蔬菜设施园艺]

学科分类号：

070601[气象学];082803[农业生物环境与能源工程];090205[设施园艺学]

D O I：

10.27630/d.cnki.gznky.2022.001108