油菜-水稻复种系统一次性施肥对CH_4和N_2O净排放的影响

【目的】探究一次性施肥技术对油菜-水稻复种系统CH_4和N_2O排放及其特征的影响并分析其影响因素,综合计算全球增温潜势,以期了解一次性施肥技术对温室气体排放的贡献大小,从而为温室气体减排提供科学依据和技术参考。【方法】针对长江中下游地区典型的油菜-水稻复种模式,在荆州太湖港农场(30.36N,112.08E)油菜-水稻复种试验田设置了5个处理:对照处理(CK)、农民习惯施肥处理(FP)、优化施肥处理(OPT)、一次性尿素基施处理(UA)和一次性控释肥基施处理(CRF),重复3次。采用静态暗箱-气相色谱法对整个油菜-水稻季的CH_4和N_2O排放通量进行监测,并测定土壤种植前后的理化性质与作物产量。【结果】(1)N_2O和CH_4的排放均具有明显的水稻季排放高、油菜季排放低的季节动态变化规律。各处理N_2O排放通量在油菜季的变化范围为-4.08—35.51μg N·m~(-2)·h~(-1),水稻季则为-16.52—193.30μg N·m~(-2)·h~(-1),年平均排放通量3.66—23.70μg N·m~(-2)·h~(-1);各处理CH_4的通量变化在油菜季的排放量为-0.08—0.05 mg C·m~(-2)·h~(-1),水稻季则为-0.54—4.81 mg C·m~(-2)·h~(-1),年平均排放通量0.42—0.66 mg C·m~(-2)·h~(-1);(2)N_2O年排放总量从高到低依次是FP、CRF、OPT、UA、CK,分别为1.31、1.19、1.04、0.82、0.37 kg N·hm~(-2),排放系数介于0.14%—0.25%,均低于IPCC的推荐值1%。两个一次性施肥处理的UA和CRF相比同等施氮量的OPT处理,均能有效减少CH_4年排放量29.0%和29.9%, UA处理同时能减少21.2%的N_2O年排放总量,而CRF处理却增加了14.8%的N_2O年排放总量;(3)在同等施氮量的条件下,一次性施肥CRF比OPT显著增加油菜产量10.6%,而对水稻产量的影响不显著。温室气体排放强度呈现油菜季低,而水稻季高的特征,油菜和水稻季中各处理差异均不显著,油菜季中CRF和UA的排放强度最低为0.038 kgCO_(2-eq)·kg~(-1),OPT最高为0.057kgCO_(2-eq)·kg~(-1),水稻季UA最小为0.07 kgCO_(2-eq)·kg~(-1),FP最高达到了0.13 kgCO_(2-eq)·kg~(-1);(4)综合两种气体的全球增温潜势(100 a),用GWP表示,在相同施氮量下,两个一次性施肥处理UA和CRF的GWP均较OPT处理减少了28.0%和18.2%(P0.05),一次性基施尿素对降低温室效应更有效。【结论】对于长江中下游典型农田而言,一次性基施普通尿素或一次性基施控释尿素的措施,可以在保持作物产量的同时,降低了农田温室气体排放,可作为水稻-油菜复种系统的一种环境友好型施肥推荐技术。     

猪粪固体自然堆放方式下含氮气体排放规律及其影响因素研究

针对我国畜禽固体废弃物自然堆放管理过程中含氮气体排放欠缺系统研究、排放规律尚不清晰的现状,以长江流域生猪固体废弃物典型自然堆放方式为例,采用静态箱-气相色谱法、化学发光法、磷酸甘油溶液吸收法对猪粪固体堆放下N2O、NOx和NH33种主要含氮气体排放进行了一个堆肥周期的系统观测,深入研究了猪粪固体堆放管理方式下3种含氮气体排放规律及其影响因素。一个堆放周期的试验结果表明:在固体贮存堆体最初含水量较多的情况下,NH3前期排放较多,后期排放比较少,受堆体氨态氮浓度影响较大。N2O和NOx的排放规律基本相同,都呈现前期排放量较小,后期排放增多的态势,这与降雨导致的酸性环境加剧硝化反硝化作用有关。堆体表面与堆体内部剖面N2O的排放趋势基本相同,而堆体下部土壤剖面的N2O受堆体影响较小。     

全球黑土区土壤有机质变化态势及其管理技术

黑土富含有机质,适宜耕种,具有极高作物生产潜力。黑土耕地是重要农业自然资源与主要的粮食生产基地。随着我国黑土大规模开发、高强度利用、不合理的田间管理措施以及水土流失导致其耕地地力呈现不断下降的态势,突出表现就是土壤有机质含量的降低,给东北黑土区农业可持续发展带来隐患,直接影响粮食安全和生态安全。因此,深入了解全球黑土有机质变化态势,采取科学、有效的田间管理措施,建立黑土生态保护机制,遏制黑土耕地土壤有机质含量不断下降的趋势,既是农业生产实际的客观需求,也是农田生态学需要解决的科学问题。本文根据近年来国内外黑土有机质的文献资料,参考了国外黑土有机质研究前沿进展,对黑土耕地有机质的利用现状、演变过程和发展趋势进行了深入剖析,总结了黑土区耕地土壤有机质保持与提升技术措施,并提出未来我国黑土耕地农业生产与生态保护兼顾的技术路线。     

一次性施肥技术对冬小麦/夏玉米轮作系统土壤N2O排放的影响

利用静态暗箱-气相色谱法对华北平原冬小麦/夏玉米轮作系统施氮条件土壤N2O排放特征进行周年观测,以探讨不同处理[对照(CK)、优化施氮(OPT)、优化氮肥一次性施用(OPT1)和控释肥(CRF)]土壤N_2O排放特征及土壤温度、湿度对土壤N_2O排放的影响。结果表明:冬小麦/夏玉米轮作系统中土壤N2O排放峰值主要出现在施肥+降雨或灌溉事件后,不同处理N_2O排放通量变化范围在-0.24~2.78 mg N2O·m~(-2)·h~(-1),平均排放通量23.88~65.46μg N_2O·m~(-2)·h~(-1),OPT1和CRF两个一次性施肥处理可以降低小麦和玉米基肥施用后土壤N_2O排放峰值,但未改变轮作周期土壤N_2O排放季节变化规律;土壤含水量对土壤N2O排放有显著影响,且对夏玉米季土壤N2O排放影响大于冬小麦季;各处理土壤N2O排放通量与5 cm深度土壤温度之间均无相关性;不同处理N_2O年度排放总量差异显著,与OPT处理相比,OPT1处理和CRF处理N2O年排放总量分别减少27.47%和22.80%。各处理N_2O排放系数介于0.28%~0.50%,均低于IPCC 1.0%的推荐值,且各处理产量之间没有显著性差异,因此一次性施肥技术能够在保证产量的前提下,有效减少冬小麦/夏玉米轮作系统土壤N2O排放。     

控释肥对东北春玉米产量和土壤氨挥发的影响

针对控释肥施用条件下作物产量与土壤氨挥发特征不明晰的问题,以东北春玉米种植模式为研究对象,采用德尔格氨管法(DTM法)研究了不同施肥处理[农民常规施肥处理(施氮量为180 kg N·hm~(-2),FP)、控释肥施氮量180 kg N·hm~(-2)处理(CRF180)和控释肥施氮量144 kg N·hm~(-2)处理(CRF144)]下土壤氨挥发动态变化特征、土壤氨挥发总量及玉米产量。结果表明:受施肥和降雨因素的影响,每个处理氨挥发峰值均出现在施肥后(基肥和追肥)第1~2 d、第11~12 d左右;FP处理在12~14 d后氨挥发速率降低至零,但CRF180、CRF144处理仍有少量挥发。全生育期FP、CRF180、CRF144处理来自氮肥的氨挥发量依次为19.9、23.8、19.6 kg·hm~(-2),差异不显著(P0.05),损失率分别为11.06%、13.22%、13.61%。CRF144处理和FP处理产量都保持在12 t·hm~(-2)以上,其两者不存在显著差异,但CRF144处理能够显著地提高氮肥农学效率和偏生产力(P0.05)。综合考虑氨挥发量与产量,在现有施氮量基础上减少20%,并且施用控释肥是该地区春玉米农田减肥增效适宜的推广技术。     

滴灌施肥对设施菜地N2O排放的影响及减排贡献

以京郊典型设施菜地为研究对象,设置了农民习惯(FP)、水肥一体化(FPD)、优化水肥一体化(OPTD)和对照(CK)4个处理,采用静态箱-气相色谱法,分析了设施菜地N_2O排放特征及其影响因素,评估了滴灌施肥对水氮利用效率的影响和N_2O排放量的减排贡献。结果表明:N_2O排放在施肥和灌溉事件后呈现出一段短而急促的排放峰,基肥期排放峰持续10 d左右,追肥持续时间为3~5 d,水肥一体化技术能降低N_2O排放峰值和持续时间,N_2O排放通量变化范围为-2.67~22.56 mg N·m~(-2)·h~(-1);在保持作物产量的条件下,FPD、OPTD处理分别比FP处理减少N_2O排放29.41%、32.63%,FPD处理的氮肥偏生产力和灌溉水利用效率比漫灌FP处理分别增加14.62%和43.54%。可见,在相同施氮量的条件下,改常规漫灌方式为滴灌,能降低设施菜地N_2O排放29.4%,同时氮肥和灌溉水利用效率分别提高14.62%和43.54%,是未来设施菜地值得推荐的一种生产技术。     

华北冬小麦/夏玉米农田水氮管理的温室效应评价

【目的】农田水肥的高投入在保障粮食产量的同时也伴随着温室气体的排放。本研究以农田投入品的生产和运输—作物生长的整个过程为研究对象,对农田生态系统中不同水氮管理措施的温室效应开展了评价。【方法】在已经确定粮食产量和温室气体排放强度评价指标的基础上,对土壤固碳深度和减排措施评价的时间尺度进行了分析,将土壤固碳深度确定为30 cm以上,温室效应评价的时间尺度确定为20 年,提出了以田间试验与过程模型相结合,辅以调研的评价方法,来反映产量和温室气体排放强度对不同管理措施的响应。常规农民措施的农田投入量(灌溉量和施氮量等)通过问卷调研和文献数据来获得。以华北平原冬小麦/夏玉米轮作模式为例,利用验证后的农田生态系统管理模型(APSIM)对不同措施(氮肥利用、 灌溉和有机肥配施)进行20 年 (1990~2010)尺度的模拟,并结合农田投入品在生产和运输过程的排放,遵照评价方法对不同水氮管理措施的温室效应进行了分析。【结果】与当前常规农民措施相比,将常规施氮量从520 kg/hm2减少为400 kg/hm2,粮食产量在20 a间不存在显著性差异(P=0.39),但年均温室气体排放总量(AE-GHG)可减少约1.45 t/hm2,温室气体排放强度(GHGI)可减少约0.08 t/t; 若将该地区常规灌溉量从300 mm减少到240 mm,粮食产量在20年间不存在显著性差异(P=0.39),年均温室气体排放总量(AE-GHG)可减少约0.29 t/hm2,温室气体排放强度(GHGI)可减少约0.01 t/t,主要归因于电力消耗的降低,减少了生产和传输过程中温室气体排放; 若将常规措施中的底肥(N)全部替换为有机肥,粮食产量在20年间不存在显著性差异(P=0.63),年均温室气体排放总量(AE-GHG)可减少约0.03 t/hm2,温室气体排放强度(GHGI)则基本无变化,虽然有机肥可带来更多的土壤固碳,但是若考虑到其堆肥生产排放和还田过程增加的油耗排放,其总体温室气体减排量并不明显。【结论】在华北平原当前情况下,农田温室气体减排措施应以减施化肥、 减少灌溉量为主要方向,可同时实现氮肥生产运输和农田土壤排放2个环节上的减排。年施用氮肥减少120 kg/hm2,灌溉量减少60 mm,20年内温室气体减排潜力约为1.45和0.29 t/(hm2·a)。     

应用DNDC模型分析东北黑土有机碳演变规律及其与作物产量之间的协同关系

【目的】探索长期不同施肥方式下土壤有机碳的动态变化及其与作物产量之间的耦合关系,以期为东北地区黑土耕地资源的持续利用与管理提供科学依据。 【方法】基于黑土区国家土壤肥力与肥料效益监测网站公主岭监测基地的23年长期定位试验数据,选取不施肥（CK）、单施氮磷钾肥（NPK）、无机肥配施低量有机肥（NPKM1）、1.5倍的无机肥配施低量有机肥[1.5（NPK）M1]、无机肥配施高量有机肥（NPKM2）和无机肥配施秸秆（NPKS）6个处理进行土壤有机碳和产量的分析,将数据用于DNDC模型验证,并对6种施肥处理在未来气候下（40 a）黑土有机碳的演变进行模拟。 【结果】试验监测结果表明:从1990~2012年的土壤有机碳数据分析得出,长期不施肥土壤有机碳从12.49 g/kg以年均0.69%的速率下降,有机无机配施可以提升土壤有机碳含量。DNDC验证结果如下:DNDC验证土壤有机碳时各处理的相对均方根误差（RMSE）为14.98%~37.91%,验证作物产量时各处理的RMSE为8.28%~11.19%,说明模型能够基本反映长期不同施肥下的作物产量和土壤有机碳的变化。未来气候下的模拟结果表明:CK和NPK处理土壤有机碳在未来40年里分别下降16.67%和11.21%。而3个化肥有机肥配施处理在未来40年呈稳定增长态势,NPKM1、1.5（NPK）M1和NPKM2处理的土壤有机碳将分别增加13.65%、15.74%和15.84%,以1.5（NPK）M1增势最为显著。NPKS处理的有机碳相对初始略有增加。当施氮量从160 kg/hm2增至320 kg/hm2时,土壤有机碳每增加1.00 g/kg,作物产量的增加量从44.48 kg/hm2下降至15.95 kg/hm2。 【结论】从长期实测数据的分析和DNDC模型模拟得出,实施秸秆还田和有机肥配施无机肥能有效持续增加SOC含量,并能获得较高的作物产量。在施氮量160~320 kg/hm2水平下,作物产量随着土壤有机碳含量的增加而升高,且土壤有机碳含量对产量的提升幅度随着施氮量的升高而降低。     

不同灌溉方式对设施菜地N2O排放的影响及其年际差异

通过田间原位试验,利用自动静态箱-气相色谱法对设施黄瓜季土壤N_2O排放进行了连续两年的观测,探讨了不同灌溉方式(传统漫灌和滴灌)对N_2O排放的影响及其年际差异,以期为设施菜地N_2O减排提供数据支撑和理论基础。试验设置3个处理,分别为对照处理(CK)、漫灌施肥处理(FP)、滴灌施肥处理(FPD)。CK处理不施氮肥,FP、FPD处理氮肥施用量为有机肥500 kg N·hm~(-2)、化肥700 kg N·hm~(-2),其中化肥根据作物养分需求多次施入。研究结果表明:设施菜地N_2O排放峰主要集中于施肥和灌溉后,基肥持续7 d左右,追肥N_2O排放峰持续3~5 d。土壤温度、水分和气温等因子都能显著影响N_2O排放通量的变化,但不同年际之间对N_2O排放的影响不同,2015年N_2O排放通量的变化主要受土壤温度和气温影响,而2016年主要受土壤湿度和温度影响;改变灌溉方式,对土壤温湿度变化没有产生显著的影响;相同氮肥施用量下,滴灌相比常规漫灌在提高作物产量的同时,能减少N_2O排放总量29.4%~35.1%,并且没有显著年际差异;滴灌相比常规漫灌能减少N_2O排放强度(即单位经济产量N_2O排放量)34.5%~37.5%、排放系数47.2%~47.7%,两年的观测没有显著的年际差异。可见,滴灌相比漫灌在提高蔬菜产量的同时,能显著减少N_2O排放,而且年际之间没有显著差异,是设施菜地值得推荐的一种减排技术,并可为N_2O长期减排效果的估算提供参考。