灌溉模式对华北地区麦田温室气体排放的影响

摘要

水资源短缺加剧和温室气体排放增加是影响华北平原农业可持续发展的重大问题。华北平原是中国最大的冲积平原，其小麦产量占全国总量的60％以上，为了确保冬小麦高产稳产，各地都修建了较为完善的灌溉设施，并在冬小麦生产中尽可能的根据需要进行灌溉。灌溉可以调节土壤水分状况，进而影响土壤氮循环，从而改变土壤二氧化碳(CO2，甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)等温室气体的排放。因此，研究不同灌溉模式对提高冬小麦产量、改善水分利用效率及减少麦田温室气体排放的影响具有重要的现实意义。本研究于2017年和2018年两个冬小麦生长季的4月和5月份进行，利用静态箱色谱法研究了不同灌溉模式下CO2、CH4和N2O的通量变化规律。选取的灌溉方式包括滴灌(D)、喷灌(S)和地面灌(F)，设置的灌溉制度分别为灌水下限控制为田间持水量的50％(1)、60％(2)和70％(3)，组合为9种处理，分别标记为D1，D2，D3，S1，S2，S3，F1，F2和F3，采用随机区组设计，重复三次。主要研究结果如下: 1、统计结果显示，灌溉方式和灌溉制度对籽粒产量，水分利用效率(WUE)和灌溉水利用效率(IWUE)都具有显著影响。2017年和2018年两个生长季，与喷灌和地面灌相比，滴灌条件下的籽粒产量分别提高了5-8％和6-7％，WUE提高了1-3％和6％。本试验数据表明，在冬小麦生产过程中，使用滴灌供水且土壤水分下限控制为田间持水量的60％，能够获得较高的籽粒产量和最佳的WUE，同时还能够显着降低CO2排放当量和单位产量尺度的GWP。根依据本试验的数据可以认为，从高产稳产、提高水分利用效率、减少温室气体排放几个方面综合考虑，滴灌与60％田间持水量的灌溉控制下限组合，是一种能够实现华北地区冬小麦生产经济收益和环境效益“双赢”目标的灌溉模式。 2、2017年和2018年生长季平均土壤CO2通量变化在548±8至778±7mg CO2m-2h-1和599±1.4至842±3.6mg CO2m-2h-1之间。最大累积CO2量出现在F3处理（2017年和2018年分别为10和11.31Mgha-1），而最小累积CO2量出现在D1处理（2017年和2018年分别为7.24和7.52Mg ha-1）。2017年CO2排放量的全球增温潜势值(GWPCO2)范围为26.56Mg CO2-eq ha-1(D1)到36.63Mg CO2-eq ha-1(F3)，2018年则为27.59Mg CO2-eq ha-1(D1)到41.47MgCO2-eq ha-1(F3)。2017年和2018年，滴灌条件下的累积CO2排放均最低，相比喷灌和地面灌分别降低7-8％和15-13％。两年的试验中，地面灌溉处理的累积CO2全球增温潜势值(GWPCO2)均最高，相比喷灌和滴灌，2017年分别提高5-9％，2018年则分别提高14-17％。2017年和2018年，70％灌溉下限处理的GWPCO2要比50％和60％灌溉下限处理的数值分别明显的高7-8％和14-24％。60％灌溉下限的滴灌处理显著减少了CO2排放，与地面灌和喷灌相比，2017年和2018年的降低幅度分别为5-8％和9-13％。两个生长季，灌溉方式和灌溉制度对累积CO2排放量和GWPCO2的影响均达到极显著水平(P＜0.001)。 3、2017年和2018年生长季，平均CH4通量范围分别为-43.18±1.3(S1)至-61.21±0.8(D3)μg CH4m-2h-1和-27.52±0.8(S1)至-60±1.52(D3)μg CH4m-2h-1。与地面灌和喷灌相比，60％FC下滴灌处理在2017年和2018年的CH4吸收率分别增加了8-13％和4-5％。2017年和2018年，不同处理的CH4全球增温潜势值(GWPCH14)分别在-14.35(S1)至-21.58(D2)kg CO2-eq ha-1和-12.86(S1)至-19.7(D2)kgCO2-eq ha-1的范围内变化。试验结果显示，与喷灌和地面灌相比，2017年滴灌处理的GWPCH4分别提高13％和6％，而在2018年则分别提高10％和4％。2017年，60％田间持水量处理的GWPCH4吸收值要分别比70％FC和50％FC处理相提高11％和35％;而在2018年，GWPCH4则分别提高7％和44％。在各种灌溉模式处理中，滴灌和60％FC的组合能够显著地增加CH4吸收量和GWPCH4吸收值。这一结果表明，滴灌与土壤水分下限控制为60％田间持水量的组合模式，可能是华北平原冬小麦生产中提高CH4和GWPCH4吸收的最有效灌溉策略。 4、施肥并伴随灌溉之后，会出现明显的N2O短暂排放高峰，2017年和2018年的N2O日排放峰值均在灌水下限70％的地面灌溉处理下观测得到，通量值分别为330.2±3.94和332.7±1.2μg m-2h-1。2017年和2018年，N2O日排放通量最低峰值则出现在灌水下限50％的滴灌处理上，分别为168.1±1.45和154.1±6.99μg N2O m-2h-1。与地面灌和喷灌相比，滴灌和60％FC下限的组合，N2O排放通量在2017年和2018年分别下降了16-17％和28-30％。两年试验发现，与其他两种灌溉方式相比，滴灌在各种灌溉控制下限条件下，都能够显著降低土壤N2O排放。50％FC处理与60％FC处理相比，虽然GWPN2O减少了15-20％，但却会造成12-16％的减产;因此可以认为，在华北冬小麦生产中，滴灌加灌水下限控制在60％FC的组合是经济收益和生态效益相对较好的灌溉模式。 5、多元线性回归分析表示土壤孔隙含水量能够解释71％、83％和30％的CO2、CH4和N2O排放变化。土壤温度则对三种温室气体排放没有显著性影响。土壤硝态氮能够解释整个实验期72％的N2O变化。 6、与喷灌和地面灌相比，2017年和2018年滴灌可分别减少总全球增温潜势值(TGWP)8％和13-15％;单位产量尺度上的GWP值也要明显的低，2017年和2018年分别降低了10-13％和19-20％。50％FC处理在2017年和2018年的TGWP都较低，分别比60％FC和70％FC处理低7-14％和13-20％。与50％FC和70％FC处理相比，60％FC处理的单位产量尺度GWP在2017年和2018年分别降低了3-4％和8-9％。不同灌溉模式相比，滴灌与灌水下限50％FC和60％FC的组合能够显著降低累积温室气体排放、TGWP和单位产量尺度的GWP。统计分析结果显示，灌溉方式和灌溉制度对累计CO2、CH4和N2O排放量，以及TGWP、单位产量尺度的GWP都有极显著的影响(P＜0.001)。