新聞動態

南京土壤所在稻田生態系統固碳減排豐產增效研究方面取得進展

2022-03-28 分享到:

稻田是重要的溫室氣體(CH4和N2O)排放源和土壤有機碳氮庫,稻田生態系統的溫室氣體減排和土壤固碳一直是土壤科學研究的熱點。全球氣候變暖與碳達峰、碳中和雙重背景下,保障糧食高產穩產并同時實現固碳減排的緊迫性和重要性日漸凸顯。為此,中國科學院南京土壤研究所研究員徐華課題組針對我國典型單季稻田(稻-休閑、稻-小麥)和雙季稻田開展連續多年的觀測研究,取得以下主要進展:

氣候變暖為水稻生長提供更多的光熱資源,有利于傳統單季稻蓄留再生稻,這不僅增加水稻總產量,還可能改變單季稻田的CH4和N2O排放特征及排放強度。我國西南丘陵山區常年淹水稻田CH4減排潛力大,但通過排水控排CH4可能導致水稻減產。覆膜栽培下連續10年的觀測結果表明:覆膜栽培較傳統栽培不僅改變稻田持續淹水的耕作舊習,還能避免季節性干旱帶來減產風險,保證水稻高產穩產,同時顯著減少稻季灌溉用水和CH4排放量60%以上;覆膜栽培提高稻季土表平均溫度約2~3℃,有利于再生稻種植,蓄留再生稻能增加一季水稻產量,插秧、施肥時間的提前導致CH4和N2O排放峰值也有所提前,由于再生稻多施用促芽肥和發苗肥且延長水稻觀測期,使得CH4和N2O排放總量顯著增加,但總體上對稻季CH4和N2O排放強度影響很??;就全年而言(圖1),覆膜栽培較傳統栽培顯著降低CH4和N2O總排放量與總排放強度約50%、增加經濟環境效益3684元/公頃/年,蓄留再生稻進一步減少總排放強度、增加產量和經濟環境效益??梢?,在我國西南丘陵山區施行覆膜栽培以及該栽培技術下蓄留再生稻,能有效降低CH4和N2O排放總量并協同水稻豐產增效。

大氣CO2濃度([CO2])升高對全球氣候變暖具有重要貢獻。長期以來,FACE(Free-Air CO2 Enrichment)研究認為:[CO2]升高會進一步促進稻田CH4和N2O排放,從而加劇氣候變暖。但基于中國揚州江都FACE平臺連續3年(稻季[CO2]連續升高第13~15年)的田間觀測和室內模擬實驗數據發現,[CO2]升高大幅降低CH4和N2O排放,其原因是:[CO2]升高通過促進水稻生長增強根系泌氧能力,提升土壤氧化還原電位,使得甲烷氧化菌增長幅度遠高于產甲烷菌增加量,從而降低CH4產生、增強CH4氧化,并顯著減少土壤中銨氮含量,這與早期研究報道恰好相反。進一步通過全球meta分析發現,[CO2]升高對稻田CH4和N2O排放的促進效應隨著升高年限的增加顯著下降,分別從升高年限<5年、5~10年以及>10年的增加5.6~33%、27~28%,轉為減少18~43%。相應的,全球稻田CH4和N2O排放總量從增加35~136、60~123百萬噸CO2當量/年,變為減少22~92百萬噸CO2當量/年。其原因可能是(圖2):隨著[CO2]升高年限的增加,其對水稻生長的促進作用逐步減弱,水稻產量、地上和地下生物量增幅顯著下降,使得水稻可提供給產甲烷菌的底物增量減少,造成產甲烷菌豐度與甲烷氧化菌豐度的比值從顯著增加轉為顯著降低,于是導致CH4產生潛力與CH4氧化潛力的比值從增加向減少轉變;其促進水稻對氮素吸收的同時,增強了硝化能力,從而大幅減少土壤中的銨氮含量。這一研究發現為氣候變化條件下準確估算[CO2]升高對稻田CH4和N2O排放的影響提供了新視角。

有機肥替代化肥是順利實現我國農業“減肥減藥”目標的重要手段之一,但可能促進CH4和N2O排放,并帶來重金屬污染風險。通過稻麥輪作系統有機肥(生活污泥堆肥和豬糞堆肥)部分(25%和50%)替代化肥研究發現:25%的有機替代較單施化肥對稻季CH4和N2O總排放量以及總排放強度無明顯影響,但具有最高的水稻產量并顯著降低稻米中Cd含量;有機替代較單施化肥顯著降低麥季N2O排放量并增加小麥產量,且25%的生活污泥堆肥替代化肥顯著降低小麥籽粒中Ni和Cd含量;就全年而言(圖3),連續3年有機替代較單施化肥顯著增加土壤有機碳含量14~20%,降低凈排放總量115~166%,50%的生活污泥堆肥替代化肥的總產量最高、凈排放總量和籽粒中Cd含量最低,且不會造成土壤和籽粒污染以及人體健康風險。鑒于有機肥本身還可能含有大量Hg、As以及其他有機污染物和抗生素等,在稻田生態系統中長期施用有機肥可能存在污染和健康風險,仍需繼續加強相關研究。

水肥管理是影響稻田CH4和N2O排放的關鍵因子,亦是調控土壤有機碳氮含量的重要措施。我國雙季稻田連續6年的研究結果表明(圖4):晚稻收割后稻田排水翻耕較拋荒(不排水、不翻耕)顯著降低全年CH4排放量和綜合溫室效應約28%;排水條件下秸稈翻耕還田具有最高的土壤固碳和固氮速率、最低的凈綜合溫室效應,以及最高的水稻產量。我國稻麥輪作系統連續13年的研究發現(圖5):秸稈和尿素耦合相對于不施秸稈和尿素對CH4排放的促進效應隨著施用年限的增加先增加后有所降低,具體表現為1~2年3.7倍、6~7年15.8倍、12~13年7.6倍;對N2O排放的促進效應隨著年限的增加而持續增加3.0倍、5.2倍和17.3倍;對土壤有機碳固存速率的促進效應隨著年限的增加逐漸降低,分別為2.7、1.6和0.4噸C/公頃/年;對土壤有機氮固存速率的促進作用隨著年限的增加在第7年達到最高值,為57千克N/公頃/年。該研究可為我國雙季稻田和稻麥輪作系統土壤有機碳氮的固存及其潛力評估提供參考和借鑒。

上述系列研究針對我國典型單季稻田和雙季稻田,提出簡便、易行、高效的固碳減排豐產增效技術模式,為推進我國稻田“雙碳目標”的順利實施提供技術手段和科學依據。相關成果得到國家重點研發項目、國家自然科學基金項目、國家自然科學基金國際合作與交流項目、農業部公益性行業(農業)科研專項以及中科院青年創新促進會資助,覆膜栽培方面工作與四川省農科院土肥所合作完成。

2020年以來相關成果已發表在《Journal of Cleaner Production》、《Science of the Total Environment》、《Agriculture, Ecosystems and Environment》、《Field Crops Research》、《European Journal of Agronomy》、《Journal of Environmental Management》、《中國科學:地球科學》等期刊上。

論文鏈接:1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12

 

  圖1 覆膜及覆膜栽培下種植再生稻對CH4和N2O排放、水稻產量、排放強度及經濟環境效益的影響

  圖2 [CO2]升高年限對稻田CH4和N2O排放影響的機理機制解析概念圖

圖3 有機肥部分替代化肥對CH4和N2O排放、作物產量及土壤和籽粒中重金屬含量的影響

圖4 冬季排水結合秸稈翻耕還田對雙季稻田土壤有機碳氮的影響

圖5 秸稈和氮肥耦合施用年限對稻麥輪作系統土壤有機碳氮的影響

 

亚洲日韩大佬色_亚洲日韩超碰人人_亚洲日韩AV专区网_亚洲日韩AV专区
<蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>|