生物质炭对旱作春玉米农田温室气体排放的效应

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农田是大气中氧化亚氮(N2O)、二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)的重要排放源和汇,三种温室气体在大气与土壤之间的净交换组成了作物生产系统的全球增温潜势。生物质炭输入是否可以显著影响农田N2O、CO2、CH4排放,从而实现旱作农田的减排增汇效应,目前研究较少。本研究的假设是“旱作农田添加生物质炭会影响农田温室气体排放,并受施肥影响”,为证明该假设,以黄土旱塬旱作春玉米农田为对象,在田间定位试验基础上,采用密闭式静态暗箱-气相色谱法,在不同施氮条件下对不同生物质炭添加量(0、10、20、30t hm-2)农田N2O、CO2和CH4排放进行了生长季的连续观测。以期通过对输入生物质炭农田土壤温室气体排放的准确测定以及可能的影响因素分析,为通过合理施用生物质炭调控旱作农田温室气体排放提供一定科学依据。1、添加生物质炭不同程度增加了农田0cm和10cm土壤温度,减少了施氮处理0~20cm土壤硝态氮(NO3--N)和铵态氮(NH4+-N)含量,但对农田0~20cm土层土壤含水量影响不显著。2、生物质炭添加降低了施氮农田春玉米生长季N2O排放通量峰值和排放总量,以C3N1(即30t hm-2生物质炭+225kg hm-2)处理降低最为显著(P<0.01)。无论添加生物质炭与否,生长季不施氮处理农田N2O排放通量和总量均显著低于施氮处理。相关分析表明,试验春玉米生长季农田N2O的排放通量与0~20cm土层土壤NO3--N、NH4+-N含量和0~20cm土层土壤含水量呈极显著正相关关系(P<0.001)。但N2O排放通量与0cm土壤温度和10cm土壤温度分别呈极显著负相关(P<0.01)与显著负相关(P<0.05)。综合分析发现,添加生物质炭并且施氮时,NH4+-N含量的减少可能是旱作春玉米农田N2O的排放减少的主要因子。3、施用生物质炭会不同程度降低春玉米生长季试验各处理CO2排放通量和排放总量。与C0N0(即不添加生物质炭+不施氮)处理相比,C2N0(即20t hm-2生物质炭+不施氮)处理的CO2排放通量和排放总量显著降低(P<0.05);与C0N1(不添加生物质炭+225kg hm-2)处理相比,C3N1(即30t hm-2生物质炭+225kg hm-2)处理CO2排放通量和排放总量降低显著(P<0.05)。相关分析表明,玉米植株剪断前、剪断后农田CO2排放通量与土壤含水量相关性均不显著。但玉米植株剪断前、剪断后,不同处理CO2排放通量与土壤表层(0cm)温度和10cm土壤温度呈显著和极显著正相关,说明农田CO2排放主要受温度控制。4、春玉米生长季内不同处理农田对CH4均表现为净吸收库,并且呈现较大波动。但不同处理对春玉米农田CH4净吸收和净吸收总量的影响差异不显著。相关分析表明,试验不同处理CH4净吸收通量与土壤含水量呈极显著相关,未施氮处理的NH4+-N含量与CH4净吸收通量呈现显著负相关关系,但施氮处理的NO3--N和NH4+-N含量、土壤温度与CH4净吸收的相关性均不显著。总体来看,降雨导致的土壤含水量变化是导致CH4排放的主要影响因子。5、氮肥显著影响春玉米农田增温潜势和排放强度;添加生物质炭也改变了春玉米农田生态系统的增温潜势和排放强度,施氮条件下,随着添加生物质炭量的增加,其增温潜势和排放强度依次递减,添加30t hm-2生物质炭处理的增温潜势和排放强度显著低于未添加和添加10t hm-2生物质炭处理;未施氮条件下,添加20t hm-2生物质炭对农田增温潜势影响较小,但其排放强度有增大趋势。以上结果初步表明,在黄土旱塬旱作农田,添加生物质炭在一定程度上会降低施氮旱作农田春玉米生长季N2O和CO2排放通量峰值和排放总量,实现农田增温潜势和排放强度的有效控制。
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