增温和秸秆还田对北方稻田水稻生长及温室气体排放的影响

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全球气候变化背景下,稻田温室气体的排放得到了广泛关注。同时,秸秆还田作为一项既可以培肥地力,又具生态效益的稻田管理措施,在北方稻田得到了广泛应用。因此,探讨增温背景下秸秆还田对北方稻田水稻生长以及温室气体排放的影响,揭示其变化规律及机理,可为预测未来气候变化对农业的生产及生态效益的影响提供依据。本研究以东北地区种植较为广泛的水稻品种“北粳2号”为试验材料,采用田间开放式主动增温系统,设置对照(CK),增温(T)、秸秆还田(R)和增温还田互作(TR)四种处理,研究增温和秸秆还田互作对北方稻田水稻生长和温室气体排放的影响规律,评价增温和秸秆还田互作的综合温室效应。研究结果表明:(1)TR和R处理的秸秆腐解速率均呈单峰型分布,秸秆腐解率呈现逐渐上升趋势。秸秆于11月中旬还田后,受到温度和土壤水分影响,前期腐解率较低,中期呈快速增加,后期呈缓慢增长,9月中下旬达到最大值。同时,秸秆无法完全腐烂,TR和R处理的秸秆腐解率均呈逐年降低的趋势,秸秆腐解程度在60-75%之间。(2)T、R及TR处理后,茎鞘、叶和地上部分干物重与CK相比均有不同程度增加。拔节期各处理水稻拔节期茎鞘、叶和地上部分干物重的总体变化趋势均表现为TR>T>R>CK;抽穗期茎鞘重和叶重总体表现为TR>R>T>CK,穗重和地上部分干重总体表现为TR>T>R>CK;成熟期水稻茎鞘、叶、穗和地上部分干物重的变化趋势总体表现为T>TR>R>CK。(3)T、R及TR处理均可增加水稻产量,总体产量趋势表现为TR>T>R>CK。从产量构成来看,T和R及TR处理均可使水稻有效穗数和结实率增加;T和R处理总体上降低了每穗实粒数,但TR处理使每穗实粒数增加;T处理使水稻千粒重降低,R处理会增加水稻千粒重,TR处理与CK相比总体上降低了千粒重。(4)稻田生态系统总体上表现为CO2和CH4的源,在6~9月间呈现多峰型变化,CO2和CH4排放通量的变化范围分别为0.32~248.92 mg m-2 h-1和0.05~10.84 mg m-2 h-1。各处理CO2和CH4累积排放总量排列顺序为TR>R>T>CK,T、R及TR处理均可显著提高CO2和CH4的排放量(P<0.05)。N2O排放通量的变化范围为-3.25~68.20μg m-2 h-1。增温对N2O排放的影响不显著,秸秆还田显著提高了N2O累积排放量。基于三年的数据均值可发现,与CK相比,T、R和TR处理分别使N2O累积排放总量增加33.41%、63.00%和72.60%。(5)与CK相比,T、R和TR处理均可增加CO2、CH4以及N2O的全球增温潜势(GWP),其中R和TR与CK差异均达显著水平,T处理下N2O的GWP与CK无明显差异。CK和T处理的GWP以CO2贡献为主,三年平均贡献率分别为为45.51%和56.39%。R和TR处理的总GWP以CH4贡献为主,平均贡献率分别为48.89%和50.12%。T、R和TR处理的温室气体排放强度(GHGI)较CK分别增加了10.41%~45.10%、65.10%~129.31%和77.75%~160.46%,R和TR处理与CK差异达到显著水平,T与CK处理差异不显著。
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