保護性耕作對稻麥系統(tǒng)土壤有機碳庫與溫室氣體排放的影響.pdf

1、全球變暖已經(jīng)成為了人類可持續(xù)發(fā)展的重要挑戰(zhàn)。農(nóng)業(yè)被認為是重要的溫室氣體排放源，貢獻了10％–12%的人為溫室氣體排放。以免耕和秸稈還田為核心的保護性耕作被認為是減緩農(nóng)田溫室氣體排放的重要措施。盡管保護性耕作對作物產(chǎn)量、土壤有機碳庫以及溫室氣體排放的影響已有大量的報道，但是多數(shù)研究者只關注了保護性耕作對單季作物的影響，對保護性耕作下稻麥系統(tǒng)的研究較少。同時，以往研究往往只在某一土壤條件下進行，而對不同土壤條件下的研究較少。此外，目前對保護

2、性耕作的評價，多數(shù)研究者只考慮了保護性耕作對作物產(chǎn)量或成本投入或者溫室氣體排放的影響，缺乏更加全面的綜合的評價。因此，本研究在不同土壤條件的兩個試驗點(花橋試驗點，砂壤土；大法寺試驗點，黏壤土)，設置了相同的裂區(qū)試驗(耕作方式：常規(guī)翻耕與免耕；秸稈還田方式：秸稈還田與秸稈不還田)，共有4個處理，分別為：翻耕秸稈不還田(Conventional tillage and no straw returning, CTNS)、翻耕秸稈還田（Co

3、nventional tillage and straw returning, CTS）、免耕秸稈不還田（No–tillage and no straw returning, NTNS）與免耕秸稈還田（No–tillage and straw returning, NTS）。研究了保護性耕作對稻麥系統(tǒng)作物產(chǎn)量與固碳量、土壤有機碳庫與溫室氣體排放的影響，并引入了不同的評價方式，分析了其對稻麥系統(tǒng)的綜合影響。主要結(jié)果如下：
　　1.兩

4、個試驗點的研究結(jié)果均表明，免耕與秸稈還田均沒有影響水稻和小麥的籽粒產(chǎn)量、秸稈產(chǎn)量、地上部分產(chǎn)量、地下部分產(chǎn)量以及總生物量。水稻和小麥各器官的含碳量均表現(xiàn)為：籽粒>秸稈>根系。免耕與秸稈還田均沒有影響水稻和小麥的籽粒、秸稈、地上部分以及地下部分固碳量。
　　2.經(jīng)過兩年的保護性耕作，在花橋和大法寺試驗點免耕分別增加了土壤表層2–1 mm團聚體含量7%(p<0.05)和4%(p<0.05)，秸稈還田分別增加了土壤2–1 mm團聚體含量

5、4.9%和5.6%。說明了免耕和秸稈還田保護了土壤表層團聚體結(jié)構，有利于土壤有機碳的穩(wěn)定。雖然耕作方式并沒有影響并沒有影響土壤2–1 mm團聚體組分有機碳的含量，但是秸稈還田顯著增加了土壤2–1 mm團聚體組分有機碳的含量?；蛟囼烖c和大法寺試驗點秸稈還田處理土壤2–1 mm團聚體組分有機碳的含量分別是秸稈不還田處理的1.07與1.10倍。而免耕并沒有影響土壤2–1 mm團聚體組分有機碳的含量。說明秸稈還田后使更多的新鮮有機質(zhì)進入土壤大

6、團聚體中，增加了土壤的固碳潛力。
　　3.兩年兩個試驗點的結(jié)果均表明，保護性耕作增加了土壤活性有機碳的含量，改善了土壤碳庫特性。在花橋試驗點，耕作方式與秸稈還田均影響了土壤可溶性有機碳(Dissolved organic carbon，DOC)含量。免耕下平均DOC含量為翻耕下的1.04–1.08倍；秸稈還田比秸稈不還田增加了土壤平均DOC含量15.7%–22.8%(p<0.05)。在大法寺試驗點，.秸稈還田下稻季和麥季 DOC的

7、平均含量分別是秸稈不還田下的1.34和1.47倍。兩個試驗點的數(shù)據(jù)均表明，保護性耕作的第一年并沒有影響土壤土壤微生物量碳(Microbial biomass carbon，MBC)的含量。經(jīng)過兩年的保護性耕作，在兩個試驗點免耕與秸稈還田均顯著增加了土壤 MBC含量。在花橋試驗點，與翻耕相比，免耕顯著增加了0–5 cm土壤EOC含量13.8%。與秸稈不還田相比，秸稈還田顯著分別增加了0–5 cm土壤EOC含量6.2%。在大法寺試驗點，免耕

8、下0–5 cm土壤EOC含量是翻耕的1.16倍。與秸稈不還田相比，秸稈還田顯著分別增加了0–5 cm土壤EOC含量7.1%。
　　4.兩個試驗點的研究結(jié)果均表明，經(jīng)過兩年的保護性耕作，免耕和秸稈還田均沒有影響整個耕層(0–20 cm)土壤總有機碳含量(Total organic carbon, TOC)。但是免耕增加了0–5 cm土層TOC含量，2014年小麥收獲后，花橋和大法寺試驗點免耕處理0–5cm土壤TOC含量分別是翻耕處理

9、的1.03和1.02倍。
　　5.兩個試驗點的研究結(jié)果均表明，免耕與秸稈還田均顯著增加了土壤碳庫管理指數(shù)，說明保護性耕作能夠改善土壤質(zhì)量、提高土壤肥力，有增加土壤持續(xù)生產(chǎn)能力的潛力。
　　6.在不同試驗點土壤 CO2排放通量波動明顯，不同季節(jié)、不同年際，不同試驗點CO2通量有較大的變異，表現(xiàn)出明顯的時間和空間的異質(zhì)性。但是我們發(fā)現(xiàn)除了大法寺2012–2013稻麥生長期外，各個處理土壤CO2排放通量與土壤DOC含量有顯著的正相

10、關關系。在花橋試驗點，除了2012年稻季，在2012–2013年麥季、2013年稻季以及2013–2014年麥季，與免耕相比翻耕分別增加了土壤CO2排放28.6%、6.4%以及7.3%。在大法寺試驗點，與免耕相比，翻耕在2013年稻季增加了土壤CO2排放22.0%，而耕作方式對其他生長季節(jié)的CO2排放沒有影響。在兩個試驗點，秸稈還田均顯著的增加了土壤CO2排放。在花橋試驗點秸稈還田增加了土壤CO2排放34.5%–44.7%。在大法寺試驗

11、點秸稈還田增加了土壤 CO2排放22.1%–91.2%。在不同試驗點，土壤CH4排放規(guī)律比較一致，均在水稻季出現(xiàn)兩個峰值，在小麥季維持較低的水平。在花橋試驗點，除了2012年稻季，在2012–2013年麥季、2013年稻季以及2013–2014年麥季，與免耕相比翻耕分別增加了土壤CH4排放增加了CH4排放232.5%、36.3%和117.3%。在大法寺試驗點，耕作方式并沒有影響CH4排放。秸稈還田均顯著的增加了CH4排放。在花橋試驗點，

12、秸稈還田增加了2012–2013年和2013–2014年總CH4排放34.3%和35.0%。在大法寺試驗點，秸稈還田增加了2012–2013年和2013–2014年總CH4排放52.4%和38.0%。在不同試驗點，N2O排放的峰值出現(xiàn)于施肥有關，但是耕作方式與秸稈還田均沒有影響N2O排放。
　　7.在兩個試驗點，保護性耕作均影響了全球增溫潛勢(Global warming potential，GWP)。與翻耕相比花橋和大法寺試驗點

13、免耕分別降低了全年 GWP7.0%和10.5%。與秸稈不還田相比花橋和大法寺試驗點秸稈還田分別增加了全年 GWP15.8%和15.2%。兩個試驗點的數(shù)據(jù)均表明，土壤CO2和CH4排放是GWP的主要貢獻者。在花橋試驗點，翻耕增加了全年溫室氣體排放強度(GHG intensity，GHGI)10.4%，秸稈還田增加了全年GHGI14.2%。在大法寺試驗點，耕作方式?jīng)]有影響全年GHGI，秸稈還田增加了全年GHGI13.9%。
　　8.經(jīng)

14、濟效益的研究結(jié)果表明，在花橋試驗點，免耕下經(jīng)濟效益比翻耕提高了15.0%。秸稈還田并沒有影響稻麥系統(tǒng)經(jīng)濟效益。在大法寺試驗點，耕作方式與秸稈還田均沒有影響稻麥系統(tǒng)經(jīng)濟效益。不同生態(tài)經(jīng)濟效益(Ecological economic benefit， EEB)的比較表明，在花橋試驗點，低碳價格下，耕作和秸稈還田并沒有影響 EEB；當前碳價格下，免耕顯著增加了EEB，秸稈還田沒有影響EEB；在高碳價格下，免耕增加了EEB，秸稈還田降低了EEB

15、。在大法寺試驗點，耕作方式和秸稈還田均沒有影響EEB。在不同碳價格下，兩個試驗點NTNS處理均具有較高的EEB。生態(tài)系統(tǒng)凈經(jīng)濟效益(Net ecosystem economic budge，NEEB)的比較結(jié)果表明，在花橋試驗點，低碳價格和當前碳價格下，免耕增加了 NEEB，秸稈還田沒有影響 NEEB。在高碳價格下，秸稈還田降低了 NEEB。在大法寺試驗點，在最低的碳價格和當前碳價格下，耕作方式與秸稈還田均沒有影響 NEEB。在最高的碳