华北平原高产农区冬小麦农田土壤温室气体排放及其综合温室效应

研究不同农业管理措施下小麦农田N2O、CO2、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。本研究采用静态明箱气相色谱法对华北平原高产农区4种农业管理措施下冬小麦农田土壤温室气体(CO2、CH4和N2O)季节排放通量进行了监测,估算了不同农业管理措施下小麦季的综合温室效应。结果表明,华北太行山前平原冬小麦农田土壤是CO2、N2O的排放源,CH4的吸收汇。不同农业管理措施对不同温室气体的排放源和吸收汇强度的影响不同,增施氮肥、充分灌溉促进了土壤CO2、N2O的生成,强化了土壤CO2和N2O排放源的特征;但却抑制了土壤对CH4的氧化,弱化了土壤作为大气CH4吸收汇的特征。2009—2010年和2010—2011年冬小麦生长季T1(传统模式)、T2(高产高效模式)、T3(再高产模式)和T4(再高产高效和土壤生产力提高模式)处理土壤排放的温室气体碳当量分别依次为8 880 kg(CO2).hm 2、8 372 kg(CO2).hm 2、9 600 kg(CO2).hm 2、9 318kg(CO2).hm 2和13 395 kg(CO2).hm 2、12 904 kg(CO2).hm 2、13 933 kg(CO2).hm 2、13 189 kg(CO2).hm 2。各处理间温室气体排放差异主要是由于施肥和灌溉措施的不同引起的,秸秆还田与否是造成年度间温室气体排放存在差异的主要原因。T2处理综合增温潜势相对较低,产量和产投比相对较高,为本区域冬小麦优化管理模式。     

施肥对稻田温室气体排放及土壤养分的影响

【目的】农业活动引起的温室气体排放对全球变暖的影响日益得到关注,本试验研究不同施肥处理对稻田温室气体排放、 产量和土壤养分的影响,以期为农田可持续利用和温室气体减排提供依据。【方法】在长江中下游地区稻麦轮作区进行田间试验,设置不施氮肥(CK)、 当地习惯施肥(FP)、 推荐N肥(OPT)、 有机无机配施(OPT+M)、 秸秆还田(OPT+S)5个处理,采用静态箱/气相色谱(GC)法测定了稻季CH4、 N2O和CO2的排放情况,调查了不同施肥措施对稻田温室气体增温潜势以及产量,测定了土壤养分,并综合产量和增温潜势对温室气体排放强度进行分析,提出该区域稻田减排增产的合理施肥措施。【结果】 1) 不同处理CH4季节排放总量为OPT+SOPT+M FP OPT CK,排放量为99.02~143.69 kg/hm2; N2O季节排放量为FPOPT+MOPT OPT+S CK,排放量范围为0.95~3.57 kg/hm2; CO2排放顺序与CH4季节排放趋势一致,排放量为7231.64~13715.24 kg/hm2。2)根据稻季CH4和N2O季节排放量以及在100年尺度上的CO2当量计算,不同处理温室气体全球增温潜势大小顺序为OPT+SOPT+M FP OPT CK。在CK、 FP、 OPT、 OPT+M和OPT+S的全球增温潜势中,N2O占的比重分别为10.31%、 26.39%、 21.51%、 22.91% 和11.58%,CH4所占比重分别为89.69%、 73.61%、 78.49%、 77.09%和88.42%。稻田N2O的排放量很少,排放以甲烷为主,因此不同施肥措施所排放的N2O对综合温室效应的贡献远低于CH4。相对于当地习惯施肥处理,OPT、 OPT+M和OPT+S 3种优化施肥措施均在减少化肥施用量的情况下增加了水稻产量,增产率分别为3.6%、 14.3%和 8.5%,其中以有OPT+M处理增产效果最明显。3)不同施肥处理下,CO2排放强度为FP(0.56)OPT+S(0.52) OPT(0.50)OPT+M(0.49),OPT和OPT+M显著低于当地习惯施肥处理,OPT+M CO2排放强度最低。4)有机碳、 全氮、 速效磷和速效钾含量均在OPT+S处理中最高。【结论】不同施肥措施影响稻季温室气体排放,施用有机肥和氮肥均增加了CO2、 CH4、 N2O的排放,秸秆还田增加了CO2和CH4排放,减少了N2O排放。稻田减排应以减少CH4排放为主,推荐氮肥量配施有机肥为碳强度评价体系下最优处理。秸秆还田对土壤养分的改善趋势明显,虽然增加了CO2排放,但考虑到其可避免因焚烧造成大量CO2的排放,总体上依然减少了CO2的排放,但对秸秆还田的适宜量需要进一步研究。     

水稻机械化播栽对稻田甲烷和氧化亚氮排放的影响

为探明高产栽培条件下水稻机械化播栽对稻麦两熟农田稻季甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)排放的影响,以超级稻南粳44为材料,于2011年和2012年在麦秸还田和不还田两种条件下对机械直播、机械栽插、常规手栽3种水稻播栽方式的稻田CH4和N2O排放量和水稻产量进行了比较研究。结果表明,稻季CH4和N2O排放主要集中在水稻生育前中期,移栽至有效分蘖临界叶龄期CH4累积排放量占稻季总排放量的76.49%~91.13%,有效分蘖临界叶龄期至拔节N2O累积排放量占稻季总排放量的33.56%~49.41%。麦秸还田显著提高稻季CH4总排放量(P0.05)、降低N2O总排放量(P0.05),机械栽插的稻季CH4总排放量较常规手栽略减3.25%~9.50%(P0.05),机械直播显著低于机械栽插和常规手栽(P0.05):2011年,麦秸不还田条件下机械直播较机械栽插和常规手栽稻季CH4分别减排15.69%和18.43%,麦秸还田条件下分别减排14.54%和22.66%;2012年,麦秸不还田条件下机械直播较机械栽插和常规手栽稻季CH4分别减排26.63%和32.12%,麦秸还田条件下分别减排30.51%和36.75%。机械直播较常规手栽显著增加稻季N2O总排放量0.16~0.97 kg/hm2(P0.05),机械栽插和常规手栽的差异不大(P0.05)。机械直播的产量水平显著低于常规手栽(P0.05),减产8.43%~10.79%,机械栽插较常规手栽产量降低1.27%~3.49%(P0.05)。稻季的全球增温潜势主要由排放CH4产生,麦秸还田显著提高全球增温潜势(P0.05),机械直播的全球增温潜势显著小于机械栽插和常规手栽(P0.05)。麦秸还田条件下,2011年和2012年机械直播的"单位产量的全球增温潜势"较常规手栽分别减少12.02%和28.71%(P0.05)。上述研究表明,在长江下游稻麦两熟区采用机械直播有利于减少稻季CH4排放,麦秸还田条件下机械直播替代常规手栽能减少稻田排放CH4和N2O产生的综合温室效应。     

不同灌溉模式下寒地稻田CH_4和N_2O排放及温室效应研究

为了研究寒地稻田CH4和N2O排放特征,选取黑龙江省寒地稻田为研究对象,采用静态箱—气相色谱法对控制灌溉、间歇灌溉、浅湿灌溉及淹灌四种水分管理模式等4个处理的CH4和N2O排放通量进行观测。结果表明,不同灌溉模式下的CH4和N2O排放高峰均出现在水稻生长旺季,而休闲期内排放较少。相对于淹灌,浅湿灌溉稻田CH4累积排放量降低了27.2%,控制灌溉处理的降低了34%,间歇灌溉处理的降低了48.2%。长期淹灌稻田N2O排放量比间歇灌溉稻田减少0.41kg/hm2,比控制灌溉稻田增加0.38kg/hm2,比浅湿灌溉稻田增加0.37kg/hm2。总体温室效应分析,节水灌溉模式能有效抑制温室气体的排放并显著地降低CH4和N2O的总温室效应。水稻生育期内,CH4排放量减少时期,N2O排放量有增加趋势,综合考虑CH4和N2O排放的消长关系,才能有效减缓稻田温室气体的排放。     

稻麦轮作条件下机插水稻CH_4和N_2O的排放特征及温室效应

于2008年采用静态暗箱-气相色谱法对人工手插和机插2种水稻种植方式下CH4和N2O排放进行田间观测,研究稻麦轮作条件下机插水稻CH4和N2O的排放特征及其温室效应。结果表明,水稻生长季CH4排放通量人工手插水稻和机插水稻均呈先升高后降低的变化趋势,N2O仅在水稻搁田期间有明显排放,机插和人工手插水稻CH4平均排放通量分别为4.68、4.39 mg.m-2.h-1,N2O平均排放通量为92.80、111.33μg.m-.2h-1。与人工手插水稻相比,机插水稻增加CH4排放总量14%,减少N2O排放总量11%,使稻季排放CH4和N2O所产生的全球增温潜势（GWP）和＂单位产量的GWP＂分别提高8%和10%。在稻麦轮作条件下采用机插水稻种植方式,水稻生长期间排放的CH4和N2O所形成的温室效应有提高的趋势。     

优化施氮下稻-麦轮作体系土壤N_2O排放研究

采用了静态箱法研究优化施氮下湖北稻-麦轮作体系农田N2O排放特征。结果表明,农田N2O排放量随施氮量增加而增加。N2O排放通量峰值大约发生在施氮后的第37~d。小麦季土壤N2O排放量范围为N2O 2.43~4.84kg/hm2,肥料氮通过N2O排放的损失率为0.54%0~.74%。水稻季土壤N2O排放量为N2O 0.892~.45 kg/hm2,肥料氮通过N2O排放的损失率为0.39%0~.47%。小麦季和水稻季施氮后01~5 d N2O排放量占当季总排放量的百分比分别为62.79%6~6.72%和87.97%9~3.14%。与习惯施氮相比,基于作物阶段氮素吸收增加追肥比例和施氮次数的优化施氮能有效减少土壤N2O排放。     

稻季施肥管理措施对后续麦季N2O排放的影响

2003─2004年选用江苏省宜兴市稻-麦轮作试验田,研究了水稻生长季秸杆(0和3.75×103kg/hm2两个水平)和N肥施用(N0、200和270kg/hm23个水平)对后续麦季N2O排放的影响。结果表明:稻季秸杆施用显著减少了后续麦季N2O的排放,这些减少量主要体现在小麦播种-返青期,方差分析达显著水平(P<0.05)。稻季施用N肥,后续麦季N2O排放减少,但N200和270kg/hm2N肥施用水平的处理间无显著差异。麦季土壤水分情况与N2O排放通量存在显著正相关(P<0.05)。     

秸秆条带状覆盖对稻田CH_4和N_2O排放的影响

采用3种秸秆还田方式(对照、秸秆均匀混施和秸秆条带状覆盖)进行田间试验,观测稻田CH4和N2O的排放通量,以探讨秸秆条带状覆盖对稻田CH4和N2O排放的影响。结果表明:秸秆条带状覆盖的CH4排放量是对照的2.7倍,二者的N2O排放量无明显差异;秸秆条带状覆盖的稻田CH4排放量较秸秆均匀混施减少32%,其N2O排放量是后者的5.1倍;稻田排放CH4和N2O的全球增温潜势(GWP)为:秸秆均匀混施秸秆条带状覆盖对照,且差异显著;秸秆条带状覆盖的水稻产量分别较对照和秸秆均匀混施增加27%和17%。秸秆条带状覆盖是值得推荐的稻季秸秆还田方式。     

优化施氮下稻-麦轮作体系土壤N2O排放研究

采用了静态箱法研究优化施氮下湖北稻-麦轮作体系农田N2O排放特征。结果表明,农田N2O排放量随施氮量增加而增加。N2O排放通量峰值大约发生在施氮后的第3～7 d。小麦季土壤N2O排放量范围为N2O 2.43～4.84 kg/hm2,肥料氮通过N2O排放的损失率为0.54%～0.74%。水稻季土壤N2O排放量为N2O 0.89～2.45 kg/hm2,肥料氮通过N2O排放的损失率为0.39%～0.47%。小麦季和水稻季施氮后0～15 d N2O排放量占当季总排放量的百分比分别为62.79%～66.72%和87.97%～93.14%。与习惯施氮相比,基于作物阶段氮素吸收增加追肥比例和施氮次数的优化施氮能有效减少土壤N2O排放。     

不同轮作体系不同施氮量甲烷排放比较研究

【目的】本研究通过在重庆市江津区进行单季稻转换为不同轮作体系的田间试验,测量CH4排放通量,探讨不同轮作体系CH4的排放规律。【方法】试验以玉米-小麦(MW)、 水稻-小麦(RW)、 水稻-冬水休闲(RF)三种轮作体系为主处理,每种轮作体系设不施氮对照(N0)、 优化施氮(Nopt,即小麦季N 96 kg/hm2、 玉米季或水稻季N 150 kg/hm2)、 传统施氮(Ncon,即小麦季N 180 kg/hm2、 玉米季或水稻季N 225 kg/hm2)3个副处理。温室气体采用静态箱-气相色谱法进行田间原位测量,每周1~3次,周年监测。【结果】 MW、 RW、 RF体系第一年甲烷排放量分别为CH4-C 13.5、 26.7和89.8 kg/hm2,第二年为第一年相应体系的6.2%、 85.1%和263.1%。第一年MW、 RW、 RF系统N0处理甲烷排放量分别为CH4-C 17.7、 30.5、 85.7 kg/hm2,Nopt处理分别为其对照的87.5%、 111.3%、 111.9%,Ncon处理为对照的41.5%、 51.1%、 94.8%; 第二年MW、 RW、 RF系统N0处理甲烷排放量分别为CH4-C 0.4、 26.0、 227.4 kg/hm2, Nopt为其对照的240.4%、 103.9%、 104.9%,Ncon为其对照的229.6%、 58.6%、 100.1%。MW、 RW、 RF三个轮作体系两年均为甲烷净排放,MW体系以玉米季为主, N0、 Nopt、 Ncon处理分别占总体系的87.4%、 87.2%、 76.2%; RW体系以水稻季为主, N0、 Nopt、 Ncon处理分别占总体系的91.4%、 95.7、 94.9%; RF体系中以水稻季为主,N0、 Nopt、 Ncon处理分别占总体系的84.2%、 84.9%、 84.8%。MW第一年玉米季施肥期甲烷排放累积量占该季总排放量的6%~11%,第二年占30%~45%; RW水稻季施肥期甲烷排放量占该季总排放量的37%~50%,RF水稻季施肥期甲烷排放量占该季总排放量的21%~28%,淹水休闲季约占总体系16%,也不可忽略。【结论】水稻-冬水休闲系统甲烷排放最高,水稻-小麦轮作次之,玉米-小麦轮作最低。单季稻改小麦-玉米轮作后第一年,玉米季有明显甲烷排放,第二年则未出现,两年甲烷排放总量无差异; 水稻-冬水田轮作,甲烷排放在第二年明显增加。玉米-小麦轮作、 水稻-小麦轮作和水稻-冬水休闲系统两年平均值均表现出甲烷的净排放,并以水稻或玉米季为主。大量施氮后,抑制水稻-小麦轮作和玉米-小麦轮作系统甲烷排放,对水稻-冬水休闲系统无影响。     

基于DNDC模型模拟江汉平原稻田不同种植模式条件下温室气体排放

稻田被认为是温室气体CH_4和N_2O的主要排放源之一。湖北省江汉平原地区水稻常年种植面积约8×105 hm2,占湖北省水稻种植面积的40%左右。研究江汉平原地区稻田温室气体排放特征,对于评估区域稻田温室气体排放以及稻田温室气体减排具有重要意义。目前,DNDC模型已被广泛应用于模拟和估算田间尺度的温室气体排放,DNDC模型与地理信息系统(Arc GIS)结合,可进行区域尺度的温室气体排放模拟与估算。本研究以湖北省典型稻作区江汉平原为研究区域,运用DNDC模型模拟和估算江汉平原稻田区域尺度的温室气体排放。设置大田定点观测试验,监测中稻-小麦(RW)、中稻-油菜(RR)、中稻-冬闲(RF)3种种植模式下稻田温室气体CH_4和N_2O的周年排放特征。通过田间观测值与DNDC模拟值的比较进行模型验证,并利用获取DNDC模型所需的气象、土壤、作物及田间管理等区域数据,模拟江汉平原稻田不同种植模式下温室气体CH_4和N_2O的排放量。田间试验表明,江汉平原稻田RW、RR和RF模型的CH_4排放通量为-2.80~39.78 mg·m-2·h-1、-1.74~42.51 mg·m-2·h-1和-1.57~55.64 mg·m-2·h-1,N_2O周年排放通量范围分别为0~1.90 mg·m-2·h-1、0~1.76mg·m-2·h-1和0~1.49 mg·m-2·h-1;CH_4排放量RW和RR模式显著高于RF模式,N_2O排放量为RF显著低于RW和RR模式。模型验证结果表明,不同种植模式温室气体排放实测值与模拟值比较的决定系数(R2)为0.85~0.98,相对误差绝对值(RAE)为8.29%~16.42%。根据DNDC模型模拟和估算的结果,江汉平原区域稻田CH_4周年的排放量为0.292 9 Tg C,N_2O周年的排放量为0.009 2 Tg N,不同种植模式稻田CH_4排放量表现为RWRRRF,N_2O排放量表现为RWRFRR,增温潜势(GWP)表现为RWRRRF。不同地区稻田CH_4排放量表现为监利县荆门市公安县天门市仙桃市洪湖市松滋市汉川市潜江市石首市荆州市江陵县赤壁市嘉鱼县,N_2O排放量表现为监利县荆门市公安县洪湖市仙桃市天门市汉川市潜江市松滋市荆州市江陵县赤壁市石首市嘉鱼县。本研究结果表明DNDC模型能较好地应用于模拟江汉平原稻田温室气体排放,RR和RF模式相比RW模式可有效减少温室气体CH_4和N_2O的排放。     

等高绿篱--坡地农业复合系统土壤N2O排放特征

N2O是一种重要的温室气体, 具有很强的温室效应。当前全球变化条件下, 人类活动和农业生产行为产生的N₂O排放增加是当前倍受关注的问题。本研究于2008年11月-2009年10月, 利用静态箱 气相色谱技术对亚热带地区紫穗槐(Amorpha fruticosa L.)绿篱枝叶还田条件下冬小麦 夏玉米轮作田土壤N₂O排放通量进行原位监测, 观测紫穗槐枝叶移出(AR)、翻施(AI)、表施(AC)及作物单作(CK)4种处理下整个生长季土壤N₂O的排放量, 对等高绿篱 坡地农业复合生态系统土壤N₂O排放通量变化及其影响机制进行研究。结果表明, 整个冬小麦 夏玉米轮作期, 4个处理土壤N₂O排放通量呈现出相似的季节变化特征, AR、AI、AC、CK处理全生长季的排放总量为127.62 mg·m^-2、209.66 mg·m^-2、208.73 mg·m^-2、77.52 mg·m^-2。作物不同生育阶段N₂O日均排放通量在冬小麦季表现为: 开花-成熟期>拔节-开花期>出苗-拔节期; 在夏玉米季表现为: 拔节-抽雄期>播种-拔节期>抽雄-成熟期。本试验综合评估了等高绿篱 坡地农业复合生态系统土壤N2O排放通量变化及其影响机制。研究显示, 土壤N₂O排放通量在冬小麦季与土壤温度相关性显著, 在夏玉米季与土壤水分相关性显著。在复合生态系统中紫穗槐复合种植及枝叶还田显著促进土壤N2O排放, 翻施处理产生的N2O量大于表施处理。     

不同施肥处理稻田甲烷和氧化亚氮排放特征

采用静态箱－气相色谱法对长期不同施肥处理(NPKS、CK、NPK和NKM)的稻田CH₄和N₂O排放进行了观测。结果表明，稻田CH₄和N₂O排放季节变化规律明显不同，二者排放通量季节变化呈显著负相关(p<0.01)。与单施化肥和CK相比，施用有机肥显著促进CH₄排放，排放量最高的NPKS处理早晚稻田排放量分别是：526.68 kg/hm²和1072.92 kg/hm²。对于N₂O排放，早稻田各处理间差异不显著，NPK处理排放量最大，为1.48 kg/hm²；晚稻田各处理差异极显著(p<0.01)，NPKS处理排放量最大，为1.40 kg/hm²。晚稻田CH₄排放通量和10 cm土层温度及土壤pH值相关极显著(p<0.01)，并与二者存在显著的指数关系。没发现N₂O排放通量与温度及pH值间存在显著相关。稻田CH₄和N₂O排放受多种因素影响，但对全球变暖的贡献率CH₄远大于N₂O。NPKS处理的增温潜势最大，NPK处理的最小。     

施肥方式对紫色土农田生态系统N2O和NO排放的影响

依托紫色土施肥方式与养分循环长期试验平台(2002年—),采用静态箱-气相色谱法开展紫色土冬小麦-夏玉米轮作周期(2013年10月至2014年10月)农田生态系统N_2O和NO排放的野外原位观测试验。长期施肥方式包括单施氮肥(N)、传统猪厩肥(OM)、常规氮磷钾肥(NPK)、猪厩肥配施氮磷钾肥(OMNPK)和秸秆还田配施氮磷钾肥(RSDNPK)等5种,氮肥用量相同[小麦季130 kg(N)×hm~(-2),玉米季150 kg(N)×hm~(-2)],不施肥对照(CK)用于计算排放系数,对比不同施肥方式对紫色土典型农田生态系统土壤N_2O和NO排放的影响,以期探寻紫色土农田生态系统N_2O和NO协同减排的施肥方式。结果表明,所有施肥方式下紫色土N_2O和NO排放速率波动幅度大,且均在施肥初期出现峰值;强降雨激发N_2O排放,但对NO排放无明显影响。在整个小麦-玉米轮作周期,N、OM、NPK、OMNPK和RSDNPK处理的N_2O年累积排放量分别为1.40 kg(N)×hm~(-2)、4.60 kg(N)×hm~(-2)、0.95 kg(N)×hm~(-2)、2.16kg(N)×hm~(-2)和1.41 kg(N)×hm~(-2),排放系数分别为0.41%、1.56%、0.25%、0.69%、0.42%;NO累积排放量分别为0.57 kg(N)×hm~(-2)、0.40 kg(N)×hm~(-2)、0.39 kg(N)×hm~(-2)、0.46 kg(N)×hm~(-2)和0.17 kg(N)×hm~(-2),排放系数分别为0.21%、0.15%、0.15%、0.17%、0.07%。施肥方式对紫色土N_2O和NO累积排放量具有显著影响(P0.05),与NPK处理比较,OM和OMNPK处理的N_2O排放分别增加384%和127%,同时NO排放分别增加3%和18%;RSDNPK处理的NO排放减少56%。表明长期施用猪厩肥显著增加N_2O和NO排放,而秸秆还田有效减少NO排放。研究表明,土壤温度和水分条件均显著影响小麦季N_2O和NO排放(P0.01),对玉米季N_2O和NO排放没有显著影响(P0.05),土壤无机氮含量则是在小麦-玉米轮作期N_2O和NO排放的主要限制因子(P0.01)。全量秸秆还田与化肥配合施用是紫色土农田生态系统N_2O和NO协同减排的优化施肥方式。     

施氮水平对太行山前平原冬小麦-夏玉米轮作体系土壤温室气体通量的影响

应用静态明箱-气相色谱法对4 个施氮肥水平N0 [0 kg(N)·hm^-2]、N200 [200 kg(N)·hm^-2]、N400 [400kg(N)·hm^-2]、N600 [600 kg(N)·hm^-2]的夏玉米-冬小麦季轮作体系2008~2010 年的土壤温室气体(CH₄、CO₂ 和N₂O)排放通量进行研究, 同时观测5 cm 土层土壤温度并记录降水量。结果表明: 太行山前平原冬小麦-夏玉米轮作农田生态系统为CH₄ 吸收汇, CO₂ 和N₂O 排放源。随着氮肥施入量的增加土壤对CH₄ 的吸收速率降低, 而CO₂ 和N₂O 的排放速率增加。冬小麦季施氮处理土壤对CH₄ 的吸收速率显著低于无氮肥的N0 处理, 而N600处理土壤CO₂ 和N₂O 排放速率显著高于N0 处理(P<0.05)。施肥和灌溉会直接导致土壤CO₂ 和N₂O 的排放通量增加, 同时土壤对CH₄ 的吸收峰值减小。土壤温度升高和降水量增加以及干湿交替加剧均会造成N₂O 和CO₂排放速率增加。同时在持续干燥和低温条件的冬季不施氮处理观测到土壤对N₂O 的吸收现象。N0、N200、N400 和N600 处理土壤CH₄ 年排放总量(kg·hm^-2·a^-1)分别为-1.42、-0.75、-0.82、-0.92(2008~2009 年)和-2.60、-1.47、-1.35、-1.76(2009~2010 年), N0、N200、N400 和N600 处理土壤CO₂ 年排放总量(kg·hm^-2·a^-1)分别为15 597.6、19 345.6、21 455.9、29 012.5(2008~2009 年)和10 317.7、11 474.0、13 983.5、20 639.3(2009~2010年), N0、N200、N400 和N600 处理土壤N₂O 年排放总量(kg·hm^-2·a^-1)分别为1.05、2.16、5.27、6.98(2008~2009年)和1.49、2.31、4.42、5.81(2009~2010 年)。     

Effect of intermittent drainage in reduction of methane emission from paddy soils in Hokkaido,northern Japan

ABSTRACT

Emission of methane (CH₄), a major greenhouse gas, from submerged paddy soils is generally reduced by introducing intermittent drainage in summer, which is a common water management in Japan. However, such a practice is not widely conducted in Hokkaido, a northern region in Japan, to prevent a possible reduction in rice grain yield caused by cold weather. Therefore, the effects of intermittent drainage on CH₄ emission and rice grain yield have not been investigated comprehensively in Hokkaido. In this study, we conducted a three-year field experiment in Hokkaido and measured CH₄ and nitrous oxide (N₂O) fluxes and rice grain yield to elucidate whether the reduction in CH₄ emission can be achieved in Hokkaido as well as other regions in Japan. Four experimental treatments, namely, two soil types [soils of light clay (LiC) and heavy clay (HC) textures] and two water management [continuous flood irrigation (CF), and intermittent drainage (ID)], were used, and CH₄ and N₂O fluxes were measured throughout the rice cultivation periods from 2016 to 2018. Cumulative CH₄ emissions in 2016 were markedly low, suggesting an initially low population of methanogens in the soils presumably due to no soil submergence or crop cultivation in the preceding years, which indicates a possible reduction in CH₄ emission by introducing paddy-upland crop rotation. Cumulative CH₄ emissions in the ID-LiC and ID-HC plots were 21–91% lower than those in the CF-LiC and CF-HC plots, respectively, whereas the cumulative N₂O emissions did not significantly differ between the different water managements. The amount of CH₄ emission reduction by the intermittent drainage was largest in 2018, with a comparatively long period of the first drainage for 12 days in summer. Rice grain yields did not significantly differ between the different water managements for the entire 3 years, although the percentage of well-formed rice grains was reduced by the intermittent drainage in 2018. These results suggest that CH₄ emission from paddy fields can be reduced with no decrease in rice grain yield by the intermittent drainage in Hokkaido. In particular, the first drainage for a long period in summer is expected to reduce CH₄ emission markedly.     

施肥方式对冬小麦季紫色土N2O排放特征的影响

利用紫色土养分循环长期定位施肥试验平台,通过静态箱-气相色谱法,于2012年11月至2013年5月,研究了单施氮肥(N)、猪厩肥(OM)、常规氮磷钾肥(NPK)、猪厩肥配施氮磷钾肥(OMNPK)、秸秆还田配施氮磷钾肥(CRNPK)及对照不施肥(NF)6种施肥方式下,紫色土冬小麦季土壤N2O的排放特征。结果表明,在相同施氮水平[130 kg(N)·hm-2]下,施肥方式对N2O排放量有显著影响(P0.05)。N、OM、NPK、OMNPK和CRNPK处理下,土壤N2O排放量[kg(N)·hm-2]分别为0.38、0.36、0.29、0.33和0.19,N2O排放系数分别为0.25%、0.23%、0.18%、0.21%和0.10%。NF的土壤N2O排放量为0.06 kg(N)·hm-2。土壤无机氮含量(NO3--N和NH4+-N)是N2O排放的主要影响因子,降雨能有效激发N2O排放。基于小麦产量评价不同施肥方式下的N2O排放,结果表明,N、OM、NPK、OMNPK和CRNPK单位小麦产量N2O的GWP值[yield-scaled GWP,kg(CO2 eq)·t-1]分别为132.57、45.70、49.07、48.92和26.41。CRNPK的小麦产量与6种施肥方式中获得最大产量的OM间没有显著差异,但显著高于其他处理。而且,CRNPK的yield-scaled GWP比紫色土地区冬小麦种植中常规施肥方式(NPK)显著减少46%,并显著低于其他4种施肥方式。可见,秸秆还田配施氮磷钾肥在保证小麦产量的同时,能有效减少因施肥引发的N2O排放,可作为紫色土地区推荐的最佳施肥措施。     

华北平原玉米季优化管理的密集型农业系统下一氧化二氮和甲烷通量研究

Addressing concerns about mitigating greenhouse gas （GHG） emissions while maintaining high grain yield requires improved management practices that achieve sustainable intensification of cereal production systems. In the North China Plain, a field experiment was conducted to measure nitrous oxide （N2O） and methane （CH4） fluxes during the maize （Zea mays L.） season under various agricultural management regimes including conventional treatment （CONT） with high N fertilizer application at a rate of 300 kg N ha-1 and overuse of groundwater by flood irrigation, optimal fertilization 1 treatment （OPTIT）, optimal fertilization 2 treatment （OPT2T）, and controlled-release urea treatment （CRUT） with reduced N fertilizer application and irrigation, and a control （CK） with no N fertilizer. In contrast to CONT, balanced N fertilization treatments （OPT1T, OPT2T, and CRUT） and CK demonstrated a significant drop in cumulative N20 emission （1.70 v.s. 0.43-1.07 kg N ha-l）, indicating that balanced N fertilization substantially reduced N20 emission. The vMues of the N20 emission factor were 0.42%, 0.29%, 0.32%, and 0.27% for CONT, OPTIT, OPT2T, and CRUT, respectively. Global warming potentials, which were predominantly determined by N20 emission, were estimated to be 188 kg CO2-eq ha-1 for CK and 419-765 kg CO2-eq ha-1 for the N fertilization treatments. Global warming potential intensity calculated by considering maize yield was significantly lower for OPT1T, OPT2T, CRUT, and CK than for CONT. Therefore, OPTIT, OPT2T, and CRUT were recommended as promising management practices for sustaining maize yield and reducing GHG emissions in the North China Plain.     

黄土高原南部旱地冬小麦生长期N2O排放特征与基于优化施氮的减排方法研究

为了解陕西黄土高原南部旱地冬小麦季N2O排放规律,探索旱地N2O减排方法,采用密闭式静态箱法,以不同施氮处理[CK:对照,不施氮;CON:当地农民习惯施氮,施氮量220 kg·hm-2;OPT:优化施氮加秸秆还田,施氮量150 kg·hm-2;OPT+DCD:优化施氮加秸秆还田,同时施用施氮量5%的硝化抑制剂DCD;OPT(SR):优化施氮(所用肥料为包膜型缓控释肥)加秸秆还田]为基础,研究黄土高原南部旱地冬小麦农田N2O季节排放特征和减排措施。结果表明:黄土高原南部旱地冬小麦季N2O排放具有首月持续、大量排放,末月雨后瞬间排放,中期低排放的特点。各处理中,OPT+DCD和OPT(SR)在播种—返青期能显著减少N2O排放水平,而返青—成熟期,各优化处理差异不显著。从整个小麦季N2O排放总量来看,各优化处理能够减少N2O排放量,提高作物产量,降低单位产量N2O排放量。具体表现为:1与CON处理的N2O排放量相比,OPT、OPT+DCD和OPT(SR)处理分别减排29.2%(P0.01)、38.7%(P0.01)和39.3%(P0.01),但3个优化处理间差异不显著;2与CON处理的产量相比,OPT、OPT+DCD和OPT(SR)处理分别增产3.8%(P0.05)、15.2%(P0.05)和9.5%(P0.05);3与CON处理的单位产量N2O排放量相比,OPT处理单位产量N2O排放量减少31.7%(P0.05);而相对于OPT处理,OPT+DCD处理和OPT(SR)处理分别减少了单位产量排放量的22.1%(P0.05)和18.9%(P0.05)。本研究表明,减少施氮量至150 kg·hm-2,并施用秸秆是减少N2O排放的重要手段,而施用缓控释肥或一定量的DCD可提升作物产量。     

Water Management Influencing Methane and Nitrous Oxide Emissions from Rice Field in Relation to Soil Redox and Microbial Community

Abstract

Methane (CH₄) and nitrous oxide (N₂O) emissions from an irrigated rice field under continuous flooding and intermittent irrigation water management practices in northern China were measured in situ by the static chamber technique during May to October in 2000. The intermittent irrigation reduced total growing‐season CH₄ emission by 24.22% but increased N₂O emission by 23.72%, when compared with the continuous flooding. Soil Eh and four related bacterial groups were also measured to clarify their effects on gaseous emissions. Three ranges of soil redox potential were related to gas emissions: below ?100 mV with vigorous CH₄ emission, above +100 mV with significant N₂O emission, and +100 to ?100 mV with little CH₄ and N₂O emissions. Intermittently draining the field increased soil oxidation, with a decrease in CH₄ emission and an increase in N₂O emission. In general the mid‐season drainage slightly increased the populations of methanotrophs, nitrifiers, and denitrifiers but decreased that of methanogens.