农田生态系统碳收支对秸秆与生物炭还田的响应

摘要

针对全球气候变暖和秸秆废弃物资源化利用率低，如何实现农田生态系统固碳减排和秸秆资源化、高值化利用是当前低碳循环农业所面临的挑战。对秸秆与生物炭不同形式秸秆还田下农田生态系统的碳增汇/减排潜力的评估，有利于揭示农田生态系统碳循环的作用机理和寻求调控途径。为研究农田生态系统碳收支对秸秆与生物炭还田的响应，在重庆国家紫色土肥力与肥料效益长期监测基地，以油菜/玉米轮作农田生态系统为研究对象，以“等碳量还田”为原则，设置了常规施肥（CK）、秸秆还田（CS）、秸秆+速腐剂还田（CSD）、生物炭还田（BC）、秸秆+生物炭1:1还田（CSBC）5个处理，通过油菜和玉米两个作物季田间定位试验，监测了秸秆与生物炭还田下土壤呼吸、土壤有机碳及其活性碳组分、土壤团聚体固碳特征的变化，并结合实地调研数据，以生命周期为视角从土壤呼吸碳排放、土壤碳库及作物碳库角度兼顾考虑农业成本投入，分析了秸秆与生物炭还田下农田生态系统碳排放、碳固定、碳汇效应和经济环境效益，以期为秸秆资源化利用和提高农田生态系统增汇减排潜力提供基础数据和科学依据。研究结果如下：
　　（1）秸秆与生物炭还田显著影响土壤呼吸季节性变化特征和峰值，除BC处理外，其他处理均促进了土壤呼吸和碳排放；油菜季土壤呼吸呈单峰曲线，在0.12～2.29μmol·(m2·s)-1波动，且差异显著，表现为CS＞CSD＞CSBC＞CK＞BC处理；玉米季各处理土壤呼吸变化较复杂，变化范围为1.02～15.32μmol·(m2·s)-1。土壤异养呼吸能够解释土壤总呼吸变化的86.50％～93.94%，各处理的玉米季根系呼吸贡献（26.49%～32.86%）显著低于 CK处理（53.65%）。土壤呼吸速率的变化主要受5cm土壤温度控制，与土壤含水量无显著关系；5cm土壤温度能够解释土壤呼吸季节变化的82%～94%。水热双因子对土壤呼吸不存在协同作用，仅用土壤温度单因子指数函数可较好地模拟土壤呼吸速率的动态变化。可见，秸秆、秸秆+速腐剂和秸秆+生物炭还田显著促进了土壤呼吸，生物炭还田抑制了土壤呼吸。
　　（2）各处理均能显著增加土壤总有机碳含量，增幅为31.26%～107.82%，其中以BC处理最显著，且BC、CSBC处理显著高于CS、CSD处理，生物炭更有利于土壤固碳。各处理微生物量碳（MBC）、可溶性碳（DOC）和易氧化态碳（ROC）含量大小顺序均为：CSD>CS>CSBC>BC>CK处理。秸秆和秸秆+速腐剂的 MBC/SOC、DOC/SOC、ROC/SOC显著高于生物炭和秸秆+生物炭，而土壤有机碳、代谢熵（qCO2）却低于生物炭和秸秆+生物炭，表明：秸秆、秸秆+速腐剂还田加快土壤微生物量碳周转速度，显著降低土壤微生物代谢熵，有利微生物固定有机碳，提高微生物碳利用效益，改善土壤生物肥力；尽管生物炭还田微生物活性较低，但土壤有机碳及其稳定性较高，有利于土壤有机碳积累，促进土壤固碳。
　　土壤活性碳组分对秸秆与生物炭还田的响应比较灵敏，且MBC、DOC和ROC间相关性较强。因此，MBC、DOC和ROC可作为评价短期内土壤有机碳变化及其质量对有机物料还田的敏感性指标。
　　（3）秸秆还田显著增加了>2mm团聚体含量，较对照增加了94.00%～117.78%，且秸秆显著高于生物炭。CS、CSD处理显著提高了水稳性团聚体的MWD、GMD、R0.25，降低了D值。秸秆与生物炭还田更有利本身有机碳含量较高的＜0.053mm团聚体有机碳含量地提高，其中生物炭还田优于秸秆还田。CS、CSD处理提高了大团聚体（LM）内的粗颗粒有机碳、细颗粒有机碳贡献率，而BC、CSBC处理提高了微团聚体（MA）内不同组分有机碳贡献率，有利于团聚体有机碳稳定性的提高，表明，秸秆新碳主要向大团聚体内分配，秸秆+速腐剂还能促进较大团聚体内不同组分结合新碳，生物炭、秸秆+生物炭还田下新碳主要向微团聚体中富集。秸秆或生物炭施入土壤加快了大团聚体的周转，而减缓了较大团聚体的周转，促进大团聚体中有机碳增加，有利土壤有机碳稳定积累。
　　（4）秸秆与生物炭均能提高作物产量和系统净初级生产力（NPP），其中秸秆+速腐剂还田最好。与常规施肥相比，秸秆与生物炭还田增加了秸秆碳投入量（3.14～3.30t·hm-2），减少了秸秆焚烧造成的大量碳损失（5.49～6.12t·hm-2），同时增加土壤固碳量（0.01～0.18t·hm-2），因此，CS、CSD、BC、CSBC的系统净碳固定量为正值，表现为―碳汇‖，而CK为负值，表现为―碳源‖。尽管生物炭还田增加了系统的农业投入碳排放量，但同时也降低了系统碳排放主要源的土壤呼吸碳释放量，因此生物炭还田玉米季的系统净碳固定量（10.75t·hm-2）最高。从碳收支项来看，农田生态系统的净初级生产力是系统碳汇的最主要部分，土壤呼吸碳排放是系统碳源的主要项。
　　（5）秸秆与生物炭还田均有较好的经济效益，产投比在1.52～2.23之间。油菜季各处理的纯利润在3012.03～3487.01元·hm-2之间，利润最高的CS利润率可达40.93%，折合农田每吨秸秆原料，净利润高达59.08元·t-1，考虑环境效益，碳排放交易收入约443.09元·hm-2。玉米季各处理的总收入（9133.47元·hm-2～9603.01元·hm-2）约为油菜季的3倍左右，利润率在51.92%～54.88%之间。常规施肥处理的农田生态系统为大气碳库的碳源，在全球碳交易市场处于被动地位，CS具有良好的经济和环境效益，加强秸秆还田的资源利用是实现粮食增产提质、降低农田系统碳足迹、提高碳汇能力的有效途径。

目录

声明

第1章 文献综述

1.1 农田生态系统碳循环（碳平衡）研究

1.2土壤固碳研究

1.3秸秆还田研究进展

1.4农田生态系统碳评价研究现状

1.5 小结

第2章 绪论

2.1 研究背景及意义

2.2 研究目标

2.3 研究内容

2.4 技术路线

2.5 材料与方法

2.6 数据处理

第3章 油菜/玉米轮作农田土壤呼吸和异养呼吸对秸秆与生物炭还田的响应

3.1 结果与分析

3.2 讨论

3.3 小结

第4章秸秆与生物炭还田对土壤有机碳及其活性组分的影响

4.1 结果与分析

4.3 讨论

4.3 小结

第5章 秸秆与生物炭还田对土壤团聚体及固碳特征的影响

5.1 结果与分析

5.2 讨论

5.3 小结

第6章 秸秆与生物炭还田对农田生态系统碳平衡和效益的影响

6.1 结果与分析

6.2 小结

第7章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

致谢

发表论文及参加课题