黃 瓊，朱小莉，沈皖豫，樊 迪，張廣斌，馬 靜，徐 華*

秸稈還田年限及還田量對稻田凈溫室效應(yīng)的影響①

黃 瓊1,2，朱小莉1,2，沈皖豫1,2，樊 迪1,2，張廣斌1，馬 靜1，徐 華1*

(1 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國科學(xué)院南京土壤研究所)，南京 210008；2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

本文研究了不同秸稈還田年限(2 a和13 a)和還田量(0、1.6、3.2和4.8 t/hm2)對稻田CH4和N2O排放、土壤固碳速率和凈溫室效應(yīng)的影響。結(jié)果表明：稻田CH4排放量在第2年和第13年均隨秸稈還田量的增加呈線性增加，但第13年單位秸稈還田量對CH4排放的平均促進(jìn)效應(yīng)比第2年降低3%；各處理N2O排放量在第2年無顯著差異，第13年顯著促進(jìn)N2O排放55% ～ 171%，且隨秸稈還田量的增加呈線性增加；土壤固碳速率在第13年的變幅為0.40 ～ 0.50 t/(hm2·a)，各處理間無顯著差異；凈溫室效應(yīng)在第13年隨秸稈還田量的增加呈線性增加，表現(xiàn)為源，這說明秸稈還田量對凈溫室效應(yīng)的影響受還田年限調(diào)控，其增加的溫室效應(yīng)逐步完全抵消了土壤固碳的減排效益，加劇了全球氣候變暖。因此，稻田在長期秸稈還田條件下是一個(gè)重要的碳源，亟待優(yōu)化秸稈還田技術(shù)，進(jìn)一步固碳減排，以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

還田年限；還田量；溫室氣體排放；土壤固碳；凈溫室效應(yīng)

甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O)是大氣中僅次于二氧化碳(CO2)的重要溫室氣體，其百年尺度的全球增溫潛勢(global warming potential，GWP)分別為CO2的28倍和265倍[1]。2019年，大氣中CH4和N2O濃度分別達(dá)到1 877和332 ppb，是工業(yè)化前的260%和123%[2]。稻田是這兩種溫室氣體的重要排放源，據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國稻田CH4和N2O排放量分別為5.3 Tg/a和N 31.1 Gg/a[3-4]。因此，加強(qiáng)稻田溫室氣體研究對減緩全球氣候變化有重要意義。

秸稈是重要的可再生能源之一。我國的秸稈資源豐富，年產(chǎn)量約為8.3 × 108t[5]。秸稈還田是一項(xiàng)大力推行的保護(hù)性耕作措施，它能夠增加土壤大團(tuán)聚體，改善土壤物理結(jié)構(gòu)，增加作物產(chǎn)量，減少焚燒帶來的空氣污染，提高土壤有機(jī)質(zhì)含量[6-8]。我國秸稈肥料化利用率達(dá)47.3%[9]，其中江蘇省秸稈還田率達(dá)64%，夏季麥秸還田率更高達(dá)85%[10]。秸稈還田一方面促進(jìn)稻田土壤有機(jī)碳固定，增加碳匯，緩解全球增溫效應(yīng)[11-12]；另一方面顯著增加稻田甲烷排放，加劇全球增溫效應(yīng)[13-14]。所以，在發(fā)展循環(huán)農(nóng)業(yè)的過程中，綜合評估秸稈還田對稻田生態(tài)系統(tǒng)的凈溫室效應(yīng)十分必要。

凈溫室效應(yīng)/凈全球增溫潛勢(net global warming potential，Net GWP)是給定生態(tài)系統(tǒng)中土壤固碳和溫室氣體排放的綜合評估指標(biāo)，該指標(biāo)的正值和負(fù)值分別表示該生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體的源和匯[15-16]，可用于定量評估秸稈還田對稻田生態(tài)系統(tǒng)的全球增溫效應(yīng)的綜合影響。有關(guān)秸稈還田影響稻田溫室氣體排放和土壤固碳的研究報(bào)道眾多[17-21]，而綜合評價(jià)其對稻田凈溫室效應(yīng)影響的報(bào)道較少，且研究結(jié)果不盡相同。湯宏等[22]報(bào)道秸稈還田1 a后顯著降低稻田凈溫室效應(yīng)295% ～ 1 128%；而張?jiān)婪嫉萚15]研究發(fā)現(xiàn)秸稈還田2 a后顯著增加凈溫室效應(yīng)57%；劉曉雨等[23]報(bào)道稻田的凈溫室效應(yīng)在秸稈還田21 a后顯著增加48%；Xia等[24]也報(bào)道秸稈還田20 ～ 21 a后顯著增加稻田凈溫室效應(yīng)25% ～ 52%。

本研究以太湖流域稻麥輪作稻田為研究對象，以當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)模式為對照，通過田間原位觀測不同年限不同秸稈還田量稻田的CH4和N2O排放規(guī)律，估算土壤的固碳速率，綜合評估秸稈還田對稻田凈溫室效應(yīng)的影響，探明其隨不同年限變化的規(guī)律，分析其變化可能的原因，以期為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展及“雙碳”目標(biāo)提供參考數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于江蘇省句容市白兔鎮(zhèn)行香村(31°58′N，119°18′E)，該地區(qū)主要種植制度為稻–麥輪作，長期定位試驗(yàn)開始于2006年。該地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，2007年和2018年的年平均氣溫分別為16.9 ℃和16.7 ℃，年總降水量分別為1 162.5 mm和1 374.0 mm。供試土壤是發(fā)育于下蜀黃土的爽水性水稻土，耕層土壤(0 ～ 20 cm)初始基本理化性質(zhì)為：pH 5.9，容重1.2 g/cm3，有機(jī)碳含量8.2 g/kg，全氮含量1.1 g/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)選取2007年(2 a)和2018年(13 a)兩個(gè)處理年限為觀測期。共設(shè)置4個(gè)秸稈還田水平處理：S0(0 t/hm2)、S1(1.6 t/hm2)、S2(3.2 t/hm2)、S3(4.8 t/hm2)，這4個(gè)秸稈還田量分別是當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)秸稈還田量的0、1/3、2/3和全量。各處理還田的秸稈切短至10 cm 左右，每年在稻麥季前施入，秸稈與農(nóng)田耕作層土壤均勻混合。每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列，各小區(qū)面積為3 m × 2.5 m。

1.3 田間管理

田間管理措施與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)管理模式一致。水稻生長季尿素施用量為N 300 kg/hm2，施用比例為：基肥∶分蘗肥∶穗肥 = 2∶1∶1；磷肥(過磷酸鈣，Ca(H2PO4)2)和鉀肥(氯化鉀，KCl)作為基肥，一次性施入，施用量分別為450 kg/hm2和225 kg/hm2。田間水分管理方式為間歇灌溉(前期淹水–中期烤田–復(fù)水–后期干濕交替)，觀測期內(nèi)田間管理具體時(shí)間見表1。

表1 2007年和2018年水稻生長季作物管理和水分管理時(shí)間

1.4 樣品采集與測定

1.4.1 氣體樣品 采用手動(dòng)密封箱法[25]采集稻田溫室氣體(CH4和N2O)，水稻移栽后第2天開始采樣，3 ～ 7 d采樣1次，同時(shí)記錄相關(guān)環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)，包括土溫、氣溫、采樣箱內(nèi)溫度、水層深度和天氣情況等，采樣時(shí)間為上午9:00—11:30。采樣時(shí)，將采樣箱(箱體由透明有機(jī)玻璃制成，尺寸為0.5 m × 0.5 m × 0.5/1 m)放置于采樣底座(尺寸為0.5 m × 0.5 m × 0.15 m)凹槽(深度為4 cm)內(nèi)，并用水密封，底座內(nèi)作物種植密度(6穴，每穴3株)與底座外保持一致。用雙通針將氣樣從采樣箱導(dǎo)入真空氣瓶待測，每次采樣時(shí)間間隔為10 min，共采樣4次。采集的氣樣用氣相色譜儀進(jìn)行測定(2007年：Shimadzu GC-14B，日本；2018年：Agilent 7890B，美國)，其中CH4濃度用氫火焰離子化檢測器(FID)測定，N2O濃度用63Ni電子捕獲檢測器(ECD)測定，標(biāo)準(zhǔn)氣體由中國計(jì)量科學(xué)研究院提供。

1.4.2 土壤樣品 土壤樣品在水稻收獲后使用內(nèi)徑2.5 cm、長20 cm的取土器進(jìn)行采集。在田間按“之”字形采樣，土壤充分混勻后揀去植物殘根和石礫等，經(jīng)風(fēng)干、研磨和過篩(100目)，用碳氮元素分析儀進(jìn)行SOC含量測定(Elementar Vario MAX CN，德國)。環(huán)刀法測定土壤容重[26]。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

1.5.1 稻田溫室氣體排放量計(jì)算 CH4和N2O的排放通量根據(jù)下式計(jì)算[25]：

=×/×/× 273/(1)

式中：是CH4或N2O排放通量，其中CH4排放通量單位為mg/(m2·h)，N2O排放通量單位為μg/(m2·h)(以N計(jì))；是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下CH4或N2O的密度，其值是CH4為0.714 kg/m3，N2O 為1.25 kg/m3(以N計(jì))；是采樣箱內(nèi)有效體積，m3；是采樣箱所覆蓋的土壤面積，m2；/是單位時(shí)間內(nèi)采樣箱內(nèi)CH4或N2O濃度的變化，CH4單位為μl/(L·h)，N2O單位為 nl/(L·h)(以N計(jì))；是采樣過程中采樣箱內(nèi)的溫度，K。

CH4和N2O的排放量根據(jù)下式計(jì)算：

E= ∑[(F+1+F)/2] × (D+1–D) × 24/1 000 (2)

式中：E是CH4或N2O排放量，CH4排放量單位為g/m2，N2O排放量單位為mg/m2(以N計(jì))；F和F+1分別是第和+1次采樣時(shí)CH4或N2O排放通量，CH4排放通量單位為mg/(m2·h)，N2O排放通量單位為μg/(m2·h)(以N計(jì))；D和D+1分別是第和+1次的采樣時(shí)間，d。

1.5.2 土壤固碳速率計(jì)算 基于有機(jī)碳儲量的增量計(jì)算每年有機(jī)碳固定速率(SOCsequestrate rate)。

有機(jī)碳儲量(SOCstock)計(jì)算公式如下[27]：

SOCstock= SOCcontent××× 100 (3)

式中：SOCstock是土壤有機(jī)碳儲存量，t/hm2(以C計(jì))；SOCcontent是土壤有機(jī)碳含量，g/kg(以C計(jì))；是土壤密度，g/cm3；是土壤樣品取樣深度(20 cm)。

有機(jī)碳固定速率(SOCsequestrate rate)計(jì)算公式如下：

SOCsequestrate rate= (SOCstock n–SOCstock i) /(4)

式中：SOCsequestrate rate是土壤有機(jī)碳固定速率，t/(hm2·a) (以C計(jì))；SOCstock n和SOCstock i分別是觀測年和初始年的土壤有機(jī)碳儲存量值，t/hm2(以C計(jì))；是觀測年處理年限值，a。

1.5.3 稻田凈溫室效應(yīng)計(jì)算 凈溫室效應(yīng)(Net GWP)是稻田排放CH4和N2O的綜合增溫潛勢(GWP)與土壤固碳減緩全球變暖貢獻(xiàn)的差值，計(jì)算公式如下[28]：

GWP = CH4× 28 + N2O × 265 (5)

Net GWP = GWP – SOCsequestrate rate× 44/12 (6)

式中：GWP是稻田排放CH4和N2O的綜合增溫潛勢，t/hm2(以CO2-eq計(jì))；CH4是CH4排放量，t/hm2；N2O是N2O排放量，t/hm2；28和265分別是百年尺度上CH4和N2O的GWP值；Net GWP是凈溫室效應(yīng)，t/(hm2·a) (以CO2-eq計(jì))；44/12是將土壤有機(jī)碳換算為CO2當(dāng)量的系數(shù)。

1.5.4 統(tǒng)計(jì)分析 試驗(yàn)結(jié)果均以每個(gè)處理3次重復(fù)測量值的平均值與標(biāo)準(zhǔn)差來表示，數(shù)據(jù)處理用Microsoft Excel for Windows 2010完成，用SPSS 25進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用Origin lab 9.1進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果

2.1 CH4排放

2007年和2018年水稻生長季，稻田CH4排放通量的季節(jié)變化如圖1A和1B所示。各處理CH4排放通量的變化趨勢基本一致，即在水稻移栽初期緩慢上升，并在持續(xù)淹水期的第11 ～ 39 天達(dá)到季節(jié)排放峰值(6.0 ～ 58.9 mg/(m2·h))，烤田時(shí)降低到最低值，烤田后復(fù)水及后期干濕交替期間排放通量均較低。在第2年，與S0相比，S1、S2和S3的最大峰值分別增加126%、378% 和720%；第13年，與S0相比，S1、S2和S3的最大峰值分別增加167%、538% 和886%，且其最大峰值的到達(dá)時(shí)間分別前移8、16和16 d。

如表2所示，各處理稻田CH4季節(jié)排放總量為27.7 ～ 301.0 kg/hm2，隨著秸稈還田量的增加，稻田CH4排放量呈線性增加(圖2A，<0.01)。在第2年，S1、S2和S3的CH4排放量比S0分別高2.1倍、4.8倍和9.4倍(<0.05)；第13年，S1、S2和S3的CH4排放量比S0分別高2.2倍、5.3倍和7.9倍(<0.05)，但其單位秸稈還田量對CH4排放的平均促進(jìn)效應(yīng)比第2年降低3%(表2)。

2.2 N2O排放

2007年和2018年水稻生長季，稻田N2O排放通量的季節(jié)變化如圖1C和1D所示。各處理N2O排放通量的變化趨勢基本一致，即在水稻移栽初期和施分蘗肥時(shí)均有少量N2O排放，N2O排放通量在烤田期間迅速上升并達(dá)到季節(jié)排放峰值(470 ～ 1 219 μg/(m2·h))，復(fù)水后迅速下降，施穗肥和干濕交替期間有少量N2O排放。隨著秸稈還田量的增加，各處理的N2O排放通量在第2年和第13年的變化趨勢不同。在第2年，各處理的N2O排放通量隨著秸稈還田量的增加呈現(xiàn)下降趨勢，其中，與S0相比，S1、S2和S3的最大峰值分別降低了19%、21% 和47%；而第13年，各處理的N2O排放通量隨著秸稈還田量的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，其中，與S0相比，S1、S2和S3的最大峰值分別增加了63%、237% 和159%。

圖1 2007年和2018年水稻生長季CH4和N2O排放通量的季節(jié)變化

表2 2007年和2018年稻田CH4排放量、N2O排放量、土壤有機(jī)碳含量、土壤固碳速率和凈溫室效應(yīng)

注：同列數(shù)據(jù)小寫字母不同表示處理間差異顯著(<0.05)。

圖2 2007年和2018年水稻生長季秸稈還田量與CH4排放量(A)、N2O排放量(B)、土壤固碳速率(C)和凈溫室效應(yīng)(D)的關(guān)系

如表2所示，各處理稻田N2O排放量的變幅是N 0.60 ～ 2.22 kg/hm2，隨著秸稈還田量的增加，各處理的N2O排放量在第2年和第13年的變化趨勢不同。在第2年，各處理的N2O排放量隨秸稈還田量的增加呈現(xiàn)下降趨勢，均未達(dá)到顯著水平，與秸稈還田量無顯著線性關(guān)系(圖2B)；而第13年，各處理的N2O排放量隨秸稈還田量的增加呈線性增加(圖2B，<0.01)，與S0相比，S1、S2和S3的N2O排放量分別增加了55%、171% 和122%，S2和S3達(dá)到顯著水平(<0.05)。

2.3 土壤有機(jī)碳含量和固碳速率

2007年和2018年稻田土壤的有機(jī)碳含量如表2所示，各處理的有機(jī)碳含量變幅為9.97 ～ 12.23 g/kg，在第2年和第13年，各處理的有機(jī)碳含量均隨秸稈還田量的增加而增加。在第2年，與S0相比，S1、S2和S3的SOC含量增加了1% ～ 5%，均未達(dá)到顯著水平；第13年，與S0相比，S1、S2和S3的SOC含量分別增加了6%、17% 和22%，S2和S3達(dá)到顯著水平(<0.05)。

如表2所示，在第13年，各處理的土壤固碳速率變幅為0.40 ～ 0.50 t/(hm2·a)，各處理間無顯著差異，與秸稈還田量無線性關(guān)系(圖2C)。

2.4 稻田凈溫室效應(yīng)

2018年的稻田凈溫室效應(yīng)如表2所示，各處理的稻田凈溫室效應(yīng)變幅為 –0.35 ～ 6.00 t/(hm2·a)，隨秸稈還田量的增加呈線性增加(圖2D，<0.01)。在第13年，秸稈還田處理的凈溫室效應(yīng)為正值，表現(xiàn)為稻田溫室系統(tǒng)溫室氣體的源，與S0相比，S1、S2和S3的凈溫室效應(yīng)分別顯著增加了1.61、4.31和6.35 t/(hm2·a)(<0.05)。

3 討論

研究顯示，秸稈無論是短期還田還是長期還田，均顯著促進(jìn)稻田CH4排放(圖1和表2)，且稻田CH4排放量與秸稈還田量之間呈線性正相關(guān)(圖2A)，這與以往大量研究結(jié)果一致[13-14, 29]。一方面，還田的秸稈可以為產(chǎn)甲烷菌提供充足的產(chǎn)甲烷基質(zhì)；另一方面，秸稈在淹水條件下分解，加速降低土壤的氧化還原電位(Eh)，為產(chǎn)甲烷菌提供適宜的生長代謝環(huán)境，最終促進(jìn)稻田的CH4排放[25]。隨著秸稈還田量的增加，提供的產(chǎn)甲烷基質(zhì)隨之增加，秸稈分解消耗更多的O2，進(jìn)一步降低土壤Eh，稻田CH4排放量也隨之增加[14]。然而，隨著秸稈還田年限的增加，其單位秸稈還田量對稻田CH4排放的平均促進(jìn)效應(yīng)呈下降趨勢(表 2)，這說明增排CH4的作用在減弱。其可能原因是：長期秸稈還田更有利于稻田土壤大團(tuán)聚體形成，土壤空隙增多(本研究中，土壤容重由2007年的1.2 g/cm3下降至2018年的1.0 g/cm3)，土壤含氧量增加，有利于稻田土壤中甲烷氧化菌的生長代謝，促進(jìn)甲烷氧化過程，從而抵消部分秸稈還田對稻田CH4排放的促進(jìn)效應(yīng)[30-32]。Jiang 等[30]的田間觀測也發(fā)現(xiàn)，在稻–麥輪作系統(tǒng)，秸稈還田13 a對CH4排放的促進(jìn)效應(yīng)比秸稈還田8 a降低73%。

稻田排放的N2O主要由土壤微生物主導(dǎo)的硝化和反硝化作用過程產(chǎn)生[25]。秸稈分解可以為硝化和反硝化作用提供能量和基質(zhì)[25]，進(jìn)而影響稻田N2O排放。目前，秸稈還田對稻田N2O排放的影響還存在爭議[10, 29, 33-35]。本研究結(jié)果顯示，在第2年，秸稈還田減少N2O排放，但影響并不顯著(圖1和表2)，其原因可能是：高C/N的秸稈還田后，微生物在分解秸稈過程中需要利用土壤中的有效氮，使硝化和反硝化作用的底物減少，從而降低N2O排放[14, 29, 36]。鄒建文等[35]在短期秸稈還田后，也觀測到N2O排放總量減少18%。柴凱斌[37]的研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，與不還田相比，1/3秸稈還田、2/3秸稈還田和全量秸稈還田后，N2O排放量分別降低了18%、39% 和38%。第13年，秸稈還田顯著增加N2O排放，且排放量隨秸稈還田量的增加呈線性增加趨勢(圖2B)，其原因可能是：秸稈富含氮、磷、鉀和有機(jī)質(zhì)等，長期還田后，土壤全氮含量增加[38](本研究中，土壤全氮含量由2007年的1.1 g/kg增至2018年的1.5 g/kg)，可為稻田土壤中氮轉(zhuǎn)化提供更多的基質(zhì)，促進(jìn)稻田土壤的硝化和反硝化作用，從而增加稻田N2O排放[33, 39]。Wang 等[39]在稻麥輪作系統(tǒng)中也觀測到秸稈還田7 ～ 9 a顯著增加土壤全氮含量(從初始的1.4 g/kg增至1.6 ～ 1.8 g/kg)，從而促進(jìn)稻田N2O排放58% ～ 155%。

秸稈還田促進(jìn)稻田土壤固碳(表 2)，這與前人的研究結(jié)果一致[11, 19]。秸稈還田后，在土壤微生物的作用下分解，部分有機(jī)碳進(jìn)入土壤，增加土壤碳庫，從而促進(jìn)稻田土壤固碳[17]。隨著秸稈還田量的增加，進(jìn)入土壤碳庫的有機(jī)碳隨之增加(表2)。李成芳等[17]也觀測到隨著秸稈還田量的增加，土壤的固碳量也隨之增加。但秸稈還田對土壤固碳的促進(jìn)作用受還田年限的影響，隨著秸稈還田年限的增加，一方面土壤固碳量增加，與初始狀態(tài)相比，其固碳潛力有所下降；另一方面長期秸稈還田會增強(qiáng)對碳的分解潛力，大量的碳被分解，只有少部分作為穩(wěn)定性碳保留在土壤中，因此長期秸稈還田對土壤固碳的促進(jìn)作用減弱[40-41]。Tian等[42]通過Meta分析也發(fā)現(xiàn)，土壤固碳速率隨著秸稈還田年限的增加有相似的下降。

本研究中各處理的稻田凈溫室效應(yīng)范圍是–0.35 ～ 6.00 t /(hm2·a)(表2)，在前期研究結(jié)果的變化范圍內(nèi)(–11.7 ～ 9.9 t/(hm2·a))[15, 19, 22-23, 43]。在第13年，秸稈還田顯著增加稻田GWP(CH4+ N2O)1.7 ～ 5.8倍(表2)，而土壤固碳速率的范圍是0.40 ～ 0.50 t/(hm2·a) (表 2)，此時(shí)秸稈還田處理的土壤固碳對減緩溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)無法抵消秸稈還田增排溫室氣體所引起的溫室效應(yīng)，因此，凈溫室效應(yīng)為正值，表現(xiàn)為碳源。Xia等[24]在太湖流域稻–麥輪作系統(tǒng)中進(jìn)行長期定位試驗(yàn)，也發(fā)現(xiàn)長期秸稈還田對稻田生態(tài)系統(tǒng)溫室效應(yīng)的加劇作用大于減緩作用，其增排溫室氣體造成的溫室效應(yīng)比固碳所減少的溫室效應(yīng)高3.2倍～ 3.9倍。

4 結(jié)論

秸稈還田第2年顯著促進(jìn)稻田CH4排放和土壤固碳，N2O排放無顯著差異；但第13年顯著促進(jìn)稻田CH4和N2O排放，其增加的溫室效應(yīng)完全抵消了土壤固碳的減排效益，稻田生態(tài)系統(tǒng)的凈溫室效應(yīng)為碳源。這意味著長期秸稈還田下，稻田是一個(gè)很重要的碳源。在當(dāng)前水稻輕簡化和機(jī)械化栽培情況下，秸稈還田幾乎是全量還田，這與本研究中的全量處理情況很相似。也就是說，長期秸稈全量還田大背景下，稻田的碳源強(qiáng)度會很大。因此未來亟待研究適于輕簡化和機(jī)械化栽培的秸稈還田技術(shù)措施，可以通過秸稈多種綜合利用方式(如生物質(zhì)炭和秸稈快速好氧分解等)，以及農(nóng)業(yè)區(qū)域共同體內(nèi)的秸稈循環(huán)利用(如將生產(chǎn)的秸稈施用到茶園、果園或菜地中)，以實(shí)現(xiàn)稻田的固碳減排和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

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Effects of Straw Incorporation Years and Rates on Net Global Warming Potential in Paddy Fields

HUANG Qiong1,2, ZHU Xiaoli1,2, SHEN Wanyu1,2, FAN Di1,2, ZHANG Guangbin1, MA Jing1, XU Hua1*

(1 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

In this paper, the effects of different straw incorporation years (2 and 13 years) and rates (0, 1.6, 3.2 and 4.8 t/hm2) on CH4and N2O emissions from paddy fields, soil organic carbon (SOC) sequestration rate and net global warming potential (Net GWP) were studied. The results show that CH4emissions is increased linearly with the increase of straw incorporation rate both in 2 and 13 years, but the average promoting effect of unit straw incorporation amount on CH4emissions in 13 years is 3% lower than that in 2 years. For N2O emissions, no significant difference is found in 2 years, but the emissions is significantly increased by 55% ～ 171% and shows a linear increase with the increase of straw incorporation rate in 13 years. Meanwhile, SOC sequestration rate varies from 0.40 to 0.50 t/(hm2·a) in 13 years without significant difference among the treatments. Therefore, Net GWP shows a linear increase with the increase of straw incorporation rate, which is carbon source in 13 years. The findings suggest that the effect of straw incorporation amount on Net GWP is regulated by the duration, and the increased GWP gradually completely offsets the emission reduction benefit of soil carbon sequestration and then exacerbates global warming.Therefore, the paddy field is an important carbon source after long-term straw incorporation, and it is urgent to optimize straw incorporation technology to further sequester carbon and reduce emissions to achieve sustainable agricultural development.

Duration of straw incorporation; Straw incorporation rate; Greenhouse gas emissions; Soil organic carbon sequestration; Net global warming potential

S131；X511

A

10.13758/j.cnki.tr.2022.05.006

黃瓊，朱小莉，沈皖豫, 等. 秸稈還田年限及還田量對稻田凈溫室效應(yīng)的影響. 土壤, 2022, 54(5): 912–919.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41877325，42177233)和中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會項(xiàng)目(2018349)資助。

(hxu@issas.ac.cn)

黃瓊(1987—)，女，江蘇邳州人，博士研究生，主要從事農(nóng)田溫室氣體排放及土壤碳氮循環(huán)研究。E-mail: qhuang@issas.ac.cn