油菜-水稻复种系统一次性施肥对CH_4和N_2O净排放的影响

【目的】探究一次性施肥技术对油菜-水稻复种系统CH_4和N_2O排放及其特征的影响并分析其影响因素,综合计算全球增温潜势,以期了解一次性施肥技术对温室气体排放的贡献大小,从而为温室气体减排提供科学依据和技术参考。【方法】针对长江中下游地区典型的油菜-水稻复种模式,在荆州太湖港农场(30.36N,112.08E)油菜-水稻复种试验田设置了5个处理:对照处理(CK)、农民习惯施肥处理(FP)、优化施肥处理(OPT)、一次性尿素基施处理(UA)和一次性控释肥基施处理(CRF),重复3次。采用静态暗箱-气相色谱法对整个油菜-水稻季的CH_4和N_2O排放通量进行监测,并测定土壤种植前后的理化性质与作物产量。【结果】(1)N_2O和CH_4的排放均具有明显的水稻季排放高、油菜季排放低的季节动态变化规律。各处理N_2O排放通量在油菜季的变化范围为-4.08—35.51μg N·m^(-2)·h^(-1),水稻季则为-16.52—193.30μg N·m^(-2)·h^(-1),年平均排放通量3.66—23.70μg N·m^(-2)·h^(-1);各处理CH_4的通量变化在油菜季的排放量为-0.08—0.05 mg C·m^(-2)·h^(-1),水稻季则为-0.54—4.81 mg C·m^(-2)·h^(-1),年平均排放通量0.42—0.66 mg C·m^(-2)·h^(-1);(2)N_2O年排放总量从高到低依次是FP、CRF、OPT、UA、CK,分别为1.31、1.19、1.04、0.82、0.37 kg N·hm^(-2),排放系数介于0.14%—0.25%,均低于IPCC的推荐值1%。两个一次性施肥处理的UA和CRF相比同等施氮量的OPT处理,均能有效减少CH_4年排放量29.0%和29.9%, UA处理同时能减少21.2%的N_2O年排放总量,而CRF处理却增加了14.8%的N_2O年排放总量;(3)在同等施氮量的条件下,一次性施肥CRF比OPT显著增加油菜产量10.6%,而对水稻产量的影响不显著。温室气体排放强度呈现油菜季低,而水稻季高的特征,油菜和水稻季中各处理差异均不显著,油菜季中CRF和UA的排放强度最低为0.038 kgCO_(2-eq)·kg^(-1),OPT最高为0.057kgCO_(2-eq)·kg^(-1),水稻季UA最小为0.07 kgCO_(2-eq)·kg^(-1),FP最高达到了0.13 kgCO_(2-eq)·kg^(-1);(4)综合两种气体的全球增温潜势(100 a),用GWP表示,在相同施氮量下,两个一次性施肥处理UA和CRF的GWP均较OPT处理减少了28.0%和18.2%(P<0.05),一次性基施尿素对降低温室效应更有效。【结论】对于长江中下游典型农田而言,一次性基施普通尿素或一次性基施控释尿素的措施,可以在保持作物产量的同时,降低了农田温室气体排放,可作为水稻-油菜复种系统的一种环境友好型施肥推荐技术。

一次性施肥技术对冬小麦/夏玉米轮作系统土壤N_2O排放的影响

利用静态暗箱-气相色谱法对华北平原冬小麦/夏玉米轮作系统施氮条件土壤N2O排放特征进行周年观测,以探讨不同处理[对照(CK)、优化施氮(OPT)、优化氮肥一次性施用(OPT1)和控释肥(CRF)]土壤N_2O排放特征及土壤温度、湿度对土壤N_2O排放的影响。结果表明:冬小麦/夏玉米轮作系统中土壤N2O排放峰值主要出现在施肥+降雨或灌溉事件后,不同处理N_2O排放通量变化范围在-0.24~2.78 mg N2O·m^(-2)·h^(-1),平均排放通量23.88~65.46μg N_2O·m^(-2)·h^(-1),OPT1和CRF两个一次性施肥处理可以降低小麦和玉米基肥施用后土壤N_2O排放峰值,但未改变轮作周期土壤N_2O排放季节变化规律;土壤含水量对土壤N2O排放有显著影响,且对夏玉米季土壤N2O排放影响大于冬小麦季;各处理土壤N2O排放通量与5 cm深度土壤温度之间均无相关性;不同处理N_2O年度排放总量差异显著,与OPT处理相比,OPT1处理和CRF处理N2O年排放总量分别减少27.47%和22.80%。各处理N_2O排放系数介于0.28%~0.50%,均低于IPCC 1.0%的推荐值,且各处理产量之间没有显著性差异,因此一次性施肥技术能够在保证产量的前提下,有效减少冬小麦/夏玉米轮作系统土壤N2O排放。

控释肥施用对土壤N_2O排放的影响——以华北平原冬小麦/夏玉米轮作系统为例

控释肥作为一种能够提高肥料利用率、保障作物产量和节约劳动力的新型肥料已经在作物生产中得到广泛应用,而控释肥对土壤N_2O排放影响结果的差异使其成为当前科学评估控释肥施用环境效应的焦点问题之一。因此,旨在探讨不同种类控释肥及氮素水平施用对华北平原冬小麦/夏玉米轮作系统土壤N_2O排放的影响,为科学评价控释肥施用的环境效应及其推广应用提供科学依据。本研究监测采用静态暗箱—气相色谱法对不同控释肥施用下土壤N_2O排放、环境因素以及产量进行了周年监测,探讨了不同处理(对照处理(CK)、控释肥处理1(CRF1)、优化控释肥处理1(80%CRF1)、优化控释肥处理2(80%CRF2)和控释肥处理3(CRF3+尿素))下土壤N_2O排放特征及土壤温湿度对其的影响。结果表明:控释肥施用下冬小麦/夏玉米轮作系统中土壤N_2O排放峰高值主要出现在基肥施用并伴随灌溉(或降雨)后,一般持续时间约为7—10 d,小麦返青期灌溉以及玉米后期降雨会引起微弱的N_2O排放峰。不同处理土壤N_2O排放通量变化范围为^(-2)35.61—2625.01μg N_2O m^(-2)h^(-1),平均排放通量为23.88—51.39μg N_2O m^(-2)h^(-1),与CRFI相比,80%CRF1和80%CRF2处理能够减小施肥期的N_2O排放峰值,但不改变轮作周期土壤N_2O排放季节变化规律。CK处理和CRF3+尿素处理土壤N_2O排放通量与5 cm深度土壤温度之间表现出显著的正相关性(r^2=0.38,P<0.01;r^2=0.30,P<0.05);CRF1处理和80%CRF1处理在冬小麦生长季及整个轮作周期内与土壤孔隙含水率(WFPS)表现为显著的正相关关系(冬小麦生长季分别为r^2=0.50,P<0.01;r^2=0.39,P<0.05;整个轮作周期分别为r^2=0.39,P<0.05;r^2=0.43,P<0.05)。80%CRF2处理N_2O年排放总量最高,为(2.89±0.24)kg N/hm^2。相同控释肥种类条件下,80%CRF1处理比CRF1处理减少了14.23%,但并未达到显著水平;相同施氮量水平下,CRF1处理与(CRF3+尿素)处理之间N_2O年排放总量差异不显著,而80%CRF1处理比80%CRF2处理N_2O年排放总量减少16.16%,并达到显著水平(P<0.05)。本研究不同处理之间N_2O直接排放系数在0.29%—0.42%之间,均明显低于IPCC 1.0%的默认值。各控释肥处理产量与当地农民常规施肥量条件下产量没有显著性差异。因此在华北地区冬小麦/夏玉米轮作系统中应用控释肥技术可以在保证产量的前提下有效减少土壤N_2O排放,并且仍存在一定的减排空间。

应用DNDC模型分析东北黑土有机碳演变规律及其与作物产量之间的协同关系

【目的】探索长期不同施肥方式下土壤有机碳的动态变化及其与作物产量之间的耦合关系,以期为东北地区黑土耕地资源的持续利用与管理提供科学依据。【方法】基于黑土区国家土壤肥力与肥料效益监测网站公主岭监测基地的23年长期定位试验数据,选取不施肥(CK)、单施氮磷钾肥(NPK)、无机肥配施低量有机肥(NPKM1)、1.5倍的无机肥配施低量有机肥[1.5(NPK)M1]、无机肥配施高量有机肥(NPKM2)和无机肥配施秸秆(NPKS)6个处理进行土壤有机碳和产量的分析,将数据用于DNDC模型验证,并对6种施肥处理在未来气候下(40 a)黑土有机碳的演变进行模拟。【结果】试验监测结果表明:从1990~2012年的土壤有机碳数据分析得出,长期不施肥土壤有机碳从12.49 g/kg以年均0.69%的速率下降,有机无机配施可以提升土壤有机碳含量。DNDC验证结果如下:DNDC验证土壤有机碳时各处理的相对均方根误差(RMSE)为14.98%~37.91%,验证作物产量时各处理的RMSE为8.28%~11.19%,说明模型能够基本反映长期不同施肥下的作物产量和土壤有机碳的变化。未来气候下的模拟结果表明:CK和NPK处理土壤有机碳在未来40年里分别下降16.67%和11.21%。而3个化肥有机肥配施处理在未来40年呈稳定增长态势,NPKM1、1.5(NPK)M1和NPKM2处理的土壤有机碳将分别增加13.65%、15.74%和15.84%,以1.5(NPK)M1增势最为显著。NPKS处理的有机碳相对初始略有增加。当施氮量从160 kg/hm^2增至320 kg/hm^2时,土壤有机碳每增加1.00 g/kg,作物产量的增加量从44.48kg/hm^2下降至15.95 kg/hm^2。【结论】从长期实测数据的分析和DNDC模型模拟得出,实施秸秆还田和有机肥配施无机肥能有效持续增加SOC含量,并能获得较高的作物产量。在施氮量160~320 kg/hm^2水平下,作物产量随着土壤有机碳含量的增加而升高,且土壤有机碳含量对产量的提升幅度随着施氮量的升高而降低。

全球黑土区土壤有机质变化态势及其管理技术

黑土富含有机质,适宜耕种,具有极高作物生产潜力。黑土耕地是重要农业自然资源与主要的粮食生产基地。随着我国黑土大规模开发、高强度利用、不合理的田间管理措施以及水土流失导致其耕地地力呈现不断下降的态势,突出表现就是土壤有机质含量的降低,给东北黑土区农业可持续发展带来隐患,直接影响粮食安全和生态安全。因此,深入了解全球黑土有机质变化态势,采取科学、有效的田间管理措施,建立黑土生态保护机制,遏制黑土耕地土壤有机质含量不断下降的趋势,既是农业生产实际的客观需求,也是农田生态学需要解决的科学问题。本文根据近年来国内外黑土有机质的文献资料,参考了国外黑土有机质研究前沿进展,对黑土耕地有机质的利用现状、演变过程和发展趋势进行了深入剖析,总结了黑土区耕地土壤有机质保持与提升技术措施,并提出未来我国黑土耕地农业生产与生态保护兼顾的技术路线。

滴灌施肥对设施菜地N_2O排放的影响及减排贡献

以京郊典型设施菜地为研究对象,设置了农民习惯(FP)、水肥一体化(FPD)、优化水肥一体化(OPTD)和对照(CK)4个处理,采用静态箱-气相色谱法,分析了设施菜地N_2O排放特征及其影响因素,评估了滴灌施肥对水氮利用效率的影响和N_2O排放量的减排贡献。结果表明:N_2O排放在施肥和灌溉事件后呈现出一段短而急促的排放峰,基肥期排放峰持续10 d左右,追肥持续时间为3~5 d,水肥一体化技术能降低N_2O排放峰值和持续时间,N_2O排放通量变化范围为-2.67~22.56 mg N·m^(-2)·h^(-1);在保持作物产量的条件下,FPD、OPTD处理分别比FP处理减少N_2O排放29.41%、32.63%,FPD处理的氮肥偏生产力和灌溉水利用效率比漫灌FP处理分别增加14.62%和43.54%。可见,在相同施氮量的条件下,改常规漫灌方式为滴灌,能降低设施菜地N_2O排放29.4%,同时氮肥和灌溉水利用效率分别提高14.62%和43.54%,是未来设施菜地值得推荐的一种生产技术。

控释肥对东北春玉米产量和土壤氨挥发的影响

针对控释肥施用条件下作物产量与土壤氨挥发特征不明晰的问题,以东北春玉米种植模式为研究对象,采用德尔格氨管法(DTM法)研究了不同施肥处理[农民常规施肥处理(施氮量为180 kg N·hm^(-2),FP)、控释肥施氮量180 kg N·hm^(-2)处理(CRF180)和控释肥施氮量144 kg N·hm^(-2)处理(CRF144)]下土壤氨挥发动态变化特征、土壤氨挥发总量及玉米产量。结果表明:受施肥和降雨因素的影响,每个处理氨挥发峰值均出现在施肥后(基肥和追肥)第1~2 d、第11~12 d左右;FP处理在12~14 d后氨挥发速率降低至零,但CRF180、CRF144处理仍有少量挥发。全生育期FP、CRF180、CRF144处理来自氮肥的氨挥发量依次为19.9、23.8、19.6 kg·hm^(-2),差异不显著(P>0.05),损失率分别为11.06%、13.22%、13.61%。CRF144处理和FP处理产量都保持在12 t·hm^(-2)以上,其两者不存在显著差异,但CRF144处理能够显著地提高氮肥农学效率和偏生产力(P<0.05)。综合考虑氨挥发量与产量,在现有施氮量基础上减少20%,并且施用控释肥是该地区春玉米农田减肥增效适宜的推广技术。

DNDC模型在中国的改进及其应用进展

DNDC模型是目前国际上最成功的生物地球化学模型之一,可以被发展为适合一个特定国家或地区环境条件的模型.我国科学家经过不断的改进和扩充,发展了适用于中国特有的农业生态系统的版本.通过修改土壤水氮运移过程的缺省参数,引入了地表径流曲线和修正的通用土壤流失方程来控制和模拟地表径流,加入了薄膜覆盖管理模式的参数化模块,补充了种养结合的子模型.这些改动不仅增加了模型模拟土壤水氮运移、氮素淋失、地表径流的能力,而且提高了模型在不同生产管理模式下的应用范围.改进后的模型针对土壤有机碳变化、温室气体排放、氮素平衡等方面进行了大量验证,并在点位和区域尺度上进行了广泛应用;此外,对DNDC模型存在的问题,如模拟结果不准确、模型参数矫正困难、模型模块不足等进行了讨论;最后,明确了模型在中国农业生产中的贡献,以期为模型的研究和应用提供参考,更好地服务于中国农业生产.

一次性施肥技术对水稻-油菜轮作系统氮素淋失特征及经济效益的影响

一次性施肥技术是指在作物根际附近只进行一次基施肥的新技术,具有简化施肥管理、降低劳动成本等优点,但其对环境的影响如氮素淋失等仍需进一步分析.本研究以长江中下游地区典型的水稻-油菜轮作模式为例,设置了空白对照(CK)、农民习惯施肥(FP)、优化施肥(OPT)、一次性基施尿素(UA)、一次性基施控释肥(CRF)5个处理,采用地下淋溶原位监测的方法,获取了不同处理下水稻-油菜轮作系统土壤90 cm深度处氮素(N)淋失特征,评估了一次性施肥技术对氮素淋失的影响,并综合分析了其经济效应.结果表明:油菜季和水稻季土壤渗漏液中氮素的主要形态不同,油菜季渗漏液中以NO_3^--N为主,水稻季渗漏水中NO_3^--N和NH_4^+-N各占约50%.从整个轮作周期看,氮素淋失主要发生在水稻季,与FP、OPT和UA相比,CRF氮淋失总量分别显著减少33.7%、20.8%和20.7%;但各施肥处理对油菜季氮素淋失影响不显著.在相同施氮量的条件下,与OPT相比,UA不仅保证油菜和水稻均稳产,而且使油菜季氮肥农学效率显著提高了15.1%,但是没能提高水稻季氮肥农学效率;CRF水稻产量和氮肥农学效率均差异不显著,但油菜产量和氮肥农学效率分别显著提高10.7%和18.9%.经济效益上,与OPT相比,UA和CRF处理油菜分别增收3660和3048元·hm^(-2),水稻分别增收3162和2220元·hm^(-2).因此,对于长江中下游典型种植系统而言,综合考虑对氮素淋失、作物产量和经济效益的影响,一次性基施控释肥技术能在保证作物稳产或增产、提高农民经济效益的同时显著降低氮淋失量,是未来水稻-油菜轮作系统值得推荐的一种生产技术.

北京设施菜地N_2O和NO排放特征及滴灌优化施肥的减排效果

【目的】量化设施菜地N_2O、NO排放特征,分析其影响因素,以期为科学评估农田生态系统N_2O、NO排放提供关键参数。【方法】以黄瓜品种‘金胚98’为供试材料,在北京房山区窦店乡的温室大棚内进行了田间试验,供试土壤类型为石灰性褐土,质地为壤土。试验共设4个处理:漫灌,不施氮肥(CK);漫灌,农民习惯施肥(FP);滴灌,农民习惯施肥(FPD);滴灌,优化施氮(OPTD)。常规氮肥施用量为N 1200 kg/hm^2,优化后氮肥施用量为N 920 kg/hm^2。70%的化肥氮和钾肥,分6次随灌溉追施。采用自动静态箱–氮氧化物分析仪法,对黄瓜生长季的N_2O、NO排放量进行了田间原位观测,同时监测了5 cm深土壤温度、0—15 cm土层土壤孔隙水分含量,分析了N_2O、NO季节排放与土壤温度和湿度的相关性,比较了不同处理措施的减排效果。【结果】施肥和灌溉后1～2天,N_2O会出现明显的排放高峰,NO排放峰出现在施肥和灌溉后2～4天,对照无明显N_2O、NO排放峰值。CK、FP、FPD和OPTD处理N_2O季节排放量分别为N 7.32、28.69、18.62、12.16kg/hm^2;NO季节排放量分别N 0.32、0.86、0.77和0.70 kg/hm^2; NO排放量分别占(N_2O+NO)总量的4.2%、2.9%、4.0%、5.4%。相同氮肥施用量条件下,滴灌施肥处理(FPD)相比漫灌施肥(FP),不仅能保持作物产量,而且能减少N_2O、NO排放总量34.4%、9.0%;滴灌施肥条件下,减少40%氮肥投入(OPTD)比FPD分别减少N_2O和NO排放34.7%和9.1%。FP、FPD和OPTD处理的N_2O排放系数依次为1.78%、0.94%、0.53%,NO排放系数依次为0.08%、0.06%和0.09%。【结论】京郊设施菜地夏季N_2O排放强,NO排放弱。在不改变施肥量前提下,采用滴灌施肥可在保持作物产量的同时,显著减少N_2O和NO排放。采用滴灌的同时,优化肥料施用量可以进一步减少N_2O、NO排放。