三种中稻模式稻田温室气体排放及影响因子研究

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人类农业活动被认为是引起大气中温室气体浓度持续增加的主要原因之一。水热等自然因子、碳氮等土壤因子、管理措施和利用方式等人为因子均会对温室气体排放产生影响。中稻是我国重要的水稻种植模式,探讨和研究不同中稻模式稻田温室气体排放及驱动因子、分析其碳平衡和碳排放的差异,对于合理分类评估中稻模式稻田生态效益、有针对性的制定相应减排措施具有重要意义。本研究选用了冷浸稻田(代表了“中稻-冬泡”模式)、稻田养虾(代表了新兴的稻田种养模式)、稻麦轮作(代表了长江流域主要的水旱轮作模式)三类中稻管理模式,在周年尺度上连续监测了气体排放、环境因子和土壤因子动态变化,分析探讨不同中稻模式稻田温室气体排放的直接和间接驱动因子,分析了影响甲烷排放的关键微生物群落结构,并计算和比较了不同模式下碳平衡、碳足迹和碳效益。主要研究结论如下:1、冷浸稻田(CW稻田)CH4排放量显著高于普通稻田(NW稻田),在周年尺度上CH4排放通量主要受温度控制;长期淹水促使产CH4菌功能基因拷贝数数量增加并由此导致CH4大量产生是CW稻田高量CH4产生的先决条件;NW稻田在周年尺度上CH4排放通量与土壤水分显著相关。冷浸稻田N影响。冷浸稻田N2O排放显著低于普通稻田,且N2O排放主要受到温度和NH4+-N影响。2、非稻季淹水和秸秆还田显著提高中稻模式稻田CH4累积排放量,淹水使产CH4菌功能基因(mcr A)OTU明显增加、CH4氧化菌功能基因OTU明显降低。仅仅淹水条件下CH4排放主要受土壤含水量和NO3--N的影秆还田则主要受气温和NO3--N影响。CO2排放通量明显受到气温影响;淹了气态碳损失、提高系统碳平衡(碳汇效应)。3、在非稻季淹水和秸秆还田基础上,养殖小龙虾显著抑制CH4排放,养殖小龙虾使土壤产CH4菌群落结构更接近于非稻季排水措施。养殖小龙虾后CH4排放主要受气温影响、CO2排放主要受气温、DOC和NO3--N的影响,养殖小龙虾大幅度提高系统碳汇能力、明显降低N2O总排放量。无机氮含量和形态变化是N2O排放的关键驱动因子。CO2对GWP的占比超过80%,淹水条件下秸秆还田使GWP明显提高,在此基础上养殖小龙虾则对秸秆还田的增温效应具有明显的抑制作用。4、秸秆还田、秸秆还田+化肥显著提高稻麦轮作模式下年度CH4累积排放量,稻季排放量占全年度98.7%-100.5%。气温对所有处理CH4排放均具有明显影响;NO3--N对所有处理CH4排放具有显著负效应,NH4+-N对施用秸秆堆肥的处理CH4排放具有显著正效应。施肥会显著改变mcr A群落结构和pmo A拷贝数,pmo A拷贝数与CH4平均通量显著负相关,mcr A拷贝数与pmo A拷贝数的比值与CH4累积排放量呈现显著二次相关。施肥明显增加年度CO2平均排放通量和累积排放量;气温对所有处理CO2排放通量均具有显著的促进作用,除“全量秸秆还田+氮磷钾”处理外,土壤含水量对所有处理CO2均具有显著抑制作用。NH4+-N对所有处理N2O排放具有正效应;气温对所有施用化肥的处理N2O排放具有负效应、对无化肥的处理具有正效应。GWPCO2占总GWP比例超过90%;CO2的排放强度是CH4的15-30倍、CH4的排放强度是N2O的3-7倍。5、中稻模式稻田间接碳排放中化学肥料占比最大,化学肥料碳排放中氮肥最高。稻麦轮作年度碳足迹最低、稻虾共作次之、冷浸稻田最高。稻麦轮作碳效益最高、稻虾共作NW处理次之、冷浸稻田最低。
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