全 文 ：基于 DSSAT模型的吉林省黑土作物鄄土壤
氮循环和土壤有机碳平衡*
杨靖民1 窦摇 森1** 杨靖一2 Gerrit HOOGENBOOM3 姜摇 旭1 张忠庆1 姜洪威1 贾丽慧1
( 1吉林农业大学资源与环境学院, 长春 130118; 2Greenhouse & Processing Crops Research Centre,Agriculture and Agri鄄Food Can鄄
ada,Harrow N0R1G0, Canada; 3AgWeatherNet Program, Washington State University, Prosser 99350鄄8694, USA)
摘摇 要摇 应用 DSSAT模型中的 CERES鄄Maize作物模型和 Century 土壤模型,分析了作物管理
参数、施肥量、土壤初始氮含量和作物桔杆还田对吉林省黑土地区玉米生长、氮循环以及有机
碳氮生态平衡的影响.结果表明:在玉米目标产量为 12000 ~ 15000 kg·hm-2条件下,最佳施
氮肥量为 200 ~ 240 kg N· hm-2 . 在该氮肥用量下,玉米地上氮吸收量为 250 ~ 290
kg N·hm-2,其中,120 ~ 140 kg N·hm-2来自土壤,130 ~ 150 kg N·hm-2来自肥料;提高氮肥
用量(250 ~ 420 kg N·hm-2)将导致土壤残留氮明显增加(63 ~ 183 kg N·hm-2);延迟追肥时
间同样导致土壤残留氮增加;当玉米秸杆还田量超过 6000 kg·hm-2时,模拟的土壤活性有机
碳、氮可以维持当年的供需平衡. 建议在吉林省中部地区黑土玉米带,化肥施氮量控制在
200 ~ 240 kg N·hm-2,适时追肥,秸杆还田量在 6000 kg·hm-2以上,以确保高产和维持土壤
养分生态平衡.
关键词摇 DSSAT模型摇 土壤氮循环摇 敏感性分析摇 作物氮吸收
*国家基础研究发展计划重点项目(2011CB100503)、国家自然科学基金项目(40871107,40971141)和中国科学院知识创新工程项目(K2CX2鄄
YW鄄Q1鄄07)资助.
**通讯作者. E鄄mail: dousen@ tom. com
2011鄄03鄄14 收稿,2011鄄05鄄29 接受.
文章编号摇 1001-9332(2011)08-2075-09摇 中图分类号摇 S154. 1摇 文献标识码摇 A
Crop鄄soil nitrogen cycling and soil organic carbon balance in black soil zone of Jilin Province
based on DSSAT model. YANG Jing鄄min1, DOU Sen1, YANG Jing鄄yi2, Gerrit HOOGEN鄄
BOOM3, JIANG Xu1, ZHANG Zhong鄄qing1, JIANG Hong鄄wei1, JIA Li鄄hui1 ( 1College of Resources
and Environment, Jilin Agricultural University, Changchun 130118, China; 2Greenhouse & Process鄄
ing Crops Research Centre, Agriculture and Agri鄄Food Canada, Harrow N0R1G0, Canada;
3AgWeatherNet Program, Washington State University, Prosser 99350鄄8694, USA) . 鄄Chin. J. Appl.
Ecol. ,2011,22(8): 2075-2083.
Abstract: By using the CERES鄄Maize crop model and Century soil model in Decision Support Sys鄄
tem of Agrotechnology Transfer (DSSAT) model, this paper studied the effects of crop management
parameters, fertilizer N application rate, soil initial N supply, and crop residue application on the
maize growth, crop鄄soil N cycling, and soil organic C and N ecological balance in black soil (Molli鄄
sol) zone of Jilin Province, Northeast China. Taking 12000-15000 kg·hm-2 as the target yield of
maize, the optimum N application rate was 200 -240 kg N·hm-2 . Under this fertilization, the
aboveground part N uptake was 250-290 kg N·hm-2, among which, 120-140 kg N·hm-2 came
from soil, and 130-150 kg N·hm-2 came from fertilizer. Increasing the N application rate (250-
420 kg N·hm-2) induced an obvious increase of soil residual N (63-183 kg·hm-2); delaying
the N topdressing date also induced the increase of the residual N. When the crop residue applica鄄
tion exceeded 6000 kg·hm-2, the soil active organic C and N could maintain the supply / demand
balance during maize growth season. To achieve the target maize yield and maintain the ecological
balance of soil organic C and N in black soil zone of Jilin Province, the chemical N application rate
would be controlled in the range of 200-240 kg N·hm-2, topdressing N should be at proper date,
and the application amount of crop residue would be up to 6000 kg·hm-2 .
Key words: DSSAT model; soil nitrogen cycling; sensitivity analysis; crop nitrogen uptake.
应 用 生 态 学 报摇 2011 年 8 月摇 第 22 卷摇 第 8 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Aug. 2011,22(8): 2075-2083
摇 摇 应用作物鄄土壤动力模型模拟作物鄄土壤氮(N)
循环和养分平衡是最有效的作物栽培和土壤肥力管
理技术之一,了解土壤氮循环过程是建立土壤氮循
环模型的基础[1] . 鉴于氮素在植物鄄土壤鄄大气循环
中的重要性,如今对农田氮循环的模拟已成为定量
研究作物鄄土壤生态系统氮动态平衡的主要内
容[2-5] .当前在我国东北玉米产区,普遍存在高化肥
投入以便保证高产的种植方式.由于化肥用量高,加
之玉米连作和非机械化的耕作制度,使农民很少做
到全部作物秸秆还田. 如此种植方式和循环导致吉
林省黑土地区玉米田生态系统的营养不平衡[6] . 如
高氮肥条件使土壤无机氮过剩,过剩的土壤无机氮
(硝态氮)随降雨以地表径流和淋溶的方式淋失,或
以反硝化方式变成 N2O或 N2挥发,降低了肥料利用
率,从而造成土壤养分淋失,并增加氮对水、空气和
环境的污染.另外,目前我国黑土地区没有大量的农
家肥料补充,低水平的作物秸秆还田导致土壤有机
碳和氮的储存量严重下降,使土壤生产力降低[7],
土壤营养和生态平衡受到严重破坏.
农业技术转化决策系统(decision support system
for agrotechnology transfer,DSSAT)由美国佛罗里达
大学、夏威夷大学、依阿华州立大学、美国农业部国
际土壤和肥力研究中心和加拿大高尔夫大学于
1989 年共同开发. 1998 年发表了 DSSAT 3. 5 版
本[8];2004 年发表 DSSAT 4. 0 版本[2,9];DSSAT 4. 5
版本已在 2008—2010 年的 DSSAT 培训班中测试,
即将发表.迄今,DSSAT 模型已被广泛应用于各个
研究领域. DSSAT模型能用于当年或多年作物生长
模拟,可在 20 多种作物、许多土壤和气候带应用.近
年来,DSSAT模型还用于区域作物生产潜力、土壤
残留氮的模拟分析. 其中,DSSAT鄄CERES 土壤模型
是 DSSAT作物系统模型最早使用的公共土壤模型.
Gijsman等[10]将 Century 土壤模型(Century 模型是
广泛应用的独立土壤模型,包括土壤碳、氮、磷的主
要循环过程) 从程序水平上与 DSSAT 连接,使
DSSAT 4. 0和 DSSAT 4. 5 版本有 2 个土壤模型可以
选择.在模拟低输入作物系统(主要靠土壤有机质
和作物残体降解提供养分)或模拟长期土壤碳、氮
循环方面,Century土壤模型优于 CERES 土壤模型.
为此,本文选用 DSSAT 软件系统的 CERES 作物模
型和 Century土壤模型[11-13],对吉林省黑土地区玉
米作物生长和土壤氮循环进行模拟,探讨氮肥用量、
施肥时期和不同秸秆还田量对作物产量、氮吸收、土
壤供氮能力以及维持土壤有机碳、氮平衡的影响,为
吉林省黑土地区生态环境改善、合理施肥提供科学
依据.
1摇 材料与方法
1郾 1摇 试验设计
本试验于 2008、2009 年在吉林农业大学试验站
(43毅48忆39义 N,125毅23忆 79义 E)进行.供试土壤为黑土
(mollisol),供试作物为玉米(Zea mays). 试验地土
壤肥沃、地势平坦,位于吉林省黑土区的中心地带.
玉米是该地区连年种植的高产旱地作物之一,
由于土壤肥力水平不等 ,施肥量在1 5 0 ~ 3 8 0
kg N·hm-2 [14] . 2008 和 2009 年田间试验在同一地
块邻近位置进行,前茬作物均为玉米,中等施肥水平
(施肥量为 150 kg N·hm-2 ),磷 (75 kg P2 O5 ·
hm-2)、钾肥(75 kg K2O·hm-2)为播种前一次性施
用,常规田间管理[15] . 两年田间试验的玉米品种均
为吉农大 588,各设 3 个氮肥处理: 0 ( N0 )、 120
(N120)和 240 kg N·hm-2(N240),每处理 3 次重复,
每个小区面积40 m2,随机区组排列. 2008 和 2009
年,均在 5 月 8 日播种,播种密度 50000 株·hm-2,
氮肥 1 / 3 作基肥随种下地(5 月 8 日),2 / 3 作追肥
(6 月 28 日追肥 ) 施用,氮肥品种为尿素 ( N
46郾 3% ),耕作方式为传统耕作,秸秆还田量为 3000
kg·hm-2,10 月 6 日收获.
1郾 2摇 土壤参数
DSSAT鄄Century土壤模型需要 2 种土壤输入数
据:1)稳定性土壤分层理化性状数据;2)模拟(播
种)前土壤分层无机氮和水分含量. 准确提供这两
种数据对精确模拟作物初期生长、土壤水分、养分供
应和分布至关重要.
稳定性土壤分层理化数据于 2008 年测定,播种
前每小区按蛇形 5 点挖土壤剖面(0 ~ 100 cm)、采
分层(0 ~ 60 cm每 15 cm一层,60 ~ 100 cm每 20 cm
一层)样品,每层样品测定土壤 pH、阳离子交换量
(CEC)、机械组成、容重、有机碳、萎蔫含水量、田间
持水量和饱和含水量,具体测定方法见文献[15].
2009 年土壤播种(5 月 3 日)前,每小区按蛇形
5 点挖土壤剖面(0 ~ 100 cm)、采分层(0 ~ 60 cm 每
15 cm一层,60 ~ 100 cm 每 20 cm 一层)样品,测定
土壤无机氮和水分含量. 0 ~ 60 cm 土壤无机氮的测
定采用 DSSAT模型建议的无机氮测定方法[8] . 60 ~
80 和 80 ~ 100 cm 土层土壤无机氮含量用递减法进
行估算[16-17] . 2009 年播种前土壤动态含水量用模
型模拟方法获得 :设定DSSAT模拟开始时间为
6702 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 22 卷
表 1摇 试验地土壤水分参数、容重及播种前土壤水分和无机氮含量
Table 1摇 Soil water parameters, bulk density and soil water and mineral nitrogen contents before planting in the experimen鄄
tal plots
土壤深度
Soil depth
(cm)
萎蔫含水量
Wilting water
content
(cm3·cm-3)
田间持水量
Field water
capacity
(cm3·cm-3)
饱和含水量
Saturated water
content
(cm3·cm-3)
土壤容重
Bulk density
(g·cm-3)
播前含水量
Water content
before planting
(cm3·cm-3)
播前硝态氮
NO3 - 鄄N
before planting
(mg·kg-1)
播前铵态氮
NH4 + 鄄N
before planting
(mg·kg-1)
0 ~ 15 0郾 15 0郾 35 0郾 42 1郾 16 0郾 36 13郾 89 2郾 90
15 ~ 30 0郾 14 0郾 35 0郾 43 1郾 32 0郾 33 9郾 67 2郾 90
30 ~ 45 0郾 13 0郾 37 0郾 45 1郾 22 0郾 32 6郾 32 2郾 81
45 ~ 60 0郾 14 0郾 39 0郾 46 1郾 19 0郾 33 3郾 83 2郾 63
60 ~ 80 0郾 14 0郾 38 0郾 46 1郾 19 0郾 38 2郾 00 1郾 50
80 ~ 100 0郾 14 0郾 40 0郾 46 1郾 19 0郾 38 1郾 00 1郾 00
2008 年 5 月 8 日,连续模拟到 2009 年 5 月 9 日,即
得到相应的分层土壤含水量. 2008 年测定的分层土
壤稳定性水分参数、容重和 2009 年播种前模拟的分
层土壤含水量(表 1),作为 DSSAT 模型的输入数
据. 播种前 0 ~ 100 cm 土层平均无机氮含量为
95. 4 kg N·hm-2,0 ~ 100 cm 土层的土壤含水量为
35郾 2 cm.
1郾 3摇 气象数据
2008 和 2009 年的气象数据源于吉林省气象台
西郊气象站,该站距试验地点 30 km.支持 DSSAT模
型的气象数据包括经度、纬度、海拔高度、日太阳辐
射能(MJ·M-2)、日最高和最低气温(益)以及日降
水量(mm).用 WeatherMan 软件对各气象指标进行
格式转换.由于该气象站没有太阳能辐射记录,本文
用日照时间估算太阳辐射能[15] . 2008、2009 年的年
降水量分别为 937 和 458 mm,生长季节 (5 月 8
日—10 月 6 日)降水量分别为 628 和 332 mm.与正
常年份相比,2008 年属于湿润年,2009 年属于干旱
年.
1郾 4摇 敏感性分析
敏感性分析指在其他参数不变的条件下,增加
或减少某个参数值后输出变量的变化幅度[18-19] .本
文分析了 DSSAT输入参数(施氮肥量、追肥时间、播
前土壤无机氮、播前土壤含水量和作物桔杆还田
量)对作物氮吸收、土壤无机氮含量和土壤活性有
机碳含量的敏感性.根据吉林省常用施肥量、施肥时
间和玉米秸杆生物量,将各参数的取值范围设 8 ~
10 个水平(表 2).根据表 2 的因素水平表,设计了 5
个 DSSAT生长模拟试验文件,每个文件用来模拟表
2 的 1 个参数(8 ~ 10 个水平),然后应用 2008 和
2009 年的试验和气象数据进行敏感性试验.
1郾 5摇 模型校验
由于本试验为田间连续性植株地上生物产量取
样,这样的时间序列取样存在自相关性,会破坏统计
检验的假设(即误差方差的独立性、随机性和方差
齐性),需进行数据转换,否则用经典统计方法会产
生偏差[20] . 因此,本文采用均方根差(RMSE)和平
均误差(E)进行模型校验[20-21],其算式如下:
摇 摇 RMSE = 移
n
i = 1
(yi - xi) 2 / n (1)
E =移
n
i = 1
(yi - xi) / n (2)
RMSE、E值越小,表明实测值(y)与模拟值(x)
越接近,模型模拟结果越准确. RMSE 值可避免正负
误差抵消,但不能度量模型模拟结果比测量值偏高
还是偏低,用 E值可估量这个误差[20-21] .
1郾 6摇 作物生长模拟和结果输出
本研究共运行 12 个 DSSAT 玉米生长模拟文
件,其中 ,10个敏感性分析试验 (即2年 伊 5个参
表 2摇 敏感性分析所选的参数及其水平
Table 2摇 Selected parameters and levels for sensitivity anal鄄
ysis
水平
Level
施氮肥量
N appli鄄
cation
(kg N·
hm-2)
追肥日期
Topdressing
date
播前土壤
无机氮
Soil
inorganic
N before
planting
(kg N·
hm-2)
播前土壤
含水量
Soil water
content
before
planting
(cm)
作物秸杆
还田量
Crop residue
application
(kg DM·
hm-2)
1 0 (N0) 05鄄14 25 15郾 0 0
2 60 (N60) 06鄄13 50 17郾 5 1500
3 90 (N90) 06鄄18 75 20郾 0 3000
4 120 (N120) 06鄄23 100 22郾 5 6000
5 150 (N150) 06鄄28 125 25郾 0 8000
6 180 (N180) 07鄄03 150 27郾 5 10000
7 240 (N240) 07鄄08 175 30郾 0 12000
8 300 (N300) 07鄄13 200 32郾 5 14000
9 360 (N360) 07鄄18 - 35郾 0 -
10 420 (N420) 08鄄07 - 37郾 5 -
77028 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 杨靖民等: 基于 DSSAT模型的吉林省黑土作物鄄土壤氮循环和土壤有机碳平衡摇 摇 摇 摇 摇
数),2个田间试验(2008、2009 年的 3 个氮素水平田
间试验,用以校验地上生物产量和籽粒产量的准确
性).作物生长文件编制好后,结合其他已编制的土
壤、气象和品种参数文件,用 DSSAT 4. 5 软件分别运
行 2个作物生长文件和 10 个敏感性分析文件. 用
EasyGrapher 4. 5软件[22]进行日输出和季节输出并绘
图,选取有代表性的图形进行编辑、整理和分析.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 玉米生长和产量的校验
在 2009 年的干旱条件下,田间试验收获的玉米
地上干物质量和籽粒产量明显低于 2008 年. 如
2008 年 N240处理下玉米产量高达 15000 kg·hm-2,
而 2009 年则为 11725 kg·hm-2 . 应用 2008 年校验
后的玉米品种参数对 2009 年的田间试验进行模拟
发现,所模拟的玉米产量比实测的玉米产量增高
30% (N240)到 80% (N0),其原因在于籽粒生育后期
的 2 个参数,即玉米潜在最大穗粒数和玉米潜在最
大灌浆速率容易受降水量和温度影响. Boote[23]指
出,玉米光辐射利用率 ( radiation use efficiency,
RUE)是 DSSAT 用户可以调整的生态参数,它控制
着干物质积累速率,在低肥力条件下会明显下降.本
文中玉米光辐射利用率分别为 2. 0(N0)、3郾 5(N120)
和 4. 2(N240),校验后的品种参数———完成非感光幼
苗期大于 8 益的积温(P1)、光周期敏感系数(P2)、
吐丝至生理成熟期大于 8 益的积温(P5)、潜在最大
穗粒数(G2)、潜在最大灌浆速率(G3)、叶片出现间
隔特征系数(PHINT) [15]分别为 260、0. 73、800、700、
8. 32 和 38. 9,以上参数值均在 DSSAT 品种参数范
围内[24] .
应用校验后的参数进行重新模拟,结果表明,研
究区玉米的生理成熟期为 9 月 20 日,产量干质量分
别为 5298 kg·hm-2(N0 )、9167 kg·hm-2(N120 )和
10907 kg·hm-2(N240),与 2009 年的实测产量没有
显著差异.用校验后的品种参数准确模拟玉米产量,
是继续对植株氮含量和土壤鄄植物氮系统的其他参
数进行敏感性分析的前提[25-26] .
2郾 2摇 玉米植株全氮含量的校验
玉米生长初期,植株体内全氮含量最高(3% ~
4% ),随作物生长,体内全氮含量逐渐下降,生长后
期降至 1%以下,并且高氮处理(N240)的全氮含量在
整个生长期均显著高于低氮处理(N0),且不同施氮
处理下植株全氮含量的模拟值与田间实测结果的拟
合效果较好(图 1). 2009 年试验玉米植株全氮随时
间的变化曲线与 2008 年[15]基本相似. Plenet 和 Le鄄
maire[27]以及 Grenwood 等[28]的研究结果与本研究
基本一致.
2008 和 2009 年玉米植株全氮含量的 RMSE、E
值分别为 0. 59% 、-0. 12%和 0. 55% 、-0. 36% ,说
明实测值与模拟值之间误差很小. 由于 E 是负值,
说明模拟值比实测值平均高0郾 12% (2008年)和
图 1摇 试验地玉米生长季植株全氮含量模拟值(玉)与实测值(域)的比较
Fig. 1摇 Comparison of simulated value (玉) and measured value (域) of plant total N content during corn growth period in the experi鄄
mental plot.
8702 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 22 卷
0郾 36% (2009 年). 表明 DSSAT 作物模型能够较准
确地模拟研究区玉米植株氮含量.杨靖民等[15]已证
明,玉米地上生物产量的模拟值与实测值不存在显
著差异,因此可推断,应用模型模拟的作物地上氮吸
收量即为地上干物质质量伊植株含氮量.
2郾 3摇 敏感性分析
吉林省黑土玉米带常用的氮肥为尿素.尿素在
土壤中经脲酶水解后转化成 NH4 + 鄄N,在好气条件
下,经过硝化作用转化成 NO3 - 鄄N;在嫌气条件下,经
反硝化作用生成 NO2、N2O等气体进入大气中.在作
物不同生长时期,土壤中无机氮含量的高低是合理
施用氮肥的依据.本文主要讨论施氮量、氮肥追肥时
间、播种前土壤水分和无机氮含量对玉米产量和土
壤无机氮含量的影响,以及玉米秸杆提供的有机物
对土壤有机碳氮平衡的影响.
2郾 3郾 1 施肥量的敏感性摇 土壤无机氮含量对施氮量
非常敏感(图 2). 在不施氮肥情况下,随着作物生
长,土壤无机氮含量保持在较低的平衡状态;随着施
氮量的增加,土壤无机氮含量显著增加,特别是追肥
后 3 ~ 5 d(模拟开始后的 60 d 左右,7 月 3 日),最
大值可达 400 kg N·hm-2(图 2). 随着作物吸收 N
量的增多,土壤无机氮含量逐渐下降.当施肥量超过
180 kg N·hm-2时,作物生长后期残留土壤中的无
机氮明显增高.在最高施肥量(420 kg N·hm-2)条
件下,2008 和 2009 年收获后土壤残留氮分别为 233
图 2摇 玉米生长季内不同氮肥用量下土壤无机氮含量的动
态
Fig. 2摇 Dynamics of soil inorganic N content under different fer鄄
tilizer N rates during corn growth period.
图 3摇 玉米收获后土壤无机氮含量和作物氮吸收对施氮量
的敏感性
Fig. 3摇 Sensitivity of soil inorganic N and crop N uptake to fer鄄
tilizer N after corn harvest.
玉:土壤氮 Soil N; 域:作物氮 Crop N. 下同 The same below.
和 264 kg N·hm-2(图 3). 2009 年土壤无机氮的分
布规律与 2008 年相同. 高施氮量导致高土壤残留
氮已被许多研究证实[29-30],这些结果越来越引起各
国对氮肥过多施用所造成大气和水污染的重视.
2008 年玉米收获后,作物氮吸收量随施氮量的
增加而增加,但施氮量超过 180 kg N·hm-2后作物
氮吸收量增加缓慢,超过 240 kg N·hm-2后作物氮
吸收不再增加(图 3). 2009 年的变化规律与 2008 年
一致,但由于 2009 年天气干旱,导致其生物产量比
2008 年降低 20% ,作物吸收氮量比 2008 年低 37
kg N·hm-2,而土壤无机氮含量比 2008 年高 31
kg N·hm-2 .
2郾 3郾 2 追肥时期的敏感性摇 不同施氮处理下土壤无
机氮含量受追肥时间的影响均很大,且变化趋势基
本一致. 如 2009 年 N240处理下,由于追肥时间不同,
土壤无机氮峰值出现在追肥之后的时间不同:5 月
14 日追施氮肥(早期追肥),20 d土壤无机氮含量达
峰值(250 ~ 270 kg N·hm-2),因为这一时期降雨量
较少,作物吸氮量很低,土壤中无机氮含量可以维持
在 200 kg N·hm-2以上长达 30 d 左右,但追肥时间
过早,作物根系不发达,容易烧根烧苗;6 月 28 日追
施氮肥, 3 ~ 5 d 后土壤无机氮含量达 200
kg N·hm-2,然后降至 170 kg N·hm-2维持大约 2
周时间,之后由于作物根系吸氮量很大,土壤无机氮
97028 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 杨靖民等: 基于 DSSAT模型的吉林省黑土作物鄄土壤氮循环和土壤有机碳平衡摇 摇 摇 摇 摇
含量迅速下降;追肥时间过晚,作物吸收利用减少,
使土壤残留氮增加,8 月 7 日追施氮肥,土壤无机氮
含量最大值可达 200 kg N·hm-2,并一直维持较高
水平(图 4).说明适时追肥,作物吸收利用增加,土
壤无机氮含量随之下降;推迟追肥时间,作物吸收利
用减少,土壤无机氮含量的下降速度变缓,最终使收
获后的土壤残留氮量增加. 2008 年的变化趋势与
2009 年类似,但最终残留量较低.
追肥时间适当后移可以提高玉米对氮素的吸
收,降低氮肥用量,但过晚追肥会造成土壤残留氮的
增加[31-32] .玉米收获后的土壤无机氮含量受追肥时
间影响明显(图 5). 7 月 3 日以前追肥,土壤无机氮
含量较低,玉米氮吸收量达到最大;推迟追肥,作物
吸氮量降低,不能满足作物生长发育的需求,因此留
下大量的土壤无机氮.
2郾 3郾 3 土壤初始水分和无机氮含量的敏感性摇 玉米
的前期生长和保苗率直接依赖于土壤播种前的墒情
(水分 /温度)和无机氮含量,由于 2008 年玉米生长
季节的降水量较高,播种前土壤含水量对 2008 年的
产量没有太多影响,土壤无机氮含量对初始水分含
量也不敏感.为了探讨土壤墒情对土壤无机氮的影
响,本文利用 2009 年气候数据对模型的初始条件进
行敏感性分析,设定播种前土壤无机氮含量在 25 ~
200 kg N·hm-2(表 2),播前 0 ~ 100 cm土层的总土
壤含水量分别为 17. 5 和 35 cm,对 2009 年敏感性分
图 4摇 N240处理下玉米生长期内土壤无机氮含量随追肥时间
的动态变化
Fig. 4 摇 Dynamics of soil inorganic N content to N topdressing
date during corn growth period under N240 treatment.
图 5摇 玉米收获后土壤无机氮和作物氮吸收对追肥时间的
敏感性
Fig. 5摇 Sensitivity of soil inorganic N content and total crop N
content to N topdressing date after corn harvest.
析进行讨论. 2009 年玉米生长季节降水量较低,播
前土壤含水量对当年产量有显著影响. 如播前土壤
含水量为 17. 5 cm 时,N240处理的玉米产量仅 5058
kg·hm-2;播前土壤含水量达 35 cm时,玉米产量可
达 10907 kg·hm-2 . 土壤初始无机氮含量对 2009
年玉米收获后土壤无机氮含量的影响较大,在春播
墒情不好的条件下(土壤含水量 17. 5 cm),收获后
土壤无机氮含量可达 133 ~ 268 kg N·hm-2;在春播
墒情较好的条件下(土壤含水量 35 cm),收获后土
壤无机氮含量在 50 ~ 208 kg N·hm-2(图 6). 这与
王西娜等[33]和 Cui等[34]的研究结果一致.
2郾 3郾 4 玉米秸杆还田对土壤有机碳和氮生态平衡的
敏感性摇 吉林省黑土地区的玉米年均产量在 12000
kg·hm-2,每年约收获等量的秸杆,如果能全部归还
到土壤中,可以显著增加土壤有机碳、氮的水平,提
高土壤肥力.本文的敏感性分析目标之一是确定施
用多少秸杆能保持土壤碳、氮达到自然平衡或生态
平衡. 2009 年的敏感性分析表明:当玉米秸杆施用
量为 1500 kg·hm-2,土壤活性有机碳、氮含量明显
下降;当秸杆还田量大于 6000 kg·hm-2时,土壤活
性有机碳和氮含量能够维持当年的动态平衡(即播
种前与收获后土壤活性有机碳、氮含量基本一致)
(图 7). 2008 年的模拟结果与 2009 年相似.玉米秸
杆矿化不仅提供土壤碳、氮元素,还提供其他营养元
素和改善土壤物理、化学和生态性状[35-36] ,可改善
0802 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 22 卷
图 6摇 玉米生长期内土壤无机氮含量对播前土壤无机氮水平的敏感性
Fig. 6摇 Sensitivity of soil inorganic N content during growth period to soil inorganic N levels before planting.
a)播前土壤含水量为 17. 5 cm Soil water content before planting was 17. 5 cm; b)播前土壤含水量为 35 cm Soil water content before planting was
35 cm.
图 7摇 土壤活性有机碳、氮对不同秸杆还田量的敏感性
Fig. 7摇 Sensitivity of soil active organic C and N to application amount of crop residue.
农田土壤生态环境,有利于维持农田生态平衡[37] .
3摇 结摇 摇 论
玉米作物品种参数的校验是 DSSAT 模型模拟
作物生长和产量的先决条件,准确模拟地上干物质
质量和产量是模型模拟土壤氮循环的基础. 本文的
敏感性分析表明:土壤无机氮含量在 100 cm土层中
的累积量随施氮量增加而显著增加;在较高施肥量
条件下, 玉米收获后土壤无机氮含量为 233
kg N·hm-2(2008 年)和 264 kg N·hm-2(2009 年);
6 月 28 日以后追肥,作物吸氮量下降、产量降低,同
时导致玉米收获后土壤无机氮含量相对增高,增加
了硝态氮的淋溶风险;播种前土壤无机氮和含水量
在干旱年(2009 年)对玉米生长至关重要;在低土壤
18028 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 杨靖民等: 基于 DSSAT模型的吉林省黑土作物鄄土壤氮循环和土壤有机碳平衡摇 摇 摇 摇 摇
含水量和高土壤无机氮含量条件下,玉米仍然严重
减产,导致土壤残留氮增加;如果土壤播前墒情好和
土壤无机氮含量较高,会减少干旱年的产量损失;当
玉米秸杆还田量大于 6000 kg·hm-2时,土壤当年的
可腐解活性有机碳、氮水平能够维持平衡.
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作者简介摇 杨靖民,男,1970 年生,博士研究生.主要从事作
物生长模型与模拟技术研究. E鄄mail: yangjingmin2001 @
163. com
责任编辑摇 杨摇 弘
38028 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 杨靖民等: 基于 DSSAT模型的吉林省黑土作物鄄土壤氮循环和土壤有机碳平衡摇 摇 摇 摇 摇