【摘 要】
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温室气体大量排放是全球气候变暖及其引起的一系列环境问题的主要原因,而农业活动是人为温室气体排放的主要来源,如何通过有效的农田管理措施减少温室气体排放对缓解气候变化和农业的可持续发展具有重要意义。秸秆的有效利用是提高土壤质量与固碳减排的重要措施。为了进一步明确秸秆投入与其它农田管理措施结合下土壤性质、作物生产力、温室气体排放等的影响,本文基于2021年前公开发表的关于秸秆投入下农田温室气体排放和土壤
【基金项目】
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陕西省自然科学基础研究计划项目（编号:2020JQ-274）； 西北农林科技大学基本科研业务费专项（编号:2452020164）；
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温室气体大量排放是全球气候变暖及其引起的一系列环境问题的主要原因,而农业活动是人为温室气体排放的主要来源,如何通过有效的农田管理措施减少温室气体排放对缓解气候变化和农业的可持续发展具有重要意义。秸秆的有效利用是提高土壤质量与固碳减排的重要措施。为了进一步明确秸秆投入与其它农田管理措施结合下土壤性质、作物生产力、温室气体排放等的影响,本文基于2021年前公开发表的关于秸秆投入下农田温室气体排放和土壤性质变化的全球323篇文献,利用Meta分析方法研究不同农田管理措施对土壤性质、作物产量、温室气体排放的影响;同时选取关中地区小麦-玉米轮作长期定位试验（始于2003年）开展田间观测,设置2种秸秆管理措施（F:秸秆覆盖,C:无秸秆覆盖）和3个施氮水平(不施肥（N0）、120 kg N·ha-1（N120）、240 kg N·ha-1（N240）),1个休闲小区（CK,不种植任何作物）,共计7个处理,分别记为CKN0,CN0,CN120,CN240,FN0,FN120,FN240,在2019-2021年进行为期两年的田间试验,阐明长期秸秆覆盖与施肥对土壤性质和温室气体排放的影响。主要研究结果如下:1.基于Meta分析研究秸秆投入对土壤性质和综合增温效应的影响（1）与无秸秆投入相比,秸秆投入可以显著改善作物的农艺性状,提高土壤养分含量,降低土壤容重,但对土壤p H值无显著影响。秸秆投入量和投入时间是影响土壤性质变化的关键因素,秸秆投入显著提高了作物产量8.86%和土壤碳储量12.8%,其中免耕结合秸秆投入和旱地秸秆投入效益最好。此外,秸秆投入显著提高了水分利用效率22.2%和氮肥利用效率23%。（2）秸秆投入下CO2、CH4和N2O排放总量分别增加了24.8%、79.3%和28.3%,从而提高了全球增温潜势（GWP）和温室气体排放强度（GHGI）,但秸秆投入也显著增加了土壤有机碳储量,抵消温室气体排放,最终降低了全球净增温潜势（NGWP）。采取适当的农业管理措施,如低秸秆投入量(＜4.5 t·ha-1)、秸秆覆盖、长期秸秆投入（Y≥5年）可减少温室气体排放,降低GWP。秸秆投入下CH4排放对GWP和GHGI的贡献较大,而N2O排放贡献较小,因此合理的秸秆投入（如在非稻季秸秆投入）是水旱轮作系统减少CH4排放的有效措施。2.长期秸秆覆盖和施肥对土壤性质、作物产量和温室气体排放的影响（1）无论秸秆覆盖与否,总体上长期施肥可以增加玉米收获期耕层土壤全氮、硝态氮、微生物生物量碳氮含量,提高土壤蔗糖酶、纤维素酶和脲酶活性,但降低了土壤铵态氮含量,高施肥量会降低土壤p H和土壤蔗糖酶和纤维素酶活性。与无秸秆覆盖处理相比,相同施肥水平下秸秆覆盖可以增加玉米收获期耕层土壤有机碳、全氮、硝态氮、微生物生物量氮含量,显著提高土壤含水量和土壤脲酶活性。长期施肥显著提高了试验期小麦和玉米产量,但在N120与N240施肥水平间小麦和玉米产量无显著性差异。与无秸秆覆盖处理相比,相同施肥水平的秸秆覆盖处理显著提高了玉米产量,但对小麦产量无显著影响。相关性分析表明,土壤有机碳、全氮、硝态氮含量、土壤蔗糖酶、脲酶活性与作物产量存在显著的正相关关系。（2）关中地区小麦-玉米轮作系统是CO2、N2O的排放源,CH4的吸收汇。长期施肥和秸秆覆盖均显著增加了CO2排放总量。无论秸秆覆盖与否,高施肥水平（N240）下显著降低了土壤CH4吸收总量,与CN0处理相比,CN240处理小麦季和玉米季CH4吸收总量分别降低38.73%-50%和30.0%-43.07%;与FN0处理相比,FN240处理小麦季和玉米季CH4吸收总量分别降低35.71%-61.14%和29.34%-43.18%。与无秸秆覆盖处理相比,相同施肥水平下的秸秆覆盖处理对CH4吸收总量无明显影响。N2O排放通量呈现高氮肥高释放的规律,在施肥后两周左右均有较高的排放通量。与无秸秆覆盖相比,相同施肥水平下秸秆覆盖对N2O排放总量无显著影响。施肥显著提高了GWP和GHGI,与N120施肥水平相比,N240施肥处理分别显著提高GWP 37.50%-146.87%和GHGI 31.21%-174.33%。总体上相同施肥水平下,秸秆覆盖处理较无秸秆覆盖处理对GWP和GIGI无显著影响。综上所述,优化秸秆投入是增产增效的有效途径之一,结合适宜的农田管理措施,可以在长期尺度上达到最优的减排效果。长期试验结果表明秸秆覆盖配施120 kg N·ha-1氮肥组合可以兼顾作物产量、土壤养分和环境效益,是关中地区降低温室气体排放和农业可持续发展的优良组合方案。
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