全 文 ：中国生态农业学报 2012年 4月 第 20卷 第 4期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Apr. 2012, 20(4): 414−421


* 公益性行业(农业)科研专项(201103039)资助
李虎(1981—), 男, 助理研究员, 博士, 主要从事农田生态系统碳氮循环研究。E-mail: lihu0728@sina.com
收稿日期: 2011-08-31 接受日期: 2011-11-24
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2012.00414
基于 DNDC模型的华北典型农田氮素损失
分析及综合调控途径*
李 虎 王立刚 邱建军
(中国农业科学院农业资源与农业区划研究所 北京 100081)
摘 要 氮素损失对农业生产造成的影响已成为当前研究的热点, 模型是对氮素损失影响评价及定量化研究
的有效手段。利用华北典型农田冬小麦−夏玉米轮作种植模式的作物产量、氮素淋失量等田间观测数据对
DNDC 模型进行了验证, 并采用验证后的 DNDC 模型对该种植模式的氮素损失进行了定量评价, 提出了综合
考虑作物产量、氮素淋失量、N2O 排放量以及 NH3挥发损失的综合调控途径。结果表明, DNDC 模型较好地
模拟了冬小麦−夏玉米轮作系统作物的产量、氮素淋失的动态变化规律, 以及土壤中 NO3−-N 和 NH4+-N 的残
留量, 说明 DNDC 已具备模拟农田生态系统中土壤氮素生物地球化学过程的能力。模型模拟结果表明, 在传
统农业管理措施下, 氮素通过淋失、N2O 排放以及 NH3 挥发损失的量分别达到 49.4 kg(N)·hm−2·a−1、17.71
kg(N)·hm−2·a−1和 144.8 kg(N)·hm−2·a−1。综合考虑氮素损失途径, 提出了适合当地农业生产条件的最优化管理
措施, 即减小当前常规施氮量到 340 kg(N)·hm−2·a−1, 提高玉米秸秆还田率到 100%, 并保持灌溉量不变。相比
常规管理措施 , 最优化管理措施氮素淋失量为 14.1 kg(N)·hm−2·a−1, 降低 71.5%, N2O 排放量为 14.91
kg(N)·hm−2·a−1, 降低 15.8%, NH3挥发损失量为 117.2 kg(N)·hm−2·a−1, 降低 19.1%, 而对作物产量基本不造成明
显影响。该评价结果可直接用于农业生产实践。
关键词 华北农田 氮淋失 N2O排放 NH3挥发 DNDC模型
中图分类号: S3 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2012)04-0414-08
Nitrate loss simulated with DNDC model and control technologies in
typical cropland of North China
LI Hu, WANG Li-Gang, QIU Jian-Jun
(Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China)
Abstract Modern agricultural practices are strongly linked to fertilizer application for maintaining optimum yields. However,
inefficient fertilizer use has led to a significant portion of the nitrogen (N) applied to farm fields reaching surface or underground
water and atmosphere systems. The scientists from all over the world are committing themselves on improving the utilization of N
fertilizer and decreasing the N leaching and N2O emissions from farmland. This paper aims to provide comprehensive manage-
ment alternatives which can accommodate the needs to maintain high crop yields, to conserve diminishing natural resources, and
to minimize environmental damage. The field experiment observations of N leaching, crop yields, etc., in conjunction with the
local climate, soil and management information from winter wheat-summer maize rotation field, were utilized to test a process
based model, Denitrification–Decomposition or DNDC, for its applicability for the cropping system, and then used the validated
model to quantitatively evaluate the N loss in winter wheat and summer maize rotation croplands of North China. The optimum
management practices were proposed with comprehensively consideration of the crop yield, N leaching, N2O emissions and NH3
volatilization. The results showed that the DNDC model could simulate the change of N leaching and soil residual NO3−-N,
NH4+-N well in winter wheat-summer maize rotation field. Moreover, the model generally had acceptable performances in the
model simulations for the yield of winter wheat and summer maize. According to the model’s simulation, the amount of N loss
through leaching, N2O emissions and NH3 volatilization were 49.4 kg(N)·hm−2·a−1, 17.71 kg(N)·hm−2·a−1 and 144.8
第 4期 李 虎等: 基于 DNDC模型的华北典型农田氮素损失分析及综合调控途径 415


kg(N)·hm−2·a−1, respectively, in the management of traditional practices. Comprehensively analysis of the nitrogen losses, the
authors put forward some optimum management practices for its applicability for local agricultural production conditions, which
were to reduce 40% of conventional nitrogen fertilizer to 340 kg(N)·hm−2·a−1, to improve the 100% rate of corn straw returned to
field, and to keep the conventional irrigation management practice. Compared with conventional management measures, the op-
timized management measures reduced 71.5% of N leaching to 14.1 kg(N)·hm−2·a−1, 15.8% of N2O emissions to 14.91
kg(N)·hm−2·a−1, and 19.1% of NH3 volatilization to 117.2 kg(N)·hm−2·a−1, and meanwhile maintained the crop yield. The evalua-
tion results could be applied directly to the agricultural production practice.
Key words North China farmland, Nitrogen leaching, N2O emissions, NH3 volatilization, DNDC model
(Received Aug. 31, 2011; accepted Nov. 24, 2011)
增加水肥特别是氮肥投入, 是作物产量不断提
高的重要措施之一。然而近年来的研究表明, 农业
生产上普遍存在氮肥用量大, 施用方式不合理等问
题, 导致氮素以氨挥发、硝酸盐淋溶及 N2O 排放等
途径损失, 既降低了氮肥利用效率和经济效益, 又
给环境带来巨大压力。如果长期按照传统模式进行
农业生产, 那么, 将来人类的生存空间将受制于环
境。冬小麦−夏玉米轮作是华北平原主要的作物种植
模式, 为保障我国粮食安全作出了巨大贡献。为获
得较高的粮食产量, 农民过量施用氮肥, 研究表明
该地区的年平均氮素投入量超过 500 kg·hm−2, 部分
高产粮区的氮素投入甚至达到 600 kg·hm−2 [1]。农民
为了追求效益, 完全凭经验超高量施用肥料, 而氮
素的大量盈余必然会显著增加氮肥向水体的直接流
失, 并且部分氮素还会积累在土壤中, 对地下水造
成潜在的威胁。然而在相当多的生产条件下提高粮
食产量和减少氮肥施用量存在一定的矛盾 , 因此 ,
如何既满足发展农业生产的需要, 又保护好环境问
题, 是摆在我国科技工作者面前的一项艰巨任务。
而建立一套高产高效与环境保护等多目标并重的水
肥管理方法是解决这一问题的关键。
近年来, 发达国家以农业和环境的可持续发展
为目标, 开始制定各种相应法规和农业管理措施。
在美国、澳大利亚、印度及西欧等农业较发达国家
或地区已对农田土壤氮流失和管理措施进行了广泛
研究 [2−3], 确定了不显著降低粮食产量却能显著减
少氮素在根系残留和向地下水淋滤的“最佳施肥
量”[4]。我国虽然在 20世纪 80年代初就已开展了定
量施肥的研究和推广 [5−6], 并且取得了一定的成效,
但由于施肥模式比较侧重于产量目标, 没有考虑环
境因素, 难以适应现代农业发展的要求。近年来更
多的管理措施综合考虑了作物产量以及环境的影
响[7−10]。然而, 这些研究在方法上以经验方程或静态
的定位试验来确定调控措施; 或者需要大量长期的
测定, 时间和经济成本较大; 或者没有综合考虑氮
素的气态损失以及反硝化损失等等。建立模拟模型
被认为是最有效和直接的研究方法。模型不仅是对
复杂的自然、化学和生物等过程的数学描述, 而且
具有现场监测手段所欠缺的预测及控制方案的模拟
制订功能 , 因此 , 模型越来越被普遍认可 , 已成为
研究环境污染控制和管理的主要手段。本研究以冬
小麦 −夏玉米田间试验为基础 , 借助验证后的
DNDC 模型, 通过设置不同水肥等管理措施, 对该
种植模式的氮素动力学过程进行定量分析, 包括氮
肥施用、N2O 排放、氨挥发、硝态氮淋失和作物吸
收, 遴选出优化管理措施, 以期为作物的友好生产
提供理论依据和实践指导, 并为区域模拟研究提供
参考依据。
1 材料与方法
1.1 研究地点概况
研究地点位于华北平原山东省济南市唐王镇一
农户地块(36.5°N, 117.14°E), 属半湿润暖温带大陆
性季风气候区, 全年降雨集中在夏季(6—10 月), 年
均降水量 700 mm左右, 年均气温 11~15 ℃。主要作
物种植方式为冬小麦−夏玉米轮作。供试土壤为黏壤土,
其基本理化性质为: pH 7.96, 耕层容重1.48 g·cm−3, 总
孔隙度 47.6%, 有机质含量 22.4 g·kg−1, 全氮含量
0.91 g·kg−1, 速效钾含量 60.8 mg·kg−1, 速效磷含量
6.6 mg·kg−1。冬小麦播种时间和收获时间分别为 10
月 7日和 6月 10日, 夏玉米播种时间和收获时间分
别为 6月 12日和 10月 6日, 均为机械播种和收获。
试验设常规施肥(FP)和对照(CK)2 个处理, 每个处
理 3次重复, 共有 6个田间试验小区, 每个试验小区
面积为 8 m×4 m。FP处理主要管理措施为播种前不
灌底墒水, 灌水量和施肥量均为当地常规灌水水平
和施肥水平, 灌溉所用的水为当地地下水, 施肥和
灌溉措施如表 1所示。CK处理不施任何肥料, 其他
管理措施与 FP处理相同。监测内容包括: 冬小麦和
夏玉米收获后产量; 主要生育期土壤中硝态氮和铵
态氮的残留量; 气象要素, 包括每日降雨量、最高和
最低气温, 观测方法为试验地点设置的小型气象台
站 ; 淋溶水 , 采用田间原装渗漏计(lysimeters)的方
法, 具体方法为在小区一侧挖 1 个 2 m 左右深的方
416 中国生态农业学报 2012 第 20卷


形土坑以放置接液瓶, 再在土坑截面深 0.9 m 处横
向掏 1 个大小和淋溶盘相仿的洞, 放入装置, 将土
分层填入、埋实, 淋溶水每月至少取 1次样, 在灌溉
或降雨后增大取样频率; 淋溶水中氮含量, 取水样
后立即于−20 °C 冰柜中保存至测定前解冻, 经 0.45
μm 滤膜过滤后用自动流动分析仪分析测试硝酸盐
含量。
1.2 研究方案
众多试验结果表明, 氮在各个过程中的分配可
以用农田管理措施加以调控[11]。而水肥管理是作物
生产中最容易、最有效、最为经常的调控手段, 在
农业决策支持系统中占有重要地位。本研究主要从
氮肥施用量、秸秆还田比例和灌溉水量的改变上设
定替代方案, 并综合考虑作物的持续高产和水肥资
源的周年高效利用问题, 利用 DNDC 模型来定量评
价氮素的综合损失, 遴选出有效的调控方案。替代
方案如表 2 所示: 农田管理措施变化包括改变氮肥
施用量、灌溉量和秸秆还田率, 由于多数施肥量都
在玉米生长季, 因此替代性方案的施肥量为保持冬
小麦季施肥量不变[165 kg(N)·hm−2·a−1], 只改变玉米
季的施肥量 , 即分别为玉米季常规施肥量的 40%
(Fert.40%)、50%(Fert.50%)、60%(Fert.60%)、80%
(Fert.80%)、120%(Fert.120%), 施肥次数不变; 由于
基础方案小麦收获后秸秆完全还田 , 玉米不还田 ,
因此替代方案分别为玉米秸秆还田率 50%(Resi.
50%)、100%(Resi.100%); 基础方案在整个生育期共
灌溉 5次, 每次灌水量 50 mm, 共灌溉 250 mm, 因此
设置替代方案在不改变灌溉次数和日期的条件下 ,
只改变总共灌水量, 分别为 125 mm(Irri50%)、200
mm(Irri80%)、300 mm(Irri120%)。然后将这些替代
性方案输入到 DNDC 模型中, 分别进行模拟, 模拟
的结果包括每年作物产量指标、经济指标和环境指
标。其中, 作物产量指标包括当年的小麦和玉米产
量之和[Yield, kg(C)·hm−2 ]; 经济指标包括氨挥发损
失量[NH3, kg(N)·hm−2]; 环境指标包括 N2O 排放量
[N2O, kg(N)·hm−2]、氮淋溶损失量 [N leaching,
kg(N)·hm−2]。定量评价各种调控措施的效果需要综
合考虑以下原则: 相对于农民习惯措施而言, 不导
致作物产量明显降低, 不致使温室气体 N2O 排放量
明显增加, 不导致氨挥发损失量明显增加, 不引起
土壤氮淋失明显增加。遵循上述原则, 本研究将定
量提出最优化的田间管理方式。
1.3 DNDC模型简介及模拟过程
DNDC(DeNitrification−DeComposition)模型是
美国 New Hampshire 大学发展起来的[12], 并在中国
农业科学院农业资源与农业区划研究所得到了本土
化的改进。该模型是对土壤碳(C)、氮(N)循环过程进
行全面描述的机理模型, 可以用来模拟 C、N等元素
在土壤−植被−大气之间的迁移转化等过程, 如 CO2、
N2O 和 CH4等温室气体的排放及估算, 土壤有机碳
(SOC)的动态变化, NO3−的淋溶等, 适用于点位和区
域尺度的任何气候带的农业生态系统, 是目前国际

表 1 试验中常规施肥处理的冬小麦−夏玉米轮作地田间管理措施
Table 1 Management practices of conventional fertilization treatment in winter wheat-summer maize rotation fields of the experiment
施肥 Fertilization 灌溉 Irrigation 作物
Crop 日期(月-日) Date (month-day) 种类 Type 用量 Rate [kg(N)·hm−2] 日期 Date 水量 Amount (mm)
10-07 磷酸二铵 Diammonium phosphate 96.00 11-25 50 冬小麦
Winter wheat 03-28 尿素 Urea 69.00 03-28 50
07-03 尿素 Urea 86.25 06-15 50
07-26 尿素 Urea 345.00 07-05 50
夏玉米
Summer maize
07-28 50
试验所设 CK处理无施肥, 灌溉同常规施肥处理。No fertilization was in the CK treatment of the experiment with the same irrigation practice
as the conventional fertilization treatment.

表 2 模型模拟中常规施肥处理的替代方案设置
Table 2 Alternative scenarios used for the modeling of the conventional treatment in the experiment
管理措施
Management
基础方案
Baseline
替代方案
Alternative
scenario
描述
Description
施氮量
N fertilization rate
[kg(N)·hm−2]
600 340, 381, 424,
510, 680
施肥量分别为玉米季常规施肥量的 40%、50%、60%、80%、120%, 小麦季施肥量不变
40%, 50%, 60%, 80%, and 120% of fertilization rate of the conventional fertilization treatment
for corn season, respectively, with the same fertilization rate as the conventional fertilization
treatment for wheat season
秸秆还田率
Crop straw returned rate (%)
0 50, 100 玉米季秸秆还田率为 50%和 100%
The rate of returned corn straw was 50% and 100%
灌溉量
Irrigation amount (mm)
250 125, 200, 300 灌溉量分别为全生育期基础灌溉量的 50%、80%和 120%
50%, 80%, and 120% of irrigation amount of base irrigation for whole wheat and corn seasons

第 4期 李 虎等: 基于 DNDC模型的华北典型农田氮素损失分析及综合调控途径 417


上较为成功的生物地球化学模型之一[13−15]。模型由
6个子模型构成, 分别模拟土壤气候、农作物生长、
有机质分解、硝化、反硝化和发酵过程。其中, 土
壤气候子模型(soil climate)是由一系列土壤物理函
数组成 , 其职能是由每日气象数据及土壤−植被条
件来计算土壤剖面各层的温度、湿度、pH及 Eh; 作
物生长子模型(plant growth)根据作物种类、气温、
土壤湿度、管理措施(如农田施肥、浇水、犁地、收
割、草地放牧等)来计算光合作用、自养呼吸、光合
产物分配、水分及 N 吸收, 从而预测作物的生长和
发育 ; 有机质分解子模型(decomposition)描述了土
壤有机质的产生和分解 , 以及部分有机碳转化为
CO2 进入大气; 硝化和反硝化子模型(denitrification
and nitrification)决定了 N2O和 NO这两种气体的产
出率, 并且计算由 NH4+转化为硝态氮(NO3−)的速率;
发酵子模型(fermentation)模拟在土壤淹水条件下甲
烷(CH4)的产生、氧化及传输。模型所有的函数方程
式或由物理学、化学或生物学的基本理论导出, 或
引用实验室模拟结果, 具体结构和反应方程式可参
考文献[12−13,16−17]。
1.4 模型的验证
验证是模型进一步应用的前奏工作 , 不可或
缺。模型的验证是用真实的驱动参数来运转模型 ,
即把田间观测到的气温、降雨量、施肥量、施肥日
期等数据输入到 DNDC 模型中, 然后将模型的模拟
输出结果与田间观测结果进行比较。DNDC 模型最
初是用来评价农业土壤中碳固存(carbon sequestra-
tion)及 CO2、N2O、CH4等温室气体排放的, 因此对
DNDC 在世界范围内的验证主要集中在模型模拟温
室气体排放上。后来, 随着研究的深入, 模型增加了
对水分在更深层土壤中垂直运动能力的模拟, 因而
在预测硝酸盐动态变化方面有了较大的提高[18]。笔
者也利用野外实测数据对该模型进行了精确的检
验 , 包括模型是否能捕捉到土壤中水分运动规律 ,
氮素淋溶量是否与实测一致等, 结果表明模型对模
拟氮素淋失方面也具有较高的可信度[19]。总之, 大
部分的研究结果都表明, 在跨越气候带及土地利用
类型的情况下, 模型不经内部参数调整, 就可以在
数量和动态方面非常接近地模拟多种碳、氮的库量
和流量, 说明在 DNDC 的结构中已包含了陆地生
态系统生物地球化学过程的主导因素和过程。本研
究拟对模型做进一步验证, 但由于田间试验条件和
数据获取的限制, 只针对主要的观测数据如作物产
量、氮素淋失量和土壤中无机氮含量对模型进行系
统验证。
2 结果与分析
2.1 DNDC模型的验证结果
(1)作物产量的验证。DNDC模型对作物产量的
模拟主要由作物生长子模型来进行。在实测中, 记
录了不同处理下冬小麦和夏玉米的综合产量来验证
模拟结果。通过对照和常规施肥处理的产量对比结
果表明(图 1), 模型计算与田间测量结果有很好的一
致性, 但模拟结果也存在一定误差, 模型低估了对
照处理的作物产量, 其主要原因是实际中虽然没有
氮肥的投入, 但由于田间条件的复杂性, 土壤中累
积的氮素仍可部分满足作物的生长需求, 而模型认
为氮素的不足导致作物不能完全生长, 而致产量偏
低。常规处理模型完全反映了冬小麦和夏玉米的产
量。这充分说明模型具备了模拟冬小麦−夏玉米产量
的能力, 为模拟预测冬小麦/夏玉米产量的进一步应
用提供了坚实的基础。



图 1 不同施肥处理下冬小麦−夏玉米整个生长季产量
实测值与 DNDC模拟值比较
Fig. 1 Comparison of DNDC simulated and measured crop
yield during the winter wheat-summer maize rotation period
under different fertilization treatments

(2)氮素淋失量的验证。通过对冬小麦−夏玉米
试验地氮素淋失量实测值与模拟结果对比表明, 模
型基本上捕捉到了实测中的小麦返青施肥后、玉米
生长季施肥后大量的氮素淋失量。同时对模拟值和
实测值进行相关分析表明, 模型计算与田间测量的
氮淋失量的相关系数(r)达到了 0.94, 经相关系数显
著性 T检验(P<0.01), 相关性显著, 表明 DNDC能较
好地模拟和再现该地区冬小麦−夏玉米轮作系统农
田土壤水分以及氮素的淋失(图 2)。
(3)土壤氮素的验证。模型计算与田间观测结果
均反映了冬小麦−夏玉米轮作田 0~50 cm 土层
NO3−-N 浓度随作物生长对 NO3−-N 的大量吸收而迅
速降低, 也反映出施肥作用而产生 NO3−-N 累积高峰
(图3a)。同时, 模型计算与田间观测也均反映了0~50 cm
土层 NH4+-N 浓度随作物生长对 NH4+-N 的大量吸收,
418 中国生态农业学报 2012 第 20卷




图 2 冬小麦−夏玉米轮作土壤氮淋失量实测值与
DNDC模拟值比较
Fig. 2 Comparison of DNDC simulated and measured N
leaching in the winter wheat-summer maize rotation field
: 对应日期为施肥日期 shows fertilizer application date.
夏季土壤高温低湿期间 NH4+-N 经硝化作用转变为
NO3−-N而使浓度迅速下降的变化趋势(图 3b)。可见
模拟与田间测量在主要 NO3−-N和 NH4+-N浓度峰的
峰值、出现的时间及变化趋势上均较接近。
2.2 不同氮肥施用量对氮素损失的影响
DNDC模拟结果表明, 在冬小麦−夏玉米整个生育
期间, 在农民传统管理措施下, 氮素通过淋失、N2O 排
放以及 NH3挥发损失的量分别达 49.4 kg(N)·hm−2·a−1、
17.71 kg(N)·hm−2·a−1、144.8 kg(N)·hm−2·a−1, 且均随施
氮量的升高而升高, 其中, 作物产量随施氮量的增
加达到最高值后, 再继续增加施氮量, 作物产量将
不再受到氮肥用量的影响 , 维持在一个稳定水平 ,
而氮素的淋失量和 NH3损失量因过量氮肥的作用此
后均急剧上升(图 4a)。当施氮量为常规施肥量的 60%



图 3 冬小麦−夏玉米轮作土壤中 NO3−-N(a)和 NH4+-N(b)实测值与 DNDC模拟值比较
Fig. 3 Comparison of DNDC simulated and measured concentrations of soil NO3−-N (a) and NH4+-N (b) from winter wheat-summer
maize rotation field



图 4 玉米−小麦轮作地不同管理措施对作物产量、氮淋失、N2O排放和 NH3挥发的影响
Fig. 4 Effect of alternative managements on crop yields, N leaching, N2O emission and NH3 volatilization in summer maize-winter
wheat rotation fields under different management practices
a图中 Fert.40%、Fert.50%、Fert.60%、Fert.80%、Baseline和 Fert.120%分别表示玉米季施肥量为常规施肥量的 40%、50%、60%、80%、
100%和 120%; b图中 Resi.50%、Resi.100%分别表示玉米秸秆还田率为 50%和 100%, Baseline、Irri50%、Irri80%和 Irri120%分别表示冬小麦和
夏玉米季总灌溉 250 mm、125 mm、200 mm和 300 mm。Fert.40%, Fert.50%, Fert.60%, Fert.80%, Baseline and Fert.120% in Fig. a represent the
fertilizer rate for maize season were 40%, 50%, 60%, 80%, 100% and 120% of conventional fertilization rate, respectively; Resi.50%, Resi.100% in
Fig. b represent the crop residue returned rate were 50% and 100%, respectively; Baseline, Irri.50%, Irri.80% and Irri.120% in Fig. b represent the
annual irrigation were 250 mm, 125 mm, 200 mm and 300 mm, respectively.

第 4期 李 虎等: 基于 DNDC模型的华北典型农田氮素损失分析及综合调控途径 419


即340 kg(N)·hm−2·a−1左右时, 作物产量达到最大值,
此后继续增加施氮量到常规施氮量的120%, 即作物施
氮量从340 kg(N)·hm−2·a−1增加到680 kg(N)·hm−2·a−1,
作物产量并没有显著增加 , 而氮淋失量从 17.3
kg(N)·hm−2增加到 61.6 kg(N)·hm−2, N2O排放量从
9.17 kg(N)·hm−2增加到22.25 kg(N)·hm−2, NH3损失
量从75.1 kg(N)·hm−2增加到178.8 kg(N)·hm−2, 分别
增加2.5倍、1.4倍和1.4倍。可见常规施肥量的60%
就能达到最大的综合效应, 传统的过量施氮是导致
氮素利用率不高的主要原因, 尤其对氮淋失量影响
最大。
2.3 不同秸秆还田率对氮素损失的影响
在保持常规施肥量不变的条件下, 秸秆还田可
以增加微生物在秋季对矿质氮的固定, 减少冬季农
田硝态氮的淋失, 并有利于提高氮素的利用率。模
拟结果表明, 当玉米秸秆还田率分别提高到 50%和
100%时, 虽然同常规施肥措施相比作物产量未显著
增加, 但氮素淋失量显著降低, 降低率分别为 6.2%
和 14.5%(图 4b)。从环境影响的角度考虑, 传统施肥
措施必须加以调整, 提高秸秆还田率为 100%的措施
更优。
2.4 不同灌溉量对氮素损失的影响
水分不仅是影响土壤氮素转化的重要因素, 也
是土壤氮素移动的载体, 特别是因大量灌水而在土
壤中出现的重力水是影响土壤氮素向土壤深层淋洗
的关键因素。模拟结果表明, 当降低灌水量到常规
的 50%和 80%时, 虽然氮素淋失量分别减少 70%和
50%, 但作物产量明显减少, 分别减少 7%和 20%,
可见水分是作物产量重要的限制因子, 且 NH3 挥发
损失量随灌水量的减少分别增加 12%和 5%; 当灌溉
水量增加到常规的 120%, 虽然能够减少 5.2%的
NH3 挥发损失量, 但由于灌水量越大, 土壤硝态氮
淋洗现象越明显, 氮素的淋失量增加 7.2%, 而作物
产量并没有明显增加, 因此再增加灌溉量已没有作
用, 可以认为常规灌水量是相对合理的。需要指出
的是, 在灌溉农业中, 虽然各点氮素淋失量显著减
少, 但由于氮肥的施用其不可避免。国外有研究表
明, 在采取最佳管理措施(BMPs)和适量施氮时也会
发生明显的NO3−-N淋溶, NO3−-N淋溶量甚至可占施
氮量的 41% [20]。
2.5 优化管理措施的定量评价
通过上述对氮肥施用量或灌水量等的优化, 得
出改变管理措施能较好地减缓粮食生产给环境带来
的负面影响, 但这只表明单项管理措施效果, 仍需
要定量化评价这些方案组合后的效果, 最佳模式也
必须经过比较才能确定。通过上述分析, 组合优化
措施即: 施氮量减小到常规施肥量的 60%, 并提高
玉米秸秆还田率到 100%, 保持灌溉量不变。将组合
后的优化方案输入到 DNDC 模型中, 定量分析其综
合效应, 再与基础方案进行对比。1年的模拟结果表
明, 与常规管理措施相比, 优化管理措施能明显减
少氮肥的损失(表 3)。氮素淋失量降低 71.5%, N2O
排放降低 15.8%, NH3挥发损失降低 19.1%, 而对作
物产量基本不造成明显影响, 说明降低氮肥用量的
40%产生较好环境效应的同时并没有降低作物产
量。可见在保证作物产量在可接受范围的条件下 ,
通过优化管理措施能显著减少氮素淋失量、N2O 排
放量以及 NH3挥发损失。

表 3 常规管理措施和优化管理措施下氮淋失、N2O排放、NH3挥发和作物产量模拟值
Table 3 Simulated N leaching, N2O emission, NH3 volatilization and crop yield for the tested cropping system under different
management practices
管理措施
Management
氮淋失量
N leaching [kg(N)·hm−2·a−1]
N2O排放量
N2O emission [kg(N)·hm−2·a−1]
NH3挥发量
NH3 volatilization [kg(N)·hm−2·a−1]
作物产量
Crop yield [kg(C)·hm−2·a−1]
常规 Conventional 49.4 17.71 144.8 5 982
优化 Alternative 14.1 14.91 117.2 5 938

3 讨论
众多研究表明, 氮在各个过程中的分配可以用
农田管理措施加以调控。高志岭[21]采用氮肥实时监
控技术进行优化施氮可以降低氮肥用量70 .8%~
76.4%, 降低N2O排放量61%~67%。丁新泉[22]研究认
为, 小麦季在传统施氮为300 kg(N)·hm−2 的管理方
式下, 氨挥发损失为58.3 kg(N)·hm−2, 而在优化施氮
管理方式下, 氮挥发损失能减少70%以上, 优化施
氮大大降低了氮挥发损失。本研究也表明传统的农
田管理措施需要优化, 尤其是氮肥施用量。作物产
量随施氮量的增加达到最高值后, 再继续增加施氮
量, 作物产量不再受到氮肥用量的影响, 只是维持
在一个稳定的平台, 而氮素的淋失量和NH3损失量
因过量氮肥的作用此后均急剧上升。有研究认为作
物产量随施氮量的增加达到最高值后, 再增加施氮
量, 产量不再升高或略有下降, 而氮素的淋失量却
急剧上升[23]。Chen等[24]研究也表明, 集约化农业生
产体系中过量施用氮肥对作物产量没有明显增加 ,
420 中国生态农业学报 2012 第 20卷


在高土壤初始无机氮的田块, 小麦产量不受氮肥施
用量的影响 , 即使氮肥用量减少70%, 作物产量也
没有明显降低。这些与本研究结果一致。
解决氮肥施用带来的环境问题, 不能简单地采
取降低氮肥用量消耗土壤氮素的途径。在相当多的
生产条件下获得作物高产和减少氮素对环境的负面
作用都存在一定矛盾。因此本研究主要从氮肥施用
量、秸秆还田比例和灌溉水量的改变上设定替代方
案, 并利用DNDC模型综合考虑作物产量、氮素淋失
以及N2O排放等问题。兼顾产量、氮肥利用率、N2O
排放和淋失量得到的管理措施认为是可接受的优化
方案。本研究中替代方案的设置并没有完全包含影
响这些指标的所有环境因子或农业管理措施, 因此
在以后的研究中需要进一步分析并增加指标的设置,
如土壤肥力、其他温室气体(CO2、CH4)的排放、水
肥用量等, 研究出一套比较全面的综合指标来定量
评价不同田间管理方式的优劣。此外, 受气候因素、
土壤条件、作物品种等的影响, 如降雨量的年际差
异、土壤属性的变化等都将影响到最佳管理措施的
制定。因此通过长期的模拟研究是未来评价优化管
理措施的重要手段。
4 结论
DNDC 模型较好地模拟了冬小麦−夏玉米轮作
系统作物的产量和氮素淋失的动态变化规律。同时,
也很好地拟合了土壤中 NO3−-N 和 NH4+-N 的残留
量, 模拟值和实测值相关性显著。这说明 DNDC已
具备模拟农田生态系统中土壤氮素生物地球化学
过程的能力。这对模型进一步的应用提供了重要的
科学依据。
通过 DNDC 模型定量评价表明, 农民习惯管理
措施存在过量施肥的情况。因此通过综合考虑作物
产量、氮素淋失量、N2O排放量以及 NH3挥发损失,
提出了适合当地农业生产条件的最优化管理措施 ,
应为玉米季施氮量减小到常规施肥量的 60%, 并提
高玉米秸秆还田率到 100%, 保持灌溉量不变。
优化管理措施与常规管理措施相比, 氮素淋失
量降低 71.5%, N2O排放量降低 15.8%, NH3挥发损失
量降低 19.1%, 而对作物产量基本不造成明显影响。
该评价结果可直接用于农民的生产实践, 同时对当
地农业决策部门制定科学合理的农业结构调整战略
具有很好的参考价值。
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“百人计划”招聘启事

中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心(以下简称中心)面向国家水安全、粮食安全、生态环境安
全的重大战略需求和农业资源与生态学前沿领域开展应用基础研究。根据中心科研布局与学科发展的需要, 现诚聘海内
外杰出人才若干名。
一、招聘研究领域
交叉前沿、农业水资源可持续利用及品种选育、区域与农田水循环、农田面源污染、生态系统过程及管理、农业
生物技术、农业信息与节水等相关领域的应用基础研究。
二、招聘条件
1. 具有中国国籍的公民或自愿放弃外国国籍来华或回国定居的专家学者, 年龄一般不超过 45周岁, 身体健康;
2. 恪守科学道德, 学风正派、诚实守信、严谨治学、尊重他人, 具有团队合作精神, 并对所招聘的研究领域有浓
厚研究兴趣和艰苦创业的奉献精神;
3. 具有博士学位且在相关研究领域有连续 3年以上在海外科研工作经历、在国外获得相应职位, 或在国内本学科
领域已取得有影响的科研成果且获得研究员(教授)职位;
4. 独立主持或作为主要骨干参与过课题(项目)研究的全过程并做出显著成绩;
5. 在本学科领域有较深的学术造诣, 做出过具有国际水平的研究成果, 在重要核心刊物上发表过 3篇及以上有影响的
学术论文并被引用(第一或通讯作者), 或掌握关键技术、拥有重大发明专利等, 其研究水平足以担当我中心的学术带头人;
6. 在国内外学术界有一定的影响, 能把握本学科领域的发展方向, 具有长远的战略构思, 能带领一支队伍在国际
科学前沿从事研究并做出具有国际水平的创新成果。
三、岗位及待遇
1. 聘为研究员(全职)、研究组组长、研究生导师;
2. 入选“百人计划”后由中国科学院提供科研经费 200万元人民币;
3. 研究中心提供每年 30万元人民币的研究组研究经费;
4. 研究中心创新领域前沿研究课题 1项, 经费 50万元人民币;
5. 依据科研工作需要提供 100 m2 的科研用房(待新科研大楼建成后再行改善), 以及所需的相关设施与试验用地,
并配备选聘的科研助手;
6. 基本年薪 20万元人民币加研究生导师津贴, 绩效奖励根据业绩发放;
7. 购房补贴 90万元人民币;
8. 10万元人民币的安家费;
9. 享有中心其他的良好福利待遇;
10. 协助安置配偶就业和子女就学, 随迁配偶在暂未落实工作期间, 可享受引进人才配偶生活补贴 1000 元/月, 发
放时间不超过 12个月。
四、应聘材料
1. 填写《中国科学院“百人计划”候选人推荐(自荐)表》;
2. 相关证明材料复印件(已取得的重要科研成果证明、国内外任职情况证明、最高学位证书、身体健康状况证明等);
3. 发表论文目录及代表性论文 3篇(全文, 复印件);
4. 2位教授级国内外同行的推荐信函;
5. 本人认为有必要提供的其他相关材料。
五、联系方式
有意者请将本人应聘材料电子文档发至以下联络方式(请在邮件主题上注明: 姓名+百人计划+研究领域或方向):
联系人: 韩一波
电 话: 86-311-85871740 传 真: 86-311-85815093
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