黄淮海平原农田土壤CO_2和N_2O释放及区域模拟评价研究

【摘要】：农业生态系统中产生的温室气体已成为引起全球气候变暖的因素之一,CO_2和N_2O作为最主要的温室气体一直以来都被各国政府与广大研究者所关注。本文重点研究了我国粮食主产区黄淮海平原典型农田土壤的温室气体排放状况。试验地点设在黄淮海平原典型地区中国农业大学曲周试验站,对该地区主要种植模式冬小麦/夏玉米、棉花和休闲地的CO_2和N_2O排放通量进行了测定,分析了这两种气体排放通量与主要环境因子、土壤性状、耕作措施的关系;并利用田间试验资料对DNDC模型模拟该地区农田土壤CO_2和N_2O的排放情况进行了验证,运用DNDC模型对该区域农田土壤温室气体排放进行了模拟,并分析其排放的区域特征。结果表明: 棉花地、休闲地和冬小麦/夏玉米地土壤CO_2和N_2O排放均表现出明显的季节变化规律。土壤CO_2排放季节变化的总体趋势是夏季高、其他季节低,与对应气温的动态变化基本一致。冬小麦/夏玉米地土壤CO_2排放高峰值为2324mg CO_2·m~(-2)·h~(-1),棉花地为1111.9mg CO_2·m~(-2)·h~(-1),休闲地为436.07mg CO_2·m~(-2)·h~(-1)。土壤CO_2季节排放受温度的影响最大,其中与5cm地温的相关性最好,与土壤湿度的相关性却不太明显。同一种种植模式土壤有机质含量高的处理CO_2平均排放通量大于有机质低的处理。 秋季农田土壤N_2O排放总体呈下降趋势,至12月中旬左右降到最低;随着春季气温的升高则呈总体上升趋势,夏季的7月中旬达到最高。冬小麦/夏玉米地土壤N_2O排放高峰值为433.5μgN_2O·m~(-2)·h~(-1),棉花地为146.5μg N_2O·m~(-2)·h~(-1),休闲地为175.16μg N_2O·m~(-2)·h~(-1)。土壤N_2O季节排放通量受环境因子的影响与CO_2不同,在棉花地和休闲地,N_2O排放通量随地温增加而呈指数增长,而在冬小麦/夏玉米地则没有观测到N_2O排放通量与地温之间的相关关系,但与土壤含水量的变化趋势基本一致。 通过实际测定值与DNDC模型模拟值之间的比较,DNDC模型能够较好地模拟实验地点农田土壤CO_2和N_2O排放的季节变化特征,可以用此模型进行区域模拟评价。模型模拟得出黄淮海平原年度农田土壤CO_2和N_2O排放量都有明显的地区差异,总体表现为西北地区较低,东南地区较高。温度升高、增加秸秆还田比例都会不同程度地增加土壤中CO_2的排放,而在减少化肥施用量和免耕条件下,会减少CO_2的排放。提高秸秆还田比例、合理减少化肥施用量都会有效减少土壤中N_2O的排放。综合不同情景,以化肥的施用对该地区土壤中CO_2和N_2O的排放影响最大,当化肥施用量减少30%和50%时,该地区土壤的CO_2排放将分别减少8.7%和10.1%,N_2O排放量分别减少29.8%和47.3%。因此在实际生产中,适当降低化肥施用量,不仅能降低生产成本,而且能减轻对环境的潜在影响,有效增加碳储量。