農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變對(duì)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(duì)我國(guó)農(nóng)田溫室氣體排放的綜合影響，進(jìn)而合理評(píng)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(guó)華東地區(qū)典型的稻麥輪作生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象，采用靜態(tài)暗箱-氣相色譜

2、法田間原位同步測(cè)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(duì)該系統(tǒng)的溫室氣體排放的影響，及其相關(guān)的過(guò)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(wú)機(jī)氮肥施用，IF;有機(jī)氮肥施用，OF;有機(jī)/無(wú)機(jī)氮肥混合施用，CF3處理）對(duì)苗床期CH4和N2O排放的影響;2011年水稻生長(zhǎng)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(duì)照無(wú)肥料及調(diào)理劑施用處理、普通尿素施用處理、樹(shù)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(duì)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(duì)水稻生長(zhǎng)季CH4和N2O排放的綜合影響。2007年水稻生長(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)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(rùn)灌溉，F(xiàn)-D-F-M）和氮肥施用（水稻生長(zhǎng)季分0、100、200、300 kg N.hm-24水平;冬小麥生長(zhǎng)季分0、75、150、250 kg N.hm-24水平）對(duì)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(duì)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(duì)于常規(guī)水育秧(F)，旱育(M)方式下無(wú)機(jī)N肥施用(IF)、有機(jī)/無(wú)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(wú)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(duì)于F育秧方式，M育秧方式下來(lái)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(lái)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(méi)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(méi)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(duì)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(duì)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(wú)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(wú)N肥施用對(duì)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(zhǎng)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(lái)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(lái)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(duì)照相比，本研究中N肥施用顯著降低了單位產(chǎn)量的GWP。總體來(lái)說(shuō)，污水灌溉條件下的相對(duì)較高的凈GWP值表明污水相對(duì)于無(wú)污染的河水灌溉將加劇來(lái)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(rùn)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(zhǎng)季的N2O排放，但卻明顯增加隨后的非水稻生長(zhǎng)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(rùn)灌溉方式下的干濕交替階段顯著促進(jìn)了水稻生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)季持續(xù)淹水(F)方式下N2O排放量與施氮量之間并沒(méi)有明顯的對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(zhǎng)季和隨后的非水稻生長(zhǎng)季的固碳潛力分別提高了19-21％和57-90％。與對(duì)照相比，氧化鐵施用顯著降低了水稻生長(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)季的N2O排放（F2，6=8.4，P=0.02）、非水稻生長(zhǎng)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(duì)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(duì)大氣中的CO2的凈固定量已超越了過(guò)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(duì)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(duì)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(duì)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(zhǎng)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(lái)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(zhǎng)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(zhǎng)季持續(xù)淹水條件下幾乎沒(méi)有N2O排放，但卻顯著增加了隨后的非水稻生長(zhǎng)季（小麥生長(zhǎng)季+休耕期）的N2O排放;水稻生長(zhǎng)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(zhǎng)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