基于DNDC模型估算有机肥对草地产量、土壤碳储量及N2O排放的影响及未来气候变化情景的作用

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Estimating the impacts of organic manures on grass yield, soil carbon storage and N 2O emissions using the DNDC model and the impact of future climate change scenarios

　　

研究人员利用Denitrification-Decomposition（DNDC）模型，结合IPSL-CM6A-LR气候模式在三种共享社会经济路径（SSP1–2.6、SSP3–7.0、SSP5–8.5）下的输出，对北爱尔兰Hillsborough长期草地青贮试验（始于1970年，多年生黑麦草–黏壤土）中不同有机肥（低/中/高浓度牛粪浆CL/CM/CH、猪粪浆PL/PM/PH）与无机肥（NPK）及对照（CT）处理进行了超50年模拟。结果表明：多种粪肥处理下N2O衍生全球增温潜势（GWP）为土壤碳封存效益的2–5.7倍；高量猪粪（PH）获得最高产量、GWP与温室气体强度（GHGI），高量牛粪（CH）最大化SOC积累；增加粪肥投入提升SOC储存但N2O衍生GWP与GHGI呈不成比例上升；粪肥处理在SSP5–8.5下GWP最高，而NPK在SSP1–2.6下达峰。研究揭示有机肥草地系统中产量–固碳–N2O排放的长期权衡，表明单靠SOC封存难以抵消N2O增温效应，未来高排放情景下粪肥管理气候风险更大。

研究背景与立项依据

全球农业面临粮食安全与气候减缓双重压力。有机肥（畜禽粪肥）可提升土壤肥力、水分保持与作物生产力，增加土壤有机碳（SOC）储量，但会显著刺激氧化亚氮（N₂O，100年尺度GWP约为CO₂的265倍）排放。长期田间试验能提供累积效应经验数据，但外推至未来气候情景受土壤–气候–管理耦合复杂性限制。过程式生物地球化学模型如DNDC可模拟植物生长、根系碳输入、SOC周转、硝化/反硝化等过程，适于评估未来草地响应。已有研究多单独考察草地N₂O通量、SOC动态或产量，少有在单一草地框架内集成“粪肥诱导SOC积累 + N₂O衍生GWP + SSP气候强迫”并量化固碳能否抵消N₂O增温。该研究基于此空白，依托北爱尔兰Hillsborough逾50年草地青贮长期试验，耦合DNDC与IPSL-CM6A-LR（CMIP6贡献模式，分辨率约2.5°×1.25°）在SSP1–2.6/SSP3–7.0/SSP5–8.5下的气温、降水与大气CO₂强迫，评估粪肥类型/用量与矿物肥在当代及未来气候下对产量、SOC与N₂O的协同与权衡。论文发表于《Agriculture, Ecosystems & Environment》。

主要技术方法概括

研究人员以Hillsborough长期试验（54°28′N, 6°04′W，1970年起播多年生黑麦草，黏壤土，年3茬青贮，处理含CL/CM/CH、PL/PM/PH、NPK、CT各4重复）为校准–验证基座：SOC用2012/2013校准、2016验证；产量用2010–2013校准、2016验证；N₂O仅用2016观测做处理级验证。DNDC输入含日尺度气象、土壤理化（容重、pH、WFPS、SOC、黏粒、凋萎系数等）、作物参数与年度管理（粪肥体积×实测C/N折算C/N输入、NPK timing、刈割）。气候强迫直接采用IPSL-CM6A-LR三SSP输出，未做降尺度/偏差校正。性能用RMSE、nRMSE、MAE评价；驱动因子用多元线性回归（MLR）分析气候与管理变量贡献；统计与绘图用R 4.5.1。

研究结果

3.1 回溯模型性能

DNDC在复现SOC与产量处理排序及时间趋势上表现满意，nRMSE：SOC 15.5%–20.3%，产量8.6%–31.0%，年N₂O 10.5%–15.4%；CH与PH产量偏差较大但趋势保留，N₂O处理间变异强于SOC/产量，反映生产–氮循环对养分输入敏感。

3.2 SOC模拟

模拟SOC随 slurry 用量递增，CH最高、CT最低，与观测层级一致；RMSE 12.4–17.4 t C ha^?1，nRMSE 15.5%–20.3%。SOC作为慢变量缓冲短期扰动，模拟稳定性高于产量与N₂O。

3.3 青贮产量模拟

产量随粪肥量级上升：CL/CM 6–12 t DM ha^?1，CH 12–20，PL/PM中等，PH 14–19，NPK 8–14，CT 2–6；RMSE 0.8–3.3 t DM ha^?1。中量粪肥精度最高，CT因生物量低致nRMSE偏高（31%）。

3.4 N₂O模拟

年N₂O随N输入上升：CT 1.4–1.5、NPK 2.0–3.7、CL 5.6、CH 16.7（测22.5）、PH 24.2（测23.3）kg N ha^?1；CH模拟偏低（RMSE 21.9 g N ha^?1 d^?1）。猪粪同体积N负荷低于牛粪但N₂O不按比例低，提示C:N（牛粪3.7–5.8，猪粪2.0–2.1）与矿化路径影响。

未来气候与权衡（结果延伸）

耦合IPSL-CM6A-LR显示：升温与CO₂升高刺激地上/地下生产力但受水分与养分限制；SSP5–8.5下粪肥处理GWP最高（N₂O主导），SSP1–2.6下NPK GWP达峰。增施粪肥提升SOC但不成比例推高N₂O-GWP与GHGI；PH产量/GWP/GHGI俱高，CH最大化SOC但N₂O仍使净GWP为正。多数粪肥处理N₂O派生GWP为SOC封存效益2–5.7倍。

讨论与结论翻译浓缩

讨论指出，研究创新在于将>50年粪肥SOC积累、N₂O派生GWP与SSP强迫集成于单一草地评估，明确“固碳抵消N₂O增温”在草地青贮系统中不成立。IPSL-CM6A-LR未降尺度引入局地降水极值不确定性，N₂O对水热敏感致未来值为情景敏感性分析而非确定性预测。管理含义：高量猪粪虽增产但气候代价最高；高量牛粪利于SOC但无法逆转N₂O净增温；低气候路径（SSP1–2.6）下无机NPK相对风险偏移，高路径下粪肥系统脆弱性放大。结论：有机肥草地管理中，仅靠SOC sequestration 不能补偿 N₂O-derived GWP；未来高排放情景（SSP5–8.5）会放大多量粪肥的增温强度，优化策略须协同控N₂O（如匹配作物吸氮、分期施用、选牛粪高C:N）而非单纯追求SOC堆叠。