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长期有机无机肥配施降低黄淮海区域小麦‒大豆复种系统净温室效应

张鑫 郑成岩 李升明 谢方景 邓艾兴 张俊 宋振伟 张卫建

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长期有机无机肥配施降低黄淮海区域小麦‒大豆复种系统净温室效应

    作者简介: 张鑫 Tel:010-62128815;E-mail:zhangxin05@caas.cn;
    通讯作者: 张卫建, E-mail:zhangweijian@caas.cn
  • 基金项目: 国家绿肥产业技术体系 (CARS-22-G-16);国家重点研发计划项目子课题 (2016YFD0300803)

Long-term combined application of chemical and organic fertilizers decrease net greenhouse gas emission in wheat-soybean system in Huang-Huai-Hai region

    Corresponding author: ZHANG Wei-jian, E-mail:zhangweijian@caas.cn
  • 摘要:   【目的】  小麦‒大豆系统是黄淮海区域重要的禾豆复种系统,综合评价该系统的净碳排放对于我国农田固碳减排具有重要意义。借助30年的长期定位试验,综合评价不同施肥处理下小麦‒大豆复种系统的产量和净碳排放,旨在为该系统丰产低碳排放的施肥制度创新提供理论依据。  【方法】  试验包括单施牛粪 (M)、氮磷钾平衡施肥 (NPK)、氮磷钾加牛粪 (NPKM)、氮磷加秸秆 (NPS)、氮磷钾加饼肥 (NPKC)、氮磷钾加牛粪及饼肥 (NPKMC) 以及不施肥对照 (CK),共7个处理。综合分析了各处理田间直接温室气体排放 (N2O和CH4)、农田投入导致的间接碳排放与土壤有机碳固定,估算了单施牛粪、单施化肥以及化肥与不同有机物料配施的净碳排放,同时将碳排放与作物产量和土壤有机质相结合,综合评价了不同施肥措施下的净温室效应。  【结果】  小麦‒大豆复种系统中,小麦季施肥对大豆产量有显著后效,与单施NPK相比,NPKM、NPKC和NPKMC处理分别使大豆产量提高了31.0%、16.8%和24.0%,而M和NPS处理不利于大豆、小麦产量的提高。与NPK处理相比,M、NPKM、NPKMC处理的农田直接温室气体排放分别增加了49.4%、17.7%和12.4%,土壤有机碳年固定量分别显著提高了282.2%、137.3%和169.1%。M及NPKM处理的间接碳排放与NPK处理没有明显差异,而其他施肥处理的间接碳排放低于NPK处理。在各施肥处理中,由肥料投入导致的碳排放占总间接碳排放的比例最大,其次是灌溉用电和机械用柴油导致的碳排放。对净碳排放的估算结果表明,M处理的净碳排放为负值 (表现为碳汇),而其他处理下小麦–大豆复种系统均表现为碳源,NPK与有机物料配施的处理净碳排放显著低于NPK处理。此外,与NPK处理相比,NPK与有机物料配施使碳排放强度显著降低了36.5%~113.2%,使单位土壤有机质提升的温室气体排放 (δGHG/δSOM) 降低了69.4%~93.2%。  【结论】  黄淮海区域小麦‒大豆复种系统中,氮磷钾配施有机肥 (牛粪或饼肥) 可在保证小麦和大豆产量的同时,降低小麦‒大豆复种系统的净温室效应。
  • 图 1  试验期间小麦–大豆复种系统的日平均气温与日降水量

    Figure 1.  Daily mean air temperature and precipitation in the wheat-soybean cropping system during experimental period

    图 2  不同施肥处理对大豆和小麦产量的影响

    Figure 2.  Effects of different fertilization treatments on soybean and wheat yield

    图 3  总温室气体排放增加幅度、土壤有机质提高幅度以及单位土壤有机质提升的温室气体排放

    Figure 3.  Increment of total GHG emissions, SOM and δGHG/δSOM

    表 1  不同施肥处理下各种肥料的施用量 (kg/hm2)

    Table 1.  Nutrient inputs of different fertilization treatments

    处理
    Treatment
    肥料施用量 Amount of material折合养分量 Total nutrient input
    牛粪
    Cattle manure
    秸秆
    Wheat straw
    菜籽饼
    Rapeseed cake
    尿素
    Urea
    过磷酸钙
    Superphosphate
    硫酸钾
    Potassium sulphate
    NPK
    CK000000000
    M7500000000240188113
    NPK0005221338267240335120
    NPKM3750000261669134240261116
    NPS02667002619200240289147
    NPKC002124261923194240289118
    NPKMC37500085115640281240218105
    注(Note):CK—不施肥 No fertilizer input; M—单施牛粪 Sole cattle manure; NPK—氮磷钾化肥 Chemical NPK fertilizer; NPKM—氮磷钾化肥加牛粪 NPK fertilizer plus cattle manure; NPS—氮磷肥加秸秆 NP fertilizer plus straw; NPKC—氮磷钾加饼肥 NPK fertilizer plus rapeseed cake; NPKMC—氮磷钾加牛粪及饼肥 NPK fertilizer plus cattle manure and rapeseed cake; 牛粪与菜籽饼的重量按湿重计,秸秆的重量按风干重计 The amounts of cattle manure and rapeseed cake are calculated in fresh base, and straw in air dry base.
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    表 2  农田投入的排放系数

    Table 2.  Emission factors of agriculture inputs

    农田投入 Agricultural input排放系数 Emission factor
    肥料 Fertilizer氮肥 N fertilizer1.53 CO2-eq kg/kg, N fertilizer
    磷肥 P fertilizer1.63 CO2-eq kg/kg, P fertilizer
    钾肥 K fertilizer0.66 CO2-eq kg/kg, K fertilizer
    牛粪 Cattle manure0.028 CO2-eq kg/kg, cattle manure
    菜籽饼
    Rapeseed cake
    1.53 CO2-eq kg/kg, rapeseed cake
    农药
    Pesticide
    杀虫剂 Insecticide16.60 CO2-eq kg/kg, insecticide
    除草剂 Herbicide10.60 CO2-eq kg/kg, herbicide
    杀菌剂 Bactericide10.20 CO2-eq kg/kg, bactericide
    种子 Seed0.58 CO2-eq kg/kg, seed
    电 Electricity1.23 CO2-eq kg/kWh
    柴油 Diesel oil0.89 CO2-eq kg/kg, diesel oil
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    表 3  田间直接温室气体排放

    Table 3.  Direct greenhouse gas emissions from field

    作物
    Crop
    处理
    Treatment
    N2O
    (kg/hm2)
    CH4
    (kg/hm2)
    单位面积直接排放 ADemi
    (CO2-eq kg/hm2)
    单位产量直接排放 YDemi
    (CO2-eq kg/kg, grain yield)
    大豆 SoybeanCK0.35 b0.47 a116.7 b0.11 ab
    M0.87 a–0.39 b248.9 a0.14 a
    NPK0.66 ab–0.24 b189.5 ab0.09 ab
    NPKM0.64 ab–0.09 ab188.1 ab0.07 b
    NPS0.65 ab0.00 ab194.8 ab0.12 ab
    NPKC0.56 ab0.48 a180.3 ab0.07 b
    NPKMC0.73 ab–0.14 ab212.8 ab0.08 b
    小麦 WheatCK0.36 d–0.65 a90.2 d0.02 b
    M0.92 a–0.71 a256.8 a0.03 a
    NPK0.47 bcd0.31 a149.0 bcd0.02 b
    NPKM0.72 ab–0.20 a210.2 ab0.03 ab
    NPS0.40 cd0.07 a119.8 cd0.02 b
    NPKC0.66 abc–0.63 a179.8 abc0.02 ab
    NPKMC0.57 bcd–0.11 a167.6 bcd0.02 b
    周年 AnnualCK0.71 c–0.17 a206.9 c0.04 b
    M1.79 a–1.11 a505.7 a0.06 a
    NPK1.13 bc0.07 a338.5 bc0.03 b
    NPKM1.36 ab–0.29 a398.3 ab0.04 b
    NPS1.05 bc0.06 a314.6 bc0.04 ab
    NPKC1.22 b–0.15 a360.1 b0.04 b
    NPKMC1.30 b–0.25 a380.4 ab0.03 b
    注(Note):CK—不施肥 No fertilizer input; M—单施牛粪 Sole cattle manure; NPK—氮磷钾化肥 Chemical NPK fertilizer; NPKM—氮磷钾化肥加牛粪 NPK fertilizer plus cattle manure; NPS—氮磷肥加秸秆 NP fertilizer plus straw; NPKC—氮磷钾加饼肥 NPK fertilizer plus rapeseed cake; NPKMC—氮磷钾加牛粪加饼肥 NPK fertilizer plus cattle manure and rapeseed cake; 同列数据后不同小写字母表示同一作物不同施肥处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different small letters in the same column indicate significant difference among treatments for the same crop (P < 0.05).
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    表 4  农田投入导致的间接碳排放

    Table 4.  Indirect carbon emissions from agricultural inputs

    处理
    Treatment
    肥料投入 Fertilizer input
    (CO2-eq kg/hm2)
    农药投入 Pesticide input
    (CO2-eq kg/hm2)
    其他投入 Other input
    (CO2-eq kg/hm2)
    单位面积
    间接排放
    AIDemi
    [CO2-eq kg/(hm2·year)]
    单位产量
    间接排放
    YIDemi
    [CO2-eq kg/(kg·year)]
    氮肥
    N
    fertilizer
    磷肥
    P
    fertilizer
    钾肥
    K
    fertilizer
    牛粪
    Manure
    菜籽饼
    Rapeseed
    cake
    杀虫剂
    Insecticide
    除草剂
    Herbicide
    杀菌剂
    Bactericide
    种子
    Seed

    Electricity
    柴油
    Diesel
    oil
    CK0000041.519.713124.1387.5225.9811.60.20 d
    M0003155.3041.519.713124.1387.5225.93966.80.44 a
    NPK798.72180.9174.90041.519.713124.1387.5225.93966.00.40 ab
    NPKM399.31090.587.41577.6041.519.713124.1387.5225.93966.40.38 b
    NPS399.31498.800041.519.713124.1387.5225.92709.70.31 c
    NPKC399.31503.7126.7058.441.519.713124.1387.5225.92899.70.29 c
    NPKMC238.7655.353.11577.623.441.519.713124.1387.5225.93359.60.31 c
    注(Note):间接碳排放为周年农田投入导致的总碳排放量 The indirect carbon emission is produced by the annual agricultural inputs; CK—不施肥 No fertilizer input; M—单施牛粪 Sole cattle manure; NPK—氮磷钾化肥 Chemical NPK fertilizer; NPKM—氮磷钾化肥加牛粪 NPK fertilizer plus cattle manure; NPS—氮磷肥加秸秆 NP fertilizer plus straw; NPKC—氮磷钾加饼肥 NPK fertilizer plus rapeseed cake; NPKMC—氮磷钾加牛粪及饼肥 NPK fertilizer plus cattle manure and rapeseed cake. 同列数据后不同小写字母表示不同处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different small letters in a column indicate significant difference among treatments (P < 0.05).
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    表 5  周年净碳排放

    Table 5.  Annual net carbon emissions

    处理
    Treatment
    直接排放
    ADemi
    (CO2-eq kg/hm2)
    间接排放
    AIDemi
    (CO2-eq kg/hm2)
    土壤有机碳固定
    SOCSR
    (C kg/hm2)
    净碳排放
    Net carbon emissions
    [CO2-eq kg/(hm2·year)]
    碳排放强度
    Emission intensity
    [CO2-eq kg /(kg·year)]
    CK206.9 c811.6233.1 e163.9 cd0.03 c
    M505.7 a3966.81316.3 a–353.9 d–0.04 c
    NPK338.5 bc3966.0344.4 de3041.7 a0.30 a
    NPKM398.3 ab3966.4817.2 bc1368.5 b0.12 b
    NPS314.6 bc2709.7566.7 cd946.6 bc0.13 b
    NPKC360.1 b2899.7367.1 de1913.6 b0.19 b
    NPKMC380.4 ab3359.6926.8 b341.6 cd0.02 c
    注(Note):间接碳排放为周年农田投入导致的总碳排放量 The indirect carbon emission is produced by the annual agricultural inputs. CK—不施肥 No fertilizer input; M—单施牛粪 Sole cattle manure; NPK—氮磷钾化肥 Chemical NPK fertilizer; NPKM—氮磷钾化肥加牛粪 NPK fertilizer plus cattle manure; NPS—氮磷肥加秸秆 NP fertilizer plus straw; NPKC—氮磷钾加饼肥 NPK fertilizer plus rapeseed cake; NPKMC—氮磷钾加牛粪及饼肥 NPK fertilizer plus cattle manure and rapeseed cake; 同列数据后不同小写字母表示不同处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different small letters in a column indicate significant difference among treatments (P < 0.05).
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-08-10
  • 网络出版日期:  2021-01-21
  • 刊出日期:  2020-12-25

长期有机无机肥配施降低黄淮海区域小麦‒大豆复种系统净温室效应

    作者简介:张鑫 Tel:010-62128815;E-mail:zhangxin05@caas.cn
    通讯作者: 张卫建, zhangweijian@caas.cn
  • 1. 中国农业科学院作物科学研究所/农业农村部作物生理生态重点实验室,北京 100081
  • 2. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/耕地保育技术国家工程实验室,北京 100081
  • 3. 萧县农业科学研究所,安徽萧县 235200
  • 基金项目: 国家绿肥产业技术体系 (CARS-22-G-16);国家重点研发计划项目子课题 (2016YFD0300803)
  • 摘要:   【目的】  小麦‒大豆系统是黄淮海区域重要的禾豆复种系统,综合评价该系统的净碳排放对于我国农田固碳减排具有重要意义。借助30年的长期定位试验,综合评价不同施肥处理下小麦‒大豆复种系统的产量和净碳排放,旨在为该系统丰产低碳排放的施肥制度创新提供理论依据。  【方法】  试验包括单施牛粪 (M)、氮磷钾平衡施肥 (NPK)、氮磷钾加牛粪 (NPKM)、氮磷加秸秆 (NPS)、氮磷钾加饼肥 (NPKC)、氮磷钾加牛粪及饼肥 (NPKMC) 以及不施肥对照 (CK),共7个处理。综合分析了各处理田间直接温室气体排放 (N2O和CH4)、农田投入导致的间接碳排放与土壤有机碳固定,估算了单施牛粪、单施化肥以及化肥与不同有机物料配施的净碳排放,同时将碳排放与作物产量和土壤有机质相结合,综合评价了不同施肥措施下的净温室效应。  【结果】  小麦‒大豆复种系统中,小麦季施肥对大豆产量有显著后效,与单施NPK相比,NPKM、NPKC和NPKMC处理分别使大豆产量提高了31.0%、16.8%和24.0%,而M和NPS处理不利于大豆、小麦产量的提高。与NPK处理相比,M、NPKM、NPKMC处理的农田直接温室气体排放分别增加了49.4%、17.7%和12.4%,土壤有机碳年固定量分别显著提高了282.2%、137.3%和169.1%。M及NPKM处理的间接碳排放与NPK处理没有明显差异,而其他施肥处理的间接碳排放低于NPK处理。在各施肥处理中,由肥料投入导致的碳排放占总间接碳排放的比例最大,其次是灌溉用电和机械用柴油导致的碳排放。对净碳排放的估算结果表明,M处理的净碳排放为负值 (表现为碳汇),而其他处理下小麦–大豆复种系统均表现为碳源,NPK与有机物料配施的处理净碳排放显著低于NPK处理。此外,与NPK处理相比,NPK与有机物料配施使碳排放强度显著降低了36.5%~113.2%,使单位土壤有机质提升的温室气体排放 (δGHG/δSOM) 降低了69.4%~93.2%。  【结论】  黄淮海区域小麦‒大豆复种系统中,氮磷钾配施有机肥 (牛粪或饼肥) 可在保证小麦和大豆产量的同时,降低小麦‒大豆复种系统的净温室效应。

    English Abstract

    • 全球气候变暖是气候变化的重要特征[1]。人类活动导致的温室气体 (greenhouse gas,GHG) 排放是造成全球气候变暖的主要原因之一[2]。而农田土壤是全球温室气体的重要排放源,研究表明,由农业导致的温室气体约占人为温室气体排放总量的15%~25%[3],同时农田土壤也是巨大的碳库,农田固碳减排意义显著[4-5]。随着全球人口不断增长,粮食需求相应增加,根据联合国粮食及农业组织预测[6],2005到2050年,世界粮食生产需提高60%才能满足人口增长的需求。施肥是作物稳产丰产的主要农业措施之一,施肥会显著影响土壤温室气体排放,同时不同施肥措施的土壤碳固定速率也不同。如Shang等[7]、Gu等[8]通过定位试验研究发现,长期施有机肥的土壤碳固定能抵消田间温室气体的增温潜势。此外,农田投入导致的间接排放也不容忽视,如Huang等[9]通过碳足迹的估算得出,由农田施肥等投入导致的间接碳排放对全球增温潜势有显著贡献。因此,当前基于生命周期评价 (LCA) 方法的农田生态系统综合温室效应估算受到越来越多的关注。前人研究中通常将土壤净碳排放分为田间直接温室气体排放、农田投入导致的间接碳排放以及土壤碳固定三部分[10-11],综合评价不同施肥措施的净碳排放可为农田生态系统固碳减排理论和施肥技术创新提供参考,对保障粮食安全和减缓气候变化意义突出。

      黄淮海区域是我国粮食主产区之一,耕地面积约占全国耕地总面积的20%[12]。冬小麦–夏玉米复种连作是黄淮海区域的主要种植模式,长期单一种植模式下存在氮肥投入量过大、水肥资源利用效率低等一系列问题[13-14],不利于农田生态系统的健康和可持续发展。而在种植系统中引入豆科作物则是提升土壤肥力、增加作物产量、提高资源利用效率的重要措施[15-16]。小麦–大豆系统是黄淮海区域重要的禾豆复种系统,包含世界最主要的粮食作物之一小麦,以及重要的油料和蛋白质作物大豆[17]。探究小麦–大豆复种系统在保证产量的同时减少碳排放的施肥措施具有重要意义。Bhattacharyya等[18]研究发现,与单施NPK化肥相比,NPK与有机肥配施显著提高了小麦–大豆复种系统的作物产量与土壤有机碳含量。Qin等[19]研究表明,NPK与粪肥配施提高了小麦–大豆复种系统的水分利用效率,而降低了肥料利用效率。但关于长期施肥对小麦–大豆复种系统产量与净碳排放的影响尚缺少研究。

      综上,本研究通过综合田间直接温室气体排放、农田投入导致的间接碳排放与土壤碳固定三方面,估算不同施肥措施的净碳排放,同时将碳排放与产量和土壤肥力指标 (有机质) 结合,综合评价不同施肥措施的净温室效应,旨在为黄淮海区域小麦–大豆复种系统丰产低碳排放的施肥制度创新提供理论依据和技术指导。

      • 长期定位施肥试验始于1983年,试验点位于安徽省宿州市萧县农业科学研究所 (34°18′N,116°53′E)。试验区位于黄淮海平原的南端,平均海拔180~350 m,所属气候为暖温带大陆性季风气候,年平均气温14.4℃,年降水量855 mm,日照时数2228 h,无霜期208 天。试验期间的气温与降水量日变化动态如图1所示。根据国际土壤分类系统的标准,试验区土壤类型为冲积土[20],长期试验开始前表层 (0—20 cm) 土壤基本特性为:有机碳 6.4 g/kg、碱解氮 50.0 mg/kg、有效磷 3.0 mg/kg。

        图  1  试验期间小麦–大豆复种系统的日平均气温与日降水量

        Figure 1.  Daily mean air temperature and precipitation in the wheat-soybean cropping system during experimental period

      • 试验采用随机区组设计,设置7个处理,3次重复,小区面积110.6 m2 (14.0 m × 7.9 m)。试验处理分别为:单施牛粪 (M)、氮磷钾平衡施肥 (NPK)、氮磷钾加牛粪 (NPKM)、氮磷肥加秸秆 (NPS)、氮磷钾加饼肥 (NPKC)、氮磷钾加牛粪及饼肥 (NPKMC)、以及不施肥对照 (CK)。小麦播种前,所有的氮磷钾化肥与有机肥均做基肥一次性施入,结合旋耕均匀施入耕层土壤 (0—20 cm),大豆季不再施肥。各施肥处理的氮投入总量相等,均为240 kg/hm2,磷、钾素不统一定量。试验中M与NPKM、NPKMC处理中采用的粪肥为牛粪,NPS处理的秸秆为上一年的小麦秸秆,NPKC和NPKMC处理中的饼肥为菜籽饼,氮、磷、钾化肥分别为尿素、过磷酸钙与硫酸钾。其中,NPKM、NPS与NPKC处理的化肥氮与有机物料投入氮各占50%左右,NPKMC处理中牛粪投入的氮占50%左右,化肥与饼肥投入的氮各占25%左右。不同年份施用的有机物料尽量保证来源一致,每3~5年测定其养分含量,并据此确定每种肥料的具体施用量。以本研究田间监测与取样的年份 (2014—2015年) 为例,牛粪的N、P、K含量分别为3.2、2.5、1.5 g/kg (湿),小麦秸秆的N、P、K含量分别为4.5、2.2、5.5 g/kg (干),菜籽饼的N、P、K含量分别为56.5、27.4、14.6 g/kg (湿)。不同处理中各种肥料的施用量及折合的N、P、K总量如表1所示。

        表 1  不同施肥处理下各种肥料的施用量 (kg/hm2)

        Table 1.  Nutrient inputs of different fertilization treatments

        处理
        Treatment
        肥料施用量 Amount of material折合养分量 Total nutrient input
        牛粪
        Cattle manure
        秸秆
        Wheat straw
        菜籽饼
        Rapeseed cake
        尿素
        Urea
        过磷酸钙
        Superphosphate
        硫酸钾
        Potassium sulphate
        NPK
        CK000000000
        M7500000000240188113
        NPK0005221338267240335120
        NPKM3750000261669134240261116
        NPS02667002619200240289147
        NPKC002124261923194240289118
        NPKMC37500085115640281240218105
        注(Note):CK—不施肥 No fertilizer input; M—单施牛粪 Sole cattle manure; NPK—氮磷钾化肥 Chemical NPK fertilizer; NPKM—氮磷钾化肥加牛粪 NPK fertilizer plus cattle manure; NPS—氮磷肥加秸秆 NP fertilizer plus straw; NPKC—氮磷钾加饼肥 NPK fertilizer plus rapeseed cake; NPKMC—氮磷钾加牛粪及饼肥 NPK fertilizer plus cattle manure and rapeseed cake; 牛粪与菜籽饼的重量按湿重计,秸秆的重量按风干重计 The amounts of cattle manure and rapeseed cake are calculated in fresh base, and straw in air dry base.

        2014—2015年间,采用的大豆与小麦品种分别为科豆1号和皖麦36。大豆于6月中旬播种,播种密度为15万株/hm2,行距40 cm,于10月初收获;冬小麦于10月底播种,播种量为180 kg/hm2,行距25 cm,6月初收获。除施肥外,田间管理都与当地高产栽培措施相同。分别于大豆、小麦成熟期取面积为1 m2的植株样品,人工脱粒后测定其产量,并折合成单位面积产量。

      • 本研究的边界为小麦–大豆复种系统,综合小麦–大豆周年的田间直接温室气体排放 (N2O与CH4)、由农田投入导致的间接碳排放以及土壤年固碳量3个部分。

      • 于2014年6月—2015年6月,通过静态箱法[21]采集温室气体样品,连续监测1个周年的N2O与CH4两种温室气体排放。除排放较少的冬季外,平均1~2周取样一次。采样装置由不透明的PVC材料制成,包括箱体 (长30 cm × 宽15 cm × 高30 cm) 和底座 (长30 cm × 宽15 cm × 深10 cm) 两部分。于作物播种后在每个小区随机选取平整均匀的地块,将底座固定于行间10 cm深处,整个生育期内保持底座位置不变。底座顶端留有水槽,取样时水槽中需注水并与箱体底部嵌合,以保证气箱内部形成密闭环境。每次取样时,分别在箱体与底座密闭后的0、10、20、30 min用塑料注射器抽取50 mL箱内气体样品,然后注入提前抽好真空的玻璃瓶中带回实验室测定。取样过程中,取气箱内的温度用温度计同步测定。

        气体样品中N2O与CH4的浓度 (μL/L) 采用气相色谱仪 (Agilent 7890A,USA) 检测。两种目标气体的排放通量 (flux) 是指单位面积及单位时间内该气体的排放量。排放通量计算公式为:

        ${{F}} = {\rm{\rho }} \times 273/\left( {273 + {{T}}} \right) \times {{H}} \times dC/dt$

        式中:F为排放通量[μg/(m2·h)];ρ为标准大气压下待测气体密度 (kg/m3);T为取气箱内平均温度 (℃);H为采气箱体高度 (m);dC/dt为气体浓度变化速率。

        大豆和小麦生育期内气体的累积排放量采用积分的方法进行计算[22]

        采用IPCC[2]100年尺度的因子,将N2O和CH4累积排放量折算为CO2当量来计算田间直接温室气体排放量 (Demi),单位面积直接排放计算公式为:

        $\begin{split} {\rm{A}}{{\rm{D}}_{emi}}({\rm{C}}{{\rm{O}}_2} {\text{-}} {\rm{eq}}\;{\rm{kg}}/{\rm{h}}{{\rm{m}}^2}) =& 298 \times {{\rm{N}}_2}{\rm{O}}\;({\rm{kg}}/{\rm{h}}{{\rm{m}}^2}) + \\ & 25 \times {\rm{C}}{{\rm{H}}_4}\;({\rm{kg}}/{\rm{h}}{{\rm{m}}^2}) \end{split}$

        单位产量直接排放量YDemi通过以下公式计算得出:

        ${\rm{Y}}{{\rm{D}}_{emi}}({\rm{C}}{{\rm{O}}_2}{\text{-}} {\rm{eq}}\;{\rm{kg}}/{\rm{kg}},\;{\rm{grain}}\;{\rm{yield}}) = {\rm{A}}{{\rm{D}}_{emi}}/{\text{籽粒产量}}$

      • 本研究中的间接碳排放包含农业生产过程中,因所投入的化学品如肥料、农药等的生产、包装、存储和运输过程中引起的各种间接碳排放,以及播种、耕地、灌溉和收获等措施所用机械燃料或消耗其他形式能源过程中引起的碳排放总量。

        由农田投入导致的间接碳排放 (IDemi) 根据以下公式计算[9]

        $\begin{split} & {\text{单位面积间接碳排放}}\\ & {\rm{AI}}{{\rm{D}}_{emi}}\left( {{\rm{C}}{{\rm{O}}_2}{\text{-} {\rm {eq}}}\;{\rm{kg/h}}{{\rm{m}}^{\rm{2}}}} \right) = \mathop \sum \limits_{i=1}^n {\rm{Cos}}{{\rm{t}}_i} \times {\rm{E}}{{\rm{F}}_i} \end{split}$

        式中:i为农田投入的种类,包括化肥、有机肥、农药、种子、灌溉用电、机械用柴油等;Costi为某种投入的用量 (kg/hm2或kWh/hm2);EFi为某种投入的排放系数 (CO2-eq kg/kg或CO2-eq kg/kWh),其中化肥、农药、种子、电和柴油的排放系数参考Li等[23]和Huang等[9],采纳自中国生命周期核心数据库 (CLCD,表2)。CLCD是国内目前唯一可公开获得的中国本土生命周期评价基础数据库,其数据代表了中国生产技术及市场平均水平。

        表 2  农田投入的排放系数

        Table 2.  Emission factors of agriculture inputs

        农田投入 Agricultural input排放系数 Emission factor
        肥料 Fertilizer氮肥 N fertilizer1.53 CO2-eq kg/kg, N fertilizer
        磷肥 P fertilizer1.63 CO2-eq kg/kg, P fertilizer
        钾肥 K fertilizer0.66 CO2-eq kg/kg, K fertilizer
        牛粪 Cattle manure0.028 CO2-eq kg/kg, cattle manure
        菜籽饼
        Rapeseed cake
        1.53 CO2-eq kg/kg, rapeseed cake
        农药
        Pesticide
        杀虫剂 Insecticide16.60 CO2-eq kg/kg, insecticide
        除草剂 Herbicide10.60 CO2-eq kg/kg, herbicide
        杀菌剂 Bactericide10.20 CO2-eq kg/kg, bactericide
        种子 Seed0.58 CO2-eq kg/kg, seed
        电 Electricity1.23 CO2-eq kg/kWh
        柴油 Diesel oil0.89 CO2-eq kg/kg, diesel oil

        粪肥的运输、管理以及饼肥的生产等过程中会产生额外的温室气体,但目前尚缺少公认的排放因子。对于牛粪的间接碳排放,本研究参考省级温室气体清单编制指南 (试行)[24]华北地区畜禽粪便管理的N2O和CH4排放因子,并根据畜禽粪便年排泄量数据[25],计算出牛粪的碳排放系数;菜籽饼肥的碳排放系数参考Lal[26]和张晓旭[27]的方法。

        $\begin{split} & {\text{单位产量间接碳排放}}\\ & {\rm{YI}}{{\rm{D}}_{emi}}\left( {{\rm{C}}{{\rm{O}}_2}{\text{-}} {\rm{eq}}\;{\rm{kg}}/{\rm{kg}},\;{\rm{grain}}\;{\rm{yield}}} \right) = {\rm{AI}}{{\rm{D}}_{emi}}/{\text{周年产量}} \end{split}$

      • 2014年10月于大豆收获期用土钻 (直径5 cm) 取田间耕层 (0—20 cm) 的土样,每小区取5钻,混匀后作为一个样品,带回实验室风干并过0.149 mm筛,采用重铬酸钾氧化—滴定法[28]测定土壤有机碳 (SOC) 含量,再乘以系数1.724,即为土壤有机质 (SOM) 含量。取样的同时用环刀法测定土壤容重[29]

        参照国内外相关研究,土壤有机碳年固定量根据长期试验期间有机碳库的平均变化速率进行估算[30-31]

        ${\rm{dSOC}}/{\rm{d}}t\left[ {{\rm{C}}\;{\rm{g}}/\left( {{\rm{kg}}\cdot{\rm{year}}} \right)} \right] = \left( {{\rm{SO}}{{\rm{C}}_t}-{\rm{SO}}{{\rm{C}}_0}} \right)/t$

        式中:SOCt与SOC0分别指试验第t年 (2014) 与试验开始年份的SOC含量;t为试验持续年数。

        土壤有机碳年固定量 (SOCSR) 根据以下公式进行估算[32-33]

        ${\rm{SOCSR}}\left[ {{\rm{C}}\;{\rm{kg}}/\left( {{\rm{h}}{{\rm{m}}^2}\cdot{\rm{year}}} \right)} \right] = {\rm{dSOC}}/{\rm{d}}t \times {\rm{BD}} \times {\rm{H}} \times 100$

        式中:BD指耕层土壤的容重 (2014年);H指耕层的深度 (20 cm);100为面积转换系数。

      • 小麦–大豆复种系统的净碳排放由田间直接排放、农田投入导致的间接碳排放和土壤碳固定三部分相加进行估算[10, 34],各部分均为周年数值,并以CO2当量来表示,计算公式如下:

        $\begin{split} & {\text{净碳排放}}\left[ {{\rm{C}}{{\rm{O}}_2} \text{-} {\rm{eq}}\;{\rm{kg}}/\left( {{\rm{h}}{{\rm{m}}^2}\cdot{\rm{year}}} \right)} \right] =\\ & {\rm{A}}{{\rm{D}}_{emi}} + {\rm{AI}}{{\rm{D}}_{emi}}-{\rm{SOCSR}} \times 44/12 \end{split}$

        净碳排放为正值时系统表现为碳源,负值则表现为碳汇。

        碳排放强度通过单位产量的净碳排放进行计算[34]

        $\begin{split} & {\text{碳排放强度}} \left[ {{\rm{C}}{{\rm{O}}_2} \text{-} {\rm{eq}}\;{\rm{kg}}/\left( {{\rm{kg}} \cdot {\rm{year}}} \right)} \right] =\\ & {\text{净碳排放}}/{\text{周年产量}} \end{split}$

      • 土壤有机质 (SOM) 是土壤肥力的关键因子,为了将温室气体排放与土壤肥力指标建立联系,通过分析二者的平衡综合评价不同施肥措施的温室效应,我们引入新的评价指标—单位土壤有机质提升的温室气体排放 (δGHG/δSOM),即施肥处理下温室气体排放量增加幅度与土壤有机质提高幅度的比值,表示单位土壤有机质提升的温室气体排放,旨在比较提升单位量的土壤有机质所要承担的温室气体排放量,该指标越低表示提升单位量的土壤有机质所要承担的温室气体排放量越低,计算公式如下:

        ${\rm{\delta GHG}}/{\rm{\delta SOM}} = ({\rm{GHGt}}/{\rm{GHGc}} - 1)/({\rm{SOMt}}/{\rm{SOMc}} - 1)$

        式中:GHG为总温室气体排放,是田间直接温室气体排放ADemi与农田投入导致的间接碳排放AIDemi的总和;GHGt与GHGc分别指施肥处理和不施肥对照下的总排放;SOMt与SOMc分别指施肥处理和不施肥对照下的土壤有机质含量。

      • 用Microsoft Excel 2003软件进行数据处理和图表绘制,用SAS 9.2统计软件的ANOVA方法进行统计分析和差异显著性检验,用LSD法进行多重比较。

      • 图2显示,与不施肥 (CK) 相比,施肥处理显著提高了大豆、小麦的产量 (P < 0.05),各施肥处理的大豆、小麦产量分别显著提高了67.6%~178.8%和29.1%~88.2%。

        图  2  不同施肥处理对大豆和小麦产量的影响

        Figure 2.  Effects of different fertilization treatments on soybean and wheat yield

        不同施肥处理间的产量也存在一定差异。与单施NPK化肥相比,NPK加牛粪的处理 (NPKM、NPKMC) 使大豆产量显著提高了31.0%、24.0% (P < 0.05),NPKC处理使大豆产量提高了16.8%,而M和NPS处理下大豆产量有降低的趋势。施用有机物料的小麦产量与NPK处理之间差异不显著。从周年的产量来看,各施肥处理中NPKMC的周年产量最高,其次是NPKM处理,NPKMC、NPKM和NPKC处理的周年产量分别比NPK处理提高了9.4%、2.7%和0.6%,而M和NPS处理下周年产量分别降低了12.7%和26.2%。

      • 田间监测结果表明,不同施肥处理对土壤N2O排放的影响存在差异 (表3)。施用有机肥 (牛粪、饼肥) 能促进土壤N2O排放,特别是小麦季M处理的N2O累积排放量显著高于NPK处理 (P < 0.05)。与NPK处理相比,M、NPKM、NPKC以及NPKMC处理分别使周年N2O累积排放量增加了58.3%、20.4%、8.0%和14.8%,而NPS处理使周年N2O累积排放量降低了7.1%。不同施肥处理对CH4排放的影响较小,仅在大豆季的NPK和M处理中显著低于CK和NPKC处理 (P < 0.05),而小麦季各处理间差异不显著。从周年的累积排放量来看,除NPK与NPS处理外,其他处理的CH4累积排放量均为负值。

        表 3  田间直接温室气体排放

        Table 3.  Direct greenhouse gas emissions from field

        作物
        Crop
        处理
        Treatment
        N2O
        (kg/hm2)
        CH4
        (kg/hm2)
        单位面积直接排放 ADemi
        (CO2-eq kg/hm2)
        单位产量直接排放 YDemi
        (CO2-eq kg/kg, grain yield)
        大豆 SoybeanCK0.35 b0.47 a116.7 b0.11 ab
        M0.87 a–0.39 b248.9 a0.14 a
        NPK0.66 ab–0.24 b189.5 ab0.09 ab
        NPKM0.64 ab–0.09 ab188.1 ab0.07 b
        NPS0.65 ab0.00 ab194.8 ab0.12 ab
        NPKC0.56 ab0.48 a180.3 ab0.07 b
        NPKMC0.73 ab–0.14 ab212.8 ab0.08 b
        小麦 WheatCK0.36 d–0.65 a90.2 d0.02 b
        M0.92 a–0.71 a256.8 a0.03 a
        NPK0.47 bcd0.31 a149.0 bcd0.02 b
        NPKM0.72 ab–0.20 a210.2 ab0.03 ab
        NPS0.40 cd0.07 a119.8 cd0.02 b
        NPKC0.66 abc–0.63 a179.8 abc0.02 ab
        NPKMC0.57 bcd–0.11 a167.6 bcd0.02 b
        周年 AnnualCK0.71 c–0.17 a206.9 c0.04 b
        M1.79 a–1.11 a505.7 a0.06 a
        NPK1.13 bc0.07 a338.5 bc0.03 b
        NPKM1.36 ab–0.29 a398.3 ab0.04 b
        NPS1.05 bc0.06 a314.6 bc0.04 ab
        NPKC1.22 b–0.15 a360.1 b0.04 b
        NPKMC1.30 b–0.25 a380.4 ab0.03 b
        注(Note):CK—不施肥 No fertilizer input; M—单施牛粪 Sole cattle manure; NPK—氮磷钾化肥 Chemical NPK fertilizer; NPKM—氮磷钾化肥加牛粪 NPK fertilizer plus cattle manure; NPS—氮磷肥加秸秆 NP fertilizer plus straw; NPKC—氮磷钾加饼肥 NPK fertilizer plus rapeseed cake; NPKMC—氮磷钾加牛粪加饼肥 NPK fertilizer plus cattle manure and rapeseed cake; 同列数据后不同小写字母表示同一作物不同施肥处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different small letters in the same column indicate significant difference among treatments for the same crop (P < 0.05).

        不同处理下的田间直接温室气体排放 (ADemi)存在差异 (表3)。在大豆季与小麦季,各施肥处理的周年ADemi均高于不施肥对照。与NPK处理相比,施用有机肥的处理提高了田间直接温室气体排放,M、NPKM、NPKC以及NPKMC处理下,周年的ADemi分别提高了49.4%、17.7%、6.4%和12.4%,其中M与NPK处理间差异达到显著水平 (P < 0.05)。

        不同处理间的单位产量直接排放 (YDemi) 存在显著差异 (表3P < 0.05),在大豆季与小麦季均以M处理的YDemi最高,除NPS处理外,其他处理的周年YDemi显著低于M处理。

      • 由农田投入导致的单位面积与单位产量间接碳排放 (AIDemi、YIDemi)如表4所示。本研究中,各处理的农药、种子、电与柴油投入量一致,由于CK没有肥料投入,其AIDemi低于施肥处理。各施肥处理的AIDemi在2709.7~3966.8 CO2-eq kg/(hm2·year) 范围内,其中M或NPKM处理的间接碳排放与单施NPK没有明显差异,而NPS、NPKC和NPKMC处理的间接碳排放分别比NPK处理降低31.7%、26.9%和15.3%。在施肥处理中,由肥料投入导致的碳排放占总间接碳排放的比例最大,为70.0%~79.5%,其次是灌溉用电和机械用柴油导致的碳排放,分别占总间接碳排放的9.8%~14.3%和5.7%~8.3%。不同施肥措施之间YIDemi差异显著,其中M和NPK处理的YIDemi最高,其次是NPKM处理,而CK的YIDemi最低。

        表 4  农田投入导致的间接碳排放

        Table 4.  Indirect carbon emissions from agricultural inputs

        处理
        Treatment
        肥料投入 Fertilizer input
        (CO2-eq kg/hm2)
        农药投入 Pesticide input
        (CO2-eq kg/hm2)
        其他投入 Other input
        (CO2-eq kg/hm2)
        单位面积
        间接排放
        AIDemi
        [CO2-eq kg/(hm2·year)]
        单位产量
        间接排放
        YIDemi
        [CO2-eq kg/(kg·year)]
        氮肥
        N
        fertilizer
        磷肥
        P
        fertilizer
        钾肥
        K
        fertilizer
        牛粪
        Manure
        菜籽饼
        Rapeseed
        cake
        杀虫剂
        Insecticide
        除草剂
        Herbicide
        杀菌剂
        Bactericide
        种子
        Seed

        Electricity
        柴油
        Diesel
        oil
        CK0000041.519.713124.1387.5225.9811.60.20 d
        M0003155.3041.519.713124.1387.5225.93966.80.44 a
        NPK798.72180.9174.90041.519.713124.1387.5225.93966.00.40 ab
        NPKM399.31090.587.41577.6041.519.713124.1387.5225.93966.40.38 b
        NPS399.31498.800041.519.713124.1387.5225.92709.70.31 c
        NPKC399.31503.7126.7058.441.519.713124.1387.5225.92899.70.29 c
        NPKMC238.7655.353.11577.623.441.519.713124.1387.5225.93359.60.31 c
        注(Note):间接碳排放为周年农田投入导致的总碳排放量 The indirect carbon emission is produced by the annual agricultural inputs; CK—不施肥 No fertilizer input; M—单施牛粪 Sole cattle manure; NPK—氮磷钾化肥 Chemical NPK fertilizer; NPKM—氮磷钾化肥加牛粪 NPK fertilizer plus cattle manure; NPS—氮磷肥加秸秆 NP fertilizer plus straw; NPKC—氮磷钾加饼肥 NPK fertilizer plus rapeseed cake; NPKMC—氮磷钾加牛粪及饼肥 NPK fertilizer plus cattle manure and rapeseed cake. 同列数据后不同小写字母表示不同处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different small letters in a column indicate significant difference among treatments (P < 0.05).
      • 根据长期试验期间有机碳的平均变化速率估算,土壤有机碳含量的年均增长速率 (dSOC/dt) 在CK、M、NPK、NPKM、NPS、NPKC以及NPKMC处理下分别为0.10、0.68、0.14、0.44、0.23、0.17和0.38 C g/(kg·year)。土壤有机碳年固定量 (SOCSR) 在各处理间有差异 (表5)。与NPK处理相比,施用有机物料的处理使SOCSR提高了6.6%~282.2%,其中施用牛粪的处理 (M、NPKM与NPKMC) 下SOCSR显著提高 (P < 0.05)。

        表 5  周年净碳排放

        Table 5.  Annual net carbon emissions

        处理
        Treatment
        直接排放
        ADemi
        (CO2-eq kg/hm2)
        间接排放
        AIDemi
        (CO2-eq kg/hm2)
        土壤有机碳固定
        SOCSR
        (C kg/hm2)
        净碳排放
        Net carbon emissions
        [CO2-eq kg/(hm2·year)]
        碳排放强度
        Emission intensity
        [CO2-eq kg /(kg·year)]
        CK206.9 c811.6233.1 e163.9 cd0.03 c
        M505.7 a3966.81316.3 a–353.9 d–0.04 c
        NPK338.5 bc3966.0344.4 de3041.7 a0.30 a
        NPKM398.3 ab3966.4817.2 bc1368.5 b0.12 b
        NPS314.6 bc2709.7566.7 cd946.6 bc0.13 b
        NPKC360.1 b2899.7367.1 de1913.6 b0.19 b
        NPKMC380.4 ab3359.6926.8 b341.6 cd0.02 c
        注(Note):间接碳排放为周年农田投入导致的总碳排放量 The indirect carbon emission is produced by the annual agricultural inputs. CK—不施肥 No fertilizer input; M—单施牛粪 Sole cattle manure; NPK—氮磷钾化肥 Chemical NPK fertilizer; NPKM—氮磷钾化肥加牛粪 NPK fertilizer plus cattle manure; NPS—氮磷肥加秸秆 NP fertilizer plus straw; NPKC—氮磷钾加饼肥 NPK fertilizer plus rapeseed cake; NPKMC—氮磷钾加牛粪及饼肥 NPK fertilizer plus cattle manure and rapeseed cake; 同列数据后不同小写字母表示不同处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different small letters in a column indicate significant difference among treatments (P < 0.05).
      • 综合直接温室气体排放、农田投入导致的间接碳排放与土壤有机碳固定三部分,得到小麦–大豆复种系统的净碳排放。由表5可知各处理间的净碳排放具有显著差异。净碳排放在单施牛粪的处理 (M) 下为负值,其他处理的净碳排放量均为正值。NPK处理的净碳排放最高。各处理间的碳排放强度有差异,其中CK与M、NPKMC处理的碳排放强度最低,其次为NPKM、NPS与NPKC处理,而NPK处理的碳排放强度显著高于其他处理 (P < 0.05),施用有机物料的处理碳排放强度比NPK处理降低了36.5%~113.2%。

      • 施肥处理显著增加了小麦–大豆复种系统的总温室气体排放量 (直接和间接温室气体排放总量),同时也使土壤有机质含量显著提高,且不同施肥处理间的提高幅度存在差异 (图3ab)。总温室气体排放量的增加幅度在M、NPKM和NPK处理中最高,NPS处理的增加幅度最低;土壤有机质的提升幅度则是M处理最高,NPKM和NPKMC次之,其他处理的土壤有机质提升幅度则较低。单位土壤有机质提升的温室气体排放量 (δGHG/δSOM) 在不同施肥处理间差异显著 (图3cP < 0.05),NPK处理的δGHG/δSOM最大,其次为NPKC、NPS处理,M、NPKM和NPKMC处理的δGHG/δSOM则较小,施用有机物料的处理下δGHG/δSOM比NPK处理降低了69.4%~93.2%。

        图  3  总温室气体排放增加幅度、土壤有机质提高幅度以及单位土壤有机质提升的温室气体排放

        Figure 3.  Increment of total GHG emissions, SOM and δGHG/δSOM

      • 施肥是提高作物产量的重要措施之一,本研究中所有的肥料均在小麦季作基肥施用,大豆季不施肥,而施肥处理显著提高了大豆产量,表明小麦季施肥对大豆产量有显著的后效。NPK化肥与有机肥配施处理的增产效果优于单施有机肥或单施NPK化肥,这与Bandyopadhyay等[35]、Chen等[36]的研究结果一致,因为NPK化肥的施入可保证作物生产的需求,避免了单施有机肥土壤养分含量不足的问题,同时施入有机肥料可以提高土壤有机质含量,且有机肥在小麦季不会完全分解[37],有利于土壤肥力的持续提升[38],尤其可以提高大豆季土壤磷的有效性[39],促进大豆根瘤生长,从而促进氮固定,因此对大豆产量有显著的后效。然而,NPS处理的产量不及NPK处理,其原因可能是不平衡的化肥施用无法满足作物生长对养分的需求。另外,单施有机肥对大豆与小麦的增产效果也低于单施NPK化肥,这主要是由于有机肥的速效养分利用率较低[40-41]

        本研究通过田间监测试验得出,与单施NPK相比,单施牛粪的处理显著提高了土壤N2O排放,而NPK与牛粪配施也使N2O排放增加。这是由于施用牛粪提高了土壤N2O产生所需的碳源和氮底物的有效性[42]。同时,由于旱地的CH4产生量较低或者以氧化为主[43],因此,N2O对小麦–大豆复种系统温室气体直接排放的贡献大于CH4。当前对小麦–大豆复种系统间接碳排放进行生命周期评价的研究还较少,本研究表明与N2O和CH4排放引起的温室效应相比,农田投入导致的碳排放对温室效应的贡献不容忽视。导致间接碳排放的各项农田投入中,肥料投入占有最大的比重,可见改善肥料种类、调整施肥量具有很大的减排潜力。此外,管理措施中能源投入导致的碳排放也应当引起重视,提升机械化水平、减少机械的能源消耗以及发展滴灌等节水技术也是减排的关键。本研究中施用有机物料的处理提高了土壤有机碳年固定量,其原因有以下几点:首先,当有机物料最初施入有机碳含量较低的土壤中时,绝大部分有机质会保留在土壤中,从而增加碳的固定[44]。其次,由于生物多样性对土壤有机碳库有积极影响,生物多样性较高的土壤可固定更多的碳[45],施用有机物料的处理下土壤动物和微生物丰度均较高,因此能固定更多的有机碳。另外,施入土壤的有机物质可改善土壤物理化学性状,促进作物生长 (图2),从而有更多的根系残体归还到土壤中,进一步促进土壤碳的固定。

        本研究发现,施用有机物料的处理中,尽管直接温室气体排放高于NPK处理,但间接排放较低或与NPK处理没有明显差异,而有机碳固定量的提高幅度更大,因而净碳排放量显著低于NPK处理,尤其是M处理的土壤固碳抵消了温室气体排放,使净碳排放量为负值,表明该处理下小麦–大豆复种系统为碳汇。本研究中添加有机肥或秸秆处理下小麦–大豆复种系统的净碳排放量低于前人对小麦–玉米[46]或小麦–水稻[47]复种系统估算得出的值,这主要是因为小麦–玉米和小麦–水稻复种系统中两季作物均需要施肥,同时水稻季的CH4排放也占有较大比重。而在小麦–大豆复种系统中,由于大豆具有生物固氮作用,只需在小麦一季施肥,即可满足大豆产量的需求 (图2),尤其是NPK与有机肥配施的处理更有利于大豆根瘤固氮,对大豆产量有显著的后效。因此,与两季均需要施肥的禾本科作物系统 (如小麦–玉米) 相比,小麦–大豆复种系统可以大大减少由于肥料投入导致的间接碳排放。王上等[48]的评估结果也表明,春绿豆–夏玉米模式的直接和间接碳排放总量比冬小麦–夏玉米模式低20.4%。但是,本研究没有同时进行小麦–大豆复种系统与禾本科系统净碳排放的比较分析,未来应当加强这方面的研究,以进一步明确禾–豆复种系统在固碳减排方面的优势,为黄淮海区域种植制度调整提供理论依据。

      • 小麦–大豆复种系统中,小麦季施肥对大豆产量有显著的后效,与单施NPK相比,NPK肥与有机肥配施 (NPKM、NPKC和NPKMC) 更有利于小麦、大豆产量的提高。不同施肥处理间直接温室气体排放的差异主要源于N2O,而间接排放的差异主要源于肥料投入,大豆季不施肥的减排效应应当引起重视。综合田间直接排放、间接碳排放以及土壤碳固定三部分,发现施用有机肥的净碳排放及碳排放强度均低于单施NPK化肥,并且施用有机肥可使δGHG/δSOM降低。综上,NPK配施有机肥 (牛粪或饼肥) 可作为小麦–大豆复种系统提高作物产量、降低净温室效应的重要施肥措施。

    参考文献 (48)

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