农田管理措施对土壤有机碳周转及微生物的影响.pdf

h t t p w w w a e d o r g c n E f f e c t s o f f a r m l a n d m a n a g e m e n t m e a s u r e s o n s o i l o r g a n i c c a r b o n t u r n o v e r a n d m i c r o o r g a n i s m s WANGYang 1 2 YANGDian lin 1 2 WANGLi li 1 2 ZHAOJian ning 1 2 LIUHong mei 1 2 TANBing chang 1 2 WANGHui 1 2 WANGMing liang 1 3 HUANGJin 4 ZHANGXiao fu 5 1 Agro EnvironmentalProtectionInstitute MinistryofAgricultureandRuralAffairs Tianjin300191 China 2 KeyLaboratoryofOrigin EnvironmentalPollutionPreventionandControl MinistryofAgricultureandRuralAffairs TianjinKeyLaboratoryofAgro environment andAgro productSafety Tianjin300191 China 3 CollegeofAgronomy4 TeaResearchInstitute ShiyanAcademyofAgriculturalSciences Shiyan442000 China 5 EconomicCropRe searchInstituteofShiyanCity Shiyan442714 China A b s t r a c t Farmlandmanagementmeasurescanhaveasignificantimpactonthecarboncycleoffarmlandecosystems whichcanaffectsoil fertility agriculturalproduction andfoodsecurity andmorebroadly climatechangeandenvironmentalhealth Inthispaper theeffectsof differentfarmlandmanagementmeasures fertilizations plantingsystems andfarmingmodels onsoilorganiccarbon greenhouse gasemissions andsoilmicroorganismswerereviewed Theincreaseinsoilorganiccarbonwasfastestwhenorganicandinorganicfertilizer 收 稿 日 期 2018 11 21 录 用 日 期 2019 05 27 作 者 简 介 汪 洋 1994 女 山 西 晋 城 人 硕 士 研 究 生 主 要 从 事 生 物 多 样 性 研 究 E mail 1242455050 通 信 作 者 王 丽 丽 E mail lili0229ok 基 金 项 目 国 家 重 点 研 发 计 划 课 题 子 课 题 2016YFD0201009 中 国 农 业 科 学 院 科 技 创 新 工 程 协 同 创 新 任 务 CAAS XTCX2016015 天 津 市 自 然 科 学 基 金 项 目 18JCYBJC23000 中 央 级 公 益 性 科 研 院 所 基 本 科 研 业 务 费 专 项 2018 szjj wll P r o j e c t s u p p o r t e d SubprojectofNationalKeyRCooperativeInnovationProjectofAgriculturalScienceandTechnologyIn novationProgramofCAAS CAAS XTCX2016015 TheNaturalScienceFoundationofTianjin 18JCYBJC23000 SpecialFundforBasicSci entificResearchOperationofCentralPublicWelfareResearchInstitutes 2018 szjj wll 农 田 管 理 措 施 对 土 壤 有 机 碳 周 转 及 微 生 物 的 影 响 汪 洋 1 2 杨 殿 林 1 2 王 丽 丽 1 2 赵 建 宁 1 2 刘 红 梅 1 2 谭 炳 昌 1 2 王 慧 1 2 王 明 亮 1 3 黄 进 4 张 小 福 5 1 农 业 农 村 部 环 境 保 护 科 研 监 测 所 天 津 300191 2 农 业 农 村 部 产 地 环 境 污 染 防 控 重 点 实 验 室 天 津 市 农 业 环 境 与 农 产 品 安 全 重 点 实 验 室 天 津 300191 3 天 津 农 学 院 农 学 与 资 源 环 境 学 院 天 津 300384 4 十 堰 市 农 业 科 学 院 果 茶 研 究 所 湖 北 十 堰 442000 5 十 堰 市 经 济 作 物 研 究 所 湖 北 十 堰 442714 摘 要 农 田 管 理 措 施 对 农 田 生 态 系 统 碳 循 环 影 响 显 著 进 而 制 约 土 壤 肥 力 农 业 生 产 及 粮 食 安 全 影 响 气 候 变 化 和 环 境 健 康 本 文 综 述 了 不 同 农 田 管 理 措 施 施 肥 方 式 种 植 制 度 耕 作 模 式 对 农 田 土 壤 有 机 碳 含 碳 温 室 气 体 排 放 和 土 壤 微 生 物 的 影 响 发 现 有 机 肥 与 无 机 肥 配 施 情 景 下 土 壤 有 机 碳 增 速 最 快 且 施 肥 量 与 土 壤 碳 库 存 在 阈 值 效 应 有 机 肥 的 施 用 增 加 了 土 壤 中CO2 排 放 通 量 磷 钾 两 种 肥 料 的 施 用 与 施 用 氮 肥 相 比 更 能 降 低 农 田 土 壤 排 放 温 室 气 体 产 生 的 全 球 增 温 潜 势 提 高 有 机 肥 和 磷 肥 的 施 用 比 例 有 利 于 土 壤 中 微 生 物 丰 富 度 的 提 高 和 微 生 物 量 碳 的 积 累 种 植 结 构 和 种 植 密 度 均 会 影 响 农 田 土 壤 的 碳 储 量 种 植 结 构 对 农 田 生 态 系 统 温 室 气 体 排 放 影 响 显 著 轮 作 和 间 作 的 种 植 模 式 与 传 统 单 一 作 物 种 植 相 比 可 有 效 减 少 农 田 含 碳 温 室 气 体 的 排 放 同 时 轮 作 与 连 作 相 比 更 有 利 于 土 壤 微 生 物 多 样 性 的 增 加 保 护 性 耕 作 措 施 有 利 于 农 田 土 壤 固 碳 效 率 的 提 高 可 降 低 农 田 温 室 气 体 的 排 放 且 对 微 生 物 活 性 多 样 性 群 落 结 构 以 及 碳 源 利 用 情 况 均 有 积 极 影 响 最 后 总 结 了 国 际 主 流 碳 模 型 在 农 田 生 态 系 统 的 应 用 概 况 并 提 出 了 未 来 发 展 展 望 关 键 词 农 田 管 理 措 施 土 壤 碳 储 量 含 碳 温 室 气 体 土 壤 微 生 物 模 型 中 图 分 类 号 S153 6 S154 3 文 献 标 志 码 A 文 章 编 号 2095 6819 2020 03 0340 13 d o i 10 13254 j jare 2018 0329 汪 洋 杨 殿 林 王 丽 丽 等 农 田 管 理 措 施 对 土 壤 有 机 碳 周 转 及 微 生 物 的 影 响 J 农 业 资 源 与 环 境 学 报 2020 37 3 340 352 WANGYang YANGDian lin WANGLi li etal Effectsoffarmlandmanagementmeasuresonsoilorganiccarbonturnoverand microorganisms J JournalofAgriculturalResourcesandEnvironment 2020 37 3 340 352 农 业 资 源 与 环 境 学 报2020 37 3 340 352 J o u r n a l o f A g r i c u l t u r a l R e s o u r c e s a n d E n v i r o n m e n t 开 放 科 学OSID2020 年5 月 h t t p w w w a e d o r g c n 汪 洋 等 农 田 管 理 措 施 对 土 壤 有 机 碳 周 转 及 微 生 物 的 影 响 wereapplied Moreover therewasathresholdeffectbetweentheamountoffertilizerappliedandthesoilcarboninventory Theapplication oforganicfertilizerincreasedtheCO2emissionsfluxinthesoil andtheapplicationofphosphorusandpotassiumfertilizersreducedthe globewarmingpotentialoffarmlandsoilmorethannitrogenfertilizer Increasingtheapplicationratiooforganicfertilizertophosphatefertil izerwasbeneficial leadingtoanincreaseinmicrobialrichnessinthesoilandaccumulationofmicrobialbiomasscarbon Plantingstruc tureandplantingdensitybothaffectedthecarbonstorageoffarmlandsoil andplantingstructurehadasignificantimpactongreenhouse gasemissionsinfarmlandecosystems Comparedwithtraditionalmonocultureplanting croprotationandintercroppingcouldeffectivelyre ducethegreenhousegasemissionsoffarmland Atthesametime croprotationwasmoreconducivetoincreasingsoilmicrobialdiversity thancontinuouscropping Conservationtillageimprovedtheefficiencyoffarmlandsoilcarbon reducedgreenhousegasemissions andhad apositiveimpactonmicrobialactivity diversity communitystructure andcarbonsourceutilization Finally wesummarizedtheapplica tionofinternationalmainstreamcarbonmodelstofarmlandecosystems andpresentfuturedevelopmentprospects K e y w o r d s farmmanagementmeasures soilcarbonreserves greenhousegases edaphon model 碳 在 地 球 表 层 的 循 环 转 化 是 地 球 重 要 的 物 质 循 环 也 是 最 基 本 的 物 质 循 环 深 入 研 究 土 壤 碳 素 的 内 在 转 化 模 式 及 其 相 关 微 生 物 机 理 过 程 对 于 认 识 土 壤 碳 素 转 化 规 律 开 展 合 理 种 植 模 式 评 估 氮 肥 的 环 境 效 应 以 及 减 少 温 室 气 体 排 放 等 具 有 极 其 重 要 的 科 学 和 实 践 意 义 1 随 着 气 候 变 化 的 加 剧 农 田 生 态 系 统 温 室 气 体 CO2 和CH4 排 放 已 成 为 近 年 来 科 学 关 注 的 热 点 据 2006 年 联 合 国 粮 农 组 织 FAO 统 计 全 球 种 植 业 温 室 气 体 排 放 占 人 类 造 成 的 温 室 气 体 排 放 总 量 的30 是 重 要 的 温 室 气 体 排 放 源 2 京 都 议 定 书 中 提 出 经 济 发 展 过 程 中 的 碳 排 放 可 以 通 过 生 态 系 统 碳 库 的 增 加 得 到 补 偿 农 田 土 壤 碳 库 作 为 陆 地 生 态 系 统 中 唯 一 可 以 短 时 间 内 受 人 为 干 扰 和 调 节 的 碳 库 对 于 人 为 调 控 生 态 系 统 碳 平 衡 具 有 重 要 的 意 义 3 农 田 生 态 系 统 土 壤 有 机 碳 来 源 于 原 始 植 被 残 留 农 作 物 残 体 及 人 为 施 加 的 有 机 物 料 4 其 循 环 过 程 包 括 碳 的 固 定 储 存 和 释 放 三 部 分 农 作 物 通 过 光 合 作 用 从 大 气 碳 库 中 吸 收CO2 转 化 为 有 机 碳 储 存 于 植 物 碳 库 通 过 凋 落 物 和 秸 秆 根 茬 进 入 土 壤 该 过 程 中 碳 素 从 植 物 碳 库 进 入 土 壤 碳 库 其 中 涉 及 到 的 重 要 耕 作 模 式 为 秸 秆 还 田 同 时 作 物 和 土 壤 的 呼 吸 作 用 又 将 碳 素 从 植 物 碳 库 和 土 壤 碳 库 释 放 至 大 气 碳 库 特 别 要 指 出 的 是 农 田 生 态 系 统 为 人 工 生 态 系 统 所 以 人 类 活 动 对 农 田 生 态 系 统 的 碳 循 环 产 生 了 不 可 忽 视 的 影 响 5 农 田 土 地 利 用 和 土 壤 管 理 方 式 的 变 化 影 响 土 壤 结 构 及 土 壤 有 机 碳 的 稳 定 机 制 6 7 加 强 农 田 生 态 系 统 相 关 管 理 措 施 改 善 种 植 模 式 对 土 壤 有 机 碳 的 固 定 及 碳 损 失 的 减 少 具 有 重 要 意 义 土 壤 有 机 碳 和 水 分 在 不 同 的 耕 作 方 式 下 通 常 会 有 很 大 的 变 化 8 这 是 因 为 耕 作 过 程 中 表 层 的 土 壤 充 分 混 合 干 湿 交 替 的 频 度 和 强 度 增 加 土 壤 的 通 气 性 及 孔 性 变 好 9 土 壤 水 分 及 其 温 度 状 况 均 得 到 一 定 的 改 善 10 微 生 物 活 性 提 高 9 加 速 土 壤 有 机 碳 的 分 解 不 同 种 植 制 度 可 以 改 变 土 壤 微 团 聚 体 和 黏 粉 粒 有 机 碳 占 土 壤 总 有 机 碳 的 比 重 土 壤 微 团 聚 体 和 黏 粉 粒 可 以 对 有 机 碳 产 生 物 理 和 化 学 保 护 从 而 增 加 农 田 土 壤 有 机 碳 的 稳 定 性 11 农 田 作 物 种 植 密 度 的 改 变 会 影 响 根 系 的 密 度 从 而 对 土 壤 根 际 微 生 物 的 数 量 和 活 性 产 生 影 响 进 而 影 响 微 生 物 的 碳 利 用 率 另 外 根 茬 的 密 度 变 化 会 影 响 作 物 向 农 田 中 输 入 有 机 质 的 含 量 从 而 影 响 土 壤 有 机 碳 含 量 12 研 究 不 同 种 植 模 式 对 土 壤 理 化 性 质 及 有 机 碳 质 量 的 影 响 有 利 于 优 化 农 田 种 植 模 式 实 现 可 持 续 发 展 集 约 化 农 业 生 产 过 程 中 氮 肥 的 过 量 施 用 引 发 的 环 境 负 效 应 已 经 严 重 制 约 了 农 业 的 可 持 续 发 展 这 就 对 我 国 农 业 提 高 资 源 利 用 率 增 加 土 壤 碳 汇 提 出 了 新 的 要 求 13 施 肥 方 式 的 优 化 对 满 足 这 一 要 求 具 有 重 要 意 义 土 壤 呼 吸 是 大 气CO2 排 放 的 重 要 来 源 之 一 主 要 包 括 根 系 自 养 呼 吸 以 及 土 壤 微 生 物 的 异 养 呼 吸 其 中 施 肥 是 影 响 土 壤 呼 吸 的 重 要 因 素 14 施 肥 影 响 农 田 土 壤 固 碳 的 机 制 主 要 有 以 下 两 个 方 面 一 方 面 对 作 物 的 营 养 环 境 进 行 改 善 提 高 作 物 的 光 合 效 率 进 而 使 作 物 的 生 物 量 增 加 提 高 了 植 物 残 体 对 农 田 土 壤 的 输 入 增 加 了 土 壤 有 机 碳 的 输 入 另 一 方 面 施 肥 可 以 影 响 农 田 土 壤 中 微 生 物 的 数 量 活 性 以 及 种 群 分 布 进 而 影 响 其 呼 吸 作 用 对 农 田 土 壤 碳 排 放 产 生 影 响 15 研 究 表 明 碳 循 环 在 水 土 气 生 相 互 作 用 下 的 重 要 纽 带 为 土 壤CO2 16 18 可 降 解 有 机 碳 在 地 下 水 中 的 溶 解 率 很 低 化 能 自 养 型 微 生 物 为 了 满 足 自 身 所 需 的 碳 源 需 要 吸 收CO2 或 无 机 碳 且 在 土 壤 含 碳 量 逐 341h t t p w w w a e d o r g c n 农 业 资 源 与 环 境 学 报 第37 卷 第3 期 年 变 化 中 深 层 土 壤 碳 库 通 过 土 壤 剖 面 的 侧 向 气 体 排 泄 主 要 是CO2 及 降 雨 入 渗 排 泄 过 程 密 切 地 与 大 气 进 行 碳 交 换 为 较 活 跃 的 碳 库 18 此 外 土 壤 微 生 物 区 系 数 量 多 样 性 及 种 群 结 构 等 在 推 动 土 壤 有 机 碳 周 转 及 温 室 气 体 排 放 方 面 发 挥 着 重 要 作 用 微 生 物 的 生 物 量 能 够 在 一 定 程 度 上 反 映 土 壤 有 机 碳 中 具 有 活 性 的 部 分 的 含 量 19 同 时 具 有 活 性 的 碳 的 输 入 可 以 促 进 微 生 物 的 分 解 转 化 及 残 留 物 的 稳 定 20 因 此 研 究 不 同 农 田 管 理 措 施 背 景 下 农 田 生 态 系 统 微 生 物 动 态 对 了 解 农 田 土 壤 碳 周 转 动 态 具 有 重 要 意 义 由 于 碳 周 转 过 程 对 农 田 管 理 措 施 的 反 馈 机 制 具 有 复 杂 性 模 型 被 认 为 是 研 究 农 田 生 态 系 统 碳 循 环 及 碳 周 转 过 程 最 有 效 的 手 段 21 生 态 系 统 碳 模 型 的 产 生 是 从20 世 纪 中 期 开 始 的 22 发 展 经 历 了 三 个 阶 段 20 世 纪 六 七 十 年 代 的 碳 平 衡 模 型 20 世 纪80 年 代 的 植 被 气 候 关 系 模 型 以 及20 世 纪90 年 代 至 今 生 物 地 球 化 学 循 环 模 型 文 中 笔 者 主 要 综 述 了 国 内 外 的 主 流 碳 模 型 以 及 国 外 碳 模 型 在 国 内 的 应 用 现 状 并 提 出 发 展 的 不 足 和 建 议 本 文 从 不 同 的 农 田 管 理 措 施 着 手 对 不 同 农 田 管 理 措 施 下 土 壤 有 机 碳 周 转 及 微 生 物 变 化 的 研 究 现 状 进 行 总 结 并 提 出 了 未 来 发 展 方 向 1 农 田 管 理 措 施 对 土 壤 碳 储 量 的 影 响 农 田 土 壤 有 机 碳 库 是 陆 地 土 壤 碳 库 的 重 要 组 成 部 分 23 对 农 田 土 壤 有 机 碳 的 研 究 已 成 为 全 球 气 候 变 化 研 究 的 重 点 24 土 壤 有 机 碳 是 土 壤 肥 力 的 核 心 物 质 农 田 种 植 管 理 措 施 通 过 影 响 土 壤 物 理 化 学 生 物 性 质 影 响 土 壤 有 机 碳 的 动 态 进 而 影 响 土 壤 肥 力 25 26 1 1 施 肥 方 式 对 农 田 土 壤 碳 储 量 的 影 响 土 壤 有 机 碳 和 作 物 产 量 表 现 为 协 同 效 应 27 尤 其 在 作 物 产 量 和 施 肥 水 平 较 低 的 情 况 下 施 肥 可 以 通 过 增 加 作 物 产 量 来 提 高 土 壤 有 机 碳 的 含 量 28 有 研 究 证 明 适 度 的 灌 溉 和 施 肥 可 以 帮 助 改 善 非 洲 小 型 农 业 土 壤 的 碳 储 量 29 这 一 结 论 在 澳 大 利 亚 的 牧 场 土 壤 中 也 得 到 证 实 30 但 过 量 使 用 氮 肥 可 能 降 低 土 壤 有 机 碳 含 量 31 也就是说土壤有机碳库与施氮量存在阈值效 应 不 同 的 施 肥 方 式 对 土 壤 碳 库 积 累 的 影 响 存 在 差 异 黄 晶 等 32 研 究 表 明 无 机 肥 配 施 有 机 肥 的 方 式 会 促 进 农 田 生 态 系 统 的 碳 汇 功 能 田 康 等 33 的 研 究 结 果 显 示 不 同 施 肥 措 施 均 能 提 高 农 田 碳 储 量 但 是 不 同 处 理 措 施 下 土 壤 有 机 碳 的 增 幅 不 同 其 中 有 机 肥 与 无 机 肥 配 施 土 壤 有 机 碳 增 速 最 快 0 38g kg 1 a 1 而 单 施 磷 肥 增 速 最 慢 0 032g kg 1 a 1 不 同 的 碳 组 分 变 化 对 不 同 施 肥 处 理 的 响 应 存 在 差 异 钟 杨 权 威 34 的 研 究 表 明 不 同 施 肥 处 理 下 轻 组 分 碳 和 重 组 分 碳 含 量 差 异 不 明 显 但 是 可 溶 性 碳 在 氮 量 较 高 的 处 理 中 显 著 降 低 且 在 深 层 土 壤 中 变 化 比 较 明 显 而 易 氧 化 碳 含 量 在 施 氮 量90kg hm 2 处 理 达 到 峰 值 之 后 随 施 氮 量 的 增 加 易 氧 化 碳 含 量 开 始 降 低 与 可 溶 性 碳 相 反 该 变 化 在 浅 层 土 壤 中 更 为 突 出 从 以 上 论 述 得 出 不 同 的 施 肥 方 式 影 响 了 土 壤 碳 库 的 积 累 速 度 对 不 同 碳 组 分 变 化 的 影 响 也 存 在 差 异 但 施 肥 量 与 土 壤 碳 库 存 在 阈 值 效 应 应 注 意 合 理 施 肥 过 量 施 肥 并 不 利 于 农 田 土 壤 碳 库 的 积 累 1 2 种 植 制 度 对 农 田 土 壤 碳 储 量 的 影 响 种 植 制 度 主 要 包 括 种 植 方 式 和 种 植 密 度 种 植 方 式 的 改 变 是 影 响 农 田 碳 储 量 变 化 的 一 个 重 要 因 素 35 以 绿 洲 土 壤 有 机 碳 为 例 不 同 种 植 方 式 主 要 是 对 土 壤 总 有 机 碳 TOC 活 性 有 机 碳 AOC 和 惰 性 有 机 碳 NOC 产 生 影 响 36 近 年 来 绿 洲 区 内 大 量 种 植 制 种 玉 米 而 普 通 玉 米 和 小 麦 的 种 植 比 例 大 幅 下 降 这 种 方 式 影 响 了 农 田 碳 储 量 37 主 要 原 因 是 与 普 通 玉 米 相 比 当 地 制 种 玉 米 的 秸 秆 主 要 运 至 养 牛 场 或 者 饲 养 自 家 奶 牛 且 制 种 玉 米 的 种 植 密 度 比 普 通 玉 米 低 所 以 导 致 农 田 地 上 部 分 有 机 质 归 还 量 降 低 土 壤 中TOC AOC NOC 的 含 量 随 之 降 低 37 而 相 比 小 麦 来 讲 虽 然 制 种 玉 米 地 有 机 质 的 归 还 量 变 化 不 大 但 是 玉 米 根 茬 归 还 到 土 壤 后 形 成 的 土 壤 有 机 质 高 于 小 麦 根 茬 所 以 土 壤 中TOC AOC NOC 的 含 量 会 相 应 升 高 38 39 有 研 究 发 现 随 着 种 植 密 度 的 增 加 农 田 土 壤 碳 素 含 量 呈 现 先 升 高 后 降 低 的 趋 势 如 赵 海 超 40 以 春 玉 米 为 例 研 究 了 种 植 密 度 对 农 田 碳 储 量 的 影 响 发 现 低 密 度 玉 米 种 植 有 利 于 累 积 犁 底 层 土 壤 有 机 碳 而 高 密 度 玉 米 种 植 有 利 于 耕 层 土 壤 碳 素 积 累 因 此 合 理 的 种 植 方 式 和 种 植 密 度 均 有 利 于 农 田 土 壤 碳 储 量 的 增 加 调 整 农 田 产 业 结 构 是 增 加 农 田 碳 储 量 的 有 效 途 径 1 3 耕 作 模 式 对 农 田 土 壤 碳 储 量 的 影 响 Lal 等 41 对 全 球 碳 固 定 进 行 了 分 析 揭 示 了 改 变 农 田 管 理 措 施 对 土 壤 碳 固 定 的 影 响 并 强 调 了 免 耕 的 影 响 有 研 究 指 出 免 耕 有 利 于 我 国 华 北 平 原 小 麦 玉 米 两 熟 农 田 生 态 系 统 土 壤 有 机 碳 储 量 的 累 积 42 在 美 国 的 俄 亥 俄 州 免 耕 玉 米 地 的 有 机 碳 含 量 比 常 规 耕 作 高35 46 说 明 免 耕 的 耕 作 模 式 提 高 了 土 壤 有 3422020 年5 月 h t t p w w w a e d o r g c n 汪 洋 等 农 田 管 理 措 施 对 土 壤 有 机 碳 周 转 及 微 生 物 的 影 响 机 碳 含 量 是 农 田 土 壤 固 碳 的 重 要 措 施 43 与 其 他 农 田 管 理 措 施 相 比 秸 秆 还 田 是 增 加 土 壤 有 机 碳 最 有 效 的 措 施 44 45 在 印 度 等 土 壤 有 机 碳 水 平 较 低 的 发 展 中 国 家 表 现 更 为 明 显 46 另 外 笔 者 重 点 关 注 了 不 同 耕 作 模 式 对 农 田 生 态 系 统 碳 收 支 平 衡 的 影 响 其 中 秸 秆 还 田 与 否 是 影 响 农 田 生 态 系 统 成 为 碳 源 还 是 碳 汇 的 重 要 因 素 47 冬 小 麦 夏 玉 米 的 农 田 生 态 系 统 在 免 耕 秸 秆 覆 盖 的 保 护 性 耕 作 措 施 下 比 传 统 耕 作 模 式 碳 排 放 减 少168 78 kgC hm 2 提 高 了 农 田 的 固 碳 效 率 且 免 耕 秸 秆 覆 盖 减 少 了 机 械 投 入 增 加 了 小 麦 玉 米 农 田 生 态 系 统 经 济 效 益 48 因 此 免 耕 秸 秆 还 田 的 保 护 性 耕 作 模 式 是 增 加 农 田 土 壤 碳 储 量 的 有 效 手 段 应 该 得 到 推 广 然 而 单 一 的 耕 作 模 式 并 不 利 于 农 田 土 壤 的 可 持 续 发 展 对 于 不 同 的 土 壤 和 环 境 所 适 合 的 耕 作 模 式 不 同 目 前 农 田 土 壤 有 机 碳 对 耕 作 管 理 模 式 的 相 关 研 究 还 具 有 不 确 定 性 有 待 于 进 一 步 开 展 相 关 深 入 的 研 究 以 探 索 多 种 合 理 的 耕 作 模 式 2 农 田 管 理 措 施 对 含 碳 温 室 气 体 排 放 的 影 响 农 田 生 态 系 统 是 温 室 气 体 重 要 的 排 放 源 FAO 2014 报 道 指 出 来 自 农 业 源 的 温 室 气 体 排 放 已 从 2001 年 的47 亿tCO2 当 量 增 加 到2011 年 的53 亿t 以0 6 亿t a 1 的 速 度 在 增 加 且 来 自 种 植 业 畜 牧 业 等 农 业 源 的 排 放 量 还 在 持 续 增 加 早 在2000 年 Schlesinger 等 49 就 指 出 常 规 耕 作 会 导 致 农 田 生 态 系 统CO2 排 放 增 加 我 国 农 业 源 温 室 气 体 总 排 放 量 为 158557 3 万tCO2 当 量 比1980 年 增 长52 0 50 以 2000 年 为 例 其 农 业 源 排 放 量 占 全 球 总 排 放 量 的 17 51 对 全 球 农 业 源 温 室 气 体 贡 献 较 高 美 国 罗 代 尔 研 究 所 始 于1981 年 的 一 项 长 期 研 究 结 果 表 明 有 机 农 业 具 有 较 高 的 能 源 使 用 效 率 和 经 济 效 益 常 规 农 业 比 有 机 农 业 多 排 放40 的 温 室 气 体 52 基 于 农 田 温 室 气 体 排 放 持 续 增 加 的 严 峻 性 笔 者 着 重 从 施 肥 方 式 种 植 制 度 耕 作 模 式 三 个 角 度 总 结 农 田 管 理 措 施 对 农 田 温 室 气 体 的 影 响 2 1 施 肥 方 式 对 农 田 含 碳 温 室 气 体 排 放 的 影 响 我 国 华 北 平 原 太 行 山 前 冬 小 麦 农 田 土 壤 是CO2 的 排 放 源 53 而 施 肥 和 灌 溉 是 引 起 各 处 理 温 室 气 体 排 放 差 异 的 主 要 原 因 且 增 施 氮 肥 以 及 灌 溉 能 够 促 进 土 壤CO2 的 生 成 和 排 放 54 这 一 结 论 在 伊 朗 的 大 豆 实 验 中 同 样 成 立 该 试 验 表 明 施 肥 处 理 的 大 豆 田CO2 排 放 水 平 高 于 非 施 肥 处 理 55 黄 淮 海 平 原 小 麦 玉 米 轮 作 实 验 表 明 有 机 肥 的 施 用 可 以 增 加 土 壤 中CO2 的 释 放 其 原 因 是 施 加 有 机 肥 改 善 了 土 壤 的 理 化 性 质 56 小 麦 玉 米 季 的 有 机 肥 无 机 肥 配 合 施 用 处 理 农 田 均 表 现 为CO2 的 汇 32 不 同 肥 料 的 施 加 对 温 室 气 体 影 响 不 同 有 研 究 显 示 高P 和 高K 浓 度 产 量 及 其 可 用 性 与 低CO2 产 生 率 相 关 而 高C 和 高N 产 量 与 高CH4 产 生 率 有 关 较 高 的C K 和N K 与 增 长 的CO2 排 放 量 呈 正 相 关 而 有 效 P 和CH4 产 量 呈 负 相 关 平 均 来 说 沿 海 地 区 有 效P 含 量 pH 和 盐 分 比 内 陆 地 区 更 高 有 效C P 和CO2 产 生 率 较 内 陆 地 区 低 而 且 沿 海 稻 田CH4 排 放 量 比 内 陆 稻 田 略 低 57 另 外 有 机 肥 已 被 证 明 能 促 进 农 业 土 壤 中CH4 的 吸 收 荷 兰 的 一 项 研 究 显 示 通 过 堆 肥 改 良 获 得 了 最 优 的 温 室 气 体 平 衡 58 该 研 究 认 为 堆 肥 的 营 养 成 分 并 不 十 分 丰 富 当 作 为 单 一 肥 料 施 用 时 可 能 会 导 致 作 物 产 量 下 降 因 此 将 堆 肥 与 更 富 营 养 的 有 机 改 良 剂 污 泥 沼 液 结 合 使 用 可 以 在 保 持 作 物 产 量 和 减 少 温 室 气 体 排 放 之 间 进 行 权 衡 58 所 以 应 该 适 量 提 高 磷 钾 两 种 肥 料 的 施 用 而 降 低 氮 肥 的 施 用 以 降 低 农 田 含 碳 温 室 气 体 的 排 放 同 时 结 合 经 济 效 益 探 究 最 佳 施 用 比 例 减 缓 温 室 效 应 2 2 种 植 制 度 对 农 田 含 碳 温 室 气 体 排 放 的 影 响 国 内 关 于 种 植 制 度 对 农 田 含 碳 温 室 气 体 的 影 响 研 究 主 要 集 中 在 长 江 中 下 游 的 水 田 对 旱 地 的 研 究 还 不 成 熟 有 待 于 进 一 步 研 究 不 同 的 种 植 制 度 下 农 田 温 室 气 体 排 放 表 现 出 明 显 的 差 异 通 过 对 不 同 种 植 制 度 的 比 较 有 利 于 选 择 最 佳 的 种 植 模 式 减 少 当 地 农 田 温 室 气 体 的 排 放 在 实 现 经 济 效 益 的 同 时 提 高 环 境 效 益 59 62 展 茗 59 在 湖 北 开 展 的 研 究 中 通 过 设 置 三 种 稻 作 模 式 稻 鸭 复 合 种 养 RD 间 歇 灌 溉 RW 常 规 淹 水 灌 溉 CK 研 究 了 稻 田 温 室 气 体 碳 排 放 的 差 异 发 现 虽 然RD RW 与CK 相 比 都 能 显 著 降 低CH4 排 放 量 但 是 RW 降 幅 更 大 达 到36 9 而RD 降 低 了19 95 但 是 RW 模 式 的CO2 排 放 却 比RD 和CK 增 长 了29 4 所 以 综 合 考 虑 认 为 稻 鸭 复 合 种 养 的 模 式 更 有 利 于 减 少 该 地 区 的 温 室 气 体 排 放 江 长 胜 60 在 川 中 丘 陵 区 的 研 究 中 发 现 水 稻 种 植 本 身 会 促 进 稻 田CH4 的 排 放 有 水 稻 种 植 的 冬 灌 田 的 CH4 排 放 是 无 水 稻 种 植 的 冬 灌 田 的3 倍 但 是 不 同 的 种 植 制 度 可 以 减 缓 这 一 效 应 与 常 规 冬 灌 田 相 比 采 343h t t p w w w a e d o r g c n 农 业 资 源 与 环 境 学 报 第37 卷 第3 期 用 冬 灌 田 强 化 栽 培 稻 麦 轮 作 和 稻 油 轮 作 的 种 植 方 式 均 能 降 低 稻 田CH4 排 放 量 其 中 稻 油 轮 作 降 幅 最 大 达 到57 8 而 美 国 的 一 项 研 究 也 证 明 轮 作 可 以 减 少 农 田 CO2 的 排 放 玉 米 大 豆 轮 作 与 单 独 的 大 豆 或 者 玉 米 连 作 相 比 能 减 少 温 室 气 体 排 放 且 能 增 加 产 量 61 改 变 传 统 作 物 布 局 有 利 于 江 汉 平 原 地 区 稻 田 温 室 效 应 的 降 低 新 型 种 植 模 式 的 全 球 增 温 潜 势 Globewarmingpotential GWP 均 显 著 低 于 同 条 件 下 的 传 统 模 式 西 瓜 玉 米 套 作 稻 虾 混 作 和 薏 苡 单 作 模 式 夏 季 排 放 的CO2 CH4 产 生 的 全 球