适宜施氮量降低京郊小麦-玉米农田N2O排放系数增加产量

为明确京郊地区小麦-玉米轮作农田的N_2O排放特征,寻求既能减少N_2O排放又保证粮食产量的切实有效措施,以京郊地区冬小麦-夏玉米轮作农田为研究对象,运用静态箱法对8个施氮水平的农田N_2O交换通量进行了连续一年对比研究,每季作物施肥量分别为N0(0 kg/hm~2),N1(50 kg/hm~2),N2(100 kg/hm~2),N3(150 kg/hm~2),N4(200 kg/hm~2),N5(250 kg/hm~2),N6(300 kg/hm~2),和N7(400 kg/hm~2)。在N0-N7施氮量条件下冬小麦季N_2O排放量为0.08~0.52 kg/hm~2;夏玉米季0.26~3.70 kg/hm~2。整个轮作周期,小麦季各处理N_2O排放损失率为0.05%~0.13%;玉米季0.78%~1.02%。在京郊地区冬小麦-夏玉米轮作体系中夏玉米季氮肥施入农田土壤后,土壤N_2O排放通量高于小麦季。京郊农田土壤N_2O排放通量表现出明显的季节性和日变化规律。综合考虑本试验条件下施肥量、N_2O排放量和京郊地区潮土农田小麦-玉米产量,研究认为该轮作体系中每季作物的施肥量为N4(200 kg/hm~2)比较合理,可为合理施肥及估算中国农田温室气体排放量提供参考。     

不同灌溉施肥措施对夏玉米-冬小麦农田N2O排放和产量的影响

为明确不同灌溉施肥措施下夏玉米-冬小麦轮作农田N_2O的排放特征,寻求既能减少N_2O排放又保证粮食产量的灌溉施肥方法,以华北地区夏玉米-冬小麦轮作农田为研究对象,利用静态暗箱-气相色谱法对土壤N_2O排放特征进行了周年(2015年6月15日-2016年6月12日)观测,探讨了常规施氮量(夏玉米:205.5 kg/hm2;冬小麦:250 kg/hm2)下传统灌溉施肥(FP100%)、滴灌+传统施肥(DN100%)、滴灌水肥一体化(FN100%)以及滴灌水肥一体化下不同施氮量(减氮60%(FN40%)、减氮30%(FN70%)、常规氮量(FN100%)和增氮30%(FN130%))下农田N_2O排放特征及土壤温湿度对农田N_2O排放的影响,另设滴灌+不施氮肥(CK)为对照。结果表明:在夏玉米-冬小麦轮作体系中小麦季农田土壤N_2O排放通量高于玉米季,夏玉米季土壤N_2O阶段排放峰值出现在拔节期和抽雄期;而冬小麦季土壤N_2O阶段排放峰值出现在冬前苗期和拔节期。与FP100%处理相比,FN40%处理在夏玉米和冬小麦季的N_2O平均排放通量分别降低了70.8%和66.7%,N_2O排放总量分别减少了58.7%和66.3%;整个轮作季周年产量没有显著减少,N_2O排放总量显著降低了62.9%(P0.05)。FN40%处理夏玉米季和冬小麦N_2O排放系数分别为0.06和0.01,显著低于其他施肥处理(P0.05)。土壤温湿度均影响农田N_2O排放,但不同处理在夏玉米和冬小麦生长季与土壤温度和土壤湿度的相关性并不相同。综合考虑N_2O排放量和作物产量,研究认为,在华北地区夏玉米-冬小麦轮作系统下,若采用滴灌,则根据作物需肥规律同时采用水肥一体化方式进行施肥才既有增产,又减少农田N_2O排放的效果,并且在滴灌水肥一体化技术下,减少60%施氮量在保障粮食产量的同时,可以有效地减少N_2O排放,是兼顾作物产量及大气环境的推荐管理措施。     

基于密切值法和水氮管理模型的华北平原农田水氮优化管理

优化农田水氮管理措施可为实现粮食高产、资源高效及环境友好的目标提供科学依据。该研究以华北平原泰安地区为例,利用农田生态系统水热碳氮过程耦合模型(soil water heat carbon and nitrogen simulator,WHCNS)分别对冬小麦季设置的165个水肥组合和夏玉米季设置的55个水肥组合进行了情景模拟分析,在综合考虑农学、环境和经济效益的基础上,采用密切值法优化了农田水肥管理方案。结果表明:受到华北地区年内降雨分配不均的影响,冬小麦产量随着灌水量的增加呈先增加后稳定的趋势;而夏玉米产量与灌水量没有明显的关系。冬小麦和夏玉米产量均随着施肥量的增加而增加,后保持稳定。水分渗漏和氮素淋洗量均随着灌水量或施肥量的增加而显著增加。在研究区作物秸秆全部还田及高累积氮的条件下,冬小麦季灌水240 mm和施肥60 kg/hm~2(以N计,下同),夏玉米季不灌溉和施肥90 kg/hm~2分别为研究区当年冬小麦季和夏玉米季最佳的水肥管理方案。在所有水肥组合情景中,优化的水肥管理方案不仅能保证冬小麦-夏玉米最大周年产量的97%、具有较高的水氮利用效率和最佳的产投比,而且氮素淋洗和气体损失分别比最大值降低了77%和71%。因此,该方法可以用来优化华北平原农田的水肥管理措施。     

减氮和施生物炭对华北夏玉米-冬小麦田土壤CO2和N2O 排放的影响

2013年6月-2014年6月,在河南省新乡夏玉米-冬小麦试验田设置四种处理即农民常规施肥（F处理,250kg·hm^-2）、减氮20%（LF处理,200kg·hm^-2）、减氮20%+黑炭（LFC）,以不施肥处理为对照（CK）,采用静态箱-气相色谱法,对夏玉米-冬小麦生长季土壤CO_²和N_²O排放通量动态进行测定。结果表明：（1）夏玉米-冬小麦田的土壤CO₂排放通量为21.8～1022.7mg·m^-2·h^-1,土壤CO_²排放通量主要受土壤温度和水分的影响,在夏玉米季受土壤水分的影响更为显著,而在冬小麦季则为5cm土层处的温度对其影响更为突出。减施氮肥20%处理和减氮加生物黑炭共同作用使土壤CO_²累积排放量显著降低,小麦生长季的减排作用尤为显著。（2）施肥和灌溉是影响土壤N_²O排放的最主要因素,施肥期间N2O排放量分别占夏玉米季和冬小麦季累积排放量的73.9%～74.5%和40.5%～43.6%;施肥量主要影响排放峰的强度,灌溉主要影响排放峰出现时间的早晚且会影响不同措施的减排效果。在每季作物250kg·hm^-2施氮水平下减施氮肥20%使夏玉米季和冬小麦季的N₂O累积排放量分别降低15.7%～16.8%和18.1%～18.5%,是高产集约化农田减排N₂O的有效措施。在适宜施氮水平（200kg·hm^-2）下施用生物黑炭,短期内对土壤N₂O排放无显著影响。（3）夏玉米-冬小麦田农民常规施肥水平的N₂O排放系数为0.60%,减氮施肥的N₂O排放系数为0.56%。在华北平原高产集约化农田适当减氮施肥不仅能降低农田土壤温室气体排放,且对作物产量无影响,是适宜的温室气体减排措施。     

水肥管理对鄱阳湖流域稻田温室气体排放的影响

为探明水肥管理模式对稻田温室气体（CH4,CO2和N2O）的影响规律,以鄱阳湖流域赣抚平原灌区稻田为研究对象,考虑间歇灌溉（W1）和淹灌（W0）2种灌溉模式,不施氮（N0）、减量施氮（N1,135 kg/hm2）和常规施氮（N2,180 kg/hm2）3种施氮水平,采用静态箱-气相色谱法测定气体排放量,结合产量计算温室气体排放强度。结果表明：稻田CH4和CO2排放通量全天内表现为单峰模式,CH4日排放峰值在14:00-15:00,CO2排放峰值提前约1～2 h,而N2O排放通量全天内则表现为上午、傍晚和深夜的三峰模式。08:00-11:00内3种气体校正系数和综合值均比较接近1,是进行田间观测的最佳时段。稻田CH4排放通量在生育前期迅速增长达到峰值,中后期相对平缓并伴有1～2个小峰值。间歇灌溉CH4排放通量较少。不同水肥处理下CO2排放的峰值出现次数一致,主要在分蘖前期、乳熟期和黄熟期。2种灌溉模式的CO2排放规律一致,但间歇灌溉下CO2排放量更多。稻田N2O的排放整体水平呈现较低状态,各处理的N2O排放峰值出现在抽穗开花期末。稻田温室气体排放引起的增温潜势受灌溉模式的影响极显著。与W0相比,W1在N0、N1、N2水平下分别降低增温潜势 36.1%、33.9%和23.2%（P<0.05）。地温和气温是重要的环境影响因子,CH4和CO2对地温的敏感性高于气温,9月典型日的温度敏感系数更高。W1N1处理的温室气体排放强度最低,从减排增产角度为鄱阳湖流域推荐的稻田水肥管理模式。     

不同水肥处理对设施菜地N2O排放的影响

设施菜地是N2O排放的重要来源。本文通过田间试验对北京地区不同水肥处理的设施有机大白菜进行了全生长季N2O排放监测,以期为设施菜地N2O减排提供数据支撑。试验为灌溉和施氮量的双因素设计,分别为高灌溉量下的常规施氮（高氮 HN1）、 优化施氮（低氮 HN2）和不施氮（HCK）以及低灌溉量下的常规施氮（LN1）、 优化施氮（LN2）和不施氮（LCK）处理。结果显示,不同灌溉量对大白菜产量影响不显著,但常规施氮处理均显著高于优化和不施氮处理。试验初期,土壤N2O排放通量较高,随后逐渐降低; 到第30 d,各施氮处理已累积释放了生育期N2O排放总量的80%以上; 灌水对N2O排放的影响显著,试验期间灌溉三次后均出现排放高峰,且高灌溉量下各处理N2O的排放通量均高于低灌溉处理。常规施氮N2O排放通量高于优化施氮处理,并均显著高于不施氮处理。各施氮处理的N2O排放系数介于0.29%~0.39%之间。     

水肥气耦合滴灌番茄地土壤N2O排放特征及影响因素分析

为了解水肥气耦合滴灌下不同水肥气调控措施对土壤N_2O排放的影响,该研究设置施氮量(低氮和常氮)、掺气量(不掺气和循环曝气处理)和灌水量(低湿度和高湿度处理)3因素2水平完全随机试验,通过静态箱-气相色谱法、q PCR技术和结构方程模型,系统研究了不同水肥气组合方案下温室番茄地土壤N_2O排放特征及其与相关影响因素之间的关系。结果表明,水肥气耦合滴灌下N_2O排放峰值出现在施氮后2 d内,其余时期N_2O排放通量较低且变幅较小。施氮量、掺气量和灌水量的增加可增加土壤N_2O排放通量和排放总量。其中,高湿度条件下N_2O排放总量较低湿度平均增加了30.14%,曝气条件下N_2O排放总量较对照平均增加了35.16%,常氮条件下N_2O排放总量较低氮平均增加了33.83%。施氮量、掺气量和灌水量的增加可提高温室番茄的产量和氮肥偏生产力。土壤NH4+-N和NO3--N含量对N_2O排放的总效应为0.60和0.79,是影响水肥气耦合滴灌下土壤N_2O排放的主导因子。综合考虑作物产量、N_2O排放总量和氮肥偏生产力,常氮曝气低湿度处理是适宜的水肥气耦合滴灌方案。     

华北平原典型农田CO2和N2O排放通量及其与土壤养分动态和施肥的关系

对华北平原小麦-棉花(麦棉)、小麦-大豆(麦豆)、小麦-玉米(麦玉)轮作田的CO2和N2O排放通量进行了测定,分析了温室气体排放通量与土壤中碳、氮元素、气温以及施肥等之间的关系。主要结论:1)麦棉、麦豆、麦玉田的土壤CO2平均排放通量分别为CO2-C 141.7、109.8、128.2 mg.m-2.h-1,其中夏播作物的排放通量高于小麦季;2)麦棉、麦豆及麦玉田作物生长季的土壤N2O平均排放通量分别为N2O-N 98.8、38.9、44.7μg.m-2.h-1,也表现为麦后季作物的排放量高于小麦季;3)同一生育期中不同处理的N2O排放主要与土壤中无机氮含量相关,不同生育期的N2O排放通量主要受不同生育期的土壤温度及水分状况的影响;4)在施肥灌溉后的9 d内土壤N2O排放通量较高,之后逐渐降低,至施肥后22～27 d即与不施肥处理的排放持平。     

耕作措施对华北农田CO_2排放影响及水热关系分析

为探讨不同耕作措施对农田土壤呼吸排放的影响及其与土壤温度、水分之间的关系,该研究利用长期定位试验研究翻耕、旋耕、免耕3种耕作措施下冬小麦、夏玉米生育期农田CO2的排放通量及其季节变化规律,并通过农田土壤温度、水分对CO2的排放通量进行回归统计分析.结果表明:不同耕作措施下农田CO2排放通量具有明显的季节排放规律,冬小麦、夏玉米生育期农田CO2排放通量:翻耕>旋耕>免耕,且处理间差异都达到显著或极显著水平.不同耕作措施对农田土壤温度及土壤含水率具有显著的影响,免耕条件下农田各层土壤温度最低,冬小麦季免耕农田土壤水分含量高于其他两处理.各处理条件下农田CO2排放通量与土壤温度具有显著的相关性,其中翻耕处理的CO2排放通量与10 cm土温相关性最高,旋耕和免耕则均与20 cm土温相关性最高.当土壤温度高于10℃时CO2排放通量与5 cm土壤含水率具有显著的相关性,此时土壤水分成为CO2排放的主要影响因素.     

不同施肥量对设施菜地N2O排放通量的影响

为明确北京地区设施菜地的N2O排放特征,寻求既能减少N2O排放又使蔬菜增产或保持原有产量的切实有效措施,该研究采用静态箱/气相色谱法对北京地区设施菜地的黄瓜进行了全生长季N2O排放通量的观测,并分析了不同施肥量对N2O排放量、蔬菜产量和经济效益的影响。结果如下：土壤N2O排放通量的季节变化有明显的时间变异性,试验初期受基肥的影响,N2O排放量较大,随着时间的推移,土壤N2O排放量有所减少并保持稳定;试验后期由于追肥,出现一次排放高峰,且持续时间较长。各处理土壤N2O排放总量的次序是：T4（常规施肥量+鸡粪）＞T3（3/4常规施肥量+鸡粪）＞T1（1/4常规施肥量+鸡粪）＞T2（1/2常规施肥量+鸡粪）＞Tn（鸡粪）＞T0（无肥处理）,各处理之间N2O排放量差异达到极显著水平。综合考虑施肥量、N2O排放量和黄瓜产量,研究认为T3（3/4常规施肥量+鸡粪）的施肥量比较合理,可以为合理施肥、降低农民生产成本以及估算中国农田温室气体排放量和编制温室气体排放清单提供 依据。     

基于生命周期评估的冬小麦-夏玉米种植系统碳足迹核算——以山东省高密地区为例

粮食生产过程中的原材料生产、能源消耗、氮肥施用以及农机作业等过程均会排放大量的温室气体。本研究通过对山东省高密市冬小麦-夏玉米种植系统粮食种植过程的原材料投入和农业管理措施等进行问卷调查,采用生命周期评估(Life cycle assessment,LCA)方法学核算当地小麦和玉米生产过程的碳足迹(Carbon footprint,CFP)。结果表明,高密市小麦、玉米生产和冬小麦-夏玉米种植系统单位面积的碳足迹分别为5 183.33、3 778.09 kg CO_2-eq·hm~(-2)和8 961.42 kg CO_2-eq·hm~(-2),单位产量的碳足迹分别为0.69、0.40 kg CO_2-eq·kg~(-1)和0.53 kg CO_2-eq·kg~(-1),单位净现值的碳足迹分别为1.82、0.40 kg CO_2-eq·元~(-1)和0.44 kg CO_2-eq·元~(-1)。冬小麦-夏玉米种植系统粮食生产的碳足迹主要来自氮肥的生产(48.30%)和氮肥施用(12.04%)、灌溉耗电(12.94%)和农业机械耗油(11.20%)等方面。综上可知,优化肥料施用、减少氮肥用量和节水灌溉等措施是实现当地粮食清洁生产的重要途径。     

喷灌条件下耕作方式对土壤水分均匀性与冬小麦水分利用效率的影响

为研究喷灌均匀系数对土壤水分、作物产量及水分利用效率的影响,进一步探讨喷灌条件下适宜耕作措施,于2018—2019年冬小麦生长季进行试验,试验设置旋耕(RT)、深松(ST)、深翻耕(CT)3种耕作处理,在每个处理选取18 m×18 m区域将其划分为9个6 m×6 m的小区作为试验区。结果表明:在3种耕作方式下历次喷灌均匀系数均值在63.91%~76.83%,而表层土壤含水量均匀系数均值依然可以达到84.20%~89.83%,较前者高14.48%~31.75%;冬小麦产量均匀系数较历次灌溉均匀系数均值高出9.99%~23.79%,比累计灌溉均匀系数低2.11%~7.85%,与表层土壤含水量均匀系数均值相差0.82%~6.04%。与RT相比,ST和CT处理产量分别提高9.38%,13.22%,水分利用效率分别增加10.61%,12.88%。即相较于历次灌溉均匀系数,冬小麦产量均匀系数受累计灌溉均匀系数与表层土壤含水量均匀系数均值影响更大,且ST、CT为该灌溉条件下适宜的耕作方式。     

麦季牛场肥水灌溉对冬小麦–夏玉米轮作土壤氮素平衡的影响

规模化畜禽养殖废弃物已成为当前重要的污染来源,为有效控制畜禽养殖污水面源污染,将处理后的养殖肥水作为水、氮资源进行农田灌溉,在华北冬小麦–夏玉米轮作灌溉区,连续3 a进行牛场肥水灌溉田间定位试验,研究冬小麦季牛场肥水灌溉对作物产量、氮表观利用率、土壤无机氮残留及轮作体系氮平衡的影响。结果表明,肥水灌溉能显著提高作物产量,肥水灌溉处理(冬小麦生育期内肥水灌溉带入氮为160、240和320 kg/hm2)冬小麦和夏玉米3 a产量平均增幅分别为36.78%和40.82%。随着牛场肥水灌溉年限的推移作物增产效果逐渐明显,冬小麦–夏玉米轮作体系作物累计氮利用率逐年升高,6季作物收获后氮累计利用率达47.87%~67.63%,肥水氮后效明显。肥水灌溉增加了100 cm土体内无机氮残留,NO3--N残留量显著高于NH4+-N。对冬小麦–夏玉米轮作体系氮平衡分析表明,随牛场肥水灌溉带入氮量增加,作物氮累计吸收增加,在冬小麦生育期内肥水氮带入量为160 kg/hm2夏玉米生育期内不施氮处理(T1),氮表观利用率显著高于其他肥水灌溉处理(T2和T3),100 cm土体无机氮残留率和氮表观损失率均显著低于T3处理,与T2处理差异不显著。该试验条件下,综合产量、氮累计利用率及土壤无机氮残留考虑,冬小麦–夏玉米轮作体系肥水灌溉适宜氮带入量为160~240 kg/hm2。适量牛场肥水灌溉冬小麦–夏玉米能够增加作物产量,增加作物对肥水氮的利用率,减少氮在土壤中的积累。     

不同水氮处理对冬小麦生长及产量影响的田间试

该文以促进农业用水增效为目的,开展了作物水肥生理调控技术研究,选用主要农作物冬小麦,进行不同水肥耦合的灌溉试验,对冬小麦生理指标(株高、干物质质量、叶面积指数、光合作用和籽粒产量等)进行了统计分析,初步探索了冬小麦对水肥(氮)需求影响的规律。通过对冬小麦生理生育指标的统计分析及比较可知各个处理之间各生物指标的生长趋势相同,而200kg/hm2氮处理的各生物指标普遍优于100kg/hm2氮处理的各生物指标,这表明在低肥力条件下适当的增施氮肥,可以提高产量,不过各个处理下冬小麦籽粒产量和总生物量并无显著性差异。在水分处理上灌浆水和返青水很关键,只是在灌灌浆水时已进入雨季,可以减少灌溉水量而充分利用雨水。为减少对环境的污染,建议在生产上考虑选择100kg/hm2氮肥量,并不显著影响冬小麦的生长及最终产量。     

喷灌条件下冬小麦水肥调控技术田间试验研究

对喷灌条件下冬小麦水肥调控进行田间试验研究,探讨了喷灌不同灌水施肥处理对冬小麦产量、耗水规律的影响,提出了不同生育期的适宜灌水计划湿润层深度。     

亏缺灌溉与有机肥结合对夏玉米水分及产量影响

为了解减少灌水量和尿素对夏玉米产量和水分的影响。通过田间试验,以夏玉米为研究对象,选取课题组研发的有机质含量高、保水性能强的有机肥,结合2个水平的灌溉(充分灌溉W1和亏缺灌溉W2),采用等氮的原则,对有机肥与无机肥混施(F1:100%无机化肥;F2:24%有机肥+76%无机化肥;F3:48%有机肥+52%无机化肥),研究灌水量与有机无机肥对夏玉米水分利用效率和产量的影响。结果表明:与F1处理相比,在充分灌溉(W1)条件下,F2和F3处理的籽粒产量提高4.8%~6.3%;亏缺灌溉(W2)条件下,有机肥处理的籽粒产量提高1.8%~2.3%。在相同灌溉水平下,有机肥处理显著提高收获时土壤贮水量,为冬小麦发芽和生长提供一定的湿度。施有机肥处理对三叶期和小喇叭口期株高有显著影响,而对其他生育期株高影响不显著。亏缺灌溉(W2)和施有机肥(F2)的处理产量较好,是夏玉米种植管理中的一个有效方案。这种灌溉施肥管理可为关中平原及环境相似地区提供科学依据。     

华北高产粮区基于种植制度调整和水氮优化的节水效应

冬小麦/夏玉米一年两熟是华北平原粮食作物主要的种植方式。冬小麦生育期降水少,春季灌溉是保证其高产的必要措施。基于上述问题,在华北平原高产粮区设置田间试验,研究了调整种植制度和水氮优化等措施下的节水效应。结果表明,将一年两熟的冬小麦套种夏玉米调整为冬小麦直播夏玉米,并结合水氮优化等措施,能降低作物耗水15%,提高灌溉水利用效率52%～54%,而产量并没有下降;而将一年两熟调整为两年三熟和一年一熟,尽管能降低作物耗水24%～31%,且能提高灌溉水利用效率58%～172%,但产量却下降16%～27%。综上所述,该区将现行的一年两熟制中的套种调整为直播,并加以水氮优化等措施,是目前较为适宜的种植方式。考虑到该区水资源严重短缺的现实,两年三熟制可能是未来的种植趋势,但需要挖掘其产量潜力。