旱地豆科绿肥提升土壤碳氮储量及降低环境代价的潜力与机制

发布时间：2020-10-17 15:55

　　 粮食需求量大但耕地面积少是我国现有的集约化种植模式中氮肥滥用且不重视耕地保护的重要原因之一,这导致了土壤有机碳储量下降、温室气体排放增加和活性氮释放等环境问题,不利于农业的可持续发展。如何在不牺牲产量的前提下恢复土壤肥力并大幅降低作物生产过程的环境代价亟待研究。黄土高原是我国重要的小麦产区,合理利用麦收后夏休闲期丰富的水热资源有助于缓解该地区集约化种植带来的土壤退化和环境问题。豆科绿肥同时具有生物固氮与固碳能力,能替代部分氮肥并提升土壤有机碳储量,是优化种植模式的首选。本研究基于长期定位试验,结合实测数据和多种模型,探索豆科绿肥提升土壤碳氮储量及降低环境代价的潜力与机制。田间试验为裂区设计,主处理为夏休闲期的不同管理方式,包括夏休闲—冬小麦(FW)(对照),怀豆—冬小麦(HW),大豆—冬小麦(SW)以及绿豆—冬小麦(MW);副处理为小麦播前的不同氮肥用量:0(N_0),108(N_(108)),135(N_(135))和162(N_(162))kg ha~(-1)。主要研究结果如下:(1)通过RothC模型,利用实测土壤有机碳和全氮储量及两者的碳氮比对土壤有机碳和全氮储量的动态变化及储存潜力进行预测。与对照FW相比,豆科绿肥处理的碳、氮还田量分别增加了67%-91%和74%-125%(P0.05),8年后的土壤有机碳和全氮储量分别提升了15%-23%和12%-22%(P0.05)。结合RothC模型以及3种豆科绿肥处理土壤有机碳和全氮储量的相关关系来模拟土壤有机碳和全氮储量的动态变化其精度可接受。达到新平衡状态时,各豆科绿肥处理和FW处理的土壤有机碳储量分别为37.67-47.29 Mg ha~(-1)和13.97-17.58 Mg ha~(-1),且豆科绿肥各处理对应的全氮储量将达到5.42-6.79 Mg ha~(-1)。预测显示豆科绿肥处理的土壤有机碳和全氮储量在达到新平衡时将比试验开始前的初始值分别高107%和158%。在夏休闲期种植豆科绿肥提升土壤有机碳和全氮储量的潜力依然较大,有利于土壤肥力的持续提升。(2)对土壤不同组分的有机碳进行物理分组,其中微团聚体内的细颗粒态有机碳以及与粉黏粒结合的有机碳属于受保护有机碳。定量分析豆科绿肥对土壤受保护有机碳含量的影响可以明确该措施是否能增加土壤有机碳的稳定性。结果表明,HW处理相对FW显著提升了0-10 cm土层土壤的平均重量直径。豆科绿肥处理使0-10和10-20 cm土层的土壤有机碳含量比FW分别显著提升了0.93-1.18和0.33-1.04 g kg~(-1),且其中有69%-86%都是由于受保护有机碳含量的增加。此外,只有受保护有机碳的增加与土壤有机碳的增加呈显著线性正相关,进一步说明在夏休闲期种植豆科绿肥主要是通过受保护有机碳含量的增加来提升土壤有机碳含量。豆科绿肥不仅能改善土壤结构,还能增加土壤有机碳的含量及稳定性。(3)结合生命周期评估(life-cycle assessment,LCA)和RothC模型可量化试验开始8年后及各处理土壤有机碳储量达到新平衡时小麦生产过程的碳足迹。选择大豆作为绿肥时,小麦在不同氮肥用量条件下8年的平均产量比FW处理高8%(P0.05),同时各主处理氮肥用量降低33%小麦不减产。虽然豆科绿肥处理会增加来自农田投入的温室气体排放量,但更多的碳还田及对应土壤有机碳储量的提升使其碳足迹比FW低25%-51%。当所有处理土壤有机碳储量都达到新平衡时,豆科绿肥处理的碳足迹比FW处理低53%-62%,比各自在现阶段的碳足迹低23%-37%。在当地常规种植模式中,选择怀豆和大豆作为绿肥替代夏休闲是保持小麦稳产并能持续降低碳足迹的有效措施;RothC模型和LCA结合可作为一种评估不同种植模式长期温室气体排放情况的方法。(4)以豆科绿肥各处理相对FW在非根区土层(100-200 cm)残留硝态氮零增长为标准,可确定3种豆科绿肥处理根区土层(0-100 cm)硝态氮持有量和相应的氮肥用量上限;再结合各豆科绿肥的氮还田量和小麦获得高产的总氮投入量阈值可进一步计算出相应的优化氮肥用量。豆科绿肥植株的氮累积量为61-90 kg ha~(-1),其中怀豆的氮累积量比大豆和绿豆高46%(P0.05)。线性+平台模型表明小麦获得高产的氮总投入量阈值为141 kg ha~(-1)。豆科绿肥处理根区土层的硝态氮持有量在104-117 kg ha~(-1)之间,此时对应的氮肥用量上限在97到130 kg ha~(-1)之间。综合上述结果可算出豆科绿肥各处理的优化氮肥用量为52-80 kg ha~(-1)。豆科绿肥具有较大的氮肥替代潜力,能在维持小麦高产的同时避免硝态氮在非根区土层积累。(5)以农民常规方式(FW+N_(162),BAU)为对照,依据前述研究结果构建了基于绿肥的优化管理模式情景(HW+N_(52),HNO和SW+N_(79),SNO)。选用36个气候模型输出在两种代表性浓度路径(RCP4.5和RCP8.5)情景下的未来气象资料,同时结合RothC模型,LCA和氮经验模型评估在气候变化条件下BAU、HNO和SNO在不同时段的土壤有机碳储量、碳足迹和环境代价,明确豆科绿肥对环境的意义。HNO和SNO的土壤有机碳储量在2100年时比BAU高14-18 Mg ha~(-1),但相对于RCP4.5,在RCP8.5情景下不同处理的土壤有机碳固存潜力由于气温更高而有所降低。HNO和SNO在不同时段的碳足迹分别为808-1388 kg CO_2 eq ha~(-1)和1280-1797 kg CO_2 eq ha~(-1),显著低于BAU的2756-3456 kg CO_2 eq ha~(-1)。HNO和SNO的总环境代价比BAU低46%-70%(P0.05),主要是因为豆科绿肥较大的氮肥替代潜力大幅降低了相关环境代价。HNO和SNO在未来较长时间内都能持续降低小麦生产过程的环境代价,除了土壤有机碳的固存,未来研究还需要更多关注豆科绿肥带来的氮肥减量潜力。综上,种植豆科绿肥可以改善土壤质量,并通过促进土壤固碳和替代氮肥降低小麦生产过程的环境代价,是面向未来的可持续田间管理模式。
【学位单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：S551;S512.11
【部分图文】：

第一章 文献综述1.1 研究目的和意义我国到 2050 年时人口依然会保持在 13 亿以上（AlexandratosandBruinsma,2012），为了确保粮食的自给自足，水稻、小麦和玉米等农作物一直以高产为主要目标。由于我国耕地面积仅为全球的 7%-9%，且有缓慢下降的趋势（国家统计局，2018），这使得提高单位面积农田的作物产量至关重要，因此现阶段作物生产以高化肥、高农药投入且耕翻频繁的集约化种植模式为主（图 1-1）。研究指出，大量的氮肥投入如果不能被作物及时吸收，会以氨气（NH3）、氧化亚氮（N2O）和硝态氮等活性氮的形式进入大气、土壤和水体，可引起多种与人类健康息息相关的环境问题（景建元等，2017,Bouwmaet al. 2002; Kramer et al. 2006; Liu et al. 2013; Yang et al. 2015）（图 1-2）。过于频繁的耕作导致的土壤肥力下降、土壤结构破坏和养分流失等问题也不利于作物稳产与增产（Soane et al. 2012）。综上，中国农业面临的挑战是如何在维持并逐步提高作物产量的前提下降低农业生产对土壤和环境的负面影响，促进可持续发展。

泛应用无论是在世界范围内还是在我国都使农业系统中来自豆科植物（豆科以及绿肥）固定的氮在最近几十年中出现了大幅下降（Smil,2001）。其中的原是施用化肥能在短期内带来明显的经济效益，且相对有机肥用量更少；另一植、翻压绿肥作物需要较多的人力和经济投入，不仅田间管理难度增加，而且产量可能优势不大。我国进入 20 世纪 90 年代以来绿肥种植面积大幅度下滑包括人们用地养地的观念逐渐淡化以及绿肥品种和利用形式相对单一等问题虽然氮肥对于维持和提高作物产量意义重大，但当投入量超过作物吸收量，活性氮的形式进入环境时，来自化肥的氮就成为了一种污染源。其中经由氨大气的氮与空气中的微小颗粒集合可加剧雾霾的发生（Plautz,2018;Anetal. 1-2）；通过硝化作用形成的硝态氮不易被土壤固定，在降水和灌溉时随水在移，进而可能污染地下水源（Gu et al. 2013）（图 1-2）；随地表径流进入河流可引起水体富营养化，进而导致水质恶化，生态系统破坏（Monteagudoetal.20反硝化作用形成的 N2O、NOx则会导致空气污染和全球变暖等问题（Chen9）。治理过量氮肥投入引起的环境问题代价高昂：根据欧洲最近 5 年的氮素评仅欧盟成员国在此项的花费就高达 700-3200 亿欧元（Sutton et al. 2011）。

西北农林科技大学博士学位论文麦高产且土壤剖面中硝态氮残留量低的氮肥施用范围，并确定优化氮肥用量。2.1.5 豆科绿肥配合优化氮肥用量下作物生产过程的环境代价以前述研究得出的结果为依据构建优化管理模式情景，并以当地农户的传统田间管理方式为对照。结合 LCA、36 个基于两种不同代表性浓度路径（representativeconcentration pathway, RCP）的气候模型、RothC 模型和氮周转经验模型，评估优化管理模式情景和农户传统管理方式在 2021-2100 年间 4 个不同时段（2021-2040，2041-2060，2061-2080 和 2081-2100）土壤有机碳储量的动态，碳足迹的变化以及温室气体和活性氮释放的环境代价，明确优化管理模式降低环境代价的潜力与机制，为建立可持续种植模式提供有价值的信息。2.2 技术路线
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本文编号：2845004