





中国农业科学 ›› 2024, Vol. 57 ›› Issue (10): 1943-1960.doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2024.10.008
王文俊1,2(
), 梁爱珍1,2(
), 张延1,2, 陈学文1,2, 黄丹丹1,2
收稿日期:2023-06-12
接受日期:2023-08-03
出版日期:2024-05-16
发布日期:2024-05-23
通信作者:
联系方式:
王文俊,E-mail:wangwenjun22@mails.ucas.ac.cn。
基金资助:
WANG WenJun1,2(
), LIANG AiZhen1,2(
), ZHANG Yan1,2, CHEN XueWen1,2, HUANG DanDan1,2
Received:2023-06-12
Accepted:2023-08-03
Published:2024-05-16
Online:2024-05-23
摘要:
【目的】保护性耕作是恢复和提高土壤肥力的重要措施,土壤有机碳在保持土壤肥力、维持作物生长与保护土壤环境方面具有非常重要的作用。然而,目前国内仍然缺少研究长期耕作的监测平台,因此采用模型的方法有助于研究长期保护性耕作下土壤有机碳的动态。【方法】依托东北黑土地保护性耕作长期定位试验地,选取免耕(NT)、秋翻(MP)、垄作(RT)3种处理下的土壤为研究对象,优化过程模型(RothC、AMG模型)与统计模型(MLPNN模型)的结构与参数,对比模拟长期保护性耕作下土壤有机碳储量的动态变化,评估不同模型对保护性耕作土壤有机碳动态模拟与预测的效果,并揭示东北黑土有机碳对保护性耕作的长期响应及其影响因素。【结果】优化有机碳在模型中各碳库的分配系数后,RothC与AMG模型模拟误差显著降低。保护性耕作实施的前11年(2001—2012),RothC与AMG过程模型对土壤有机碳的动态变化模拟效果没有显著差异,说明过程模型复杂的结构对持续时间相对较短的试验模拟效果没有显著影响,统计模型MLPNN的模拟结果与过程模型相似,验证了统计模型在田块与样地等小空间尺度内的应用效果。未来100年RothC与AMG模型预测的MP处理土壤有机碳变化趋势相同,但RothC模型预测结果得出,NT与RT处理土壤有机碳表现出先增长后达到平衡的趋势,但AMG模型模拟的结果却是有机碳一直处于增长趋势,这可能与土壤碳饱和效应与耕作处理的影响有关。RothC与AMG模型对碳投入都具有很高的灵敏度,但对气候因素与土壤因素变化的响应却存在差异。【结论】模型模拟长期保护性耕作土壤有机碳动态时需要因地制宜选择合适的预测模型。在预测保护性耕作土壤有机碳的短期变化时可以采用结构较为简单的AMG过程模型;在进行长期预测时,可以采用结构较为复杂的RothC模型。在特定条件下,统计模型MLPNN在田块与样地等小空间尺度上对土壤有机碳的模拟与过程模型具有相近的效果。
王文俊, 梁爱珍, 张延, 陈学文, 黄丹丹. 黑土区保护性耕作土壤有机碳动态的模型模拟研究[J]. 中国农业科学, 2024, 57(10): 1943-1960.
WANG WenJun, LIANG AiZhen, ZHANG Yan, CHEN XueWen, HUANG DanDan. Model Simulation Research of Soil Organic Carbon Dynamics of Long-Term Conservation Tillage in Black Soil[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2024, 57(10): 1943-1960.
表1
RothC模型所需参数"
| 模型参数Model parameter | 数值Value |
|---|---|
| 月均温度 Monthly temperature (℃) | -14.1(一月 January),-9.4(二月 February),-1.6(三月 March),8.8(四月 April),16.4(五月 May),21.7(六月 June),23.4(七月 July),22.6(八月 August),17.1(九月 September),8.9(十月 October),-2.4(十一月 November),-12.3(十二月 December) |
| 月降水量 Monthly precipitation (mm) | 3.3(一月 January),6.1(二月 February),15.3(三月 March),26.8(四月 April),56(五月 May),100.7(六月 June),183(七月 July),127.5(八月 August),32.9(九月 September),27.6(十月 October),21.6(十一月 November),9.5(十二月 December) |
| 月蒸散量 Monthly evaporation (mm) | 0(一月 January),0(二月 February),2.45(三月 March),55.83(四月 April),101.85(五月 May),133.34(六月 June),143.44(七月 July),138.84(八月 August),106.11(九月 September),56.65(十月 October),0.031(十一月 November),0(十二月 December) |
| 黏粒含量Clay content (%) | 36.03(实测值 Measured value) |
| DPM/RPM | 1.44(默认值 Default value) |
| 年碳投入量 Plant residue input (t C·hm-2) | 4.34(NT),4.25(MP),4.37(RT),由(2)式计算得来 4.34(NT),4.25(MP),4.37(RT),calculated from equation (2) |
| 有机肥料月投入量 Manure input (FYM) | 全年为0 0 for the whole year |
| 取样深度 Depth of soil sample (cm) | 0-20 |
| 土壤覆盖 Soil cover | 详见1.2 不同耕作处理秸秆覆盖情况 Straw covering in different tillage treatments in 1.2 |
表2
AMG模型计算矿化速率参数k所需参数"
| 模型参数 Model parameter | 含义Meaning |
|---|---|
| T | 年平均气温 Average temperature (℃) |
| a1 | 温度函数参数,取20 Temperature function parameter, take 20 |
| b1 | 温度函数参数,取0.120 K-1 Temperature function parameter, take 0.120 K-1 |
| Tref | 对照温度,取15 ℃ Control temperature, take 15 ℃ |
| A | 土壤黏粒含量 Soil clay content (g·kg-1) |
| a2 | 黏土函数参数,取2.519×10-3 Clay function parameter, take 2.519×10-3 |
| H | 土壤湿度,取降水量P和灌溉水量IW之和与潜在蒸散量PET的差值 Soil moisture, taken as the difference between the sum of precipitation P and irrigation water IW and the potential evapotranspiration PET (mm) |
| a3 | 湿度函数参数,取 3.0×10-2 Moisture function parameter, take 3.0×10-2 |
| b3 | 湿度函数参数,取5.247 m-1 Moisture function parameter, take 5.247 m-1 |
| CaCO3 | 土壤CaCO3含量 Soil CaCO3 content (g·kg-1) |
| a4 | 碳酸钙函数参数,取1.50×10-3 CaCO3 function parameter, take 1.50×10-3 |
| pH | 土壤pH Soil pH |
| a5 | pH函数参数,取0.112 pH function parameter, take 0.112 |
| b5 | pH函数参数,取8.5 pH function parameter, take 8.5 |
| C/N | 土壤碳氮比 Soil carbon to nitrogen ratio |
| a6 | C/N函数参数,取0.060 C/N function parameter, take 0.060 |
| b6 | C/N函数参数,取11 C/N function parameter, take 11 |
表3
MLPNN模型所使用参数"
| 参数类型 Type of parameter | 参数 Parameter |
|---|---|
| 土壤因素 Soil factor | 土壤氮含量 Soil nitrogen content (t C·hm-2) |
| 年碳投入量 Carbon input per year (t C·hm-2) | |
| 养分投入因素 Nutrient factor | 氮施入量 Nitrogen input (t C·hm-2) |
| 磷施入量Phosphorus input (t C·hm-2) | |
| 钾施入量 Potassium input (t C·hm-2) | |
| 气候因素 Climate factor | 平均温度 Average temperature (℃) |
| 平均降水 Average precipitation (mm) | |
| 平均蒸散量 Average evaporation (mm) |
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