基于長期耕作和秸稈還田土壤碳庫演變、固碳減排潛力和碳足跡分析.pdf

1、本研究基于山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)試驗站的保護性耕作和秸稈還田長期定位試驗地（始于2002年），于2007～2012年系統(tǒng)的探討了小麥-玉米一年兩熟種植條件下的土壤有機碳庫演變(2002～2012)及其固碳機理、溫室氣體排放量估算(2007～2012)及排放機理，并利用轉(zhuǎn)變耕作方式和實行輪耕進一步探討長期保護性耕作對土壤有機碳庫演變、溫室氣體排放變化和產(chǎn)量變化的影響，綜合評價長期保護性耕作和秸稈還田條件下的土壤固碳潛力、溫室氣體減排潛力以及作物

2、生產(chǎn)力水平。以期為該地區(qū)選擇適宜、合理的耕作方式和輪耕組合來提高土壤碳庫水平、增強土壤“碳匯”能力、選擇合理的農(nóng)業(yè)管理措施減緩農(nóng)業(yè)源溫室氣體排放和提高作物生產(chǎn)力水平，對該地區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益、社會效益和生態(tài)效益的協(xié)同發(fā)展具有重要意義。主要研究結(jié)果如下:
　　1.長期耕作和秸稈還田的土壤有機碳庫演變及其固碳機理
　　試驗期間，經(jīng)過長期的耕作和秸稈還田，4種保護性耕作措施免耕(NTP)、深松(STP)、耙耕(HTP)和旋耕(RTP)

3、處理和對照常規(guī)耕作(CTP)處理的土壤有機碳(SOC)水平顯著高于其長期無秸稈還田的處理(NTA、STA、HTA、RTA和CTA)，且保護性耕作各處理較對照常規(guī)耕作處理在0～30 cm土層呈現(xiàn)較為明顯的SOC分層和表層聚集特點，常規(guī)耕作處理土壤中的SOC水平在三個土層中較為平均。各處理土壤總有機碳(TOC)中，活性有機碳(LOC)約占TOC的22.38～39.14％，穩(wěn)態(tài)碳約占60.86～77.62％，RTP處理土壤TOC中所含LOC比

4、例最高(39.14％)，STP處理最低(22.38％)。經(jīng)過10年連續(xù)的耕作和秸稈輸入，各耕作措施的秸稈還田處理的土壤SOC庫平均比無秸稈還田處理高約4.6 t ha-1（2011年），原因是各耕作措施的秸稈還田處理SOC的周年累積速率（-0.27～1.34 t ha-1yr-1）顯著的高于無秸稈還田處理(-0.41～0.75 t ha-1yr-1)，且與持續(xù)的秸稈輸入顯著相關(guān)（R2=0.78，P＜0.01）。免耕配合秸稈還田處理(NT

5、P)能夠顯著的增加土壤有機碳庫水平，在2002～2011年，有約13.37 t ha-1的碳(C)被固定。其次為深松處理(STP)，而旋耕處理在有無秸稈還田的條件下均表現(xiàn)為土壤的C損失，土壤中的C約以每年0.27 t ha-1(RTP)和0.41 t ha-1(RTA)的速率被消耗，近10年約損失掉4.08和2.74 t ha-1的C，而秸稈還田在一定程度上能減緩這種損失速率。
　　通過固碳機理可以看出，造成各處理SOC庫差異的原

6、因為各處理大團聚體數(shù)量、團聚體穩(wěn)定性、團聚體關(guān)聯(lián)的碳含量以及穩(wěn)態(tài)碳差異，NTP和STP處理之所以能夠維持較高的SOC庫水平，是因為其大團聚體數(shù)量（79.19％和81.67％）、團聚體穩(wěn)定性(1.89mm和1.82 mm)和團聚體關(guān)聯(lián)的碳庫(9.6 g kg-1和7.36 g kg-1)以及總有機碳中穩(wěn)態(tài)碳比例（71.6％和77.6％）顯著高于其它處理，這導(dǎo)致兩個處理的土壤SOC庫中來自團聚體的穩(wěn)定的SOC約占75.9％和65.4％，顯著

7、的高于其它處理。由回歸分析得出，大團聚體關(guān)聯(lián)的C庫是決定土壤有機碳庫水平的關(guān)鍵(R=0.71，P＜0.05)。
　　2.不同耕作措施條件下溫室氣體排放量估算及排放差異機理
　　各耕作措施條件下的土壤表現(xiàn)為CH4的凈吸收匯和N2O的凈排放源，通過與CH4和N2O的排放相關(guān)微生物菌群的回歸分析可知，CH4的吸收與土壤中CH4氧化菌(MOB，R2=0.64，P＜0.01)和產(chǎn)CH4菌(MPB，R2=0.66，P＜0.01)的數(shù)量極

8、顯著相關(guān)，且CH4氧化菌(MOB)相對于產(chǎn)CH4菌(MPB)為優(yōu)勢菌群，所以各處理表現(xiàn)為CH4的凈吸收匯。而N2O的排放是由硝化細(xì)菌(R2=0.62，P＜0.01)和反硝化細(xì)菌(R2=0.64，P＜0.01)共同主導(dǎo)的結(jié)果。
　　試驗期間(2007.10～2012.10)，各年份之間的CH4吸收通量和N2O排放通量波動性較大，不同耕作措施處理之間的CH4和N2O排放通量差異顯著。試驗期間CH4的總吸收通量以RT處理最高，達到10.

9、05 t ha-1，顯著的高于其它處理，NT處理最低，只有6.29 t ha-1，而CH4的溫室效應(yīng)表現(xiàn)為NT＞HT＞CT＞ST＞RT。造成排放差異的主要原因是因為與CH4吸收相關(guān)的CH4氧化菌(MOB)數(shù)量RT＞CT＞ST＞NT，且排放大小主要受土壤溫度、水分、pH值和NH4+-N含量的主導(dǎo)。各處理N2O的總排放通量為NT＞CT＞HT＞ST＞RT，溫室效應(yīng)表現(xiàn)為NT＞CT＞HT＞ST＞RT。造成各處理N2O排放差異的主要原因為硝化細(xì)菌

10、數(shù)量的顯著差異(NT＞CT＞RT＞ST)，且排放大小主要與土壤溫度、水分、pH值和NO3--N有關(guān)。
　　3.小麥-玉米一年兩熟農(nóng)田不同耕作措施的碳足跡分析
　　在小麥-玉米一年兩熟制中的碳足跡主要由化肥、農(nóng)藥、機械、灌溉等組成。在小麥季，各耕作處理之間的碳足跡差異顯著，最高的是深松處理(ST)，為812.8 kg Ce ha-1yr-1，其次是常規(guī)耕作(CT)，碳足跡為803.8 kg Ce ha-1yr-1，免耕措施碳足

11、跡最低，只有787.2kg Ce ha-1yr-1。碳足跡差異主要取決于由于農(nóng)業(yè)機械進行耕地、收獲和秸稈還田造成的碳足跡。在小麥季各處理碳足跡的組成中，化肥投入造成的碳足跡比例最大，占到75.2～77.6％，而由于農(nóng)業(yè)機械所消耗柴油而造成的碳足跡則只占約8.1～8.3％。
　　玉米季碳足跡中，由于玉米季不進行土壤耕作，且化肥、農(nóng)藥投入和灌溉量相同，所以各處理總的碳足跡都為621.2 kg Ce ha-1yr-1。在其組成中，化肥投

12、入造成的碳足跡比例最大，達到73.5％，其次是由于農(nóng)業(yè)機械所消耗柴油而造成的碳足跡，占到13.8％。
　　在小麥-玉米一年兩熟體系下，不同耕作措施的糧食碳成本以免耕處理(NT)最高，為0.169 kg Ce kg-1，深松處理(ST)最低，為0.144 kg Ce kg-1。
　　4.長期保護性耕作方式轉(zhuǎn)變?yōu)檩喐笸寥罍厥覛怏w排放、有機碳庫和產(chǎn)量的變化
　　長期旋耕(RT)、耙耕(HT)和免耕(NT)后進行深松(ST)

13、，使旋耕/深松(RT/ST)、耙耕/深松(HT/ST)和免耕/深松(NT/ST)這三種輪耕方式的土壤CH4吸收通量較原耕作方式增加了23.6、14.7和26.1％，但增加土壤“碳匯”能力的同時，土壤N2O的排放也分別較原耕作方式增加了10.2、12.9和78.3％。但輪耕后，NT/ST、RT/ST和HT/ST處理的CH4和N2O的總排放通量只增加了約1.08、0.06和0.17 kg ha-1，總溫室效應(yīng)增加了約0.23、0.02和0.

14、05 kg CO2 ha-1。
　　通過與龍口不同耕作措施長期定位試驗點的對比發(fā)現(xiàn)，長期單一的保護性耕作和秸稈還田后，免耕(NT)處理的30cm土層SOC庫顯著高于其它處理，泰安和龍口的不同耕作措施長期試驗點在試驗期間(10年和6年)土壤有機碳庫分別增長了13.37和9.51t ha-1，而兩試驗點的旋耕處理（RT）都表現(xiàn)為C的凈損失，試驗期間每年每公頃約損失0.27和0.33 t的C。但在泰安定位試驗點實行輪耕后，HT/ST、R

15、T/ST處理的0～30cm的土壤有機碳庫累積量較原處理增加，其中RT/ST處理從原處理C的凈損失變?yōu)槊磕昝抗暭s固定3.66 t的C，但NT/ST處理土壤C的周年累積速率降低24.4％。
　　泰安和龍口定位試驗點經(jīng)過實行連續(xù)10年和6年的單一的耕作措施后，并沒有表現(xiàn)出明顯的增產(chǎn)效果，作物周年生產(chǎn)力水平反而呈逐年下降趨勢，但在泰安定位試驗點實行輪耕措施后， HT/ST、RT/ST和NT/ST處理的小麥產(chǎn)量輪耕后分別較HT、RT和NT