不同氮肥水平集约化栽培模式双季稻生态系统温室气体收支的田间观测

摘要

农田生态系统是温室气体重要排放源，在全球大气温室气体（CH4、N2O和CO2）净交换和碳收支中占有重要地位。运用生命周期评价方法综合考虑水稻移栽后温室气体（CH4和N2O）排放、固碳效应、农业措施碳排放以及水稻育秧期温室气体排放是全面评价净温室效应(NGWP)的科学指标，同时结合水稻产量可以科学评估不同管理措施下农田温室气体排放强度(GHGI)。提高单位面积作物产量是对我国未来粮食安全的重要保障，土壤-作物系统综合管理(ISSM)则是基于在不同资源（如氮肥）投入水平下通过对土壤和作物系统进行综合管理从而获得不同目标产量的栽培模式，该管理系统主要包括不同氮肥施用量、氮肥施用比例、有机饼肥施用以及移栽密度等集约化栽培措施，这些集约化栽培措施将如何影响稻田生态系统温室气体排放鲜有报道。因此，本文研究探讨了不同氮肥水平集约化栽培模式对双季稻生态系统净温室效应的综合影响，为全面合理评价不氮肥水平集约化栽培模式双季稻生态系统产量、氮肥利用率和净温室效应提供科学依据。
　　本研究以我国南方双季稻生态系统为研究对象，以不施氮肥模式NN和当地常规栽培模式FP为参照，依托土壤-作物综合管理(ISSM)设置了三个氮肥水平集约化栽培模式，分别为ISSM-N1（与FP比，氮肥减少30 kg ha-1）、ISSM-N2（与FP等施氮量）和ISSM-N3（与FP比，氮肥增加30 kg ha-1）。于2011年4月至2014年4月三个早稻-晚稻-休闲轮作期间，采用静态箱-气相色谱法对五种栽培模式的CH4和N2O排放通量以及生态系统呼吸进行了田间原位观测，同时研究了不同栽培模式双季稻生态系统净碳收支(NECB)、农业措施碳排放(Eo、Ei)以及不同育秧方式（水育秧-WSB、旱育秧-DSB和软盘育秧-WPT）下苗床期温室气体排放情况，进而估算双季稻生态系统的净温室效应(NGWP)和温室气体排放强度(GHGI)。
　　主要研究结果如下:
　　1.2011年4月至2014年4月三年试验期间各栽培模式全年CH4排放动态变化趋势基本一致，主要排放集中在水稻生长季，晚稻季累积排放量显著高于早稻季。各栽培模式早稻与晚稻季CH4累积排放量与水稻生物量之间呈显著正相关。冬季休闲季CH4排放量较小，在不同栽培模式中约占全年总排放量2.0％～2.7％。五种栽培模式双季稻生态系统全年CH4累积排放量变化范围为380 kg CH4 ha-1yr-1(NN)～645 kg CH4ha-1yr-1(ISSM-N3)，其中施用有机饼肥的两种集约化栽培模式ISSM-N2与ISSM-N3相对于其他三种栽培模式显著增加了全年CH4累积排放量。
　　2.2011年4月至2014年4月三年试验期间水稻生长季各栽培模式的N2O除个别排放峰外大部分时间处于很低水平。不同栽培模式对N2O通量变化趋势无显著影响，但影响其峰值。各栽培模式晚稻季N2O累积排放量显著高于早稻季，休闲季开始初期有N2O排放峰出现，整个休闲季N2O累积排放量占全年的18％～27％。全年N2O累积排放量范围为0.34 kg N2O-N ha-1yr-1(NN)～1.03 kg N2O-N ha-1yr-1(ISSM-N3)。除ISSM-N1模式与NN在晚稻季N2O累积排放量差异不显著外，其余各施氮模式早晚稻季N2O累积排放量均显著高于NN模式。全年N2O累积排放量与总施氮量之间呈显著指数相关。
　　3.本研究中各栽培模式在三年试验期间均表现为碳固定。各栽培模式年均固碳速率为0.13 t ha-1yr-1(NN)、0.29 t ha-1yr-1(FP)、0.49 t ha-1yr-1(ISSM-N1)、0.56 t ha-1yr-1(ISSM-N2)和0.61 t ha-1yr-1(ISSM-N3)。与NN模式相比，四种施氮模式均显著提高了固碳速率。同时，与FP模式相比，三种集约化栽培模式均显著提高了固碳速率。栽培模式和年际均显著影响早晚稻产量。三年试验期间早晚稻产量分别为4.63 tha-1～9.31 t ha-1和6.22 t ha-1～10.17 t ha-1，各栽培模式晚稻季产量显著高于早稻季。相对于不施氮肥的NN模式，各施氮栽培模式均显著提高了早晚稻产量。与当地常规FP相比，三种集约化栽培模式显著提高了全年水稻产量，同时也显著提高了早晚稻季氮肥农学利用率。
　　4.双季稻生态系统各栽培模式农业措施碳排放(Eo、Ei)分别为1267.5 kg CO2-eq(NN)、2781.7 kg CO2-eq(FP)、2719.7 kg CO2-eq(ISSM-N1)、3439.1 kg CO2-eq(ISSM-N2)、4034.3 kg CO2-eq(ISSM-N3)。与FP模式相比，ISSM-N1降低了农业措施碳排放，ISSM-N2与ISSM-N3提高了农业措施碳排放。双季稻生态系统传统育秧方式水育秧(WSB)、旱育秧(DSB)和近年来推广的软盘育秧(WPT)由CH4和N2O排放引起的温室效应(GWP)分别为1429.6、3197.0和1032.2 kg CO2-eq。与WSB与DSB相比，WPT的GWP显著降低了28％和68％。相对于传统的水育秧和旱育秧方式，近年来推广的软盘育秧方式可以显著降低水稻苗床期CH4和N2O排放引起的综合温室效应。
　　5.双季稻生态系统各栽培模式净温室效应(NGWP)以CH4排放为主，农田措施碳排放(Eo、Ei)次之，N2O排放与苗床期温室气体排放贡献较小，固碳可以抵消一部分温室效应。当地常规栽培模式FP的NGWP为18.72 t CO2 eq ha-1，温室气体排放强度(GHGI)为1.23 kg CO2 eq kg grain-1。与FP相比，ISSM-N1模式中NGWP与GHGI分别降低了1.3％和10.5％;ISSM-N2与ISSM-N3模式的NGWP则分别增加了27.4％和32.7％，GHGI分别增加了3.6％和3.9％。
　　综上所述，与当地常规栽培模式(FP)相比，氮肥减量集约化栽培模式ISSM-N1显著提高了我国南方双季稻生态系统水稻产量和氮肥农学利用率，同时对水稻生产过程的温室气体排放强度具有一定减排潜力。ISSM-N2和ISSM-N3两种集约化栽培模式虽然显著提高了水稻产量，但也提高了净温室效应。

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缩略词

摘要

第一章 绪论

1．1 集约化栽培模式研究进展

1．2 稻田生态系统温室气体排放及净温室效应研究进展

1．3 稻田生态系统CH4排放过程及其影响因素

1．3．1 稻田生态系统CH4的产生、氧化与传输

1．3．2 稻田生态系统CH4排放的影响因素

1．4 稻田生态系统N2O排放过程及其影响因素

1．4．1 稻田生态系统N2O产生排放机制

1．4．2 稻田生态系统N2O排放的影响因素

1．5 稻田生态系统固碳效应研究进展

1．6 水稻苗床期温室气体排放研究进展

1．7 问题提出与研究意义

1．8 主要研究内容

1．9 技术路线

第二章 材料与方法

2．1 研究区域概况

2．2 试验设计

2．2．2 不同育秧方式对双季稻苗床期温室气体排放影响试验

2．3 产量与氮肥农学利用率的测定计算

2．3．1 产量测定

2．3．2 氮肥农学利用率的计算

2．4．1 气体采集与分析

2．4．2 通量计算方法

2．5 双季稻生态系统净碳收支(NECB)和δSOC估算

2．6 净温室效应(NGWP)和温室气体排放强度(GHGI)计算

2．7 土壤样品采集与测定

2．8 气象因素

2．9 统计分析

第三章 不同氮肥水平集约化栽培模式双季稻生态系统CH4排放规律研究

3．1 结果与分析

3．1．1 不同栽培模式水稻生长季CH4排放规律

3．1．2 不同栽培模式休闲季CH4排放规律及全年累积排放量

3．2 讨论

3．2．1 不同栽培模式对CH4排放的影响

3．2．2 双季稻生态系统CH4累积排放量及季节差异

3．3 小结

第四章 不同氮肥水平集约化栽培模式双季稻生态系统N2O排放规律研究

4．1 结果与分析

4．1．1 不同栽培模式水稻生长季N2O排放规律

4．1．2 不同栽培模式休闲季N2O排放规律

4．1．3 不同栽培模式双季稻生态系统全年N2O排放量

4．2 讨论

4．2．2 双季稻生态系统N2O累积排放量及排放系数

4．3 小结

第五章 不同氮肥水平集约化栽培模式双季稻生态系统碳收支及固碳效应

5．1 不同栽培模式双季稻生态系统净碳收支各组分

5．2 不同栽培模式双季稻生态系统碳固定

5．3 不同栽培模式双季稻产量及氮肥农学利用率

5．4 不同栽培模式双季稻生态系统呼吸

5．5 小结

第六章 双季稻生态系统农业措施碳排放与苗床期温室气体排放

6．1 不同栽培模式双季稻生态系统农业措施碳排放

6．2 不同育秧方式苗床期CH4与N2O排放特征

6．3 水稻苗床期GWP及与移栽后整个生长季GWP比较

6．4 小结

第七章 不同栽培模式双季稻生态系统净温室效应与温室气体排放强度综合评价

7．1 不同栽培模式双季稻生态系统净温室效应

7．2 不同栽培模式双季稻生态系统温室气体排放强度

7．3 小结

第八章 结论与展望

8．1 主要研究结论

8．2 主要创新点

8．3 不足之处

8．4 展望

参考文献

致谢

作者简历