管理措施对华北平原农田N2O排放的影响研究

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温室气体排放剧增导致全球变暖已经成为主要的气候问题,N2O虽是一种痕量温室气体,但其增温潜势远远高于CO2。农田土壤是N2O排放的主要来源,华北平原作为我国粮食主产区,种植过程会排放大量N2O。本文采用文献分析和模型模拟的方法。首先建立该地区农田N2O排放现状数据库,分析其排放规律,确定N2O排放系数和背景排放量并讨论背景排放的影响因子。然后利用DNDC(De Nitrification-De Composition)模型对典型实验点位观测数据模拟验证,设置不同施肥和灌溉情景进行模拟,分析各典型点位的作物产量和N2O排放与施肥和灌溉的关系。对保证产量的前提下减少N2O排放的农田管理措施提出定量的指导意见,从而达到稳产节水节肥减排的优化管理目的。主要结果如下:(1)华北平原农田N2O排放存在明显的时空差异。长期实验点施肥量一致,不同的观测年之间N2O排放存在显著差异;不同实验点相同的施肥量,在同样的观测时间内N2O排放存在显著差异。(2)农田N2O排放与施肥量和施肥种类显著相关。施氮量会显著影响华北平原农田N2O排放(p<0.05),即施肥处理的N2O排放远高于不施肥处理,N2O累积排放量随氮肥用量的增加而增加。若总施氮量不变,添加有机肥处理的N2O排放相对于单施化肥显著降低。(3)通过实测数据建立农田N2O排放估算统计模型,华北平原地区氮肥的N2O排放系数为0.6±0.1%,农田N2O背景排放为0.298±0.145 kg N2O-N·ha-1yr-1。背景排放分别与土壤全氮(p<0.05)和土壤有机碳(p<0.01)呈显著和极显著线性相关,与年均降水量之间是一元二次非线性关系(p<0.01),与年平均气温之间呈显著指数相关(p<0.01)。(4)DNDC模型对典型实验点位的农田N2O排放、土壤温度、土壤湿度及作物产量进行了准确模拟。模型对各点位N2O排放的模拟效果评价一致性指数d在0.58以上,对各点位的土壤温度(ST)和土壤湿度(SM)的模拟一致性指数d分别在0.73-0.92和0.57-0.93之间,模型模拟效果良好。模型对各点位作物产量的整体拟合度R~2为0.88(p<0.05)以上,模拟值与实测值达到较高的一致性。(5)设置不同施肥灌溉情景利用DNDC模型进行模拟分析,对华北平原农田保产节水节肥减排优化管理措施建议为:有机肥无机肥最优配施比例为有机肥:无机肥=2:3;小麦季最优施肥量为162kg Nha-1,玉米季最优施肥量为216-231 kg Nha-1。玉米季最佳灌溉量为210 mm左右。综上,华北平原农田N2O排放系数为0.6±0.1%,农田N2O背景排放为0.298±0.145 kg N2O-N·ha-1yr-1。施肥量和施肥种类均会显著影响农田N2O排放。DNDC模型适用于该地区农田N2O排放的模拟。利用DNDC模型的模拟结果提出华北平原农田保产节水节肥减排的作物优化管理措施为:(1)有机肥无机肥最优配施比例为有机肥:无机肥=2:3;(2)小麦和玉米的最优施肥量分别为162 kg Nha-1和216-231kg Nha-1;(3)玉米最佳灌溉量为210 mm。
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