管理措施對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸、N-,2-O和CH-,4-排放的影響.pdf

1、溫室氣體引起的全球變暖和平流層臭氧損耗是當(dāng)今重大的全球性環(huán)境問題。CO<,2>、CH<,4>、N<,2>O是三種最主要的溫室氣體，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是重要的溫室氣體排放源。研究管理措施對(duì)農(nóng)田溫室氣體排放的影響及其機(jī)理是編寫溫室氣體排放清單的基礎(chǔ)，是制定合理的減排措施的前提，具有重要意義。 為研究管理措施(氮肥施用、種植制度和耕翻措施)對(duì)農(nóng)田土壤呼吸、N<,2>O和CH<,4>排放的影響，采用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法對(duì)典型農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的土壤

2、呼吸、N<,2>O和CH<,4>排放情況進(jìn)行了三年的長(zhǎng)期定位觀測(cè)。田間試驗(yàn)分三個(gè)輪作年進(jìn)行，2002-03年水稻-小麥輪作周期主要研究氮肥施用對(duì)農(nóng)田土壤呼吸、N<,2>O和CH<,4>排放的影響，2003-04玉米/大豆/水稻-小麥輪作周期主要研究不同的種植制度和耕翻措施對(duì)農(nóng)田土壤呼吸和N<,2>O排放的影響，2004-05玉米/水稻-小麥輪作周期主要研究不同耕翻深度及不同種植制度對(duì)農(nóng)田土壤呼吸和N<,2>O排放的影響。 為研究

3、土壤呼吸的各個(gè)組分，采用根生物量外推法對(duì)土壤呼吸的各個(gè)組分進(jìn)行了區(qū)分，并對(duì)根呼吸的影響因素進(jìn)行了分析。 為了解中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸的時(shí)空變異規(guī)律及驅(qū)動(dòng)因子，進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研，分析了氣候和土壤因子對(duì)土壤呼吸的影響并對(duì)土壤呼吸進(jìn)行了初步模擬。 結(jié)果表明： 1．化肥氮施用促進(jìn)土壤呼吸及N<,2>O排放，但高氮施用對(duì)稻田CH<,4>排放有抑制作用。冬小麥基肥(2002/11/09)、返青肥(2003/02/14)和拔節(jié)肥

4、(2003/03/26)施用后12～15天內(nèi)土壤呼吸速率明顯高于對(duì)照，特別是拔節(jié)肥(2003/03/26)施用對(duì)于土壤呼吸的促進(jìn)作用比前兩次施肥更加明顯；就整個(gè)測(cè)定時(shí)段而言，不同施氮水平問的平均土壤呼吸速率無顯著差異。麥田N<,2>O直接排放系數(shù)高于稻田，分別為1.68％和1.10％。三年輪作周期的N<,2>O直接排放系數(shù)為1.22％。施用高氮(450 kg·hm<'-2>)的稻田CH<,4>排放約為施用低氮稻田(150 kg·hm<'

5、-2>)的25％。 2．種植不同作物的農(nóng)田土壤呼吸和N<,2>O排放量均存在顯著差異(P<0.001)。玉米田土壤呼吸速率最高，大豆田次之，水稻田最低，玉米田、大豆田和稻田的季節(jié)性平均土壤呼吸速率分別為168.3、123.6、72.6 mg C·m<;-2>·h<'-1>。種植不同作物對(duì)農(nóng)田N<,2>O排放量亦有顯著影響，玉米田季節(jié)性N<,2>O排放量最高，水稻田次之，大豆田最低，三者季節(jié)性平均N<,2>O排放速率分別為59.4

6、、231.9、68.3 μg N<,2>O-N·m<'-2>·h<'-1>。在種植冬小麥的農(nóng)田，季節(jié)性N<,2>O排放總量與冬小麥產(chǎn)量之間的關(guān)系可用對(duì)數(shù)方程擬合，季節(jié)性N<,2>O排放總量與冬小麥地上部生物量之間的關(guān)系同樣可用對(duì)數(shù)方程擬合。 3．深耕農(nóng)田的土壤呼吸明顯高于不耕農(nóng)田；不耕沒有造成土壤N<,2>O排放量的顯著增加。不同耕翻措施下的土壤呼吸季節(jié)變異規(guī)律基本一致。在前茬作物為水稻的田塊，深耕(25 cm)比不耕(0 cm

7、)處理顯著增加了土壤呼吸量，從2003-04小麥生長(zhǎng)季以及2004-05年玉米-小麥輪作周期來看，不耕與耕翻12 cm深度條件下的土壤呼吸沒有顯著差異。不同耕翻措施下的N<,2>O排放的季節(jié)變異規(guī)律也基本一致。保護(hù)性耕作措施沒有造成土壤N<,2>O排放量的顯著增加，也沒有減少作物產(chǎn)量。 4．隨土壤深度增加，農(nóng)田土壤呼吸速率、硝化速率均逐漸下降；土壤呼吸和硝化作用均與根生物量有極顯著的指數(shù)相關(guān)關(guān)系。耕翻顯著提高了表層(0～7 cm

8、)土壤的呼吸速率，但對(duì)硝化-反硝化作用無顯著影響。在前茬種植水稻的麥田，其土壤硝化速率高于前茬作物為玉米的麥田。根生物量是影響土壤剖面中呼吸作用和硝化作用的重要因子，土壤呼吸速率與根生物量的關(guān)系可用指數(shù)方程描述，硝化速率均與根生物量也呈指數(shù)相關(guān)關(guān)系(R<'2>=0.587，P<0.001，n=24)。在施用尿素條件下，硝化作用在農(nóng)田土壤氮素轉(zhuǎn)化和N<,2>O產(chǎn)生中起主導(dǎo)作用。 5．土壤溫度和濕度是影響旱田土壤呼吸和大豆、玉米田N

9、<,2>O排放的主要因素，土壤溫度、濕度及葉面積指數(shù)(LAI)是影響麥田N<,2>O排放的主要因素。土壤溫度和濕度是影響旱田土壤呼吸季節(jié)性變異的主要因素，基于土壤溫度的統(tǒng)計(jì)模型可解釋43.1％的農(nóng)田土壤呼吸季節(jié)性變異，而考慮土壤濕度的影響可進(jìn)一步提高模擬效果，以這兩個(gè)因子建立的統(tǒng)計(jì)模擬方程可以解釋54.1％的土壤呼吸季節(jié)性變異。根系的參與增加了土壤呼吸作用。根系氮含量和土壤濕度可以模擬約96.6％的冬小麥根呼吸系數(shù)變異，這兩因子可以解釋

10、96.8％的小麥根呼吸變異。土壤溫度、濕度是影響玉米、大豆田N20排放季節(jié)性變異的主要因素，土壤溫度、濕度及葉面積指數(shù)(LAI)是冬小麥田N<,2>O排放季節(jié)變異的主要因素。 6．表土(0～20 cm)有機(jī)碳含量、年降水量、年均氣溫是影響中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸時(shí)空變異的主要因子。所有環(huán)境因子中，年土壤呼吸量與年總降水量的單因子相關(guān)關(guān)系最明顯(R<'2>=0.44，P<0.001，n=86)。年土壤呼吸量與年均降水量也存在線性相

11、關(guān)關(guān)系。農(nóng)田和草地生態(tài)系統(tǒng)表土全氮含量與其土壤呼吸量之間均存在極顯著相關(guān)關(guān)系，但在森林生態(tài)系統(tǒng)無類似規(guī)律。年土壤呼吸量與表土有機(jī)碳含量、年降水量、年均氣溫的關(guān)系可用逐步線性回歸方程描述。本研究發(fā)現(xiàn)，麥田N<,2>O排放不僅與氮肥施用量有關(guān)，而且與作物生產(chǎn)也有相關(guān)性，由于作物產(chǎn)量和生物量隨施肥量的增加而增大，同時(shí)不同的管理措施對(duì)作物生產(chǎn)也有影響，那么對(duì)特定的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)而言，作物生產(chǎn)指標(biāo)比氮肥施用量可以更好的描述N<,2>O的季節(jié)性排放總

12、量。本研究還證明，在前茬種植水稻的麥田，保護(hù)性耕作措施(不耕)比深耕可顯著減少土壤CO<,2>排放量，但并沒有顯著增加N<,2>O排放量。本研究通過大量的原位觀測(cè)資料對(duì)中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸時(shí)空變異的驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行了分析，闡明除氣候因素外，土壤有機(jī)碳含量也是影響其變異的重要因子。 結(jié)論：化肥氮施用促進(jìn)土壤呼吸及N<,2>O排放，但高氮施用對(duì)稻田CH<,4>排放有抑制作用。種植不同作物的對(duì)土壤呼吸和N<,2>O排放均有顯著影響。深