3.1 CQESTR模型修正与参数确定

3.1.1 CQESTR模型原理

CQESTR模型以天为步长，以累积积温CDD（cumulative degree-days）为驱动力，根据外源投入有机碳（作物残体及其他外源有机物料）与本底土壤有机质（OldSOM）碳生物氧化损失来平衡计算。CQESTR模型将每次投入的作物残体或有机物料作为一个独立的部分。模型中所描述的新鲜残体降解是指用于计算过程中残余量的变化。每个加入的外源有机物料单独追踪，地表残体与翻压残体也分别标记，根据它们所处的位置来计算其残留量。

CQESTR模型采用累积积温来模拟残体降解的前提假设是：无论投放位置如何，物料降解残留率的自然对数与累积积温呈线性相关。其中，引入了4个修正系数（0～1之间取值），即物料类型因子fB、氮素因子fN、水分因子fW、质地因子fX，以表征不同物料类型、物料氮素含量、土壤水分及土壤质地对物料降解的影响，并采用指数关系来表述物料残留率与累积积温CDD之间的关系。CQESTR模型驱动所需要的主要信息包括模拟期间的日平均气温和降雨量；作物残体和有机物料数据，其中包括作物轮作、投入的有机物料类型、数量和时间、每次耕作时间及耕作后地表残留物量和根系生物量、物料投放初始时刻的有机氮含量；耕层土壤容重、土壤质地；耕层年际土壤有机质含量（Rickman等，2001，2002）。

在黄淮海高集约化农区，建立耕层（0～20cm）土壤有机碳周转模型。需要指出的是，模型原理部分并未对CQESTR模型进行修正。为了公式进一步表述方便，只是对原CQESTR模型公式重新组织，且公式符号尽可能与原模型公式保持一致。

式中：TC_t为t时刻土壤中有机碳总量，g／kg；C_OldSOM_Ir为模拟初始时刻本底土壤有机质（OldSOM）中的有机碳量，g／kg；C_input_Ir_lk为第l次投入外源有机物中k物料的有机碳量，g／kg；C_OldSOM_Rr_t为t时刻OldSOM中的有机碳降解残留量，g／kg；C_input_Rr_Ik，t为t时刻第l次投入外源有机物中k物料的有机碳降解残留量，g／kg。

n为从模拟时刻起加入的外源有机物料的总次数；l为从1～n的整数；m为一次投入的有机物料类型的总数；k为从1～m之间的整数，具体是指小麦秸秆（WhSt）、小麦根（WhRt）、玉米秸（CnSt）、玉米根（CnRt）、有机肥（M）等。

GC_t为 （t-1）～t天以气体释放的碳量，g/kg，其单位常需换算后表述为gCO₂/（m²·a）。

k _Cons为基础降解速率常数，是将作物残体物料类型因子设为1时的取值，不依赖于物料类型与投放位置（℃/d）；CDD_l，t为t天第l次投入外源有机物逐日积温累积；CDD_t表示自模拟初到t时刻逐日积温累积，日积温以0℃为基础温度，低于0℃设为0，根据日平均温度来计算（度日）；fX为土壤质地影响因子（无量纲），与土壤颗粒组成有关，采用DAISY模型算法估算（Hansen等，1990；Petersen等，2002），其取值与CDD数值有关，即外源物料在降解前期不受土壤黏粒保护（Parton等，1987）；fN_OldSOM为OldSOM的氮素影响因子，是一个相对稳定的取值，表示本底有机质的矿化不依赖于土壤中的氮素含量；fN_k为投入时刻k物料的氮素影响因子（无量纲），与CDD数值有关，它为不同氮浓度物料提供了不同的降解速率；fW为水分影响因子（无量纲），依赖于残体所处的位置（位于地表或翻压地下）。对灌溉地区，土壤水分因子设置为最大值；fB_OldSOM为OldSOM的物料类型因子；fB_k为投入时刻k物料的物料类型因子（无量纲），fB值的差异反映物料降解的相对难易，与CDD数值有关。

TN_t为t时刻土壤中有机氮总量，g／kg，其单位常需换算后表述为kgN／hm²。

CN_OldSOM_Ir为初始时刻OldSOM的碳氮比；CN_OldSOM_Rr_t为t时刻OldSOM的降解残留物的碳氮比，假定等于CN_OldSOM_Ir；CN_input_Ir_lk为第l次投入外源有机物中k物料的碳氮比；CN_input_Rr_lk，t为t时刻第l次投入外源有机物中k物料降解残留物的碳氮比，随着降解时间变化。

图3.1 有机物料降解残留归一化碳氮比随有机碳残留率变化曲线

（假定有机物碳氮比初值为100%）

研究表明，归一化外源有机物料残留物的碳氮比（CN_input_Rr_lk，t与CN_input_Ir_lk之比，记为y）与有机物料降解残留率（C_input_Rr_lk，t与C_input_Ir_lk之比，计为x）呈指数关系曲线（图3.1）。

根据Curtin等（1998）和Chen等（2003）数据拟合，作物残体碳氮比随有机物料降解残留率变化曲线为

粪肥的碳氮比变化曲线为

耕层土壤CO₂ 年排放通量 [，gCO₂/（m² ·a）]、耕层无机氮年矿化量 [T_NA，gCO₂/（m²·a）]、耕层SOM年矿化速率 （MR，%）计算如下：

式中：x为考察1年时段内外源有机物料还田次数；n+x为从模拟时刻起加入的外源有机物料总次数，对小麦-玉米1年2熟制x为2，考察初始时刻为前茬玉米收获，到下茬玉米收获完成1年的生长周期；为1年时段内耕层土壤CO₂ 排放 GC_t逐日累积；MR、T_NA分别为1年时段内考察初始时刻SOM矿化量损失比率，耕层土壤无机氮矿化量（kgN/hm²）；C_SOM为土壤有机质中有机碳含量，它不包括新投入的有机物料中的碳。土壤有机质与有机碳之间的转换比例为1.724∶1。

Sauerbeck等（1977）研究指出，同位素标记法测得的根系碳较洗根法高出20%～60%；同时，洗根法获得的根部含碳量仅为同位素C标记法测得的植物通过根向地下部转移碳量的1/3～1/7（Kuzyakov和Domanski，2000）。表明，根系生物量占植物光合产物向地下转移总量的20%～40%，这一结果与Swinnen等（1995）报道（小麦根系分泌物量是收获时根系量的2.0倍）、蔡祖聪（2004）的盆栽¹⁴C标记试验结果（玉米根系生物量占向地下部输送的光合产物量的31%）相近。如果小麦、玉米收获时根系生物量有机碳的2.0倍将由根呼吸以CO₂所释放（假定根系分泌物和脱落物仅起到能量周转作用，对SOM累积净贡献为0），0～20cm土壤CO₂排放通量约占整个土体呼吸通量的75%（崔玉亭，1997），那么土壤表观呼吸量 [，gCO₂/（m²·a）]计算如下：

式中：WhRt、CnRt为耕层小麦和玉米根系生物量，kg/hm²，由玉米、小麦产量，kg/hm²分别乘以比例系数0.48和0.26来估算（王维敏，1988）；CWhRt、CCnRt分别为小麦、玉米根系中有机碳浓度；1000为由kg转换为g；10000为由hm²换算为m²；44/12为由分子量C换算为分子量CO₂；2.0为由根系生物量估算根呼吸的比例系数。

根据有关的大田短期物料填埋试验（小于2年，砂滤管试验）（刘世梁等，2001）、中长期（2～10年）物料填埋试验（Yang 和 Janssen，2000；王文山等，1989；Chen等，2003；张丽娟等，2001；须湘成等，1985，1993）确定物料不同时期的降解参数，fN_k初值依据物料投入时的N含量计算（fN=0.570+0.126［N］）以及相关研究获得（Douglas和Rickman，1992；Rickman等，2001，2002），参数拟合时仅对fN值作了微量调整。fB_k、k_Redc利用式（3.5）拟合获得。某些有机物料没有相应的降解试验，其降解特性参数fB_k、k_Redc值只能根据7个长期定位试验中部分处理拟合获得，如利用昌平试验点N0P0M处理来估算鸡粪的fB_k、k_Redc取值。因此，7个定位试验点中，用于估算模型参数的部分处理不再用于验证模型的有效性。为了便于不同处理之间相互对照，本研究还是将这部分处理列图出来。

3.1.2 CQESTR模型修正

有机物料在化学组成上可分为糖、蛋白质、（半）纤维素、木质素和多环化合物，这些组分的生物降解速度各异（Verberne等，1990）。如果真实存在两个或更多不同速率的降解组分，那么降解过程可用连续组分的一级动力学方程或多组分同步矿化一级动力学方程来表述（Gilmour等，1998）。外源有机物料的降解过程可以划分成两个或多个阶段，每个阶段都服从一级降解动力学且降解速率常数根据降解曲线来决定（Ajwa和Taba tabai，1994；Kaboneka等，1997；Chen等，2003）。第一阶段降解速度较快，依赖于残体的初始氮含量（Janzen和Kucey，1998）。其后阶段的降解速率减慢，由木质素等降解速度慢的化学成分来控制，与物料的初始氮含量关系不大，这是因为水溶性、易分解的组分已为微生物利用或淋失（Collins等，1990）。地表残体降解速率更慢。

以上正是CQESTR模型的构建思想：原CQESTR模型将有机物料的降解过程划分为3个连续矿化阶段。据Rickman等的研究，小麦秸秆转变为本底土壤有机质的时间在3.5～4年，有机物料所处的位置并不改变这一转变时间。物料类型具体转变时间根据长期定位试验中土壤有机碳模型模拟值与观测值之间的吻合程度来调试（Rickman等，2001，2002）。

黄淮海平原地区外源物料降解前期分解快，物料腐殖化系数较低，3.5～4年的转换时间使得物料有机碳降解残留率计算值严重偏小。因此，本研究将原CQESTR模型中第二降解阶段进一步细分为两个阶段，根据物料降解速率与土壤本底有机质矿化速率达到相等所经历的累积积温，将转换时间统一为30000℃·d。模型中，物料降解某一阶段结束后转换进入下一阶段。

不同阶段残体的fN、fB取值不同。表3.1引入了一系数k_Redc，用以表示物料降解过程中fB的递减速率。模型修正体现在利用有机物料降解试验拟合参数及阶段2、阶段3的划分上。

3.1.3 CQESTR模型参数确定

尽管CQESTR模型中只用了一个核心方程式 （3.5），但是不同环境条件下不同残体的降解速率各异。k_Cons取值为-0.0004，其中负号表示有机物料的降解残留率随着降解时间推移逐渐减少；fN_OldSOM的取值为0.8354；fW 的取值为0.32或1.00，其中，0.32和1.00是田间充分灌溉条件下地表残体、翻压残体降解的水分影响因子的概化 （Rickman等，2001，2002）。

图3.2（a）是根据刘世梁等（2001）在江苏宜兴（1年，粉砂质黏壤土）、张丽娟等（2001）在河北张北（2年，小麦秸秆WhSt2，粉砂质黏壤土）、王文山等（1989）在北京地区（4年，小麦根系WhRt和小麦秸秆WhSt1，砂质壤土）的研究结果所拟合的小麦秸秆、根系降解残留率随CDD的变化曲线。图3.2（b）是根据刘世梁等（2001）在江苏宜兴（1年，粉砂质黏壤土）、王文山等（1989）在北京地区（4年，玉米根系CnRt和玉米秸秆CnSt1，砂质壤土）、须湘成等（1985；1993）在辽宁（10年，玉米秸秆CnSt2，砂质黏壤土）的研究结果所拟合的玉米秸秆、根系降解残留率随CDD的变化曲线。图3.2（a）、（b）次坐标轴分别为小麦秸秆和水稻秸秆质量残留率，由于水稻秸秆有着玉米秸秆相近的N浓度，故水稻和玉米秸秆有相等的fN。Douglas和Rickman（1992）研究指出，谷类作物残体的fB等于1，所以水稻fB取值为1。

图3.2 有机物料降解残留率与累积积温关系曲线

根据图3.2拟合结果，确定了CDD在0～1000范围内第一阶段的参数fB_k，1000～30000范围内确定第二、第三阶段CDD转换点6000及参数k_Redc值。拟合的参数列见表3.2。