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不同秸秆还田方式与秸秆生物炭施用对农田温室气体排放和土壤固碳的影响

吴洁  
【摘要】:随着我国粮食产量的增加,每年产生的作物秸秆也不断增多。秸秆还田是有效利用农业资源的重要措施,不仅能解决农业废弃物处理问题,还能一定程度上提高土壤肥力、改善作物生产力。但目前所推行的秸秆还田方式如粉碎混施还田、表面覆盖等,可能会造成耕地质量不好、影响作物出苗及温室气体排放量增加等问题。为了应对全球气候变化、减少农田温室气体排放,在农业生产中必须优化秸秆还田模式、发展新的秸秆还田途径。本论文分别研究了秸秆集中沟埋还田与秸秆生物炭施用对农田土壤固碳和温室气体排放的影响,共包括3个试验:(1)大田试验,从2008年小麦季开始,在江苏南通开展了秸秆集中沟埋还田技术的研究,即前茬作物收割后在田间按一定的间距挖一定深度的沟,将秸秆均匀掩埋于沟中。分别设置埋深20 cm、埋深30 cm、埋深40 cm等处理,经过四年稻麦秸秆连续沟埋还田后,对该技术的土壤碳汇进行评估;(2)大田试验,于2010年小麦季和2011年水稻季分别在上海崇明岛进行秸秆集中沟埋还田试验,通过设置常规混施还田、埋深20 cm、埋深40 cm、埋深60 cm等还田处理,对秸秆还田当季及后季的CO2、CH4和N2O排放进行监测,并考察了麦田土壤容重、稻麦田土壤有机碳、氮含量等;(3)大田试验,于2011年棉花季在新疆通过设置不同施肥方式(常规施肥、常规施肥+生物炭)和灌溉方式(沟灌、滴灌),研究了两者对棉田生态系统CH4和N2O排放的影响。主要研究结果如下:1.秸秆集中沟埋还田改良了土壤物理性状。秸秆集中沟埋还田降低了秸秆所在层及附近土壤层的容重,并增加了相应土壤层的非毛管孔隙度、毛管孔隙度以及总孔隙度,从而显著改善了土壤物理性状。与无秸秆还田相比,集中沟埋还田秸秆所在层及附近土壤层的容重显著降低3.40%~21.10%,总孔隙度显著增加3.05%-22.15%。2.秸秆还田一定时间后,秸秆集中沟埋还田增加了土壤碳库管理指数。常规秸秆还田处理的有机碳、易氧化有机碳、碳库管理指数在秸秆还田一年半内相对较高,随后逐渐降低并低于集中沟埋还田处理。而集中沟埋还田的碳库管理指数则随着时间的推移呈现缓慢增加的趋势。小麦秸秆还田两年后,集中沟埋20 cm处理的碳库管理指数较无秸秆还田、沟埋60 cm处理分别显著增加4.27%和3.88%。3.秸秆集中沟埋还田可以减少稻麦轮作田温室气体排放强度。与常规秸秆还田相比,秸秆集中沟埋还田可以减少温室气体的排放,并且随着还田深度的加深,温室气体排放呈现减少的趋势。水稻秸秆埋深为40cm和60cm时,单位产量增温潜势(GWP)相比常规秸秆还田分别显著减少13.33%和14.04%。4.秸秆集中沟埋还田技术能显著增加土壤碳汇,具有良好的生态经济价值。秸秆集中沟埋还田技术能显著增加土壤有机碳含量和土壤固碳量,尤其是靠近秸秆的土壤层。该技术还能延缓秸秆腐解速率、增加秸秆固碳量。集中沟埋20cm处理的0-30 cm土层、沟埋30 cm处理的0-40 cm土层以及沟埋40 cm处理的0-50 cm土层的土壤碳汇较无秸秆还田处理的相应土层分别增加了40.43%、32.54%和33.35%。秸秆集中沟埋还田具有良好的土壤碳汇生态经济价值,每年能额外获得的减排收入为1.50-1.68万元·ha-1。5.秸秆生物炭施用能减少棉田N2O排放量、增加CH4排放量。生物炭施用降低了棉田N2O累积排放量,沟灌方式下生物炭的施用使N2O累积排放量显著降低28.82%。施用生物炭处理的CH4累积排放量高于无生物炭施用的处理。生物炭的施用对单位产量GWP影响不显著,但沟灌方式下的单位产量GWP值显著大于滴灌方式下。综上所述,秸秆集中沟埋还田可以增加稻麦轮作田土壤碳汇,减少温室气体的排放,具有良好的生态经济价值。另外,秸秆生物炭的施用对棉田单位产量GWP影响不显著,但滴灌方式能显著降低单位产量GWP值。


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