農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變對稻作生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體(CO2、CH4和N2O)排放的影響.pdf

1、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)在全球大氣溫室氣體（CO2、CH4和N2O）收支中扮演著十分重要的角色，是主要的溫室氣體排放源之一。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變被認(rèn)為是影響農(nóng)田溫室氣體排放的主要人為因素之一，因此探討和研究農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變對我國農(nóng)田溫室氣體排放的綜合影響，進(jìn)而合理評價(jià)不同農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式下農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的綜合溫室效應(yīng)、溫室氣體排放強(qiáng)度及其生態(tài)生產(chǎn)效益顯得尤為重要。
　　 本研究主要以我國華東地區(qū)典型的稻麥輪作生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，采用靜態(tài)暗箱-氣相色譜

2、法田間原位同步測定CO2、CH4和N2O的排放通量，探討基于水分管理的常規(guī)農(nóng)業(yè)管理措施對該系統(tǒng)的溫室氣體排放的影響，及其相關(guān)的過程和機(jī)理。田間試驗(yàn)包括以下五個(gè)部分:2010年水稻苗床試驗(yàn)研究水稻育秧方式轉(zhuǎn)變（區(qū)分為常規(guī)水育和旱育苗床）和氮肥施用類型（無機(jī)氮肥施用，IF;有機(jī)氮肥施用，OF;有機(jī)/無機(jī)氮肥混合施用，CF3處理）對苗床期CH4和N2O排放的影響;2011年水稻生長季大田試驗(yàn)研究水稻不同種植方式（區(qū)分為常規(guī)移栽和旱直播）結(jié)合緩

3、釋高效肥、硝化抑制劑以及高價(jià)鐵氧化物微量元素調(diào)理劑施用（區(qū)分為對照無肥料及調(diào)理劑施用處理、普通尿素施用處理、樹脂包膜尿素施用處理、硫包尿素施用處理、尿素配合雙氰胺和對苯二酚混合施用處理以及尿素配合氫氧化鐵膠體施用共6個(gè)大田試驗(yàn)處理）對水稻生長季CH4和N2O排放的綜合影響。2007年水稻生長季大田試驗(yàn)研究灌溉水源（區(qū)分為污水灌溉和常規(guī)灌溉）對稻田CH4和N2O排放的影響;2007-08年稻麥輪作周期內(nèi)，采用區(qū)組設(shè)計(jì)研究水稻生長季的不同水

4、分管理方式（持續(xù)淹水，F(xiàn);淹水-烤田-淹水，F(xiàn)-D-F;淹水-烤田-淹水-濕潤灌溉，F(xiàn)-D-F-M）和氮肥施用（水稻生長季分0、100、200、300 kg N.hm-24水平;冬小麥生長季分0、75、150、250 kg N.hm-24水平）對整個(gè)稻麥輪作周期N2O排放的影響;2009-10年稻麥輪作周期研究高價(jià)鐵氧化物（稻季和麥季的氫氧化鐵膠體施用量均分0、4、8 t.ha-13水平）施用對整個(gè)稻麥輪作系統(tǒng)CO2、CH4和N2O排放

5、的綜合影響及固碳效應(yīng);
　　 主要研究結(jié)果如下:
　　 1.不同育秧方式和肥料施用下的水稻苗床系統(tǒng)溫室氣體（CH4和N2O）排放差異顯著。相對于常規(guī)水育秧(F)，旱育(M)方式下無機(jī)N肥施用(IF)、有機(jī)/無機(jī)N肥混合施用(CF)和有機(jī)N肥施周(OF)3處理的CH4排放量分別減少了50％、25％和14％。與IF處理相比，F(xiàn)和M兩種育秧方式下OF處理的CH4排放分別增加了44％和148％。同樣，兩種不同育秧方式下的N2O排

6、放差異也較為明顯，但不同施肥類型之間并無顯著差異。與F育秧方式相比，M育秧方式下IF、CF和OF3種施肥處理的N2O排放總量分別增加了186％、132％和72％。F和M兩種育秧方式下苗床期N2O累計(jì)排放總量分別占秧苗期施N量的0.20-0.24％和0.41-0.57％。相對于F育秧方式，M育秧方式下來自于CH4和N2O的綜合凈GWP在20年和100年的時(shí)間尺度上分別降低了13-46％和11-39％。與IF施肥處理相比，F(xiàn)和M兩種育秧方式

7、下OF處理的CH4和N2O的綜合凈GWP分別增加了43％和107-132％。本研究結(jié)果表明，旱育秧方式并減少有機(jī)N肥投入將減緩來自于苗床系統(tǒng)的CH4和N2O排放的綜合溫室效應(yīng)。
　　 2.綜合不同的施肥處理，常規(guī)移栽(TPR)和直播稻(DSR)生產(chǎn)方式下的CH4累計(jì)排放量之間具有顯著差異(P=0.01)，與常規(guī)移栽稻田相比，直播稻田的CH4累計(jì)排放量減少了59％。綜合不同的水稻生產(chǎn)方式，不同施肥處理之間的CH4累計(jì)排放量并沒有顯

8、著差異（P=0.14），同時(shí)水稻栽培方式和肥料施用之間也沒有互作效應(yīng)(P=0.40)。兩種不同的水稻栽培方式下的N2O排放量具有顯著差異（P=0.02）。與移栽稻相比，直播稻的生育期N2O排放總量平均增加了38％。兩種不同水稻栽培方式下不同肥料施用處理之間的N2O排放量差異達(dá)到了極顯著水平（P＜0.001），在同等施N水平下，相對于常規(guī)尿素施用(U)，移栽和直播稻田硫包尿素施用處理(U-S)的N2O排放分別增加了12％和11％;脲甲醛施

9、用處理(UF)的N2O排放分別減少了38％和33％;尿素配合硝化抑制劑-雙氰胺和對苯二酚施用處理(U+DCD+HQ)的N2O累計(jì)排放量分別減少了54％和60％。然而常規(guī)移栽方式下與U處理相比，尿素配合氫氧化鐵膠體施用處理(U+Fe)的N2O累計(jì)排放量增加了18％。常規(guī)移栽和直播生產(chǎn)方式下，作物收獲時(shí)的地上生物量與CH4和N2O排放總量呈顯著正相關(guān)。
　　 3.污水灌溉下的CH4季節(jié)排放總量顯著高于常規(guī)河水灌溉。與常規(guī)河水灌溉相比

10、，污水灌溉方式下，有無化學(xué)N肥施用處理的CH4累計(jì)排放量分別增加了27％和33％。與無N肥施用對照處理相比，污水和常規(guī)河水灌溉方式下化學(xué)N肥施用處理的CH4累計(jì)排放量分別減少了8％和12％。方差分析表明，水稻生長季的N2O累計(jì)排放總量受灌溉類型和N肥施用的顯著影響（P＜0.001），污水灌溉和N肥施用顯著增加N2O排放，且兩者趨于存在交互作用。污水和常規(guī)河水灌溉方式下，來自于N肥施用的N2O直接排放系數(shù)分別為0.71％和0.52％，相應(yīng)

11、的N2O-N背景排放量依次分別為0.81 kg·hm2和0.30 kg·hm2，而本研究中由于灌溉污水引入N源所導(dǎo)致的N2O間接排放系數(shù)為0.73-0.92％。從各處理CH4和N2O排放的綜合GWP值來看，與常規(guī)河水灌溉相比，在20年和100年的時(shí)間尺度上污水灌溉方式下的凈GWP顯著增加。N肥施用顯著增加了N2O排放，但卻同時(shí)降低了CH4排放。在100年的時(shí)間尺度上，化學(xué)N肥施用輕微增加了凈GWP，但其效應(yīng)在兩種水源灌溉方式下均不明顯。

12、相比之下，與對照相比，本研究中N肥施用顯著降低了單位產(chǎn)量的GWP?？傮w來說，污水灌溉條件下的相對較高的凈GWP值表明污水相對于無污染的河水灌溉將加劇來自于稻田系統(tǒng)CH4和N2O排放的綜合溫室效應(yīng)。
　　 4.與淹水-烤田-淹水(F-D-F)和淹水-烤田-淹水-濕潤灌溉(F-D-F-M)的水分管理方式相比，持續(xù)淹水(F)顯著減少了水稻生長季的N2O排放，但卻明顯增加隨后的非水稻生長季（包括休耕期和后季麥田）的N2O排放。中期烤田和

13、后期濕潤灌溉方式下的干濕交替階段顯著促進(jìn)了水稻生長季的N2O排放，但卻一定程度上抑制了后季麥田的N2O排放。但就全輪作周期而言，本研究中水稻生長季的3種不同水分管理下的N2O累計(jì)排放總量相當(dāng)。稻麥輪作系統(tǒng)的N2O排放系數(shù)和背景排放量與水稻生長季的水分管理方式密切相關(guān)，稻麥輪作周期的N2O累計(jì)排放量隨著氮肥施用量的增加而增加，除了水稻生長季持續(xù)淹水(F)方式下N2O排放量與施氮量之間并沒有明顯的對應(yīng)關(guān)系。以上F、F-D-F和F-D-F-M

14、3種水分管理方式下全輪作周期化肥N的N2O直接排放系數(shù)平均分別為0.87％、0.97％和0.85％。綜合3種不同水分管理方式，全輪作周期的N2O直接排放系數(shù)和背景排放量平均分別為0.89％和1.80 kgN2O-N(.)hm-2。
　　 5.稻麥輪作系統(tǒng)的溫室氣體（CO2、CH4和N2O）排放與氧化鐵施用密切相關(guān)，氧化鐵施用顯著降低了全輪作系統(tǒng)的CO2排放。與對照相比，全年輪作系統(tǒng)Fe-M和Fe-H處理的CO2排放量分別減少了2

15、6％和32％。本研究中作物系統(tǒng)-大氣之間CO2的生態(tài)系統(tǒng)凈交換量(NEE)顯著受氧化鐵施用的影響。對NEE的估算結(jié)果表明稻田系統(tǒng)的固碳效應(yīng)明顯要高于后季的冬小麥旱作生態(tài)系統(tǒng)。與對照相比，氧化鐵的施用顯著增強(qiáng)了全年稻麥輪作系統(tǒng)的碳匯功能(F2,6=14.5，P＜0.01)，水稻生長季和隨后的非水稻生長季的固碳潛力分別提高了19-21％和57-90％。與對照相比，氧化鐵施用顯著降低了水稻生長季的CH4排放（F2.6=22.7，P＜0.01）

16、，F(xiàn)e-M和Fe-H處理的CH4排放量相比于對照分別減少了27％和44％。方差分析表明，氧化鐵施用顯著增加了水稻生長季的N2O排放（F2，6=8.4，P=0.02）、非水稻生長季的N2O排放（F2,6=23.4，P＜0.01）以及整個(gè)輪作周期的N2O排放（F2，6=28.6，P＜0.001）。較對照而言，全年輪作周期氧化鐵施用處理的N2O排放量增加了65-100％。全年輪作系統(tǒng)所有處理的CO2、CH4和N2O的地-氣凈交換估算(NGHG

17、B)結(jié)果為負(fù)表明，稻麥輪作生態(tài)系統(tǒng)對大氣中的CO2的凈固定量已超越了過程中系統(tǒng)所排放的CH4和N2O的CO2等效量。盡管氧化鐵施用刺激了稻麥輪作系統(tǒng)N2O排放，但卻很大程度上降低了CH4排放并且增強(qiáng)了該農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)對大氣中CO2的固定潛力，進(jìn)而降低了100年時(shí)間尺度上的綜合NGHGB。
　　 全文結(jié)論:
　　 1.水稻不同育秧方式和肥料施用影響苗床期CH4和N2O排放。相對于常規(guī)水育苗床，旱育苗床并減少有機(jī)N肥投入在培育

18、壯苗的同時(shí)可以減緩苗床期CH4和N2O排放的綜合溫室效應(yīng)。
　　 2.常規(guī)移栽和直播生產(chǎn)方式下稻田的CH4和N2O排放差異顯著。綜合兩種水稻生產(chǎn)方式下稻田系統(tǒng)的作物生產(chǎn)效益和綜合溫室效應(yīng)，相對于直播稻而言，常規(guī)移栽稻田多種肥料的綜合施用都不同程度地加劇水稻生長季CH4和N2O排放的綜合溫室效應(yīng)，尤其是常規(guī)尿素和脲甲醛施用下的增溫效應(yīng)最為明顯，同時(shí)常規(guī)移栽稻生產(chǎn)明顯降低了水稻產(chǎn)量。
　　 3.與常規(guī)河水灌溉相比，污水灌溉顯

19、著加劇了來自于稻田生態(tài)系統(tǒng)CH4和N2O排放的綜合溫室效應(yīng)。
　　 4.水稻生長季的水分管理方式顯著影響后季麥田及全年輪作周期的N2O排放。水稻生長季持續(xù)淹水條件下幾乎沒有N2O排放，但卻顯著增加了隨后的非水稻生長季（小麥生長季+休耕期）的N2O排放;水稻生長季的中期烤田和干濕交替階段顯著促進(jìn)了稻季的N2O排放，但卻明顯降低了隨后非水稻生長季的N2O排放。
　　 5.稻麥輪作系統(tǒng)的溫室氣體（CO2、CH4和N2O）排放與