反硝化-分解模型在荒漠土壤CH4 和N2O通量估计中的应用

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2022.00131

摘要/Abstract

摘要：

甲烷（CH₄）和氧化亚氮（N₂O）等温室气体通量具有高度时空变化特点，通过野外站点直接测量耗时且费力。为弥补监测方面不足，解析变化环境下反硝化-分解模型（DNDC）模拟值和样地原位观测值之间的对应关系，探讨模型在温室气体预测方面的潜力具有意义。本文选择古尔班通古特沙漠，对氮沉降影响下荒漠土壤CH₄和N₂O通量进行了模拟估计，并与实测数据进行了对比分析。结果表明：DNDC模型可较好地模拟荒漠土壤N₂O通量的变化，模拟值与实测值显著相关（P<0.001）；而模型对荒漠土壤CH₄吸收量的变化模拟效果不显著，但模拟的年累计吸收量与真实值较为符合。DNDC模型敏感性试验分析表明，随着年平均气温、土壤有机碳（SOC）含量和施氮量的增加，土壤N₂O排放量和CH₄的吸收量显著增加；年降水量对土壤N₂O和CH₄通量变化影响不显著；土壤容重与土壤N₂O排放量和CH₄吸收量显著负相关；土壤质地对两种温室气体排放的影响显著，其中砂壤土影响最大。多元回归分析表明温度是荒漠土壤N₂O和CH₄的通量变化最重要影响因素。因此，在全球变化背景下，尽管模型目前运用于荒漠区还存在一些问题，但在将来荒漠区温室气体通量的变化估算方面仍具有很强的应用价值。

关键词: DNDC模型, 古尔班通古特沙漠, 温室气体, N₂O排放, CH₄吸收

Abstract:

Greenhouse gas （GHGs） fluxes such as methane （CH₄） and nitrous oxide （N₂O） vary strongly with spatial and temporal changes in terrestrial ecosystems. It is time-consuming and laborious to directly measure GHGs in the field. The application of the DNDC （denitrification-decomposition） model on data of in-situ observations would be beneficial for the determination of GHGs dynamics， which would fill the monitoring gap. Potential of the DNDC model for GHGs prediction was explored in this study. Characteristics in CH₄ and N₂O fluxes were simulated and compared from soils under the effects of different concentrations of nitrogen addition in the Gurbantunggut Desert. The results showed that the DNDC model can simulate the changes in N₂O emissions from desert soils， with the simulated values significantly correlated with the measured values （P<0.001）. However， the simulated changes in CH₄ uptake in desert soils were not significant with measured values， although the simulated annual cumulative uptake was not significantly different. The sensitivity test analysis of the DNDC model showed that soil N₂O emissions and CH₄ uptake increased significantly with increasing mean annual temperature， soil organic carbon （SOC） content and nitrogen application. Annual precipitation had no significant effect on changes in soil N₂O and CH₄ fluxes， and soil bulk weight showed significant negative correlation with soil N₂O emissions and CH₄ uptake. Different textured soils had significant effects on the two GHG emissions， with sandy loam soils having the greatest effects. We found that temperature was the most important factor influencing the fluxes of N₂O and CH₄ in desert soils through multiple regression analysis. Under the background of global change， our results suggested that the DNDC model would have a strong application prospect in estimating the changes in greenhouse gas fluxes in desert areas in the future， although there are still some problems in the application of the model to desert areas.

Key words: DNDC model, Gurbantunggut Desert, greenhouse gas, N₂O emissions, CH₄uptake

中图分类号:

S153.1

张世航, 岳平, 陈玉森, 郭浩, 陆永兴, 郭星, 刘朝红, 刘学军, 周晓兵, 张元明. 反硝化-分解模型在荒漠土壤CH₄ 和N₂O通量估计中的应用[J]. 中国沙漠, 2023, 43(3): 220-229.

Shihang Zhang, Ping Yue, Yusen Chen, Hao Guo, Yongxing Lu, Xing Guo, Chaohong Liu, Xuejun Liu, Xiaobing Zhou, Yuanming Zhang. Simulation of changes in CH₄ and N₂O fluxes in desert soils by the DNDC model[J]. Journal of Desert Research, 2023, 43(3): 220-229.

图/表 6

表1 驱动因子参数值变化的敏感性测试

Table 1 Sensitivity tests for changes in driving factor parameter values

参数	基准	检验范围
年平均气温/℃	6.6	±（1~3）
年降水量/mm	120	±（10%~30%）
土壤容重/(g·cm^-3)	1.4	0.8、1.0、1.2、1.2、1.4、1.6、1.8
土壤有机碳含量/%	1.5	0.5、1.0、1.5、2.0、3.0
土壤pH	8.2	6.2、7.2、8.2、9.2、10.2
土壤质地	砂土	砂土、砂壤土、砂质黏土、粉砂黏土、砂黏土
N施用量/(kg·hm^-2·a^-1)	0	0、30、60、90

图1 2014—2015年N2O通量模拟值与实测值对比

Fig. 1 Simulated versus measured N2O fluxes in 2014-2015

表2 不同施N条件下观测和模拟的 CH4 和N2O年累积排放量

Table 2 Cumulative annual fluxes of N2O and CH4 observed and simulated under different N application rates

处理	N₂O			CH₄
处理	样地观测值 /(kg·hm^-2)	模型模拟值 /(kg·hm^-2)	相对偏差 /%	样地观测值 /(kg·hm^-2)	模型模拟值 /(kg·hm^-2)	相对偏差 /%
N0	0.12±0.05	0.13	11.3	-0.91±0.14	-0.74	21.4
N30	0.13±0.04	0.16	9.7	-1.44±0.22	-0.92	37.5
N60	0.26±0.06	0.29	15.3	-1.32±0.13	-1.11	19.8

图2 2014—2015年CH4通量模拟值与实测值对比

Fig. 2 Comparison of simulated and measured CH4 fluxes in 2014-2015

图3 不同环境因子和施氮量对CH4和N2O年累积排放量影响的灵敏度检验

Fig.3 Sensitivity test of the effects of different environmental factors and N application rates on the changes in N2O and CH4 fluxes

图4 N2O和CH4对所有测量变量的选择过程后的多元回归结果VS：风速； Pre：日降水量； Min T：日最低气温； Mean T：日平均气温； Max T：日最高气温； Atm：大气压强

Fig.4 Multiple regression results of N2O and CH4 for all measured variables after the selection process

参考文献 57

1	IPCC.Global Warming of 1.5 ℃：Summary for Policymakers.Geneva，Switzerland：World Meteorological Organization［R］.Korea，2018.
2	Tian H Q， Chen G S， Lu C Q，et al.Global methane and nitrous oxide emissions from terrestrial ecosystems due to multiple environmental changes［J］.Ecosystem Health and Sustainability，2015，1（1）：1-20.
3	Degelmann D M， Borken W， Kolb S.Methane oxidation kinetics differ in European beech and Norway spruce soils［J］.European Journal of Soil Science，2009，60（4）：499-506.
4	Chapius-Lardy L， Wrage N， Metay A，et al.Soils，a sink for N₂O？A review［J］.Global Change Biology，2007，13：1-17.
5	Liang M W， Chen J Q， Smith N G，et al.Changes and regulations of net ecosystem CO₂ exchange across temporal scales in the Alxa Desert［J］.Journal of Arid Environments，2019，164：78-84.
6	张元明，王雪芹.准噶尔荒漠生物结皮研究［M］.北京：科学出版社，2008.
7	Zhuang Q M， Chen K， Xu J，et al.Response of global soil consumption of atmospheric methane to，changes in atmospheric climate and nitrogen deposition［J］.Global Biogeochemical & Cycles，2013，27（3）：650-663.
8	Huang G， Li Y， Su Y G，et al.Effects of increasing precipitation on soil microbial community composition and soil respiration in a temperate desert，northwestern China［J］.Soil Biology Biochemistry，2015，83：52-56.
9	Giltrap D L， Li C S， Saggar S.DNDC：a process-based model of greenhouse gas fluxes from agricultural soils［J］.Agriculture Ecosystems & Environment，2010，136（3）：292-300.
10	Levy P E， Mobbs D C， Jones S K，et al.Simulation of fluxes of greenhouse gases from European grasslands using the DNDC model［J］.Agriculture Ecosystems & Environment，2007，121（1）：186-192.
11	Grosz B， Horvath L， Gyongyosi A Z，et al.Use of WRF result as meteorological input to DNDC model for greenhouse gas flux simulation［J］.Atmospheric Environment，2015，122：230-235.
12	Tripathi R， Majhi M， Sahu S G，et al.Modelling the spatial variation of methane and nitrous oxide Emission from rice fields using DNDC model［J］.Journal of the Indian Society of Remote Sensina，2021，49（12）：2919-2931.
13	United States Environmental Protection Agency.Inventory of US Greenhouse Gas Emissions and Sinks，1990-1994［M］.Washington DC，USA：Office of Policy，Planning，and Evaluation，United States Environmental Protection Agency，1995.
14	Li H， Wang L G， Li J Z，et al.The development of China-DNDC and review of its applications for sustaining Chinese agriculture［J］.Ecological Modelling，2017，348：1-13.
15	Li C H， Aber J， Stange F，et al.A process-oriented model of N₂O and NO emissions from forest soils：1.model development ［J］.Journal of Geophysical Research：Atmospheres，2000，105（D4）：4369-4384.
16	Li R H， Li X B， Li G O，et al.Simulation of soil nitrogen storage of the typical steppe with the DNDC model：a case study in Inner Mongolia，China［J］.Ecological Indicators，2014，41：155-164.
17	Cui G T， Wang J Y.Improving the DNDC biogeochemistry model to simulate soil temperature and emissions of nitrous oxide and carbon dioxide in cold regions［J］.Science of the Total Environment，2019，687：61-70.
18	Kiese R， Li C S， Hilbert D W，et al.Regional application of PnET-N-DNDC for estimating the N₂O source strength of tropical rainforests in the wet tropics of Australia［J］.Global Change Biology，2005，11（1）：128-144.
19	刘放，吴明辉，杨梅学，等.DNDC模型的研究进展及其在高寒生态系统的应用展望［J］.冰川冻土，2019，42（4）：1321-1333.
20	Qian Y B， Wu Z N， Zhao R F，et al.Vegetation patterns and species environment relationships in the Gurbantunggut Desert of China［J］.Journal of Geographical Sciences，2008，18（4）：400-414.
21	王雪芹，蒋进，雷加强，等.古尔班通古特沙漠短命植物分布及其稳定沙面的意义［J］.地理学报，2003，58（4）：598-605.
22	陈志超，李宁，刘昌华.古尔班通古特沙漠草方格沙障对土壤养分的影响［J］.草业科学，2013，30（5）：699-702.
23	岳平.温带沙质荒漠温室气体通量对水分、温度和氮沉降升高的响应［D］.北京：中国科学院大学，2018.
24	Li C S， Frolking S， Harriss R，et al.Carbon sequestration in arable soils is likely to increase nitrous oxide emissions，offsetting reductions in climate radiative forcing［J］.Climatic Change，2005，72：321-338.
25	Li C S， Salas W， Zhang R，et al.Manure-DNDC：a biogeochemical process model for quantifying greenhouse gas and ammonia emissions from livestock manure systems［J］.Nutrient Cycling in Agroecosystems，2012，93（2）：163-200.
26	Li C S， Mosier A， Wassmann R，et al.Modeling greenhouse gas emissions from rice-based production systems：sensitivity and upscaling［J］.Global Biogeochemical Cycles，2004，18：1-9.
27	张啸林，潘晓健，熊正琴，等.应用DNDC模型分析管理措施对稻麦轮作系统CH₄和N₂O综合温室效应的影响［J］.应用生态学报，2013，24（3）：690-696.
28	Ding Y， Zang R G.Determinants of aboveground biomass in forests across three climatic zones in China［J］.Forest Ecology and Management，2021，482：118805.
29	Ma Y C， Schwenke G， Sun L Y，et al.Modeling the impact of crop rotation with legume on nitrous oxide emissions from rain-fed agricultural systems in Australia under alternative future climate scenarios［J］.Science of the Total Environment，2018，630：1544-1552.
30	Wang J Y， Zhang X L， Liu Y L，et al.Modeling impacts of alternative practices on net global warming potential and greenhouse gas intensity from rice-wheat annual rotation in China［J］.Plos One，2012，7：9.
31	Yadav D， Wang J Y.Modelling carbon dioxide emissions from agricultural soils in Canada［J］.Environmental Pollution，2017，230：1040-1049.
32	Zebarth B J， Senowdon E， Burton D L，et al.Controlled release ferilizer product effects on potato crop response and nitrous oxide emissions under rain-fed production on a medium-textured soil［J］.Canadian Journal of Soil Science，2012，92（5）：759-769.
33	曹登超，高霄鹏，李磊，等.氮磷添加对昆仑山北坡高山草地N₂O排放的影响［J］.植物生态学报，2019，43（2）：165-173.
34	Liu L L， Greaver T L.A review of nitrogen enrichment effects on three biogenic GHGs：the CO₂ sink may be largely offset by stimulated N₂O and CH₄ emission［J］.Ecology Letters，2009，12（10）：1103-1117.
35	Rees R， Jones S， Thorman R E，et al.The effect of organic and mineral nitrogen fertilisers on emissions of NO，N₂O and CH₄ from cut grassland［M］//Hatch D J，Chadwick D R，Jarvis S C，et al.Controlling Nitrogen Flows and Losses，2004：268-276.
36	陶冶，刘耀斌，张元明.准噶尔荒漠区域尺度浅层土壤化学计量特征及其空间分布格局［J］.草业学报，2016，25（7）：13-23.
37	徐文彬，刘维屏，刘广深.温度对旱田土壤N₂O排放的影响研究［J］.土壤学报，2002，39（1）：1-7.
38	徐冰鑫，胡宜刚，张志山，等.模拟增温对荒漠生物土壤结皮-土壤系统CO₂、CH₄和N₂O通量的影响［J］.植物生态学报，2014，38（8）：809-820.
39	Pajares S， Bohannan B J M.Ecology of nitrogen fixing，nitrifying，and denitrifying microorganisms in tropical forest soils［J］.Frontiers in Microbiology，2016，27：1045.
40	Nesbit S P， Breitenbeck G A.A laboratory study of factors influencing methane uptake by soils［J］.Agriculture Ecosystems and Environment，1992，41（1）：39-54.
41	Parashar D C， Gupata P K， Rai J，et al.Effect of soil temperature on methane emission from paddy field［J］.Chemsphere，1993，26：247-250.
42	赵江红，焦燕，徐柱，等.不同天然草地开垦年限下土壤特性对CH₄吸收的影响［J］.草地学报，2010，18（2）：148-153.
43	Li H， Qiu J J， Wang L G，et al.Modelling impacts of alternative farming management practices on greenhouse gas emissions from a winter wheat-maize rotation system in China［J］.Agriculture，Ecosystems & Environment，2010，135：24-33.
44	续勇波，蔡祖聪.亚热带土壤氮素反硝化过程中N₂O的排放和还原［J］.环境科学学报，2008，28（4）：731-737.
45	Drury C F， Yang X M， Reynolds W D，et al.Influence of crop rotation and aggregate size on carbon dioxide production and denitrification［J］.Soil and Tillage Research，2004，79：87-100.
46	Stehfest E， Bouwman L.N₂O and NO emission from agricultural fields and soils under natural vegetation summarizing available measurement data and modeling of global annual emissions［J］.Nutrient Cycling in Agroecosystems，2006，74（3）：207-228.
47	韩琳，王鸽，王伟，等.全球森林土壤N₂O排放通量的影响因子［J］.生态学杂志，2012，31（2）：446-452.
48	He Y H， Zhou X H， Jiang L L，et al.Effects of biochar application on soil greenhouse gas fluxes：a meta-analysis［J］.Global Change Biology Bioenergy，2017，9（4）：743-755.
49	Zhu-Barker X， Cavazos A R， Ostrom N E，et al.The importance of abiotic reactions for nitrous oxide production［J］.Biogeochemistry，2015，126（3）：251-267.
50	Shaaban M， Peng Q， Lin S，et al.Nitrous oxide emission from two acidic soils as affected bydolomite application［J］.Soil Research，2014，52（8）：841-848.
51	Baggs E M， Smales B C， Bateman E J.Changing pH shifts the microbial source as well as the magnitude of N₂O emission from soil［J］.Biology and Fertility of Soils，2010，46（7）：793-809.
52	Suuster E， Ritz C， Roostalu H，et al.Soil bulk density pedotransfer functions of the humus horizon in arable soils［J］.Geoderma，2011，163（2）：74-82.
53	程效义，刘晓琳，孟军，等.生物炭对棕壤NH₃挥发，N₂O排放及氮肥利用效率的影响［J］.农业环境科学学报，2016，35（4）：801-807.
54	Cavigelli M A， Robertson G P.Role of denitrifier diversity in rates of nitrous oxide consumption in a terrestrial ecosystem［J］.Soil Biology & Biochemistry，2001，33（3）：297-310.
55	李海防，夏汉平，熊燕梅，等.土壤温室气体产生与排放影响因素研究进展［J］.生态环境，2007，16（6）：1781-1788.
56	吴方涛，曹生奎，曹广超.青海湖高寒湿地生态系统生长季CH₄通量［J］.中国沙漠，2018，38（5）：1078-1085.
57	Wang Z P， Delaune R D， Masscheleyn P H，et al.Soil redox and pH effects on methane production in a flooded rice soil［J］.Soil Science Society of America Journal，1993，57：382-385.

[1]	黄韵杰, 李永刚, 尹本丰, 张元明. 齿肋赤藓（ *Syntrichia caninervis* ）氮磷计量特征对降水量的响应[J]. 中国沙漠, 2023, 43(2): 1-10.
[2]	解锡豪, 李志忠, 靳建辉, 刘瑞, 邹晓君, 马运强. 古尔班通古特沙漠东南部植被线形沙丘内部构造及发育模式[J]. 中国沙漠, 2022, 42(3): 74-84.
[3]	李志忠, 靳建辉, 刘瑞, 解锡豪, 邹晓君, 马运强, 谭典佳. 古尔班通古特沙漠风沙地貌研究进展评述[J]. 中国沙漠, 2022, 42(1): 41-47.
[4]	李功麟, 张定海, 张志山, 胡宜刚, 黄磊, 路丽宁. 古尔班通古特沙漠沙丘主要灌木的种群数量动态[J]. 中国沙漠, 2021, 41(2): 129-137.
[5]	朱春鸣, 董治宝, 刘铮瑶, 肖南, 杨军怀, 冯淼彦. 古尔班通古特沙漠树枝状沙丘沉积物粒度和微形态特征的空间分异[J]. 中国沙漠, 2021, 41(2): 9-18.
[6]	高佳程, 王豫, 阿吉古丽·沙依提null, 买买提艾力·买买提依明null, 刘永强, 赵雪赏, 杨兴华, 霍文, 杨帆, 周成龙. 古尔班通古特沙漠地表辐射收支特征[J]. 中国沙漠, 2021, 41(1): 47-58.
[7]	张瑞, 周晓兵, 张元明. 生物土壤结皮对温带荒漠植物凋落物分解的影响[J]. 中国沙漠, 2019, 39(6): 151-158.
[8]	傅思华, 胡顺军, 李浩, 王泽锋. 古尔班通古特沙漠南缘梭梭(Haloxylon ammodendron)群落优势植物水分来源[J]. 中国沙漠, 2018, 38(5): 1024-1032.
[9]	王银亚, 李晨华, 马健. 开垦对荒漠土壤微生物群落结构特征的影响[J]. 中国沙漠, 2017, 37(3): 514-522.
[10]	陶冶, 吴甘霖, 刘耀斌, 张元明. 古尔班通古特沙漠典型灌木群落土壤化学计量特征及其影响因素[J]. 中国沙漠, 2017, 37(2): 305-314.
[11]	朱秉坚, 尹本丰, 张元明. 不同微生境下齿肋赤藓(Syntrichia caninervis)非结构性碳水化合物含量的季节动态[J]. 中国沙漠, 2017, 37(2): 268-275.
[12]	李军, 王新军, 贾宏涛, 赵成义. 古尔班通古特沙漠南缘干季土壤水分含量空间异质性[J]. 中国沙漠, 2016, 36(6): 1628-1636.
[13]	韩彩霞, 张丙昌, 张元明, 邰凤姣, 张弛, 邵华. 古尔班通古特沙漠南缘苔藓结皮中可培养真菌的多样性[J]. 中国沙漠, 2016, 36(4): 1050-1055.
[14]	陈永宝, 胡顺军, 朱海, 罗根. 古尔班通古特沙漠南缘梭梭(Haloxylon ammodendron)群落土壤蒸发特征[J]. 中国沙漠, 2016, 36(1): 190-198.
[15]	李国栋, 张元明. 生物土壤结皮与种子附属物对4种荒漠植物种子萌发的交互影响[J]. 中国沙漠, 2014, 34(3): 725-731.

反硝化-分解模型在荒漠土壤CH₄ 和N₂O通量估计中的应用

Simulation of changes in CH₄ and N₂O fluxes in desert soils by the DNDC model

RichHTML

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 6

参考文献 57

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价