华北平原农田生态系统氮素过程及其环境效应研究

华北平原是我国重要粮食生产基地,农业生产中,片面追求高产,过量施肥现象普遍存在,由此造成了肥料利用率低下,氮素损失严重,对环境造成了巨大压力,影响到本区域农业经济和生态环境的可持续发展。本文对中国科学院栾城农业生态系统试验站建站以来有关农田氮素过程方面的研究成果进行了梳理,从相关长期定位试验介绍、氮素转化研究方法的创新集成、氮素过程通量与转化机制研究、氮素综合管理与调控等方面入手,全面汇总了有关华北平原农田生态系统氮素过程及其环境效应的研究进展。自建站以来先后建立了8组与氮素有关的长期定位试验,基于此开展了土壤培肥与高产高效、养分循环再利用、农田生态过程及其对人为干扰和环境变化响应和反馈效应等方面的试验研究。研究过程中不断对研究方法进行完善与创新,建立了N_2高背景浓度下原位土壤反硝化研究的方法体系,为土壤反硝化室内机理与原位无扰动反硝化脱氮总量及产物构成规律研究提供了新的方法;量化了乙炔抑制法测定反硝化的系统误差,为克服乙炔抑制法的误差提供了新的技术途径;建立了深层土壤剖面气体监测的技术体系,使N_2O的研究由单纯的农田排放通量测定扩展到深层土体N_2O的产生机制、扩散与还原过程研究,为定量深层土壤产生的N_2O对表层排放的贡献提供了技术支撑。通过对农田氮素转化机制、过程通量及其环境效应的综合研究,分析了该区域农田生态系统氮素平衡状况,定量评价了农田氮素不同损失途径的相对重要性,提出了阻控氮损失、提高肥料利用率的合理调控途径。     

华北平原农田生态系统钾平衡研究

华北平原大部分田土壤发育在黄河冲积物母质上，矿物钾含量较高，在当前中低产农田中，尤其在有一定秸秆还田的条件一，施用化肥钾增产效果不显著，过多施钾会出现“奢侈性消耗”。在高产条件下，适当施钾对增产仍有一定作用，农田生态系统钾平衡研究对作物生产有重要意义。本文通过３年试验探讨了华北平原农田钾平衡和供钾能力。     

华北平原小麦-玉米农田生态系统服务评价

本研究于2006 年和2007 年在中国科学院栾城农业生态系统试验站田间试验基础上, 评价了华北平原小麦-玉米农田的初级产品生产、气体调节、土壤有机质累积、水调节和氮素转化等5 项生态系统服务。研究表明, 华北平原小麦-玉米农田初级产品量包括籽粒产量5.04~5.71 t·hm^-2·a^-1(小麦)和6.69~8.24t·hm^-2·a^-1(玉米), 秸秆量8.58~9.72 t·hm^-2·a^-1(小麦)和6.97~8.58 t·hm^-2·a^-1 (玉米); 农田气体调节包括释放O₂ 24.99~28.64 t·hm^-2·a^-1, 固定CO₂ 34.23~39.22 t·hm^-2·a^-1, 排放N₂O 0.72~1.13 kg·hm^-2·a^-1, 吸收CH₄ 3.39~5.70 kg·hm^-2·a^-1; 农田耕层土壤有机质累积量为1.13~2.39 t·hm^-2·a^-1; 水资源消耗量为2 890~3 830 m³·hm^-2·a^-1; 农田土壤氮素几乎都处于亏缺状态, 变化范围为-107.73~5.33 kg(N)·hm^-2·a^-1, 不施氮肥农田亏缺较多。综合评价发现, 小麦-玉米农田提供生态服务的经济价值为5.48~6.25 万元·hm^-2·a^-1, 是粮食生产价值的3 倍左右。氮肥施用对农田生态系统服务及其产生福利的影响较为复杂, 这主要是由于施加氮肥明显增加了氮素转化功能导致的经济损失, 而同时可能会增加初级产品生产、气体调节中作物固定CO₂ 和释放O₂ 功能的经济价值。尽管目前有关生态系统服务评价研究主要关注生态系统产生的正效应, 但仍有必要对农田产生的负效应做出评价, 以便客观看待农田生态系统价值, 正确认识农田生态系统对人类福利的影响。     

华北平原农田生态系统服务评价及灌溉效益分析

农田生态系统为人类提供农产品等服务的同时,对生态环境也产生负面影响。本文基于千年生态系统评估(MA)框架,以华北平原典型高产农田区域——河北省石家庄市栾城区为研究对象,应用能值理论分析农田生态系统投入,从供给、调节和支持3方面分析农田生态系统正、负服务产出;应用分摊系数法求解农田灌溉净效益,计算能值指标并评价农田生态系统可持续发展状况。结果表明:研究期间栾城农田生态系统能值年均总投入(1.00×1012 sej·m~(-2))中,不可更新工业辅助能(6.81×1011 sej·m~(-2))与不可更新环境资源(灌溉用地下水,2.57×1011 sej·m~(-2))投入之和占总能值投入的90%以上,说明农田生态系统消耗了大量不可更新资源;农田提供的正服务(1.82×1012 sej·m~(-2))主要是农产品供给(1.07×1012 sej·m~(-2)),负服务(5.87×1011 sej·m~(-2))以温室气体排放(5.31×1011 sej·m~(-2))为主;考虑农田生态系统环境负效益,计算栾城农田灌溉效益分摊系数为0.32,灌溉净效益为3.94×1011 sej·m~(-2),灌溉效益偏低;栾城区能值可持续发展指标取值为0.10~0.18,属于典型的消费型农田生态系统,迫切需要探索出一条低能耗,高产出的真正意义上的高质量农田发展之路,实现农田生态系统健康可持续发展。     

华北平原典型冬小麦农田生态系统能量平衡与闭合研究

准确量化分析地气之间的物质和能量交换对于水资源管理和农业可持续发展是十分重要的。能量平衡闭合是评估观测数据准确性和分析地表能量平衡的一个重要的评价指数。本研究利用开路涡度相关系统和全要素自动气象站对华北平原典型冬小麦农田生态系统2013—2014年度的能量通量及常规气象要素进行了连续观测,分析了冬小麦农田各能量通量的日变化和年变化特征,计算冬小麦在4个生育时期(出苗期、越冬期、拔节期和灌浆期)的能量闭合和波文比。结果表明:在日尺度上,选取的4个生育时期净辐射和各能量分量的日变化趋势均为单峰二次曲线,净辐射、显热通量和潜热通量的峰值出现在12:00—13:00,土壤热通量的峰值出现在14:00—15:00。在年尺度上,净辐射和潜热通量的变化趋势较为一致,均在越冬期达到最低值114.51 W·m~(-2)和13.47 W·m~(-2),而在灌浆期达到最大值327.02 W·m~(-2)和116.56 W·m~(-2)。选取的4个生育时期的代表性观测日期能量闭合良好,能量闭合率分别为0.49、0.77、0.81和0.76。4个生育时期内波文比值日变化趋势均呈倒"U"型,出苗期波文比在14:00达到最大值2.12;越冬期、拔节期和灌浆期在10:00左右达到最大值,分别为1.48、0.31和0.58。本文的定量化结果可为华北平原农田生态系统水热通量等研究提供依据。     

青藏高原农田生态系统碳平衡

为探讨青藏高原农田生态系统碳平衡规律及其影响因子 ,并揭示其对全球含碳温室气体源、汇变化的贡献与响应 ,1 998～ 1 999连续 2年在拉萨农业生态站农田用静态箱法和生物量取样法开展土壤—植被界面CO2 吸收与排放的试验研究。农作物生长季 ,以冬小麦为例 ,生长前期 (从播种到拔节 )土壤碳排放量高于植被碳固定 ,生长后期 (灌浆到成熟 )则是植被碳固定高于土壤碳排放量 ,从全年来看 ,土壤碳排放量略高于植被碳固定     

黄土高原旱塬农田生态系统碳氮循环特征

以黄土高原南部长武试区的典型旱塬农田生态系统为研究对象,运用ＤＮＤＣ模型分析其麦田在４种处理下连续６年的碳、氮循环特征,经与已知试验结果和实测数据比较,验证了该模型的适用性,并提出了该区农业发展的主要措施。     

淮河流域典型农田生态系统碳通量变化特征

为了准确评价农田生态系统在全球碳平衡中的作用,利用涡度相关技术对安徽省寿县冬小麦／水稻生态系统进行了碳通量的监测,并在数据校正、剔除和插补的基础上,研究生长季农田净生态系统碳交换（NEE）的变化特征。结果显示,2008年寿县农田生态系统CO2通量的日变化进程为单峰型,冬小麦和水稻最大的CO2吸收速率分别为2．45和2．48mg·m^-2·s^-1。从物候期的角度来看,冬小麦在抽穗期碳通量值最小,乳熟期最大;水稻拔节时期碳通量值最小,即固碳能力最强。冬小麦,水稻生态系统不同月份碳通量月均日变化也呈U型曲线,作物生命活动越旺盛,NEE峰值越高,夜间CO2排放则在8月份达到最高值。2008年冬小麦和水稻月平均最大日CO2吸收峰分别出现在4月和8月,分别为1．30和1．07mg·m^-2．s^-1。冬小麦生态系统NEE的日最大累积吸收量出现在4月16日．可达11．76gC·m^-2·d^-1,水稻生态系统的出现在8月3日,为10．40gC·m^-2·d^-1。冬小麦从拔节到成熟时间段内的固碳能力为326．87gC·m^-1,水稻从返青到成熟时间段内的固碳能力也达到了300．05gC·m^-2。     

北方旱区免耕对农田生态系统固碳与碳平衡的影响

农田系统对大气CO2库呈碳汇还是碳源效应取决于土壤有机碳的固定和温室气体释放之间的平衡,而耕作措施会改变土壤有机碳含量和储量,影响农田系统的碳循环与碳平衡。该研究以北方旱区山西临汾20 a长期保护性耕作定位试验为基础,田间原位测定土壤呼吸和土壤有机碳含量,确定各类农业投入碳排放参数,利用碳足迹方法综合分析不同耕作措施(传统耕作CT和免耕NT)下农田生态系统碳平衡。结果表明:在化肥、机械等农业投入产生的间接碳排放量方面,化肥投入碳排放量约占系统农业总投入碳排放量的73.5%~77.4%,是农业投入中主要的碳源。由于免耕减少了翻耕、旋耕和秸秆移除3道程序,NT比CT少排放约5.1%,NT产量显著提高28.9%,且碳生产力大于CT。0~60 cm土壤有机碳储量NT(50.86 Mg/hm2)比CT(46.00 Mg/hm2)高10.5%。与CT相比,在小麦休闲期和生育期NT土壤呼吸CO2释放总量高于CT。但根据农田系统碳平衡公式分析得出,NT更有利于农田生态系统固碳,呈碳汇效应,而CT表现为碳源。因此,长期免耕耕作能够提高农田土壤固碳量,减少大气温室气体排放,对于改善北方旱区土壤碳库和减排效果是一个良好的选择。     

不同农田生态系统土壤微生物生物量碳的变化研究

试验研究不同农田生态系统土壤微生物生物量碳的变化结果表明,长期单施N、P肥处理对土壤有机碳和微生物生物量碳的影响不明显,施有机肥处理土壤微生物生物量碳及微生物生物量碳/有机碳值均高于其他施肥处理,轮作中引入豆科作物或豆科连作均对土壤微生物生物量碳的积累有显著作用。     

不同施肥措施对华北平原土壤有机碳的影响

选取河北省曲周县的长期定位试验,于2012年6月采集不施肥(CK)、常规施化肥(CF)、低量EM堆肥(EML)和高量EM堆肥(EMH)4种施肥处理的土壤,结合物理分组、密度分组和粒径分组将土壤划分为大、中、小团聚体组分、颗粒有机碳组分(POM)和矿质组分,探究0—10,10—20,20—60,60—100cm 4个土层中不同组分SOC的变化规律。结果表明:经过19年的耕作,在0—10cm土层,与CK处理相比,3个施肥处理(CF、EML、EMH)可以显著提高全土以及各个组分的SOC含量(33%~63%);10cm以下土层,仅2个有机肥处理可以提高20%~67%的SOC含量。对于0—100cm土层,与CK相比,EMH处理对土壤有机碳密度的增加速率(1.17tC/(hm2·a))是化肥处理(CF)的11.7倍。0—10cm土层3个施肥处理(CF、EML、EMH)条件下,20μm矿质组分SOC饱和度(65%~82%)显著高于CK处理(64%),10cm以下土层,CK、CF、EML处理之间SOC饱和度(50%)无显著差异,但EMH处理SOC饱和度显著高于另3个处理。研究表明,长期施肥条件下应关注10cm以下土层SOC的变化;对于土壤SOC水平较低的华北平原,土壤固碳空间较大,其中有机肥是较为有效的农田管理措施。     

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。     

基于AMSR-E数据估测华北平原及东北地区土壤田间持水量

对田间持水量的遥感获取方法进行了探讨,基于传统的田间持水量测定方法--围框淹灌法的思路,利用AMSR-E(Advanced Microwave Scanning Radiometer,即高级微波扫描辐射计)数据高时间分辨率的特点,提出了基于AMSR-E数据估测田间持水量的方法,并采用2003~2007年的AMSR-E数据制作了我国华北平原及东北地区的田间持水量分布图。结果显示东北地区北部、河南东部、安徽北部以及江苏北部等地区的田间持水量较高;由AMSR-E数据获取的田间持水量明显小于气象站点的测定值,与实测值的相关系数R2为0.522,与实测值有显著的相关关系,表明AMSR-E数据具有正确反映田间持水量的潜力。     

南水北调中线工程与华北平原农业持续发展

本文分析了我国华北平原缺水情况，提出了兴建南水北调中线工程和节约用水是解决华北平原水资源供需矛盾的两大基本战略措施，中线工程将促进华北山前平原新产业带的形成，推动整个华北平原农业和经济的持续发展。     

基于RS/GIS和RUSLE的华北平原土壤侵蚀现状分析

对华北平原的土壤侵蚀状况进行分析,可为粮食主产区的生态保护及土壤侵蚀防治提供重要依据。在GIS技术支持下,利用遥感影像解译资料、数字高程模型(DEM)及土壤、降雨等数据,对修正土壤流失方程(RUSLE)中的各因子进行了量化,实现了对华北平原土壤侵蚀量的估算,并对结果进行土壤侵蚀强度分级。分析结果表明,华北平原多年平均土壤侵蚀模数为2 674.26t/(km2.a),最大值可达8 302.11t/(km2.a),总体上属中度侵蚀。发生轻度以下侵蚀面积占总面积的82.94%,表明华北平原的水土流失在总体上得到了较好的控制。但仍有占总面积7.33%的区域属于较强以上的侵蚀等级,说明局部水土流失严重,尤以沿太行山、燕山、泰山和大别山的低山丘陵地带的土石山区最为严重,是华北平原土壤侵蚀治理的重点地区。     

华北山前平原农田生态系统氮通量与调控

针对华北太行山前平原冬小麦-夏玉米轮作农田, 研究农田常规施肥[400 kg(N)·hm^-2·a^-1]条件下作物氮素吸收与损失通量过程, 并根据各氮素输出通量特征开展管理调控。研究结果表明, 全年小麦-玉米轮作农田系统氮输入总量为561~580 kg(N)·hm^-2, 输出量468~494 kg(N)·hm^-2, 两季作物总盈余86~93 kg(N)·hm^-2, 其中有机氮为24~36 kg·hm^-2。氨挥发和NO₃^--N 淋溶损失是该区域农田氮素损失的主要途径, 是氮肥利用率低的重要原因。平均每年因氨挥发而造成的肥料氮损失量为60 kg(N)·hm^-2, NO₃^--N 淋溶损失量为47~84kg(N)·hm^-2, 两者占施肥总量的30%。每年因硝化-反硝化过程造成的肥料损失很小, 仅为5.0~8.7 kg(N)·hm^-2。通过施肥后适时灌水、合理调控灌水时间与用量, 以及利用秸秆还田与肥料混合施用等管理措施可改善氮素的迁移和转化规律, 有效减少氨挥发和NO₃^--N 淋溶损失, 并结合缓/控释肥与精准施肥技术, 充分利用土壤本身矿质氮素, 可有效提高养分利用效率和作物产量, 改善农田生态环境与促进农业持续和谐发展。     

华北地区冬小麦田辐射过程与热量过程的基本特征

观测了冬小麦全生育期田间小气候,分析了冬小麦田辐射过程和热量过程的特征。结果表明,1d中反射率中午低而早晚高,呈“U”字形,反射率中午最低值为0.12～0.17左右。晴天辐射平衡占太阳总辐射的60%～70%。充分灌溉的麦田中午潜热通量占辐射平衡的60%～75%。