华北南部麦田温室气体排放动态变化及有机物料还田、氮肥减施效应的研究

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针对华北南部过量施氮和农业资源浪费导致温室气体排放增加,使其成为农业可持续发展的限制因子,在2017年10月-2018年6月通过监测CO2、N2O、CH4的动态变化和农业生产中带来的当量CO2排放,并采用生物量的方法计算农田综合增温潜势。探讨不同有机物料还田模式下温室气体的排放规律及净增温潜势,讨论影响温室气体排放的主要因素,提出合理的施肥模式,为该地区减排措施提供参考。试验设J(玉米秸秆全量还田)、JF(玉米秸秆全量还田+牛粪,牛粪45 m3·hm-2)、JZ(玉米秸秆全量还田+菌渣,菌渣60 m3·hm-2)3个还田处理为主区;施氮量为副区,设N1(纯氮243 kg·hm-2,较当地常规施氮减少10%)、设N2(纯氮216 kg·hm-2,较当地常规施氮减少20%)2个水平。通过静态箱-气相色谱法进行田间原位监测,得到以下结论:(1)华北南部麦田生态系统,不同施肥模式下麦田整个生育期温室气体(CO2、N2O、CH4)排放规律基本相同。CO2和N2O的排放主要集中在施肥与灌水后,最高峰均在拔节期出现;CH4的吸收集中在返青期,排放集中在强降水后的灌浆期。有机物料还田降低了CO2和N2O的排放总量,其中JN2处理下分别降低了23%和30%,JZN2处理下分别降低了20%和23%;有机物料还田降低了CH4排放总量,其中JFN2处理下降低了62%;3种有机物料(秸秆、牛粪、菌渣)还田处理,菌渣处理下的N2O的排放总量低于秸秆和牛粪还田,分别降低了18%和44%,秸秆处理下的CO2排放总量低于牛粪和沼渣,分别降低了12%和32%,牛粪处理下的CH4的吸收总量最高。(2)温室气体排放通量与土壤5cm温度、土壤10cm温度、土壤含水量、硝态氮和铵态氮相关分析表明,硝态氮和铵态氮是影响N2O排放的主要因素,所有处理N2O排放通量与硝态氮和铵态氮呈极显著正相关,与土壤5cm温度和土壤10cm温度呈显著正相关,而CH4的吸收与影响因子之间没有相关关系。(3)全球增温潜势(GWPA)分析,麦季GWPA以N2O和CO2排放为主,秸秆还田处理的GWPA低于菌渣和牛粪还田。从综合增温潜势排放角度来看,JN2、JFN2和JZN2处理为温室气体的汇,CK、JN1、JFN1和JZN1处理为温室气体的源。与CK相比,有机物料还田均不同程度地提高了作物产量以及作物净初级生产力,菌渣和牛粪还田处理的提高程度优于秸秆。总体来讲,农业废弃物的利用有利于增加作物产量,同时提高作物生产力,减少农田的综合增温潜势。(4)从温室气体排放强度(GHGI)分析表明,有机物料与化肥配施在增加小麦产量的同时降低了麦季GHGI,在单位产量内有效减少了温室气体排放。3种有机物料(秸秆、牛粪、菌渣)还田条件下,菌渣还田处理的产量最高,较秸秆和牛粪还田,分别提高了1719.37 kg?hm-2和1828.30 kg?hm-2,菌渣还田处理的GHGI最低,较秸秆和牛粪还田,分别降低了0.16 kg?hm-2和0.81 kg?hm-2。(5)在华北南部麦季生态系统中,菌渣配施化肥显著提高了小麦产量,与单施化肥相比,菌渣与化肥配施增产32%72%,综合温室气体排放强度、全球增温潜势、产量以及综合增温潜势等方面考虑,秸秆+菌渣+减氮20%(JZN2)处理,菌渣的施用固定碳9892.45 kg?hm-2,产量8061.34 kg?hm-2,综合增温潜势为-1980 kg?hm-2,有效实现了农业资源废弃物资源化利用,在获得较高经济效益的同时兼顾了环境效应。
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