农作管理措施对华北平原典型冬小麦-夏玉米田N2O排放及土壤有机碳的影响

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全球气候变暖是人类面临的最严峻的全球环境问题之一,而农业生产活动是温室气体特别是非CO2温室气体的重要人为排放源。农业生产过程减缓气候变化的措施主要包括减少温室气体排放和增加农业汇两个方面。土壤碳库分别是大气碳库和植被碳库的3倍和4倍,通过各种农作管理活动能增加土壤碳汇,增强农业土壤碳汇是成本低廉的、减缓大气中二氧化碳浓度上升的措施之一。本研究以华北平原典型冬小麦-夏玉米田为研究对象,设置不同的农作管理措施:1)不施肥+翻耕(CK);2)常规施肥+翻耕(FS);3)化肥有机肥配施+翻耕(FM);4)常规施肥+秸秆还田+翻耕(FST);5)常规施肥+秸秆还田+旋耕(FSR);6)常规施肥+秸秆还田+免耕(FSN);监测不同农田管理措施连续3年对土壤N2O排放的影响和措施实施5年后土壤有机质含量的变化,评价施肥、耕作、秸秆还田等措施对土壤N2O排放及土壤有机碳的双重影响,并按照生命周期法估算了各生产资料和生产活动对冬小麦-夏玉米生产系统中碳排放足迹的贡献,筛选最佳的农作管理措施,为华北集约化农田固碳减排及高产稳产提供技术支持。主要研究结果如下:(1)不同管理措施下冬小麦-夏玉米田的土壤N2O排放通量多年季节变化规律大致相同:排放峰主要发生在施肥和灌溉后;冬小麦季N2O排放通量受温度和水分的共同影响,夏玉米季的N2O排放通量主要受土壤水分含量的影响。(2)在保持施氮量相同的情况下,有机肥替代30%的氮肥2年平均可减排N2O 15.6%、单位产量的N2O排放强度也较低(0.16%),是可推荐的低碳稳产管理措施。(3)不同农作管理措施下,华北地区典型冬小麦-夏玉米生产系统碳排放足迹为1550.2-2025.8kg C-e/hm2/a(不包括无肥处理:811.0-828.8 kg C-e/hm2/a),其中化肥生产过程的碳排放足迹占比最高,为42.9%-49.3%(其中化肥和有机肥配施处理的肥料生产碳排放足迹占比36.0%-39.0%,包括化肥生产和有机肥生产两部分),其次是灌溉耗电(21.3%-27.8%)和氮肥施用的田间直接排放(16.0%-24.3%),农业机械田间作业耗油的碳排放占比8.0%-10.8%,再次是种子生产(3.0%-3.9%)和农药生产(0.4%-0.5%)。因此,化肥生产工业的减排对农产品生命周期碳排放足迹的影响至关重要。(4)原位埋袋实验表明,无论是小麦秸秆还是玉米秸秆,秸秆还田免耕比秸秆还田翻耕和秸秆还田旋耕处理的腐解均慢,秸秆的年腐殖化系数也略高于翻耕和旋耕处理。(5)5年定位试验表明,不同农作管理措施对土壤有机碳变化的影响不同,5年内土壤有机碳年平均相对增加速率为增施有机肥或配施有机肥处理(2.66%/a)>秸秆还田免耕处理(0.92%/a)>秸秆还田翻耕或旋耕处理(0.74-0.78%/a)>单施化肥处理(0.30%/a),无肥处理5年期间土壤有机碳年平均相对下降速率为3.78%。与常规施肥秸秆不还田相比,化肥有机肥配施可以增加土壤有机碳的含量,免耕秸秆还田也是比较好的增加有机碳储量的措施。(6)本研究中各农作管理措施的作物产量之间都无显著差异,有机肥配施化肥可显著降低冬小麦-夏玉米生产系统的碳排放足迹(16.7%);秸秆还田和免耕也能在一定程度上降低碳排放足迹;而从经济效益来看,秸秆还田处理的经济效益较好,年平均收益20450.7元/hm2,年平均产投比1.69。综合作物产量、N2O排放、生命周期碳排放足迹、碳成本以及产投比等多项指标,有机肥配施化肥和秸秆还田是本研究推荐的冬小麦-夏玉米生产系统稳产低碳最佳农作管理措施。
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