有机物料对粮食作物农田温室气体净排放的影响

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二氧化碳(CO2)、氧化亚氮(N2O)、甲烷(CH4)等温室气体所引起的气候变暖已成为最为关注的环境问题之一。农田具有非常大的温室气体减排潜力,通过添加有机物料(动物粪肥和作物秸秆)不仅可以保持土壤生产力、改善土壤肥力,还能够提高土壤有机碳(SOC)含量,将大气CO2以SOC的形式固定在土壤中来减缓温室效应,目前,有机物料还田已成为重要的减缓气候变暖的农业措施。由于不同区域的气候条件、管理措施、土壤性质等因素的不同,导致添加有机物料的“固碳”和“减排”的效果存在很大的差异。因此,本研究拟利用Meta综合分析方法明确土壤固碳、CH4和N2O减排的主要驱动因子,定量评价添加有机物料对土壤固碳速率、CH4和N2O年排放量以及全球增温潜势(GWP)的综合影响,有助于科学评价有机物料的合理施用在减缓气候变暖方面作出的贡献,助力早日实现农业碳达峰和碳中和目标。选取“氧化亚氮”、“甲烷”、“温室气体”、“全球增温潜势”、“有机物料”、“nitrous oxide”、“methane”、“greenhouse gas”、“GWP”和“organic amendments”等为关键词,在中国知网和Web of Science等数据库检索关于农田SOC含量、N2O和CH4排放的相关文献,共筛选出文献207篇和有效数据1344个,对大量数据进行科学整理并进行Meta分析,定量评价不同影响因素下添加有机物料对土壤固碳速率、CH4和N2O年排放量以及GWP的综合影响。Meta分析结果表明:(1)施化肥土壤年均固碳量与试验时间呈显著负相关性(r~2=0.45,p<0.05);添加有机物料后土壤年均固碳量与试验时间也呈显著负相关性(r~2=0.43,p<0.05)。年均温度为≤10℃、年均降水量为≤600mm的气候条件下添加有机物料,SOC含量及储量增幅最大。有机物料还田下一年一熟制对SOC含量及储量增加效应好于一年两熟制。翻耕处理SOC含量及储量增加幅度好于免耕和旋耕处理。不同土地利用类型中,相比水田、水旱轮作,旱地农田SOC含量及储量增幅最高。添加有机物料后SOC储量在还田年限10~20年时增幅最大。(2)N2O累积排放量、N2O排放系数、单位产量N2O排放量、单位产量GWP与施氮量均没有相关性。在亚热带地区添加有机物料,N2O排放系数和作物产量显著增加、单位产量N2O排放量显著减少。年均降水量为>1000mm、年均温度为>15℃的气候条件下添加有机物料,最能显著增加N2O排放系数和作物产量,单位产量N2O排放量显著减少效果最好。在酸性(p H≤6.5)土壤中添加有机物料,单位产量N2O排放量显著减少效果最好,N2O排放系数和作物产量显著增加。在总氮≤0.6 g·kg-1、SOC≤8g·kg-1的农田土壤中添加有机物料能够显著减少单位产量N2O排放量。施用粪肥可以显著减少单位产量N2O排放量,作物产量显著增加。当施氮量为100~200 kg·hm-2时,既能使小麦和玉米高产的同时,又能最大限度降低单位产量GWP。施用粪肥能显著提高N2O排放量、旱地GWP和作物产量。(3)稻田CH4排放量与施氮量呈显著负相关性(r~2=0.2,p<0.05)。N2O排放系数、单位产量N2O排放量与施氮量之间没有显著相关性,单位产量GWP与施氮量呈显著对数负相关性(r~2=0.24,p<0.05)。在年均降水量为>1400 mm、年均温度为15~17℃的气候条件下添加有机物料,稻田CH4排放、N2O排放系数和作物产量显著增加。在总氮>2 g·kg-1、SOC>20 g·kg-1的稻田土壤中添加有机物料,稻田CH4排放、N2O排放系数和作物产量显著增加。在酸性土壤(p H≤6.5)中添加有机物料,稻田CH4排放、N2O排放系数显著增加。添加有机物料(粪肥、秸秆)、施肥方式(一次性施肥、基肥+追肥)都能显著提高稻田CH4排放量。采用分次施肥(基肥+追肥)的方式可以显著提高稻田N2O排放系数和籽粒产量,施用粪肥也可以显著提高稻田N2O排放系数。当施氮量<200 kg·hm-2时,既能保证水稻高产的基础上,又能最大限度降低GWP,使单位产量GWP保持较低的水平。在水稻种植时,让秸秆代替粪肥作为有机物料,可以在不降低水稻产量的同时,降低单位产量GWP。综上所述,不同气候条件、土壤性质、田间管理措施等因素下添加有机物料均能显著提高SOC含量及储量。农田生态系统表现为大气CO2吸收的汇,N2O和CH4的排放源。当施氮量为100~200 kg·hm-2时,在保证小麦、玉米和水稻高产的基础上,又能最大限度降低单位产量GWP。
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