豆科参与的轮作模式对皖北平原农田温室气体排放和作物产量的影响

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主要由温室气体(GHG,Greenhouse Gas)浓度增加所引起的全球气候变暖和生态环境恶化等问题已成为当今人类社会生存与发展所面临的重大挑战。如何提高集约化农业生产的可持续发展性和提高农业生态系统资源利用效率是当今国际社会关注的焦点问题。皖北平原农田温室气体排放是全球温室气体的重要来源,具有巨大的减排潜力。因此,如何准确估算和有效减缓皖北平原农田温室气体(CH4和N2O等)排放在全球变化研究中显得尤为重要。针对我国皖北平原农业生产活动中传统轮作模式下大量施肥的特点,本研究通过设置传统轮作模式小麦-玉米和以豆科作物生物固氮为基础的粮豆轮作模式,采用静态箱-气相色谱法测定农田温室气体(CH4和N2O)排放、测定分析不同轮作模式下作物产量变化,着重探究了不同轮作模式对皖北平原农田温室气体排放和作物生产力的影响,同时对不同轮作模式下的经济效益和应用前景进行了对比分析,以期为建立低氮或无氮投入的可持续发展农业提供数据支撑和科学依据。本研究主要试验结果如下:1.轮作模式和氮肥施用是影响土壤N2O排放的两个主要影响因子。正常施肥的常规麦玉轮作模式下N2O累计排放量最高,达到1708.22 mg m-2;豆科轮作能够显著降低施肥土壤N2O排放,如,大豆-小麦轮作常规施肥(WS200)和大豆-小麦-玉米轮作常规施肥(WSM265)模式下的累计排放量分别为127.26 mg m-2和1398.21 mg m-2;不施肥条件下豆科轮作(WS0)反而提高了土壤N2O排放,相对于常规不施肥的麦玉轮作下的累计排放量提高了 10%。2.CH4排放通量随季节及轮作模式表现出较大的变化幅度,但这几个处理之间CH4排放通量变化趋势基本一致。总体而言,玉米-小麦轮作不施肥(WM0)、玉米-小麦轮作常规施肥(WM330)、WSO、大豆-小麦轮作减半施肥(WS100)、WS200、大豆-小麦-玉米轮作不施肥(WSM0)和WSM265处理的 CH4排放总量分别为-0.01 g m-2、0.03 g m-2、0.00 g m-2、-0.01 g m-2、-0.09 gm-2、-0.06 gm-2、-0.05 g m-2,除麦玉轮作的常规施肥CH4表现为明显的排放情况外,其它处理均表现为CH4吸收,说明该地区农田生态系统土壤表现为CH4的汇。3.不同处理之间全球增温潜势差异显著,氮肥的施用显著提高了由CH4和N2O排放所引起的全球增温潜势。所有处理中,正常施肥条件下的玉米-小麦轮作(WM330)所造成的全球增温潜势最大,为510.03 kg CO2 hm-2,豆科轮作能够显著降低由CH4和N2O排放所引起的全球增温潜势。4.施肥均显著提升了大豆、玉米和小麦的经济产量、地上生物量、千粒重。连年的麦玉轮作,无论是在施肥还是不施肥的条件下,第三生长季相比第一生长季的玉米产量有减产趋势。大豆参与的连年轮作模式(WSM和WS),第三生长季相比第一生长季在相同施肥处理的条件下,玉米或大豆未出现减产,甚至有增产趋势。5.不同轮作方式历经三个作物生长季累积下来的最终经济效益差异变得更为显著。WMO和WMS0轮作模式下的经济效益最低,约为2.2万元和2.8万元;WS200和WSM265两种模式的经济效益最佳,达4.5万元和4.6万元;WM330和WS100两种轮作模式经济效益处于中等水平。综上所述,在施肥的条件下,豆科参与的轮作模式相对于常规麦玉轮作模式能够显著降低温室气体排放,同时能够有效维持作物的产量和生物量并显著提升总体经济效益,是一种生态可持续性的轮作体系。
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