不同碳氮管理措施下土壤固碳与减排效应及其协同机制

Aiming at the uncertain effect of different carbon and nitrogen management practices on soil carbon(C) sequestration and greenhouse gases(GHGs) mitigation, and the problem of uncoordinated C sequestration and GHGs mitigation, taking the spring corn fields as the research object, this study uses the method of combining field observation and biogeochemical cycle model based on the long-term experimental fields, reveals grain productivity change and net greenhouse gas exchange character under natural nitrogen(N) deposition in spring corn farmland, verifies the effects of different carbon and nitrogen management measures (straw returned, organic and inorganic fertilizer combination application, green manure rotation, the biological carbon application, N fertilizer decrease) on C sequestration and GHGs mitigation, quantitatively evaluates the effects at different time scales, i.e., mid-term (20 years), medium and long-term (50 years), long-term (100 years) using the verified model and the relationships between C sequestration and GHGs mitigation, discusses the coordination mechanism of C sequestration and GHGs mitigation while keeping grain productivity, so as to provide basis and support for the establishment of C and N controlling technologies in farmland ecosystem and the true GHGs mitigation.

本研究针对目前碳氮管理措施下农田土壤固碳与温室气体减排效应不清晰，"固碳"与"减排"不同步的实际问题，以北方春玉米农田为研究对象，以长期定位试验为平台，采用田间系统监测与生物地球化学循环模型相结合的方法，揭示自然氮沉降下春玉米农田生产力变化与温室气体净交换特征；明确不同碳氮管理措施（秸秆还田、有机无机肥配施、绿肥轮作、增施生物炭、减氮施肥）的农田土壤固碳与温室气体减排效应及其主控因素，利用验证后的模型定量评价不同时间尺度中期（20年）、中长期（50年）、长期（100年）不同碳氮管理措施土壤固碳与温室气体排放效应，明确不同时间尺度两者之间的相互关系；探讨保持生产力基础上农田土壤固碳与温室气体减排的协同机制，为农田生态系统制定优化的碳氮调控技术与真正意义上的减排提供依据与支撑。

农田生态系统土壤固碳与温室气体减排是减缓全球气候变化的热点问题，探讨不同碳氮管理方式下农田土壤固碳与温室气体减排效应及其相互关系是碳氮优化调控技术提出的科学基础。本基金针对目前碳氮管理措施下农田土壤固碳与温室气体减排效应不清晰，“固碳”与“减排”不同步的科学问题，以北方春玉米农田为研究对象，以长期定位试验为平台，采用田间系统监测与生物地球化学循环模型相结合的方法，选择优化减氮、添加生物炭、增施有机物料、有机无机肥料配施等碳氮管理措施，系统的研究了不同碳氮管理方式下土壤固碳与温室气体排放效应，并探讨了“土壤固碳”与“减排”之间的协同机制。主要研究结果如下：不同碳氮管理措施对产量的影响随着种植年限的延长而呈现出不同的效果，在目前的施肥水平下，减氮40%的措施只能维持3年左右的高产，3年以后每年产量降幅在10%以上。在等氮条件下，有机无机肥料配施措施能够有效的保持作物产量维持在较高的水平上（13376 kg/ha）。北方旱地春玉米农田周年N2O排放通量均呈现出明显的季节变化规律,排放高峰主要出现在7月份玉米大喇叭口期追肥后15天内；不同碳氮管理措施非生长季N2O排放量占全年排放量比例在15%～60%之间，说明非生长季N2O排放量不容忽视；不同碳氮管理措施下N2O直接排放系数均低于IPCC 1%的推荐值，表明利用IPCC的推荐值会高估我国春玉米农田N2O的排放。通过机理模型与田间试验的结合研究，综合作物产量、N2O排放和土壤固碳等多目标控制，有机无机肥料配施和农民习惯措施相比不仅能够减少N2O的排放，且能够增加农田土壤固碳效应，净温室效应降幅达33.5%，能够在保持产量的基础上，实现 “固碳”和“减排”效应的同步，其机理在于相对适量的速效氮肥直接供给作物生长，减少了氮素硝化与反硝化过程中的气态损失，而有机肥不仅可以在整个作物生长季保持一定的氮素供给水平，而且能够持续的固定一定量的土壤碳素，从而抵消了一部分由于增碳而引发的N2O排放，在长时间尺度上表现为净温室效应的降低。