耕作和施氮措施下旱作夏玉米田土壤呼吸与土壤碳平衡研究

【摘要】以全球气候变暖为主要特征的气候变化是目前人类面临的最为严峻的全球环境问题之一。气候变化的主要原因是人类活动向大气排放过量的CO2、CH4和N2O等温室气体。农田生态系统碳库是陆地生态系统碳库的重要组成，也是其中最活跃的部分。土地利用、耕作方式和施肥水平等是人类影响农田生态系统土壤呼吸和碳循环的重要方面。旱作农田在农田生态系统中占有重要地位，夏玉米是我国重要的粮食作物，提高夏玉米产量对解决粮食安全问题有重要意义，而目前关于旱作夏玉米田土壤碳排放和碳平衡的研究较少。因此，本研究立足旱作农田，研究不同耕作方式和施氮水平下旱作夏玉米田土壤碳排放规律，探讨土壤呼吸速率与土壤温度和水分的关系，比较不同耕作方式及施氮量对减少温室气体排放的贡献，并对2种农田管理措施下土壤水、肥利用效率及产量进行分析。研究结果将为温室气体减排、旱作农田作物高产稳产技术体系建立提供一定的理论依据和实践指导。主要研究结果如下：（1）4种耕作方式下，旱作玉米田土壤呼吸速率变化规律基本一致，均随生育时期呈先增后降的变化趋势。整个生长季内，不同耕作方式下土壤呼吸速率表现为DT（深松耕）>PT（翻耕）>RT（旋耕）>NT（免耕），且差异达到显著水平（P<0.05）。不同施氮水平下土壤呼吸速率动态变化为单峰不对称曲线，土壤呼吸速率于播种后开始增加，至播种后52d达到最大值，成熟收获时降至最低；土壤呼吸总量（Sr）与施氮量（n）满足关系式Sr=1204.09/（1+e-1.69-0.02n）。（2）耕作方式对土壤温度的影响在夏玉米生育前期（播种后0～30d）表现明显，表现为RT处理土壤温度高于DT和NT。不同耕作方式下，土壤呼吸对土壤温度的敏感性不同，土壤温度分别可以解释DT、NT、RT和PT处理土壤呼吸速率季节变化的48.10%～59.63%、13.31%～19.90%、23.30%～38.47%和50.72%～53.90%。土壤温度是不同施氮水平下旱作玉米田土壤呼吸的关键影响因素，土壤温度可以解释土壤呼吸速率季节变化的62.31%～78.66%；整个生长季，Q10为1.377～2.435。其中，夏玉米拔节期至抽雄期Q10较大；生长初期和生育后期Q10较小。（3）耕作方式对土壤含水量的影响在夏玉米生育前期（播种后0～30d）表现明显，随生育时期推进，差异逐渐缩小。单独分析土壤水分与土壤呼吸速率的关系时，两者没有明显的相关性。综合考虑土壤水分和土壤温度的交互作用，可提高土壤呼吸预测的准确性。不同耕作方式下，土壤水分和土壤温度共同分别可以解释土壤呼吸季节变化的31.46%～76.83%（2010年）和21.26%～57.61%（2011年）。土壤水分和温度是不同施氮水平下旱作玉米田土壤呼吸的关键影响因素，两者可以解释夏玉米生长季土壤呼吸季节变化的79.63%～85.87%。（4）随土层深度增加，有机质含量逐渐降低。不同耕作方式下，0～20cm土壤有机质含量表现为DT>NT>RT>PT，但各处理间差异均不显著（P>0.05）；PT和DT处理20～40、40～60cm土壤有机质含量显著高于NT（P<0.05）。与不施氮肥处理（CK）相比，各施氮处理0～20cm土壤有机质含量均增加，增加幅度为5.22%～9.96%；80kg/hm2和160kg/hm2施氮处理40～60cm土壤有机质含量分别较对照增加0.01%和3.40%，而240kg/hm2和320kg/hm2施氮处理低于对照，降低幅度分别为1.44%和1.68%。（5）夏玉米生长季，不同耕作方式下旱作农田生态系统初级生产力固碳量（NPP）为4853.78～6091.49kg/hm2，土壤微生物异养呼吸碳释放量（Rm）为1655.00～4372.90kg/hm2，农田生态系统净碳输入（NEP）表现为RT>NT>PT>DT。不同施氮水平下旱作玉农田生态系统初级生产力固碳量（NPP）为4036.81～5093.52kg/hm2，土壤微生物异养呼吸碳释放量（Rm）为2395.61～2854.80kg/hm2，农田生态系统净碳输入（NEP）表现为N3（240kg/hm2）>N4（320kg/hm2）>N2（160kg/hm2）>CK（不施氮肥）>N1（80kg/hm2）。不同耕作方式和施氮水平下旱作夏玉米田生态系统净碳输入均为正值，说明旱作夏玉米田为大气CO2的汇。（6）夏玉米生长季，DT、NT、RT和PT处理农田土壤净碳释放量分别为-48.45、-79.81、313.46、560.66kg/(hm2·a)。说明，与传统耕作（RT）比较，少免耕处理DT和NT处理在旱作夏玉米田表现为CO2的吸收汇，PT处理表现为排放源，并且NT处理作为CO2吸收汇的潜力大于PT。不同施氮水平下，0、80、160、240和320kg/hm2施氮处理土壤净碳释放量分别为165.55、-1512.89、-991.34、110.22、1461.77kg/(hm2·a)，表明，在考虑农田投入的前提下，80kg/hm2（N1）和160kg/hm2（N2）施氮量处理农田表现为大气CO2的吸收汇，240kg/hm2（N3）和320kg/hm2（N4）处理农田表现为排放源，并且在80～240kg/hm2施氮量范围内，随施氮量增加，旱作玉米田作为CO2吸收汇的潜力减小。（7）RT和DT处理虽可降低作物苗期土壤储水量，但有利于土壤水分下渗，增加中后期土壤储水量，且RT和DT可适度增加苗期土壤温度，促进夏玉米生长发育，玉米籽粒产量分别较NT提高3.35%和1.91%。结合经济效益和环境效益分析，与RT处理比较，NT处理在提高净收益的同时，可有效降低CO2排放强度。0～320kg/hm2施氮量范围内，玉米籽粒产量随施氮量的增加而提高，但240kg/hm2（N3）和320kg/hm2（N4）施氮水平下夏玉米籽粒产量差异不显著（P>0.05）。综合经济效益和环境效益分析，240kg/hm2施氮处理产投比最高，且其CO2排放强度较低。
【作者】张俊丽；
【导师】廖允成；
【作者基本信息】西北农林科技大学，作物栽培学与耕作学，2014，博士
【关键词】旱作农田；耕作方式；施氮量；土壤呼吸速率；碳平衡；

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