碳氮管理对玉米—小麦轮作系统温室气体排放和产量影响

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研究了不同碳氮管理对江淮地区玉米-小麦种植模式温室气体排放(CO2、CH4、N2O)及农作物产量和品质的影响。试验设置6个处理分别为:空白处理(CK:0 N kg·hm-2),传统氮肥处理(CN:360 kg N·hm-2),减氮处理(RN:240kg N·hm-2),空白加秸秆处理(CK+S),传统氮肥加秸秆处理(CN+S),减氮加秸秆处理(RN+S),S代表秸秆还田(3750 kg·hm-2)。采用静态箱-气相色谱法连续监测土壤CO2、CH4和N2O的排放,揭示了不同碳氮处理的CO2、CH4、N2O排放规律,同步监测了玉米-小麦轮作系统中作物的产量和品质性状,量化碳氮管理对产量、品质的影响,筛选出江淮地区丰产减排的种植模式。主要结论如下:(1)玉米-小麦轮作体系中,氮肥和秸秆还田对土壤CO2和N2O的排放均有促进作用,秸秆还田对促进CO2排放的影响显著大于氮肥处理,而氮肥是促进N2O排放的主要驱动因子;氮肥和秸秆会促进CH4的吸收。玉米-小麦轮作周年期内综合增温潜势CN(7662.11±581.12kgC·hm-2)高于RN(7337.79±354.65kgC·hm-2),CN+S(9312.74±200.35kgC·hm-2)高于RN+S(8509.50±336.43kgC·hm-2);RN+S(8509.50±336.43kgC·hm-2)高于RN(7337.79±354.65kgC·hm-2),CN+S(9312.74±200.35kgC·hm-2)高于CN(7662.11±581.12 kg C·hm-2)。说明秸秆和氮肥会促进温室气体增温潜势的增加,其中秸秆的作用更大。江淮地区玉米-小麦轮作系统表现为CO2和N2O的源和CH4的汇。(2)秸秆主要促进小麦生育前期及玉米整个生育期的CO2和N2O排放,氮肥则促进整个生育期,其中小麦越冬期较弱;玉米季不同处理CH4表现为零排放;小麦季氮肥与CH4的排放呈负相关;C单位排放强度并没有随着氮肥的增加呈现先减后增的趋势,施用秸秆的对应处理趋势与之相同。(3)玉米-小麦轮作中温室气体排放与土壤温度的相关性强于土壤湿度。玉米季不同处理CO2、N2O的排放与硝态氮、铵态氮的相关性除个别无相关性或弱相关和强相关性外,其余均表现出中等相关。小麦季中,铵态氮与CO2、CH4、N2O的排放相关性强于硝态氮。秸秆还田及增施氮肥可以促进氮排放系数的增高。(4)玉米-小麦轮作系统中,CN(17403.89±166.64 kg·hm-2)处理的产量显著高于CK(11559.52±263.71 kg·hm-2)处理,低于RN(18239.19±829.05kg·hm-2)处理但差异不显著,说明施用氮肥可以提高玉米-小麦轮作产量但超过最适施氮量后反而会降低轮作产量。RN+S(18527.71±450.39 kg·hm-2)处理的产量高于RN(18239.19±829.05 kg·hm-2),CK+S(12622.04±764.82 kg·hm-2))处理的产量高于CK(11559.52±263.71 kg·hm-2)处理,而CN+S(17279.15±890.12kg·hm-2)处理的产量低于CN(17403.89±166.64 kg·hm-2)处理,说明秸秆还田需要配合适宜的施氮量才能达到最佳的增产效果;秸秆还田配施氮肥对玉米穗粗、千粒重和小麦千粒重、麦亩穗数和穗粒数有显著促进作用;秸秆还田配施氮肥可以显著提高玉米籽粒蛋白质含量和小麦籽粒蛋白质、湿面筋、沉降值含量,但随着氮肥的增加,小麦籽粒淀粉含量却呈下降趋势,对玉米籽粒品质中的脂肪和淀粉无显著影响;秸秆还田对玉米、小麦季铵态氮供应影响不明显;与传统施氮相比,减氮处理铵态氮供应没有显著降低;秸秆还田可以造成硝态氮供应前期少后期多;与传统施氮相比,减氮处理土壤硝态氮含量显著下降;相同氮处理下,秸秆还田处理的小麦季氮农学效率低于秸秆不还田处理,而玉米季则相反;传统施肥处理下,小麦、玉米季氮肥偏生产力均低于减氮处理。减氮及秸秆还田处理不会造成产量显著降低,而且其综合增温潜势较低,从保证产量和环保的角度,该碳氮管理模式适宜在江淮地区推广。
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