不同水氮管理模式下黑土稻田碳固定与碳减排效应分析

为探寻不同水氮管理模式对黑土稻田碳固定与碳减排效应的影响,进行了田间试验研究。设置常规淹灌(F)与控制灌溉(C)两种灌溉模式,选用110 kg/hm^(2)(N)、99 kg/hm^(2)(N1,减氮10%)、88 kg/hm^(2)(N2,减氮20%)3种施氮量,测定了6种水氮管理模式下的水稻土壤呼吸CO_(2)排放强度和CH4排放强度,水稻收获后各器官干物质量、碳含量及固碳量,并计算了净土壤碳收支情况。结果表明,不同水氮管理模式下,各处理土壤呼吸CO_(2)排放量呈现单峰值变化,并在分蘖期达到峰值;各处理甲烷排放量呈现双峰值变化且在分蘖期与穗肥施入后达到峰值。相同灌溉方式下,随着施氮量的减少,土壤呼吸CO_(2)排放强度与甲烷排放强度也显著减少(P<0.05)。相同施氮量下,控制灌溉相比常规淹灌有效地降低了甲烷排放强度,但提高了土壤呼吸CO_(2)排放强度。不同水氮管理模式下,水稻收获后总固碳量为319.37~489.00 g/m^(2),水稻收获后各器官固碳量由小到大依次为叶、根、茎、穗,分别为植株总固碳量的5.16%~6.72%、5.71%~10.78%、28.62%~36.66%、49.53%~58.70%。控制灌溉相较常规淹灌有效提高了植株固碳能力。在不同水氮管理模式下,水稻的净初级生产力(NPP)与总初级生产力(GPP)均在减氮量10%处理达到最高,相同灌溉方式下,随着施氮量的增大均呈现先增大后减小的变化趋势;相同施氮量下,控制灌溉下NPP、GPP均高于常规淹灌。控制灌溉相比常规淹灌具有更高的生产潜力。除CN处理净土壤碳收支数值呈负值外其余处理均为正值,即除CN处理外其余处理均为土壤净碳增益效果,相同施氮量常规淹灌下土壤净碳增益高于控制灌溉,但差异不显著(P>0.05);随着施氮量的减少相同灌溉制度下各处理土壤碳收支呈先增大后减小的变化趋势。综合考虑,CN1处理可以在保证较高生产能力下提高土壤固碳能力,减少土壤碳损失与稻田温室气体排放。

水氮耦合下黑土区稻田生态系统碳源汇效应分析

为探寻不同水氮耦合方式对黑土区稻田生态系统碳平衡的影响,于2022年开展田间试验,试验设置常规淹灌(F)和稻作控制灌溉(C)两种灌溉模式,同时设置常规施氮水平(N,110 kg/hm~2)、减氮10%水平(N1,99 kg/hm~2)、减氮20%水平(N2,88 kg/hm~2)3种施氮水平,分析不同水氮耦合方式对水稻各器官干物质量、碳含量、稻田土壤呼吸CO_(2)排放通量和CH_(4)排放通量及两者排放总量的影响,并采用净生态系统碳收支(NECB)评价体系对黑土区稻田生态系统碳源汇效应进行分析。结果表明:不同水氮耦合方式下,各处理水稻穗固碳量与根固碳量分别占其总固碳量的26.61%~40.92%、24.63%~31.95%。相同施氮量下,稻作控制灌溉相较于常规灌溉能提高水稻各器官碳含量、干物质量。在水稻全生育期内,各处理CH_(4)排放通量呈现先增加后减小再增加的变化趋势,均在分蘖期与拔节孕穗期出现峰值;各处理土壤呼吸CO_(2)排放通量呈现单峰变化,在分蘖期出现峰值。相同灌溉模式下,除返青期外,各处理CH_(4)排放通量与土壤呼吸CO_(2)排放通量均随施氮量的减少而降低。相同施氮量下,稻作控制灌溉与常规灌溉相比降低了土壤呼吸CO_(2)排放通量及排放总量,但提高了CH_(4)排放通量及排放总量。不同水氮耦合方式下,水稻净初级生产力为4245.82~6958.19 kg/hm~2,穗净初级生产力最高、凋落物净初级生产力最低,分别占其水稻净初级生产力的42.88%~51.82%、3.19%~3.90%。相同施氮量下,稻作控制灌溉模式各处理水稻净初级生产力均大于常规灌溉模式,其中CN、CN1、CN2各处理净初级生产力较FN、FN1、FN2各处理分别增加11.17%、31.92%、2.98%。此外,不同水氮耦合方式下NECB均为正值,表示该黑土区稻田生态系统为净碳“汇”,其中CN1处理净碳收支(1082.87 kg/hm~2)显著高于其他各处理(P<0.05),这说明稻作控制灌溉模式下减氮10%处理的稻田生态系统碳“汇”强度最大。

氮肥高效施用在低碳农业中的关键作用

低碳农业是我国集约化农业发展的必然趋势。深入理解氮肥高效施用是实现低碳农业的关键,可以更加明确如何集成优化农业管理措施增加产量、减少农田生态系统碳排放、提高土壤固碳效应,综合实现固碳、减排、增产的低碳农业发展目标。本文概述了低碳农业评价指标的三个阶段性研究特点,从田间温室气体排放的综合温室效应拓展为涵盖固碳效应的净温室效应,再拓展为涵盖生命周期评价碳排放的综合净温室效应以及兼顾作物产量的温室气体强度。提出了如何利用当季作物试验来估算农田生态系统净碳收支、结合生命周期评价当季作物综合净温室效应和单位产品温室气体强度的方法。按照现阶段低碳农业的评价指标,以我国稻–麦轮作生态系统集约化生产的低碳农业模式为案例,解析氮肥施用在低碳农业各组成包括作物产量、固碳效应、CH_4和N_2O排放、农业措施碳排放中的重要作用,明确氮肥高效施用在农田生态系统综合净温室效应和温室气体强度中的关键作用,从而实现低碳农业可持续发展。

有机肥和秸秆炭分别替代部分尿素和秸秆降低黑土温室效应的效果

【目的】农田条件下研究用有机肥替代部分尿素、用秸秆生物炭替代秸秆对黑土有机质提升和温室气体排放的影响,为秸秆有效还田和"固碳减排"提供理论依据。【方法】2013—2015年在东北典型春玉米区进行田间定位试验,所有处理采用相同方法施用同量磷钾化肥,磷肥为磷酸氢二铵(P_5O_2 60 kg/hm^2),钾肥为硫酸钾(K2O 75 kg/hm^2),在施用4 t/hm^2玉米秸秆前提下,设置:1)不施尿素氮(N0);2)尿素氮100%(N 165 kg/hm^2,N1);3)尿素氮60%+有机肥氮20%+缓释氮20%(N2)。另外,处理4)除了用2 t/hm^2玉米秸秆炭替代4 t/hm^2玉米秸秆外,其他与N2一致(N3)。各生育期测定生态系统温室气体(CO_2、N_2O和CH_4)排放量,收获期测定作物产量和地上部生物量。【结果】N1、N2、N3处理间玉米产量差异不显著。在等氮条件下,N1、N2、N3处理生态系统CO2排放分别为13170、10521、9994 kg/hm^2,N2和N3处理降低CO2排放的效果显著好于N1,N2和N3处理差异不显著(P<0.05),N1、N2、N3处理N2O累积排放分别为6.092、6.597、3.604 kg/hm^2,N3降低N2O累积排放的效果显著好于N1和N2处理;N1、N2、N3处理CH4累积排放分别为0.694、1.652、–2.107 kg/hm^2,N3处理降低CH4累积排放的效果显著好于N1和N2处理。农田系统净碳收支(NECB,除土壤固碳外,作物-土壤系统产生的碳收支,如作物光合、呼吸和产量移出等),N2处理为C 766.5 kg/hm^2,是碳汇,而N1和N3处理是碳源(C-621.3 kg/hm^2和-673.3 kg/hm^2)。当季作物尺度上用NECB估算的土壤固碳效应N1、N2和N3处理分别为C-142.9、176.3、1385.1 kg/hm^2,N3处理土壤固碳效应显著好于N2和N1处理。在化肥生产和运输以及农事操作等投入产生的间接碳排放量方面,化肥氮是农业投入的主要碳源,分别占N1、N2和N3处理农业投入的73%、71%和66%。综合考虑农事操作带来的碳排放,化学品投入带来的碳排放,以及农田系统温室气体排放和土壤固碳的收支,综合净温室效应N1、N2、N3处理分别为2535.2、1488.2、–3769.7 CO_2 eq.kg/hm^2,只有N3处理是碳汇。【结论】在供试黑土条件下,用有机肥替代部分化肥增加生态系统净碳收入;用秸秆生物炭替代秸秆显著增加土壤固碳效应、减少N_2O排放;从综合净温室效应看,有机肥与秸秆生物炭分别替代部分化肥与秸秆"固碳减排"效果最佳。

不同土地利用和施肥方式下黑土碳平衡的研究

本研究进行了东北黑土不同土地利用(草地GL、裸地BL)与农田施肥管理方式(无肥NF、化肥NPK及化肥+有机肥处理NPKOM)下草本植物与作物净初级生产力(NPP)和净生态系统生产力(NEP)以及土壤碳排放的估算,目的是揭示自然与农田生态系统及经过土壤大气界面的碳收支平衡。土壤生长季碳排放总量(Rgs)、全年碳排放总量(Rann)以及全年微生物异养呼吸总量(Rm)以如下顺序递减:NPKOM>GL>NPK>NF>BL,5个处理之间存在显著差异(P<0.05),但是草地与农田化肥+有机肥处理之间差异不显著(P>0.05)。净初级生产力表现:GL>NPKOM>NPK>NF>BL,5个处理之间存在显著差异(P<0.05)。草地总生物量及固碳量显著高于农田各处理(P<0.05),草地NPP总量与农田各处理相比增加32%~96%。化肥+有机肥处理和化肥处理NPP总量比无肥处理高46%和49%。草地与农田的NEP均为正值,表明草地与农田在生态系统尺度上均是大气CO2的"汇"。对大气土壤界面碳平衡的分析表明,当前管理方式下,草地土壤是大气碳库的净汇,而裸地和农田土壤是净源。农田不同施肥处理土壤有机碳含量呈下降趋势,但增加有机肥的投入可增强土壤的固碳容量,达到新的碳平衡。

小麦-玉米-大豆轮作下黑土农田土壤呼吸与碳平衡

农田生态系统是陆地生态系统的重要组成部分,探讨农田生态系统的土壤呼吸与碳平衡对于科学评价陆地生态系统在全球变化下的源汇效应具有重要意义。基于中国科学院海伦农业生态实验站的长期定位试验,对不同施肥处理下黑土小麦-玉米-大豆轮作体系2005—2007年的作物固碳量与土壤CO2排放通量进行了观测,并对该轮作体系下黑土农田生态系统的碳平衡状况进行了估算。结果表明:在小麦-玉米-大豆轮作体系中,作物固碳量的高低表现为:玉米>大豆>小麦,平均值分别为6 513 kg(C).hm-2、4 025 kg(C).hm-2和3 655kg(C).hm-2。从作物生长季土壤CO2排放总量来看,3种作物以大豆农田生态系统的土壤CO2排放总量最高,平均值达4 062 kg(C).hm-2;其次为玉米,为3 813 kg(C).hm-2;而小麦最低,为2 326 kg(C).hm-2。3种作物轮作下NEP(净生态系统生产力)均为正值,表明黑土农田土壤-作物系统为大气CO2的"汇",不同作物系统的碳汇强度表现为玉米>小麦>大豆,三者的平均值分别为3 215 kg(C).hm-2、1 643 kg(C).hm-2和512 kg(C).hm-2。长期均衡施用氮、磷、钾化肥或氮、磷、钾化肥配施有机肥后,小麦、玉米和大豆农田生态系统的固碳量和土壤CO2排放总量均明显增加,并在氮、磷、钾配施有机肥处理下达到最高。不同的施肥管理措施将改变土壤-植物系统作为大气CO2"汇"的程度,总体表现为化肥均衡施用下NEP值较高,而化肥与有机肥配施下农田生态系统的NEP值较低。

滨海盐沼净碳汇能力研究方法综述

滨海盐沼较高的初级生产力以及缓慢的有机质降解速率使其具有显著的碳汇功能,对其净固碳能力开展定量化研究对于制定我国增汇减排政策、实现碳中和目标具有重要的技术支撑作用。目前,国内外有关湿地净碳汇量的观测手段、计算思路及预测方法众多,导致各种研究成果的可比性不高。从碳通量原位观测、碳收支过程测定、土壤碳储量变化、碳循环过程模拟等角度出发,对滨海盐沼净碳汇能力研究方法进行系统梳理,在总结各类方法优缺点、剖析已有研究存在问题的基础上,提出未来滨海盐沼净固碳能力确定的主要研究方向:基于湿地生态系统碳的生物地球化学循环机理,结合卫星遥感技术,构建碳源/汇过程模型,将碳通量观测及碳收支测量数据用于模型参数率定和校验,实现不同时空尺度盐沼生态系统碳收支模拟,是定量评估滨海盐沼净碳汇能力的发展趋势和有效途径。