水稻低碳生产研究进展

 稻田是甲烷(methane,CH4)和氧化亚氮(nitrous oxide,N2O)的重要发生源。稻田中CH4和N2O的产生、消耗以及传输过程受稻田土壤类型、水分条件、肥料种类、施肥量及方法、耕作模式和制度、水稻品种等多种因素影响。CH4和N2O具有不同的排放特性,很多研究结果表明,水稻生长期间的中期排水烤田、后期干湿交替能显著降低CH4排放量,但同时也可能促进N2O的排放,因此,如何同时减少CH4和N2O的排放量是实现稻田低碳生产的关键要素;另一方面,稻田土壤的碳固定也是使稻田系统从源转变成汇的关键技术。从水稻生产过程中CH4排放、N2O排放、稻田土壤有机碳动态、减排措施四个方面综述了近年来水稻低碳生产相关研究状况,重点总结了国内外有关影响稻田CH4和N2O排放的关键影响因素、增加稻田土壤有机质含量的主要措施以及各种减排措施的全球增温潜势评价研究,并对水稻低碳生产研究作了展望。     

稻田转为菜地初始阶段温室气体排放特征

【目的】近年来,随着我国社会经济的快速发展和人们生活水平的提高及膳食结构的改善,越来越多的稻田被转为蔬菜种植,影响了土壤碳氮转化过程及其引起的温室气体排放。因此有必要探究稻田转为蔬菜种植,特别是该土地利用方式转变初始阶段的温室气体（CH₄和N₂O）排放特征及其关键影响因素。【方法】试验选取了长期种植水稻的双季稻田,将其中一部分转为蔬菜种植,另一部分继续种植水稻,每个处理设置了3个重复,按照当地常规模式进行管理。采用静态暗箱—气相色谱法连续3年进行田间原位观测,比较分析稻田和由稻田转变的菜地CH₄和N₂O排放特征及其年际变化差异,明确稻田转为菜地初始阶段CH₄和N₂O排放的关键影响因素。【结果】稻田是重要的CH₄排放源,其第一年的排放强度（183.91 kg CH₄-C·hm^-2?a^-1）明显低于后续两年（241.56—371.50 kg CH₄-C·hm^-2?a^-1）,这主要归功于后两年降雨量的增加引起了土壤水分含量的升高。稻田转为菜地显著减少了CH₄排放,减少量相当于稻田CH₄年累积排放量的83%—100%。菜地第一年的CH₄累积排放量（31.22 kg CH₄-C·hm^-2）显著高于第二年（0.45 kg CH₄-C·hm^-2）和第三年（0.89 kg CH₄-C·hm^-2）,表明稻田转菜地对CH₄排放的影响具有时间滞后效应。稻田是弱的N₂O排放源（1.35—3.49 kg N₂O-N·hm^-2?a^-1）,其转为菜地显著增强了N₂O排放。菜地第一年的N₂O累积排放量（95.12 kg N₂O-N·hm^-2）显著高于第二年（38.28 kg N₂O-N?hm^-2）和第三年（40.07 kg N₂O-N·hm^-2）。菜地土壤异养呼吸对N₂O排放的影响在第一年明显高于第二、三年,表明稻田转为蔬菜种植的第一年,有机质矿化对N₂O排放有重要贡献。在100年尺度CO₂当量下,稻田转为蔬菜种植第一和第二年的综合增温潜势（GWP）相对于稻田分别显著增加了390%和98%,主要是由于增加的N₂O增温潜势超过了减少的CH₄增温潜势。但是,稻田转为菜地的第三年,菜地的GWP（(16.72±3.25) Mg CO₂-eq·hm^-2）与稻田（(14.84±1.39) Mg CO₂-eq·hm^-2）相比无显著差异,主要是由于减少的CH₄ 增温潜势完全抵消了增加的N₂O增温潜势。这些研究结果表明稻田转菜地对GWP的影响主要集中在该土地利用方式转变的第一年。【结论】稻田转为菜地显著减少了CH₄排放,增加了N₂O排放,增强了菜地第一和第二年的综合增温潜势。有机质矿化过程对新转菜地第一年较高的N₂O排放有重要贡献。这些研究结果表明了评价土地利用方式转变初始阶段温室气体排放特征的重要性,便于及时采取有效管理措施缓解温室气体排放,实现环境友好型农业可持续生产。     

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。     

秸秆还田条件下不同水分管理对双季稻田综合温室效应的影响

以南方红壤区双季稻-紫云英为研究对象,利用静态箱-气相色谱法分别分析包括绿肥和稻草等秸秆还田条件下不同水分管理对稻田CH4和N2O排放、水稻产量以及综合温室效应(GWP)的影响。试验设持续淹水(F)、中期烤田(F-D-F)和间歇灌溉(F-D-F-M)处理。结果表明,秸秆还田条件下双季稻田周年CH4排放量介于208.3kg/hm2(F-D-F-M处理)和678.2kg/hm2(F处理)之间,其中,晚稻生长季占周年CH4排放量的60.6%~71.7%。F处理周年CH4排放量显著高于F-D-F和F-D-F-M处理(P0.05)。秸秆还田条件下双季稻田周年N2O排放量为4.75~8.19kg/hm2。与F处理相比,F-D-F-M处理周年N2O排放通量显著增加(60.9%);而F和F-D-F处理之间没有显著差异。早稻和晚稻各处理产量分别为7.76~8.02t/hm2和7.22~8.69t/hm2。秸秆还田条件下,双季稻单位面积GWP和单位产量GWP分别为7648.8~18471.8kg/hm2和0.48~1.12 kg/kg,其中F-D-F和F-D-F-M处理分别显著低于F处理(P0.05)。因此,在秸秆还田条件下采用中期烤田和间歇灌溉替代持续淹水,可以同步实现双季稻高产和减轻农业生产对气候的潜在影响。     

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。     

生物质炭和腐殖质对稻田土壤CH4和N2O排放的影响

为探讨生物质炭与腐殖质单独施用与配合施用对稻田土壤CH₄和N₂O气体排放以及水稻产量的影响。以浙江临安潜育性水稻土的稻田系统为研究对象,设置2个水稻秸秆生物质炭添加水平(0,20 t/hm²)和3个腐殖质水平(0,0.6,1.2 t/hm²),共6个处理,分别为:(1)B0F0(对照,不添加生物质炭和腐殖质);(2)B0F1(腐殖质用量为0.6 t/hm²);(3)B0F2(腐殖质用量为1.2 t/hm²);(4)B1F0(生物质炭用量为20 t/hm²);(5)B1F1(生物质炭和腐殖质用量分别为20,0.6 t/hm²);(6)B1F2(生物质炭和腐殖质用量分别为20,1.2 t/hm²),研究生物质炭和腐殖质输入对水稻产量、稻田CH₄和N₂O气体排放的影响。结果表明:(1)与B0F0相比,单独施用生物质炭和腐殖质或生物质炭与腐殖质配施均降低了土壤CH₄累积排放量,但增加了土壤N₂O累积排放量;(2)生物质炭处理对GWP(global warming potential)和GHGI(greenhouse gas intensity)没有显著影响(P>0.05),腐殖质处理显著降低了GWP和GHGI(P<0.05),生物质炭和腐殖质对GWP和GHGI存在显著交互作用(P<0.05);(3)与B0F0相比,单独施用生物质炭和腐殖质或者生物质炭与腐殖质配施均能在一定程度上减少单位水稻产量的温室气体排放强度(GHGI),B0F2处理的GHGI最低,表明单施腐殖质处理(腐殖质用量为1.2 t/hm²)稻田土壤的减排效果和环境效应最好。研究结果为进一步探讨稻田土壤固碳减排提供数据支撑和理论依据。     

施肥模式对雨养旱地温室气体排放的影响

采用静态箱/气相色谱法对雨养旱作玉米生长季农田土壤CO2、N2O和CH4的排放通量进行观测,研究了改变氮、磷配比(调控施肥)和传统施肥两种模式对山西雨养旱地温室气体排放的影响。结果表明,施肥模式对土壤CO2、CH4季节排放特征和排放总量影响不明显,但显著影响N2O的季节排放动态特征和排放总量。基肥施用是影响雨养旱地N2O排放的主要因素。与传统施肥相比,调控施肥N2O季节排放总量减少70.40%。CH4和N2O的综合温室效应分析结果表明,调控施肥方式下的全球增温潜势(GWP)与温室气体排放强度(GHGI)均显著低于传统施肥方式,分别降低73.08%和74.00%,本研究进一步表明雨养旱地采用调控施肥的方式是一种较好的温室气体减排措施。     

沼液替代化肥对小麦-玉米轮作温室气体排放及温室效应的影响

本文采用密闭箱-气相色谱法研究不同沼液灌溉模式,小麦-玉米轮作条件下温室气体的排放特征,并运用全球增温潜势(GWP)和气体排放强度(GHGI)对小麦-玉米排放的温室效应进行估算。研究表明,在冬小麦-夏玉米轮作周期中,以清/沼比2∶1配比的沼液灌溉,小麦灌3次,玉米灌溉1次的处理(T3)和小麦灌溉4次,玉米灌溉1次的处理(T4)与常规施肥(CF)相比,GWP连续两年没有显著性差异,T3、T4和CF在2016年的GWP为2 990.82±285.00、3 235.48±307.05、3 047.35±315.11;T3、T4和CF在2017年的GWP为2 865.61±296.44、3 069.10±318.44和2 741.70±284.37。但小麦季灌溉1次,玉米灌溉1次处理(T1)和与小麦灌溉2次,玉米灌溉1次的处理(T2)的GWP比CF处理相比显著降低。T1和T2处理在2016年和2017年的GWP分别为2 578.57±279.39、2 586.13±263.01;2 702.59±300.75、2 733.19±260.81,T1和T2处理2016年比CF处理降低了15.38%和11.31%;2017年比CF处理降低了5.67%和0.31%。针对产量进行分析,T2、T3、T4和CF处理连续两年差异性不显著,其中T4处理在2016年产量比CF处理提高了4.12%。T3、T4的温室气体排放强度与常规施肥处理(CF)连续两年差异性不显著,2016年T1和T2处理与CF处理相比显著降低了0.56%,2017年T2处理和CF处理相比差异性不显著。综合考虑GWP与作物产量的因素,T2处理(小麦季2∶1沼液灌溉2次,玉米季2∶1沼液灌溉1次,施氮量为315 kg·hm~(-2))为最优选择,所以T2处理是可以替代化肥且较合理的灌溉模式。     

Potential and cost of carbon sequestration in Indian agriculture: Estimates from long-term field experiments

Carbon sequestration in tropical soils has potential for mitigating global warming and increasing agricultural productivity. We analyzed 26 long-term experiments (LTEs) in different agro-climatic zones (ACZs) of India to assess the potential and cost of C sequestration. Data on initial and final soil organic C (SOC) concentration in the recommended N, P and K (NPK); recommended N, P and K plus farmyard manure (NPK + FYM) and unfertilized (control) treatments were used to calculate carbon sequestration potential (CSP) i.e., capacity to sequester atmospheric carbon dioxide (CO₂) by increasing SOC stock, under different nutrient management scenarios. In most of the LTEs wheat equivalent yields were higher in the NPK + FYM treatment than the NPK treatment. However, partial factor productivity (PFP) was more with the NPK treatment. Average SOC concentration of the control treatment was 0.54%, which increased to 0.65% in the NPK treatment and 0.82% in the NPK + FYM treatment. Compared to the control treatment the NPK + FYM treatment sequestered 0.33 Mg C ha⁻¹ yr⁻¹ whereas the NPK treatment sequestered 0.16 Mg C ha⁻¹ yr⁻¹. The CSP in different nutrient management scenarios ranged from 2.1 to 4.8 Mg C ha⁻¹ during the study period (average 16.9 yr) of the LTEs. In 17 out of 26 LTEs, the NPK + FYM treatment had higher SOC and also higher net return than that of the NPK treatment. In the remaining 9 LTEs SOC sequestration in the NPK + FYM treatment was accomplished with decreased net return suggesting that these are economically not attractive and farmers have to incur into additional cost to achieve C sequestration. The feasibility of SOC sequestration in terms of availability of FYM and other organic sources has been discussed in the paper.