基于过程模型示踪的农田化肥氮去向和氧亚来源研究

15N tracing experiments are difficult to study the every fates of the fertilizer nitrogen at every hour in the field conditions. However, advanced terrestrial ecosystem carbon and nitrogen biogeochemical process models could remedy this shortcoming of the field experiments. This project aims to design the source codes to trace the fates of the fertilizer nitrogen for the latest version CNMM-DNDC (a high-resolution process-oriented model coupled carbon, nitrogen, and water cycles). Firstly, based on the advanced scientific processes of the CNMM-DNDC, the algorithms of the fertilizer nitrogen ratio are designed into the CNMM-DNDC for each main process of the nitrogen cycle in the agricultural ecosystem and each pool of nitrogen reactant, each pool of nitrogen product and each inter-pool nitrogen flux. These algorithms are compiled, recorded and outputted at the time step of one hour by C++ source program. Then, the reliability of the new established tracing function is tested by the data of 15N tracing experiments in situ. Finally, a typical agricultural ecosystem in North China is taken as an example to evaluate the applicability of the new tracing function in simulating the fates of nitrogen fertilizers and the sources of nitrous oxide. This project is expected to achieve the hourly dynamic simulation in tracing the fates of nitrogen fertilizers under the different field conditions, and provide a tool of the more advanced model for the study of nitrogen cycle in farmland.

15N标记实验方法难以对田间条件下肥料氮各流向的全程逐过程逐时动态追踪，而这一不足，可通过构建和运行先进的陆地生态系统碳氮生物地球化学过程模型加以弥补。本项目旨在源程序代码层面，为最新版高分辨率碳氮水相互作用过程模型CNMM-DNDC嵌入设计示踪功能。为此，首先拟在CNMM-DNDC已经具备的模拟功能基础上，分别对农田生态系统氮循环各主要环节和每个反应物氮库、产物氮库和库间氮通量设计肥料氮占比算法，并编写按小时模拟步长计算、记录和输出这些肥料氮占比的C++源程序。然后，依托田间15N原位标记示踪试验数据，检验新建模型示踪功能的模拟性能可靠性。最后，以典型华北农田生态系统为例，通过开展不同条件下的模拟示踪试验，评估新建模型功能在模拟研究各途径肥料氮损失和氧化亚氮排放中的适用性。本项目可望在不同田间条件下实现对肥料氮各流向进行全程逐过程逐时动态模拟追踪，为农田氮循环研究提供更先进的模型工具。

肥料氮施用到农田后的流向、分配和损失比例，因气象、土壤以及农业管理措施等因素的不同而具有不确定性和多样性。田间条件下肥料氮各流向的全程逐过程逐时动态追踪难以通过15N标记示踪实验方法实现，而这个实验方法的不足，可能通过构建和运行先进的陆地生态系统碳氮生物地球化学过程模型（如CNMM-DNDC）加以弥补。本研究首先在已经具备农田生态系统的多变量氮损失同步模拟的CNMM-DNDC源码层面，分别对农田生态系统氮循环各主要环节和每个反应物氮库、产物氮库和库间氮通量设计肥料氮占比算法，并编写按小时模拟步长计算、记录和输出这些肥料氮占比的C++源程序；然后，依托原位大田实验和15N示踪试验数据，检验新建模型示踪功能的模拟性能可靠性。最后，以典型华北农田生态系统为例，通过开展不同条件下的模拟示踪试验，评估新建模型功能在模拟研究各途径肥料氮损失和氧化亚氮排放中的适用性。同时，随着田间和室内机制试验对硝化和反硝化过程的进一步厘清，本研究还发现CNMM-DNDC模型硝化和反硝化过程机制的不足，通过增加硝化作用产生的NO和N2O可扩散至厌氧气球中分别参与反硝化链式反应中NON2O和N2ON2反应的模块，进一步完善模型机制过程。研究结果表明，模型能够很好模拟华北平原不同管理措施下的土壤温湿度、作物产量和N2O动态变化特征，模型模拟值和观测值之间均具备显著的零截距线性回归关系，拟合系数分别为0.87、0.17、0.45和0.16。模型基本能够捕捉由施肥引起的土壤无机氮波动，但在峰值的大小和出现时间上仍存在一定偏差。除小麦基肥事件外，增加了肥料氮示踪功能的模型能够较好模拟硝化和反硝化对N2O排放的贡献以及源于肥料施用的N2O和N2排放峰。新增肥料氮去向示踪功能的CNMM-DNDC能够帮助厘清土壤氮循环和土壤-植物-大气间的氮平衡，对人类生存和可持续发展所面临的粮食安全、气候变暖、环境质量恶化等若干重大问题至关重要。