鄱阳湖地区长期施肥双季稻田生态系统净碳汇效应及收益评估

以江西省红壤所长期施肥红壤水稻土双季稻农田生态系统为研究对象,利用不同施肥处理作物产量及土壤有机质含量等测定数据结合调查获得的生态系统物质和管理投入资料,估算了不同施肥处理（不施肥（CK）、单施氮肥（N）、单施磷肥（P）、单施钾肥（K）、氮磷肥配施（NP）、氮钾肥配施（NK）、氮磷钾配施（NPK）、两倍氮磷钾配施（2NPK）、有机肥与氮磷钾肥配施（NPKM））双季稻生态系统的碳汇效应和经济效益。结果表明,有机肥和化肥配施（NPKM）既提高了系统的作物固碳量又显著增加了土壤的固碳量,使得其净碳汇效应最大,为8．78tC·hm^-2·a^-1;两倍氮磷钾配施（2NPK）系统的净碳汇效应为8．11tC·hm^-2·a^-1,二者均高于氮磷钾配施（NPK）处理的7．03tC·hm^-2·a^-1,不施肥及单施一种或两种无机肥配施系统的净碳汇效应均明显减弱,其中不施肥处理（CK）最小为4．52tC·hm^-2·a^-1,单施N肥比单施P、K肥在提高系统净碳汇效应上作用明显。配施有机肥（NPKM）稻田的作物产量和经济效益也高于无机肥配施处理（NPK和2NPK）,不施肥、单施一种或两种无机肥配施稻田的作物产量和经济效益明显偏低。因此,稻田施用一定量的无机肥是提高稻田生态系统碳汇效应和经济效益的保证,而配施有机肥可以明显提高稻田生态系统的碳汇效应和经济效益。     

不同有机培肥模式下双季稻田碳汇效应与收益评估

本研究基于1981年开展的有机肥长期定位试验,研究了不同有机肥种类、用量和施用方式对稻田生态系统碳排放、系统碳固定与净碳汇的影响,并对各处理经济效益进行了比较,为实现农业低碳、高值、高效生产提供理论参考。本研究所选取的有机肥处理包括:不施肥对照(CK);早稻施用绿肥紫云英15 t·hm-2,晚稻不施有机肥(M1);早稻施用两倍绿肥紫云英30 t·hm-2,晚稻不施有机肥(M2);早稻施用绿肥紫云英15 t·hm-2和猪粪15 t·hm-2,晚稻不施有机肥(M3);早稻施用绿肥紫云英15 t·hm-2+晚稻施用猪粪15 t·hm-2和冬季稻草覆盖4 500 kg·hm-2(M4);长期施用化肥(NPK)等5个处理。每5年于晚稻收获后采集土样测定土壤有机碳含量,并测定每年的早晚季水稻产量与生物量,用于估算系统收益与碳收支(5年平均)。结果表明:与不施肥对照相比,各施肥处理水稻产量均显著提高(P0.05),增幅为30.88%~96.52%,且随着施肥年限的增加,M4处理增产作用最大。长期施用有机肥显著提高红壤稻田土壤固碳能力,且有机肥用量增加系统土壤固碳能力增强,M2、M3、M4处理土壤固碳量显著高于M1、NPK和CK处理;稻田植株固碳量也显著提高(P0.05),M4和M3最高,双季稻植株固碳量为6.76~8.83 t(C)·hm~(-2)·a~(-1)。长期施用有机肥下稻田系统净碳汇显著增加,与对照相比施肥处理(M1、M2、M3、M4、NPK)系统净碳汇增加1.43~3.93 t(C)·hm~(-2)·a~(-1),系统碳汇效应显著(P0.05)。同一处理不同施肥年限由生产活动所引起的碳排放量保持不变,系统净碳汇量差异主要表现在系统固碳量上,其变化趋势与水稻产量变化趋势基本一致。长期施用有机肥显著降低了化肥投入,稻田生态系统经济效益显著增加(P0.05),并以M4处理最高,达25 683.7$·hm~(-2)·a~(-1)。综上结果表明:长期施用有机肥显著提高双季稻田碳汇效应与经济效益(P0.05),绿肥紫云英与猪粪和秸秆配施稻田生态系统碳汇效益与经济效益较单施绿肥紫云英优势明显。     

洞庭湖地区长期施肥条件下双季稻田生态系统净碳汇效应及收益评估

以农业部望城红壤水稻土生态环境重点野外观测试验站的长期定位肥力效应试验稻田为研究对象,利用历年作物产量、凋落物固碳和农田CO2排放等观测资料及生态系统的物质和管理投入等调查资料,估算了年碳汇平衡和经济收益,以及不同施肥处理的固碳速率、潜力及表土碳密度。结果表明,不同施肥处理下年碳汇量介于0．82～4．70tC·hm^-2·a^-1,增施有机肥（猪粪、稻草）的处理NPK＋RS、NK＋PM和NP＋RS的碳汇量分别是相应的仅施化肥处理NPK、NK和NP的1．1、1．7和1-4倍。不同处理生态系统物质投入的碳成本介于0．03-0．65tC·hm^-2．a^-1,人工管理的碳成本介于1．42—1．48tC·hm^-2·a^-1,年经济收益介于1．17×10^3～8．71×10^3 CNY·hm^-2·a^-1,有机肥配施的经济效益是单施化肥的1．1～1．6倍。不同施肥处理固碳速率介于25．83—51．98kg·hm^-2·a^-1,不同施肥处理表土碳密度介于29．21～43．24t·hm^-2,增施有机肥能够提高土壤固碳速率和表土碳密度。与单施化肥相比,有机无机配施处理的生态系统生产力较高,也表现出较高的碳汇效应和经济收益,是促进土壤固碳减排的一项重要措施。     

小麦-玉米-大豆轮作下黑土农田土壤呼吸与碳平衡

农田生态系统是陆地生态系统的重要组成部分,探讨农田生态系统的土壤呼吸与碳平衡对于科学评价陆地生态系统在全球变化下的源汇效应具有重要意义。基于中国科学院海伦农业生态实验站的长期定位试验,对不同施肥处理下黑土小麦-玉米-大豆轮作体系2005—2007年的作物固碳量与土壤CO2排放通量进行了观测,并对该轮作体系下黑土农田生态系统的碳平衡状况进行了估算。结果表明:在小麦-玉米-大豆轮作体系中,作物固碳量的高低表现为:玉米>大豆>小麦,平均值分别为6 513 kg(C).hm-2、4 025 kg(C).hm-2和3 655kg(C).hm-2。从作物生长季土壤CO2排放总量来看,3种作物以大豆农田生态系统的土壤CO2排放总量最高,平均值达4 062 kg(C).hm-2;其次为玉米,为3 813 kg(C).hm-2;而小麦最低,为2 326 kg(C).hm-2。3种作物轮作下NEP(净生态系统生产力)均为正值,表明黑土农田土壤-作物系统为大气CO2的"汇",不同作物系统的碳汇强度表现为玉米>小麦>大豆,三者的平均值分别为3 215 kg(C).hm-2、1 643 kg(C).hm-2和512 kg(C).hm-2。长期均衡施用氮、磷、钾化肥或氮、磷、钾化肥配施有机肥后,小麦、玉米和大豆农田生态系统的固碳量和土壤CO2排放总量均明显增加,并在氮、磷、钾配施有机肥处理下达到最高。不同的施肥管理措施将改变土壤-植物系统作为大气CO2"汇"的程度,总体表现为化肥均衡施用下NEP值较高,而化肥与有机肥配施下农田生态系统的NEP值较低。     

节水条件下盐碱农田施用有机肥的固碳及其生态系统服务价值提升效应

针对中国黄河中上游河套灌区不合理灌溉和施肥造成的盐碱农田碳排放加剧和生态系统服务功能退化等问题，该研究以向日葵盐碱农田为研究对象，开展连续2 a的田间试验，探讨滴灌条件下有机肥施用对盐碱农田生态系统净碳收支和生态系统服务功能价值的影响。试验设置滴灌灌水下限及施肥模式2个因素。灌水下限设置2个水平（W1：土壤基质势阈值为−20 kPa，W2：土壤基质势阈值为−30 kPa），每个灌水下限下设置3种施肥模式（CK：纯施化肥，LBF：褐煤碳基有机肥4.5 t/hm²，SMF：羊粪堆肥5 t/hm²），采用完全随机区组设计。另设畦灌施加化肥处理作为对照（MCK）。对不同处理的生态系统净碳收支及其组成要素以及3种生态系统服务价值（农产品供给功能价值、积累有机质功能价值和气体调节价值）进行了对比分析。结果表明：相同施肥条件下，滴灌处理的土壤有机质含量、作物净初级生产力、籽粒碳输出和土壤碳排放高于畦灌处理，且这些指标的值均随土壤基质势升高而增加。相同灌溉条件下，施加有机肥处理可以显著提高土壤有机质含量、净初级生产力和籽粒碳输出并降低土壤碳排放。其中，滴灌灌水下限−20 kPa与褐煤碳基有机肥用量4.5 t/hm²（W1LBF）相结合的处理有效促进了作物生长，并获得了最高的净初级生产力以及较低的土壤碳排放量，最终获得了最高的生态系统碳汇能力。此外，净初级生产力、土壤有机质和土壤碳排放等指标的变化影响了生态系统服价值。与MCK处理相比，W1LBF处理能够显著提升农产品供给功能价值、积累有机质功能价值和气体调节价值，增幅分别为8004.20、923.9和2094.70元/hm²。综上所述，该研究发现在河套灌区向日葵盐碱农田中，采用滴灌−20 kPa灌水下限结合4.5 t/hm²褐煤碳基有机肥可以增加作物初级净生产力、提高盐碱农田系统的碳汇能力和生态系统服务功能价值。该研究可为干旱半干旱地区盐碱向日葵农田固碳减排和生态系统可持续发展提供科学依据。     

红壤丘陵双季稻稻田农田生态系统不同施肥下碳汇效应及收益评估

收集江西一个红壤水稻田长期肥料试验中产量、施肥量、土壤有机碳等资料,结合对农田生产中各项生产资料和管理活动的投入进行调查,对不同施肥处理下系统的生产力、碳投入排放与碳收集效应进行分析,并估算系统的碳汇。评价了不同处理下生产力的碳成本与碳汇效益。结果表明,种植双季稻下化肥配施和化肥有机肥配施下的稻田总碳汇分别为-2．2和-3．2t C·hm^-2·a^-1,但在两季生产中并无显著差异;相应地,有机无机肥配施比纯化肥配方施肥产量提高了30％左右,而碳汇量提高了50％左右。证明有机无机配合施肥是一种可以增产增汇的关键农业生产管理途径。     

不同土地利用和施肥方式下黑土碳平衡的研究

本研究进行了东北黑土不同土地利用(草地GL、裸地BL)与农田施肥管理方式(无肥NF、化肥NPK及化肥+有机肥处理NPKOM)下草本植物与作物净初级生产力(NPP)和净生态系统生产力(NEP)以及土壤碳排放的估算,目的是揭示自然与农田生态系统及经过土壤大气界面的碳收支平衡。土壤生长季碳排放总量(Rgs)、全年碳排放总量(Rann)以及全年微生物异养呼吸总量(Rm)以如下顺序递减:NPKOMGLNPKNFBL,5个处理之间存在显著差异(P0.05),但是草地与农田化肥+有机肥处理之间差异不显著(P0.05)。净初级生产力表现:GLNPKOMNPKNFBL,5个处理之间存在显著差异(P0.05)。草地总生物量及固碳量显著高于农田各处理(P0.05),草地NPP总量与农田各处理相比增加32%~96%。化肥+有机肥处理和化肥处理NPP总量比无肥处理高46%和49%。草地与农田的NEP均为正值,表明草地与农田在生态系统尺度上均是大气CO2的"汇"。对大气土壤界面碳平衡的分析表明,当前管理方式下,草地土壤是大气碳库的净汇,而裸地和农田土壤是净源。农田不同施肥处理土壤有机碳含量呈下降趋势,但增加有机肥的投入可增强土壤的固碳容量,达到新的碳平衡。     

内蒙农牧交错带地区土地利用方式和施肥对土壤碳库的影响

内蒙武川是我国典型的内蒙农牧交错带地区,土地利用方式转变和施肥是影响该地区农业生产和土壤碳储量的重要人类活动。选取内蒙武川地区,针对不同土地利用方式(耕地、退耕还林/还草)和施肥措施(化肥、有机肥)的长期定位试验土壤,分析土壤有机碳(SOC)、土壤无机碳(SIC)和全氮(TN)含量和储量,结合13C和15N稳定同位素方法,研究土地利用方式和施肥措施对于该地区土壤碳氮转化的影响规律。研究表明,退耕还灌/还草后,SOC储量较耕地均有显著提高(提高幅度0.60~0.98 Mg hm-2 a-1),SIC储量也增加或保持相同水平(柠条地除外)。相比不施肥处理,施用有机肥能显著增加SOC(1.08~1.19 Mg hm-2 a-1),施化肥处理则会降低SIC(0.06~0.16 Mg hm-2 a-1),且主要影响次生碳酸盐。施肥SIC中原生碳酸盐比例(0~23%)低于自然土壤(3%~29%)。施肥措施对于土壤碳氮的转化强度远大于土地利用方式的改变。对于内蒙等干旱半干旱地区土壤,土地利用和施肥措施对于土壤有机和无机碳的影响应该在区域固碳管理中给予全面考虑。     

长期施肥对不同农田生态系统土壤有效碳库及碳素有效率的影响

主要讨论了长期施肥对不同农田生态系统土壤有效碳库和土壤碳素有效率的影响。结果表明：长期施肥对土壤 效碳库和碳素有效率有很大影响。有机肥处理和有机无机配合施用处理的土壤有机碳,微生物量碳,易氧化碳,可矿化碳含量,土壤碳素有效率明显高于对照和无机肥处理的。     

农田管理措施对土壤有机碳周转及微生物的影响

农田管理措施对农田生态系统碳循环影响显著,进而制约土壤肥力、农业生产及粮食安全,影响气候变化和环境健康。本文综述了不同农田管理措施(施肥方式、种植制度、耕作模式)对农田土壤有机碳、含碳温室气体排放和土壤微生物的影响。发现有机肥与无机肥配施情景下土壤有机碳增速最快,且施肥量与土壤碳库存在阈值效应;有机肥的施用增加了土壤中CO2排放通量,磷、钾两种肥料的施用与施用氮肥相比更能降低农田土壤排放温室气体产生的全球增温潜势;提高有机肥和磷肥的施用比例有利于土壤中微生物丰富度的提高和微生物量碳的积累。种植结构和种植密度均会影响农田土壤的碳储量,种植结构对农田生态系统温室气体排放影响显著,轮作和间作的种植模式与传统单一作物种植相比可有效减少农田含碳温室气体的排放,同时,轮作与连作相比更有利于土壤微生物多样性的增加。保护性耕作措施有利于农田土壤固碳效率的提高,可降低农田温室气体的排放,且对微生物活性、多样性、群落结构以及碳源利用情况均有积极影响。最后总结了国际主流碳模型在农田生态系统的应用概况,并提出了未来发展展望。     

长期施肥下新疆灰漠土有机碳及作物产量演变

为明确长期不同施肥下新疆灰漠土有机碳和作物产量演变特征,依托始于1990年的灰漠土肥力长期定位监测试验,选择对照(CK,不施肥)、施氮磷肥(NP)、氮磷钾平衡施肥(NPK)、氮磷钾配合常量有机肥(NPKM)、氮磷钾配合高量有机肥(h NPKM,有机肥施用量为NPKM的2倍)、氮磷钾配合秸秆还田(NPKS)6个处理,分析不同处理下土壤有机碳和小麦、玉米产量演变特征,探讨碳投入及有机碳与作物产量的关系。结果表明:1)长期耗竭种植(CK)、连续施用NP或NPK肥,灰漠土有机碳含量持续下降,年均下降速率分别为0.094 g·kg~(-1)、0.043 g·kg~(-1)和0.053 g·kg~(-1),表明施化肥(NP、NPK)不能维持土壤有机碳含量,不利于土壤肥力的保持。NPKM和h NPKM处理,土壤有机碳显著增加,年均增加0.360 g·kg~(-1)和0.575 g·kg~(-1),增施有机肥是快速提高灰漠土肥力的重要措施。秸秆还田处理(NKPS),土壤有机碳年均增幅0.006 g·kg~(-1),与NPK处理对比,秸秆还田虽没有大幅度提高土壤有机碳,但维持了土壤肥力。2)较CK,长期化肥有机肥配施(NPKM、h NPKM)显著增加了作物产量(P0.05)。与NP和NPK比较,长期化肥有机肥配施显著提高了小麦产量(P0.05),但玉米产量与施化肥处理差异不显著(P0.05),玉米产量以平衡施肥(NPK)的增幅最高,达到220 kg·hm~(-2)·a~(-1)。小麦的产量变异系数(29.1%~43.9%)高于玉米产量变异(19.0%~32.7%)。化肥配合秸秆还田(NPKS)处理的小麦增产幅度与高量施用有机肥(h NPKM)处理接近,喻示了秸秆还田对作物增产的作用不可忽视。3)碳投入与土壤有机碳和小麦、玉米产量有显著线性正相关(P0.05)。基于以上分析,在干旱区灰漠土增加土壤碳投入(有机肥或秸秆)仍然是最基本的土壤培肥措施。     

等氮配施有机肥对喀斯特峰丛洼地农田作物产量与养分平衡的影响

基于自2006年在广西喀斯特峰丛洼地区开展的长期玉米/大豆套作定位施肥试验,选择2010—2014年监测数据,探讨等氮量投入条件下,不同比例有机肥替代无机氮肥对喀斯特峰丛洼地玉米/大豆套作系统作物产量及土壤养分的影响,为喀斯特峰丛洼地农田作物高效施肥及提高土壤肥力提供理论依据。试验选取4个处理:对照(不施肥,CK)、平衡施用化肥(NPK)、有机粪肥替代30%化肥氮(C7M3,按氮素计算,不足30%的PK用无机肥补充,肥料总量与NPK处理相同,有机粪肥为牛粪,下同)、有机粪肥替代60%化肥氮(C4M6,按氮素计算,不足60%的PK用无机肥补充),每个处理4次重复。于2010年、2012年、2014年大豆收获后采集土壤样品,测定土壤养分状况。结果表明:1)施肥处理土壤有机质、全氮、速效磷及速效钾含量均高于CK处理,其中C4M6处理有机质含量显著高于NPK处理(P0.05),全氮、速效磷和速效钾含量随着有机粪肥施用量的增加而增加。2)长期不同施肥处理玉米和大豆产量分别是不施肥处理的4.15~4.36倍、2.47~2.58倍。不同施肥处理的增产效果为C4M6NPKC7M3,但施肥处理间差异不显著(P0.05)。3)长期不施肥CK处理玉米产量随着试验年限推移呈下降趋势,降幅为5.45 g·m~(-2)·a~(-1),大豆产量却表现出增加趋势,增幅为1.50 g·m~(-2)·a~(-1)。长期施肥处理中,玉米和大豆产量总体呈增加趋势。4)施肥处理中,玉米季表现为钾素亏缺(NPK处理除外),大豆季表现为氮素亏缺。综合两季作物,只有C4M6钾素表现亏缺,亏缺量为7.9 kg·hm~(-2)。磷素在各施肥处理中盈余量较大,分别为81.2 kg·hm~(-2)(NPK)、83.4 kg·hm~(-2)(C7M3)和74.8 kg·hm~(-2)(C4M6)。综上,在喀斯特峰丛洼地玉米/大豆套作制度下,基于作物产量及土壤养分表观平衡特征提出有机粪肥可以代替部分化肥施用,在玉米季适当"减氮、稳磷和增钾",大豆季"稳氮、减磷和减钾"的施肥措施。     

不同耕作措施下小麦–玉米轮作农田温室气体 交换及其综合增温潜势

研究不同耕作措施下小麦-玉米轮作农田N_2O、CO_2和CH4等温室气体的综合增温潜势,有助于科学评价农业管理措施在减少温室气体排放和减缓全球变暖方面的作用,为制定温室气体减排措施提供依据。基于2001年开始的位于华北太行山前平原中国科学院栾城农业生态系统试验站的不同耕作与秸秆还田方式定位试验,应用静态箱/气相色谱法于2008年10月冬小麦播种时开始,连续两个作物轮作年动态监测了秸秆整秸覆盖免耕播种(M1)、秸秆粉碎覆盖免耕(M2)、秸秆粉碎还田旋耕(X)、秸秆粉碎还田深翻耕(F)和无秸秆还田深翻耕(CK,代表传统耕作方式)5种情况下冬小麦-夏玉米轮作农田土壤N_2O、CO_2和CH4排放通量,并估算其排放总量。试验期间同步记录每项农事活动机械燃油量、灌溉耗电量、施肥量,依据燃油、耗电和单位肥料量的碳排放系数统一转换为等碳当量,测定作物产量、地上部生物量,估算农田碳截存量,根据每个分支项对温室效应的作用估算了5个处理的综合增温潜势。结果表明,华北小麦-玉米轮作农田土壤是N2O和CO2的排放源,是CH4的吸收汇,每年M1、M2、X、F和CK农田土壤N2O排放总量依次为2.06 kg(N_2O-N)·hm~(-2)、2.28 kg(N_2O-N)·hm~(-2)、2.54 kg(N_2O-N)·hm~(-2)、3.87 kg(N2O-N)·hm~(-2)和2.29 kg(N2O-N)·hm~(-2),CO_2排放总量依次为6904 kg(CO_2-C)·hm~(-2)、7 351 kg(CO2-C)·hm~(-2)、8 873 kg(CO_2-C)·hm~(-2)、9 065 kg(CO2-C)·hm~(-2)和7 425 kg(CO2-C)·hm~(-2),CH4吸收量依次为2.50 kg(CH4-C)·hm~(-2)、1.77 kg(CH4-C)·hm~(-2)、1.33 kg(CH4-C)·hm~(-2)、1.38 kg(CH4-C)·hm~(-2)和1.57kg(CH4-C)·hm~(-2)。M1和M2处理农田生态系统综合增温潜势(GWP)均为负值,表明免耕情况下农田生态系统为大气的碳汇,去除农事活动引起的直接或间接排放的等当量碳,每年农田生态系统净截留碳947~1 070 kg(C)·hm~(-2);其他处理农田生态系统的GWP值均为正值,表明温室气体是由系统向大气排放,CK、F和X每年向大气分别排放等当量碳3 364 kg(C)·hm~(-2)、989 kg(C)·hm~(-2)和343 kg(C)·hm~(-2)。故华北小麦-玉米轮作体系中,秸秆粉碎还田旋耕是最优化的耕作措施,其温室效应相对较低,而又能保证较高的经济产量。     

黄土丘陵区不同退耕还林地土壤有机碳、氮密度变化特征

探讨了黄土丘陵区退耕种植10～40a的柠条、侧柏及刺槐林地0—60cm不同土层有机碳及全氮密度随退耕年限及在土层分布上的变化特征。结果表明:不同土层相比,退耕栽植柠条、侧柏、刺槐10～40a后0—20cm土层有机碳密度平均比20—60cm增加4.20,6.87,4.46Mg/hm2;0—20cm土层的全氮密度比20—60cm平均增加0.08,0.02,0.07Mg/hm2。与坡耕地比较,0—20cm土层在退耕30a中固碳速率为侧柏[0.33Mg/(hm2·a)]>刺槐[0.28Mg/(hm2·a)]>柠条[0.17Mg/(hm2·a)],固氮速率则为刺槐[0.03Mg/(hm2·a)]>侧柏[0.02Mg/(hm2·a)]>柠条[0.01Mg/(hm2·a)],且碳氮固定速率均显著高于深层土壤。10～30a不同退耕还林地增加的有机碳、氮平均分别有57%和51%来自0—20cm的土层。不同退耕还林地土壤C/N随土层深度的增加而减小。综上,退耕还林土壤表现出显著的提升土壤碳氮的效应,且以侧柏林地固碳能力较佳,刺槐林地固氮效果较好。