施用硅肥和生物炭对增温稻麦生产及农田CH4和N2O排放影响

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气候变暖是全球气候变化的主要特征之—。气候变暖表现为不对称增温,即夜间温度增幅大于白天。人类活动引起的大气温室气体浓度增加是气候变暖的主要原因。农业生产活动是温室气体甲烷(CH4-)和氧化亚氮(N2O)的重要排放源。水稻和小麦是我国主要粮食作物,在保障粮食安全前提下如何减少稻麦农田温室气体排放,是稻麦粮食作物低碳生产及应对气候变化的有效途径。施用硅肥或生物炭明显影响稻麦生产及CH4和N2O排放,但夜间增温下施用硅肥和生物炭的作用效应如何,尚不明确。本文通过田间模拟试验研究了夜间增温下施用生物炭和硅肥对稻麦生长、产量及农田CH4和N2O排放的影响,为估算稻麦轮作农田温室气体排放强度和全球增温潜势有重要科学意义。田间模拟试验于2020年11月至2021年11月于南京信息工程大学农业气象试验站试验田进行。本文采用三因素三水平正交试验设计方案,供试土壤为潴肓型水稻土,供试水稻和小麦品种分别为南粳5055和苏麦188。用铝箔反光膜夜间覆盖稻麦冠层模拟夜间增温(19:00-6:00),增温设置3水平,分别为W0(常温对照:不覆盖铝箔膜)、W1(覆盖5 mm铝箔膜)和W2(覆盖11 mm铝箔膜);施生物炭设置3水平,分别为B0(不施生物炭)、B1(施10t/ha生物炭)和B2(施25t/ha生物炭);施硅肥设置3水平,分别为Si0(不施硅肥)、Si1(施200kg/ha钢渣硅肥)和Si2(施200 kg/ha矿粉硅肥)。主要研究结果如下:(1)夜间增温效果和稻麦生长在稻麦关键生育期,被动式增温系统下覆盖5 mm反光膜和11 mm反光膜分别可使水稻冠层夜间均温增加0.12℃和0.46℃,使5cm 土层增加0.12℃和-1.47℃,使小麦冠层均温增加0.44℃和0.14℃,使5 cm 土层增加0.12℃和0.11℃。施用生物碳B1和B2使水稻冠层和5cm 土层均温分别增加0.12℃、0.08℃和0.12℃、1.60℃,使小麦分别增加0.44℃、0.30℃和0.12℃、0.01℃。夜间增温对水稻株高有抑制作用,对小麦株高、叶面积指数(LAI)和叶绿素(SPAD)含量有显著促进的作用,施用生物炭明显增加了水稻株高和LAI,同时也促进了小麦SPAD,施用硅肥增加了稻麦LAI和SPAD。(2)稻麦产量、产量构成及品质夜间增温使水稻有效穗数、每穗粒数和产量显著降低(P<0.05),减产率为19.66%-28.73%,但对水稻结实率、小麦产量和千粒重有促进作用。施用生物炭和硅肥可增加稻麦的产量,主要是通过促进每穗粒数和结实率。夜间增温对水稻加工品质和营养品质有一定促进作用,但降低了小麦总淀粉和蛋白质含量。施用硅肥可提高水稻加工品质、支链淀粉和蛋白质含量,对小麦蛋白质含量没有显著影响。施用生物炭可缓解夜间增温对水稻产量和营养品质的不良影响。稻麦轮作经济和营养效益最佳处理,分别为W1B2Si2(夜间覆盖5mm反光膜、施用25 t/ha生物炭和200kg/ha矿粉)和W1B1Si2(夜间覆盖5 mm反光膜、施用10 t/ha生物炭和200 kg/ha矿粉)。(3)稻麦田温室气体排放夜间增温、施生物炭和硅肥对稻麦田CH4和N2O的累积排放量均有抑制作用,使总增温潜势(SGWP)和碳排放强度(GHGI)降低。施生物炭对稻麦CH4累积排放量和水稻N2O累积排放量的影响达到显著水平(P<0.05)。稻田总增温潜势(SGWP)明显大于小麦,CH4累积排放量在SGWP中起主导作用,三因素对水稻总增温潜势的影响为B>Si>W,对小麦总增温潜势的影响为Si>B>W。综合考虑,本研究在保障稻麦粮食生产的同时实现温室气体CH4和N2O减排的最佳组合为W1B2Si2,表明气候变暖背景下通过施25 t/ha生物炭和200 kg/ha矿粉对确保稻麦生产及应对气候变化有积极作用。
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