氮肥与生物炭施用对稻麦轮作系统甲烷和氧化亚氮排放的影响

【目的】以我国稻麦轮作系统为对象,研究氮肥和小麦秸秆生物炭联合施用对CH4和N2O排放规律的影响;结合小麦和水稻总产量进而评估对该生态系统综合温室效应(GWP)和温室气体强度(GHGI)的影响,为生物炭在减缓全球气候变化及农业生产中的推广应用提供科学依据。【方法】生物炭通过小麦秸秆在300 500℃条件下炭化获得。田间试验于2012年11月至2013年10月进行,为稻麦轮作体系。采用静态暗箱—气相色谱法观测CH4和N2O排放通量;试验共设置不施氮肥不施生物炭(N0B0)、不施氮肥施20 t/hm2生物炭(N0B1)、施氮肥不施生物炭(N1B0)、氮肥与20 t/hm2生物炭配施(N1B1)、氮肥与40 t/hm2生物炭配施(N1B2)等5个处理,各处理3次重复。【结果】单施氮肥(N1B0)与不施氮肥(N0B0)处理相比,增加了稻麦轮作产量82.8%,增加了CH4排放0.6倍,增加了N2O排放5.5倍。单施生物炭(N0B1)与不施生物炭(N0B0)处理相比,显著增产25.4%,却不能减少CH4和N2O的排放。在施氮的同时,配施20 t/hm2生物炭与单施氮肥处理相比,显著增加稻麦轮作产量21.6%,小麦和水稻总产量也比配施40 t/hm2生物炭处理高;配施40 t/hm2生物炭与单施氮肥处理相比,显著降低稻麦轮作系统CH4排放11.3%和N2O排放20.9%,CH4和N2O排放量也比配施20 t/hm2生物炭的排放量低。随着生物炭配施量的增加,CH4和N2O减排效果更明显。单施生物炭并不能有效地减少GWP,但却可以显著增加作物产量,从而减小GHGI。对N0B0、N0B1、N1B0、N1B1四个处理进行双因素方差分析发现,氮肥和生物炭在CH4和N2O排放、作物产量、GWP和GHGI方面都不存在明显的交互作用。各处理在100 a时间尺度上总GWP由大到小的顺序为N1B0N1B1N1B2N0B0N0B1,GHGI值由大到小的顺序则为N1B0N1B1N0B0N1B2N0B1。单施生物炭与配施生物炭都能降低稻麦轮作系统的GWP和GHGI,配施40 t/hm2生物炭处理降低效果更好。【结论】稻田麦季施用不同水平生物炭都能在保产或增产的同时,降低稻麦轮作系统CH4和N2O的排放及GWP和GHGI。在当前稻麦轮作系统中,与20 t/hm2的生物炭施用量相比,40 t/hm2的生物炭施用量显著降低GWP,但增产效果不明显,因此二者GHGI相当,需要根据温室效应与作物产量权衡选择生物炭实际施用量。     

猪粪施用对稻麦轮作体系土壤碳组分含量及动态变化的影响

通过在成都平原开展稻麦轮作大田试验,设置了不施肥(CK)、常规无机化肥(NPK)、猪粪25%+化肥(NKM1)、猪粪50%+化肥(NKM2)、猪粪100%(M3)、猪粪150%(M4)6种施肥处理,探讨猪粪施入对土壤碳组分含量及动态变化特征的影响。结果表明:不同生育期对土壤有机碳及其组分含量的变化影响极显著(P0.01);水稻季不同处理下表层土壤总有机碳(TOC)、水溶性有机碳(WSOC)、溶解性有机碳(DOC)和易氧化有机碳(ROC)含量均随着生育期的推移呈现出先升高再降低的趋势,20~40 cm土层土壤有机碳及其组分含量显著低于表层土壤,且不同处理之间变化幅度小于表层土壤;小麦季表层TOC含量随作物生育期的推移呈增加的趋势,土壤WSOC和DOC含量在拔节期达到最大值,ROC在分蘖期达到最大值,之后下降并趋于稳定;20~40 cm土层土壤WSOC、DOC和ROC变化趋势与表层土壤基本一致,但变化幅度较小;通过对比分析表明,猪粪施入能显著提高土壤TOC及其活性有机碳含量,水稻季和小麦季TOC、WSOC、DOC和ROC含量均在M4处理下达到最大值,最大值分别为18.49和18.62 g kg-1、88.15和93.56 mg kg-1、40.09和69.74 mg kg-1、2.73和2.29 g kg-1,即从提高土壤有机碳的角度来看,150%猪粪施入处理提升效果最为明显。     

猪粪沼液施用对稻、麦产量和氮磷吸收的影响

在江苏太湖稻麦轮作区,开展了连续2年不同沼液替代化肥比例及沼液基追比的等氮田间试验,结果表明:单施化肥处理(NPK)及沼液化肥配施处理水稻、小麦生物量及产量均显著高于无肥对照,各处理以75％沼液替代比例分3次施入(N75％)处理的水稻生物量和产量为最高,其生物量及产量分别比单施化肥处理提高2.7％和7.5％;而小麦生物量和产量以50％沼液替代比例(N50％)处理最高,其生物量和产量比单施化肥处理分别提高15.9％和7.8％.沼液化肥配施对稻麦的增产作用主要体现在提高水稻与小麦总穗数及穗粒数上;各处理水稻、小麦的氮素累积量和氮素当季表观利用率分别以75％(N75％)和50％(N50％)替代比例为最高;在50％～ 100％替代比例内沼液分次施用,水稻、小麦氮肥农学效率、偏生产力都高于化肥处理.水稻、小麦不同器官的氮分配比例显示,沼液配施化肥促进氮素向籽粒转移;相同沼液替代比例下,沼液分次施用水稻、小麦的产量、氮素累积量及氮素利用率均较基肥一次性施入高.稻、麦根、叶部磷含量分别以N75％和N100％处理最高.以上表明稻麦配施50％ ～ 75％的沼液分3次施用,可获得与纯化肥处理相当的产量,且在一定程度上提高稻麦氮素利用率.     

不同施氮水平对稻麦轮作农田氧化亚氮排放的影响

利用江苏常熟田间随机区组试验,以密闭箱法采集气样,气相色谱分析N2O浓度,对稻麦轮作制下不同施氮水平的土壤N2O排放进行了观测,探讨了不同施氮水平对稻麦轮作农田氧化亚氮排放的影响。结果表明,土壤N2O排放量受施氮量的影响,稻季和麦季N2O排放量都随旌氮量的增加而增加;稻季N2O排放量最大峰值出现在烤田复水期间,其排放量大小主要受基肥和分蘖肥施用量的影响,并随施氮量的增加而增大;麦季最大峰值出现在气温回暖的第二次追肥后,排放量的最大峰值也随施氮量的增加而增大;稻麦轮作土壤N2O排放以麦季的排放为主,麦季N2O累积排放量在轮作周期中占三分之二。     

稻麦轮作下施用猪粪水对作物生长及农田土壤质量的影响

为解决猪粪水农田利用问题,确定其最佳施用量,降低可能带来的环境风险,在实验室条件下,基于自制土柱,研究了猪粪水不同比例替代化肥及猪粪水全量替代化肥下不同施用量对稻麦生产及农田土壤质量的影响,分析了稻麦株均穗数、叶绿素含量、穗和秸秆产量、穗和秸秆中氮磷含量、土壤渗滤液理化特性以及土壤氮磷、重金属含量的变化。结果表明：猪粪水50%和100%替代化肥氮均可不同程度地促进稻麦生长,提高稻麦植株产量,但处理间差异不显著;在猪粪水全量替代化肥氮条件下,当猪粪水用量为200%化肥氮时,稻、麦穗均获得最大产量;施用猪粪水提高了稻、麦穗和秸秆中氮磷含量,减缓了土壤有机质和全氮下降幅度,提高了土壤全磷含量,但过量施用猪粪水造成水稻烂根、死苗,小麦疯长,土壤渗滤液中氮磷浓度升高,污染地下水的风险增加,部分指标甚至超过《地下水质量标准（GB/T 14848-2017）》中Ⅳ类水标准;大量施用猪粪水还会造成铜、镉和铅等在土壤中积累,锌含量无明显增加。综上所述,在本研究条件下猪粪水替代化肥是可行的,建议猪粪水用量低于200%化肥时可在促进稻麦生长、培肥土壤和控制农田环境污染等方面具有较好的效果。     

稻麦轮作稻田中N_2O排放规律的研究

通过连续3年在中国浙江杭州的大型稻田原状土柱渗漏计中开展稻麦轮作稻田中N2O排放规律的研究,探讨了不同作物生长季节、不同年份、不同氮肥用量和氮肥品种对N2O排放的影响。结果表明:稻季的N2O排放主要发生在施肥之后,呈单高峰特征;麦季N2O排放则发生在施肥和较大降水之后,呈多高峰特征,麦季排放与降水有密切相关;不施氮情况下,稻田中N2O排放通量和累计排放量都是稻季高于麦季,稻季分别为麦季的1.97倍和1.34倍;施氮情况下,稻季与麦季排放通量和累计排放量则差别不大,排放通量是稻季略高于麦季(+17%),而累计排放量则是麦季略高于稻季(+21.96%).;施加氮肥可以促进N2O的排放;尿素的排放因子大于硫铵;在麦季施N100~1000 kghm-2的条件下,尿素的排放因子值为0.75~1.31,硫铵为0.15~0.16;在稻季施N150~300 kg hm-2的条件下,硫铵的排放因子值为0.19~0.20;在中国浙江省杭州稻麦轮作稻田中,N2O本底排放量为0.12~0.25 kgN2O-Nhm-2 yr-1,施肥引起的N2O排放占总排放的33%~59%。渗漏水中的N2O/NO3比值随种植季数而增高,可用乘幂关系式表达。     

猪粪沼液施用对麦稻轮作土壤碳库特性的影响

以典型稻麦两熟制农田为研究对象,分析猪粪、沼液替代化肥对土壤不同层次总有机质、活性有机质的影响,并计算各处理的碳库活度、活度指数和碳库管理指数。结果表明,以常规施肥为参照,100%猪粪和50%猪粪替代化肥处理均显著增加了0-20cm土壤总有机质、活性有机质含量,分别提高了54.58%,57.83%和21.82%,22.08%(p<0.05),进而显著提高了土壤碳库管理指数,分别提高了60.31%和22.70%(p<0.05)。100%沼液和50%沼液替代化肥处理也提高了0-20cm土壤碳库管理指数,分别提高了22.56%和3.07%,主要是由于沼液替代化肥措施改善了土壤有机质活度,其活度指数较常规施肥分别提高了16.57%和8.00%。可见,采用猪粪、沼液替代化肥措施均不同程度地提高了土壤碳库管理指数,对改善稻麦两熟制农田土壤有机质质量有重要作用。     

猪粪替代氮肥对稻麦轮作条件下土壤有机氮组分的影响

合理的有机肥投入水平对于保障土壤肥力和粮食生产有重要的意义。因此,本试验以猪粪作为试验材料,采用田间小区定位试验,通过设置对照(T0)、不施氮(T1)、100%化肥氮(T2)、25%猪粪氮+75%化肥氮(T3)、50%猪粪氮+50%化肥氮(T4)、100%猪粪氮(T5)6个不同施肥处理,探讨稻麦轮作体系下不同猪粪氮替代氮肥对土壤有机氮组分的影响。结果表明:猪粪替代氮肥可以提高稻麦轮作体系下土壤酸解性总氮、非酸解性总氮和酸解性氮各个组分的含量,在水稻季,T4处理的土壤酸解性总氮、氨基酸态氮和酸解未知氮的含量相较T0处理提高了17%、8%、133%;在小麦季,T3处理的土壤酸解性总氮、氨基酸态氮和酸解未知氮的含量相较T0处理分别增加了11%、8%、127%;各个猪粪替代氮水平对稻麦两季的土壤氨态氮和氨基糖态氮含量的影响均不显著。总体而言,水稻季50%猪粪替代氮肥和小麦季25%猪粪替代氮肥可以提高稻麦轮作条件下土壤酸解性总氮、氨基酸态氮和酸解未知氮的含量,进而增加土壤供氮潜力。     

田间老化生物质炭减缓稻麦轮作系统土壤N2O排放能力降低的机理

作为一种重要的土壤调节剂,生物质炭在固碳减排,尤其在氧化亚氮(N₂O)减排方面的作用日益突出。本研究通过田间定位试验,分析稻麦轮作体系新鲜和田间不同时间老化生物质炭对N₂O排放的影响,旨在明确生物质炭对田间N₂O排放的持续效应及其作用机理。试验共设置5个处理,分别为CK（不施氮肥和生物质炭）、N（施氮肥）、NB_0y（氮肥+新鲜生物质炭）、NB_2y（氮肥+2年老化生物质炭）和NB_5y （氮肥+5年老化生物质炭）,动态监测稻麦轮作周期N₂O排放,测定水稻和小麦收获后土壤理化性质和氮循环功能基因丰度。结果表明,生物质炭显著降低土壤N2O累积排放量32.4% ~ 54.0%,且表现为NB_0y> NB_2y> NB_5y。与N处理相比,NB_0y, NB_2y 和NB_5y处理显著提高土壤pH值0.6 ~ 1.2个单位、土壤有机碳（SOC）含量21.4 % ~ 58.6%、硝态氮（NO_3^--N）含量1.7% ~ 31.3%,对土壤pH改善能力随着生物质炭老化而下降。生物质炭处理显著提高nosZ基因丰度54.9% ~ 249.4%,土壤 (nirS+nirK)/nosZ比值随着生物质炭老化而增加。相关性分析表明,土壤N₂O累积排放量与pH值呈显著负相关,与NO_3^--N含量和amoA-AOB（氨氧化细菌）丰度呈显著正相关。因此,新鲜和田间不同时间老化生物质炭均能显著改善土壤理化特性,降低土壤 N₂O排放且新鲜生物质炭的作用效果优于老化生物质炭。土壤NO_3^--N 含量及(nirS+nirK)/nosZ比值的增加,是导致老化生物质炭减排N₂O能力降低的主要原因。     

水稻控制灌溉对稻麦轮作农田N_2O排放的调控效应

为了揭示水稻控制灌溉对稻麦轮作农田N2O排放的调控效应,该文对稻麦轮作农田N2O排放进行原位观测,分析稻麦轮作农田N2O排放对水稻控制灌溉水分调控的动态响应。结果表明,水稻灌溉模式对后茬冬小麦田N2O排放产生了显著的后效性影响,控制灌溉稻季农田N2O排放总量较常规灌溉稻季农田平均增加了136.9%(P0.05),而稻季采用控制灌溉的麦季农田N2O排放总量较稻季采用常规灌溉的麦季农田平均减少47.1%(P0.05);稻季采用控制灌溉的稻麦轮作农田全年N2O排放总量平均为761.50 mg/m2,较稻季采用常规灌溉的轮作农田平均减少了1.0%,差异很小(P0.05)。稻季采用控制灌溉的稻麦轮作农田N2O-N损失率为1.01%,稻季采用常规灌溉的轮作农田N2O-N损失率为0.98%。麦季N2O排放通量的峰值一般出现在施肥后伴随降雨时,降雨后7~10 d是麦季N2O剧烈排放的关键时期。水稻控制灌溉较常规灌溉没有增加稻麦轮作农田的N2O排放。研究结果为准确估算中国农田N2O排放量及制定N2O减排措施提供参考。     

不同施氮水平对菜地土壤N_2O排放的影响

通过大田试验研究了不同施氮水平对蔬菜地土壤N2O排放的影响。试验设置5个氮水平[0（N0）、430（N1）、860（N2）、1290（N3）、1640（N4）kgN.hm-2],2a试验期间种植的蔬菜有辣椒、萝卜、菠菜和小白菜。结果表明,施氮显著影响N2O排放通量,各施氮水平土壤N2O排放通量范围分别为-8~39、0.4~157、12~626、8.5~982、16~1342μg.m-.2h-1;同时,氮肥施用显著提高了N2O排放总量,各施氮处理（N0、N1、N2、N3和N4）试验期间土壤N2O平均排放总量分别为0.48、1.35、4.49、7.83、10.57kgN.hm-2,土壤N2O排放系数范围是0.33%~1.13%,且施氮水平与土壤N2O排放总量间呈显著的指数函数关系;不同季节蔬菜地土壤N2O排放总量差异很大,其中最大的是辣椒,最小的是菠菜;此外,土壤N2O排放通量季节变化除受施氮水平影响外,还受土壤温度的影响,排放高峰出现在高温的夏季。     

不同种植年限旱田N2O排放研究

以三江平原沼泽湿地不同开垦年限（1987年、1993年开垦）的旱田（种植方式为大豆-冬闲）为研究对象,探讨了种植年限,降雨、土壤湿度以及植物参与对旱田N2O排放的影响。结果表明,种植年限越长,N2O排放量越高,1987年开垦的旱田N2O排放量显著高于1993年开垦的,这与土壤的理化性质有关;土壤有机碳和总氮含量随种植年限的增加而逐渐降低,而δ^15N随种植年限呈线性升高。在大豆生长季内,两种种植年限的旱田N2O通量具有相同的季节变化趋势,而降水条件是控制这一变化趋势的主要因素,N2O排放通量与观测日前6天的加权平均降水量呈线性正相关,与土壤体积含水量呈多项式正相关。另外,植物的参与降低了旱田土壤N2O的排放。     

不同种植年限旱田N2O排放研究

以三江平原沼泽湿地不同开垦年限(1987年、1993年开垦)的旱田(种植方式为大豆-冬闲)为研究对象,探讨了种植年限、降雨、土壤湿度以及植物参与对旱田N2O排放的影响。结果表明,种植年限越长,N2O排放量越高,1987年开垦的旱田N2O排放量显著高于1993年开垦的,这与土壤的理化性质有关;土壤有机碳和总氮含量随种植年限的增加而逐渐降低,而1δ5N随种植年限呈线性升高。在大豆生长季内,两种种植年限的旱田N2O通量具有相同的季节变化趋势,而降水条件是控制这一变化趋势的主要因素,N2O排放通量与观测日前6天的加权平均降水量呈线性正相关,与土壤体积含水量呈多项式正相关。另外,植物的参与降低了旱田土壤N2O的排放。     

覆膜栽培及抑制剂施用对稻田N2O排放的影响

采用静态箱-气相色谱法研究脲酶抑制剂氢醌(Hydroquinone, HQ)与硝化抑制剂双氰胺(Dicyandiamide, DCD)配合施用(HQ/DCD)对常规栽培和水稻覆膜节水高产栽培下四川丘陵地区稻田的N2O排放的影响。结果表明,水稻生长期,常规栽培和水稻覆膜节水高产栽培稻田N2O排放总量分别为41.8 mg/m2 和506.9 mg/m2。HQ/DCD施用减少常规栽培与水稻覆膜节水高产栽培稻田N2O季节总排放,降幅分别为25.2% 和48.5%。常规栽培和水稻覆膜节水高产栽培N2O季节总排放占施氮量的0.3% 和3.4%,施入HQ与DCD后,其N2O季节总排放分别降为施氮量的0.2% 和1.7%,HQ/DCD施用对水稻覆膜节水高产栽培下的N2O减排更为有效。各处理N2O排放与5 cm土壤温度、土壤Eh无显著相关性。     

不同氮磷肥施用对春玉米农田N_2O排放的影响

农田过量施肥会增加N2O排放,使农田土壤成为重要的温室气体排放源。为减少农田N2O排放,利用自动观测系统研究了春玉米农田中不同肥料对N2O排放的影响,并结合作物产量及N2O的排放量探索减少温室气体排放的施肥措施。采用田间试验方法设定了不施肥（CK）、尿素（U）、尿素加磷肥（NP）和硝酸磷肥（NOP）4个处理进行研究。结果表明,各处理下N2O排放总量分别为：CK0.21kgN·hm-2、U1.19kgN·hm-2、NP0.93kgN·hm-2、NOP0.69kgN·hm-2;N2O排放主要受施肥、灌溉,降雨和土壤温度的影响;在作物生长后期土壤含氮量小于7mgN·kg-1的情况下,观测到土壤吸收N2O的情况;各处理下排放因子均小于政府间气候变化委员会（IPCC）的缺省值1%,表明IPCC推荐的排放因子不适用于估算中国北方的春玉米农田N2O排放。施加磷肥有助于减少农田N2O排放并提高产量,硝态磷肥较尿素可以显著减少N2O排放。综合考虑产量和N2O排放,相对于施用尿素和尿素加磷肥处理,硝酸磷肥处理不仅可节约15%和30%的肥料投入,而且分别减少42%和26%的N2O排放,具有减排不减产的良好效果。     

稻麦轮作条件下菌渣还田对土壤剖面养分分布的影响

[目的]揭示菌渣还田提升耕地土壤质量的机理,以期为种植业固体废弃物的资源化利用提供理论依据。[方法]以成都平原稻麦轮作区为研究对象,进行为期1a的田间小区试验。共设置常规化肥(CF)、等氮量还田(T_1)、1.5倍氮量还田(T2)、2倍氮量还田(T3)和2.5倍氮量还田(T_4)5个处理;分别在水稻种植期和小麦种植期采集0—15cm,15—30cm,30—50cm土层土样,对土壤样品的全量养分进行测定。[结果](1)化肥施用或菌渣还田后,0—15cm土层养分含量显著高于15—50cm土层(p0.05);(2)不同处理下土壤养分的变化与常规施肥(CF)相比,在水稻季土壤中,T_4处理下的土壤含有较高的全氮和全钾养分含量水平,T2,T3和T4能有效提高全磷养分含量;在小麦季土壤中,T4能有效提高土壤全氮、全磷含量,全钾在不同菌渣处理条件下的含量与常规施肥相比差异不显著(p0.05);(3)T_1、T_2、T_3和T_4处理下的土壤养分含量均大致呈现出随着还田量的增加而增加的变化趋势。[结论]高量菌渣还田能有效提高土壤全氮、全钾、全磷养分含量,中量菌渣还田能有效提高全磷含量。