亏缺灌溉对冬小麦—夏玉米轮作农田土壤CO2、N2O和CH4排放的影响

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亏缺灌溉影响农田温室气体的排放量,为找到合理的农田减排灌水模式,试验采用静态箱-气相色谱法对关中平原冬小麦和夏玉米的CO2、N2O和CH4排放通量进行了监测研究。试验在冬小麦3个生育期(越冬期、拔节期、抽穗期)和夏玉米4个生育期(播种-拔节期、拔节期、抽穗期和灌浆期)各设置3个灌水水平(100%W;80%W;60%W,W为两次灌水之间的蒸散量),共6个处理(CK、T1、T2、T3、T4、T5,其中CK处理为对照的充分灌溉)。阐述了3种气体(CO2、N2O和CH4)在全年的动态变化特征,并用作物产量、长远增温效应(net GWPL)和当季增温效应(net GWPS)3个指标综合评估不同生育期亏水水平对关中平原小麦、玉米经济效应和生态效应的影响。本文的研究成果有:(1)土壤温度(T)、土壤孔隙度含水率(WFPS)与土壤呼吸均显著正相关,二者协调影响着土壤呼吸的大小,综合考虑T和WFPS可以提高对土壤呼吸预测的准确性。土壤N2O排放通量与土壤WFPS、T和硝态氮含量(NO3--N)均显著正相关(P<0.05),其中NO3--N是影响农田N2O气体排放的主控因子。同时,对小麦-玉米农田CH4的主要影响因子尚未完全明确,有待在接下来的试验中探明。(2)在小麦-玉米的不同生育阶段,各处理土壤CO2、N2O平均排放通量均以充分灌溉处理CK最高,亏缺灌溉处理可降低CO2、N2O平均排放通量,而增加CH4平均吸收通量。以冬小麦拔节期为例,各处理的土壤CO2排放通量较大,以充分灌水处理CK最高(97.39 mg·(m2·h)-1),处理T3比CK处理减少了5.68%(P>0.05);此阶段为轻度亏水的T1、T4和T5处理比CK处理分别显著减少18.52%、20.26%和24.91%(P<0.05),重度亏水处理T2比充分供水处理CK显著减少33.39%(P<0.05);T3处理的N2O平均排放通量比CK处理减小了3.84%(P>0.05),处理T1、T4和T5比CK处理分别显著减少18.66%、17.55%和16.93%(P<0.05),处理T2比处理CK显著减少26.92%(P<0.05);而对于土壤CH4平均吸收通量来说,T1、T2、T4和T5处理的CH4平均吸收通量较CK处理分别显著增加了74.04%、116.51%、77.24%和85.69%(P<0.05)。(3)亏缺灌溉可一定程度减少温室气体排放总量,小麦的拔节期、抽穗期和灌浆期是农田温室气体减排关键期。同时,亏缺灌溉会影响作物产量以及一定程度减缓温室效应。在小麦季,与CK处理相比,其他处理CO2排放总量比CK处理显著降低了5.55%25.98%(P<0.05)。抽穗期和灌浆期的CO2排放量占小麦季总排放量的比例高达70.51%74.44%,灌水会影响CO2气体排放,因此,降低这两个时期的灌水量,可以显著降低全季CO2排放量。例如,对比T1、T3和T4处理与对照CK处理在各生育期的CO2累积排放量的差异可以得出,相比于充分灌溉,小麦若只在越冬期受到轻度水分亏缺不会显著减小土壤CO2排放量,而抽穗期的轻度水分亏缺能显著降低CO2排放量,同时,也发现在小麦生长最旺盛的拔节期的轻度水分也会造成CO2排放量的下降。对比与CK处理,亏缺灌水处理的N2O排放总量显著降低了5.63%18.00%(P<0.05),CH4吸收总量显著增加了19.47%62.33%(P<0.05)。T1、T2、T3、T4和T5处理net GWPL较CK处理显著降低了6.50%12.77%;除T3处理外,其他处理较CK处理net GWPS分别显著降低了13.21%37.65%(P<0.05);T1、T2、T4和T5处理小麦产量较CK处理分别显著减少了2.25%32.53%(P<0.05),T3处理较CK处理减产2.25%(P>0.05)。在玉米季,不同处理的土壤CO2排放总量在5435.406356.92 kg·hm-2范围内,T2处理显著降低了CO2排放总量。不同处理土壤N2O排放量变化范围为:1157.081306.79g·hm-2,CK处理最高,T1、T3、T4和T5处理较CK处理减少了1.17%7.62%(P>0.05),而T2处理比CK显著降低了11.46%(P<0.05);CH4吸收总量以CK处理最低、T2处理最高,在2414.002926.45 g·hm-2间变化,但处理间CH4吸收总量未达到显著性水平(P>0.05)。玉米季各处理的net GWPL以T5处理最大,CK、T1和T4处理较T5处理net GWPL分别减少了7.60%、2.71%、0.10%(P>0.05),而T2和T3较T5处理分别显著下降了13.07%和15.85%(P<0.05);net GWPS以T3处理最高,CK处理次之,T4处理最低。综合考虑不同生育期亏水水平处理下小麦地的经济效应和生态效应,T3处理更有利于关中平原冬小麦、夏玉米的保产节水减排。
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