云南省农田生态系统碳足迹时空变化及其影响因素

农田碳足迹研究对农田生态系统管理与农业可持续发展具有重要意义,也可表征农田扩展的生态影响程度。利用县域尺度统计数据与空间分析,对云南省农田生态系统近30年的碳足迹的时空演变进行研究。结果表明:1985—2015年期间,云南省农田生态系统碳排放年均增幅为13.9%,化肥施用引起的碳排放贡献率最大,为56%,2015年的化肥单位面积碳排放达到331.6kg/hm2。云南省农田生态系统碳吸收年均增幅为3.04%,稻谷的碳吸收比例最大,为41%,然而,玉米的碳吸收的增幅最大,为8.76%。云南省农田生态系统存在碳生态盈余,且碳足迹总体呈现增长趋势,年均增长率为16.8%,单位面积碳足迹随年份增加不断增长。从空间上看,云南省农田生态系统碳排放、碳吸收在空间上均呈东南高、西北低的分布格局,而碳足迹在空间上呈现东西部高、中部低的分布格局,三者的空间差异和变化幅度差异都较大。     

耕作方式转变对小麦/玉米两熟农田土壤固碳能力的影响

采用大田试验、室内分析与生产调研相结合的方法,研究了耕作方式对农田生态系统固碳能力的影响.结果表明：少、免耕以及秸秆还田等保护性耕作措施有利于土壤有机碳的累积;免耕秸秆还田（NTS）方式0～5 cm土层土壤有机碳累积量比传统耕作（CTA）方式高18.0%,旋耕秸秆还田（RTS）0～5和5～10 cm土层比CTA分别高17.6%和25.0%,而翻耕秸秆还田（CTS）方式10～30 cm土层土壤总有机碳累积量比CTA高31.8%;CTA转变为NTS后,源于农田投入的碳排放减少了54.3 kg·hm^-2·a^-1,而转变为CTS、RTS后,分别增加了46.9 kg·hm^-2·a^-1和34.4 kg·hm^-2·a^-1;综合土壤碳累积与农田投入碳排放可知,传统耕作转变为保护性耕作方式后可实现由“碳源”向“碳汇”的转变,而CTS、RTS、NTS 3种耕作方式中以RTS的固碳能力最强,达1011.1 kg·hm^-2·a^-1.     

从湿地到农田:围垦对生态系统碳排放的影响

湿地围垦转化为农田直接影响碳循环过程,但之前的众多研究忽略了相关人为活动如农资生产、农用器械使用等所产生的碳排放.为了更全面认识湿地围垦为农田所导致的这种变化,以崇明岛为研究地区,基于通量观测和生命周期评价,本文分别探讨当考虑和不考虑人为活动伴随的碳排放时,生态系统总碳排放的变化.结果表明: 如果只考虑生态系统与大气间的碳通量,农田仍表现为碳汇,但与自然湿地相比,其碳排放增加了10.47 t (CO₂-eq)·hm^-2;当将农业生产中人为活动碳排放纳入计算后,崇明岛自然湿地和围垦农田的碳排放总量分别为-15.38和6.54 t (CO₂-eq)·hm^-2,碳排放增加了21.92 t (CO₂-eq)·hm^-2,其中,人为活动碳排放为11.45 t (CO₂-eq)·hm^-2;田间种植和农资生产的碳排放共占农田生命周期碳排放总量的84.6%,化肥的生产施用是农田生命周期碳排放的主要来源之一.围垦使生态系统乃至区域尺度的碳源汇属性发生变化,需重新评估其影响;同时,为了达到低碳农业的目的,需减少化肥施用、提高化肥使用效率.     

2004—2013年东北三省主要粮食作物生产碳足迹

东北是我国重要的粮食主产区,在国家粮食安全保障中起着至关重要的作用.作物生产是主要的碳排放源,探明不同作物生产的碳足迹差异,对促进低碳农业发展具有重要意义.本研究利用2004—2013年东北三省主要粮食作物(水稻、玉米和大豆)的产量、播种面积、农田生产投入等统计数据,估算了该区粮食生产碳足迹.结果表明: 2004—2013年,东北地区3种主要粮食作物中,水稻生产单位面积碳足迹最高,平均达到(2463±56) kg CE·hm^-2,玉米次之.玉米的碳足迹上升趋势最明显,从2004年的1164 kg CE·hm^-2增加到2013年的1768 kg CE·hm^-2,增速为67 kg CE·hm^-2·a^-1.在碳足迹构成中,化肥贡献最大,分别占水稻、玉米、大豆总碳投入的45%、90%、83%.水稻生产中灌溉用电所占比例为29%~42%,远高于玉米和大豆.东北三省碳足迹差异显著,3种作物的单位产量碳足迹均在吉林省最高,单位面积碳足迹均在黑龙江省最低.随着农村劳动力非农化和作物生产机械化的快速递增,未来粮食生产中柴油等机械化碳投入将快速增长.提升化肥利用效率、灌溉效率和机械化作业效率将是发展东北地区低碳农业的关键途径.     

中南地区农田有机物质与化肥投入量的区域差异

基于4省野外调查样点和农户调研数据,对中南4省(湖南、湖北、广东、广西)农田有机物质与化肥投入量以及农田氮、磷、钾收支状况进行研究.结果表明: 农田有机物质投入量大小为广西(8993 kg·hm^-2)>湖南(6390 kg·hm^-2)>湖北(5012 kg·hm^-2)>广东(4630 kg·hm^-2);平均化肥投入量为广西(777.5 kg·hm^-2)>湖南(501.6 kg·hm^-2)>湖北(486.4 kg·hm^-2)>广东(340.4 kg·hm^-2).4省农田氮和磷收支为氮磷盈余,其中广西农田氮盈余率(67.2%)、磷盈余率(99.0%)明显超过湖南(氮盈余率33.2%,磷盈余率50.8%)、湖北(氮盈余率11.8%,磷盈余率11.0%)以及广东(氮盈余率7.8%、磷盈余率30.0%).湖南、湖北、广东3省为钾亏缺,亏缺率分别为湖南6.6%、湖北18.7%、广东12.4%,而广西收支为钾盈余19.5%.     

豫东平原农区杨树-农作物复合生态系统的碳贮量

将豫东平原农区5a、9a、11 a和13a 4个林龄阶段的杨树-农作物复合系统分为林木、农作物、凋落物和土壤4个子系统,分别研究其碳贮量.结果表明：5a、9a、11a和13a杨树-农作物复合生态系统林木及凋落物的碳贮量分别为7.86、42.07、44.31和60.71 t·hm^-2;间作作物平均每年可吸收CO₂ 6.8 t·hm^-2;农田土壤碳贮量分别为45.55、51.06、55.94和60.49 t·hm^-2;杨树-农作物间作系统的总碳贮量分别达60.81、100.09、106.76和127.34 t·hm^-2,远高于单作农田（49.36 t·hm^-2).各年龄阶段杨树和土壤碳贮量占总碳贮量的比例最大,在87.1%～93.1%,而农作物和凋落物碳贮量比例较小,占总贮量的6.9%～12.9%.说明农林复合生态系统具有很强的吸收和固定碳的能力.     

2004—2014年南方稻区双季稻生产碳足迹动态及其构成

南方稻作区是我国重要的粮食生产区,在国家粮食安全保障中起着至关重要的作用,探明南方不同省份双季稻生产的碳足迹差异,对促进低碳稻作农业发展具有重要意义.本研究采用2004—2014年农作物种植面积、农资投入等统计数据,运用碳足迹理论和生命周期法系统评价我国南方双季稻生产碳足迹时空分布状况及其构成.结果表明: 南方稻区各个省份早晚稻生产碳足迹大部分表现为增加趋势,早稻生产碳足迹较晚稻大.2004—2014年,安徽省双季稻平均碳足迹最高(1000 kg CO₂-eq·hm^-2),而福建、湖北和湖南省相对较小(750 kg CO₂-eq·hm^-2).碳足迹构成中以肥料的生产、运输及使用占比最大,占水稻生产总碳足迹的60%;柴油投入碳足迹贡献量次之,为26%左右.逐步回归分析表明,双季稻生产碳足迹大小与柴油、复混肥和钾肥的投入呈正相关.净利润收益纳入分析表明,湖北省为低排放-高收益省份,有利于农业低碳可持续性发展.随着农村劳动力非农化和作物生产机械化的快速递增,未来水稻生产中柴油等机械化碳投入将快速增长.因此,提升化肥利用效率、灌溉效率和机械化作业效率将是发展南方稻作区低碳农业的关键途径.     

我国农牧交错区耕作方式与施氮量对小麦氮素利用的影响

在我国内蒙古自治区赤峰市农牧交错区研究了不同耕作方式及不同施氮量对小麦氮肥吸收利用和产量的影响.结果表明：长期实施保护性耕作使小麦对氮素的利用率提高3%～4%,减轻氮肥对农田环境的污染;保护性耕作有利于促进小麦对氮素的吸收,提高小麦产量.当施氮量由120 kg·hm^-2增加到360 kg·hm^-2时,小麦对氮素的吸收利用由36.5%降低为26%;氮素损失增加约5%,对应的氮素损失量则从60 kg·hm^-2增加到约200 kg·hm^-2,对环境的污染明显增加.小麦对上季残留氮素的利用受耕作方式影响较小,受上季施氮量影响较大,总体趋势为施氮量越高,小麦利用率越低,损失越多.经过两季小麦种植后,小麦-土壤系统回收的总氮素比例约为44%～50%,其中土壤残留氮素约占施氮量的13%～18%.     

秸秆还田对水稻固碳特性及产量形成的影响

以中浙优1号为材料、秸秆不还田为对照,在大田试验条件下研究了不同秸秆还田量（4000、6000、8000 kg·hm^-2）对水稻群体干物质积累、运转、植株固碳及产量形成的影响. 结果表明： 与对照相比,秸秆还田处理的水稻群体干物质积累总量平均增加63.03 g·m^-2,以6000 kg·hm^-2处理的干物质积累量最高,比对照增加154.40 g·m^-2;在水稻各生育阶段中,秸秆还田处理对分蘖盛期—齐穗期干物质积累的影响最为明显,干物质积累量比对照平均增加71.25 g·m^-2;与对照相比,秸秆还田处理的茎叶干物质输出率和表观转变率分别平均增加4.2%和3.7%,均以6000 kg·hm^-2处理最高,分别为12.8%和11.1%.秸秆还田处理的群体植株固碳量比对照平均增加55.38 g·m^-2,以6000 kg·hm^-2处理的增幅最大,为17.8%;从固碳量在各器官中的分配来看,秸秆还田有利于生育前期茎叶固碳量的积累和生育后期固碳量向穗部的分配.秸秆还田处理的水稻产量比对照平均增加794.59 kg·hm^-2,增幅9.5%,其中6000和4000 kg·hm^-2处理的产量均显著提高,而8000 kg·hm^-2处理的产量增加不显著;从产量构成因素来看,秸秆还田处理单位面积有效穗数的增加是增产的主要原因,平均增加8.4穗·m^-2.     

小兴安岭谷地云冷杉林的碳密度与生产力

采用样地清查和异速生长方程法,量化了处于衰退状态的小兴安岭谷地云冷杉林的森林碳密度和生产力.结果表明： 2011年森林碳密度总量为268.14 t C·hm^-2,其中植被碳密度、碎屑碳密度和土壤碳密度分别为74.25、16.86和177.03 t C·hm^-2.2006—2011年,乔木层碳密度从80.86 t C·hm^-2减少到71.73 t C·hm^-2,主要树种冷杉、白桦、云杉和兴安落叶松的碳密度年均减少比例分别为0.5%、1.2%、2.7%和3.7%,毛赤杨、红松和花楷槭的碳密度年均增加比例分别为2.9%、3.9%和7.2%.森林净初级生产力(NPP)为4.69 t C·hm^-2·a^-1,地下部和地上部NPP比值为0.56,凋落物损失部分是总NPP的最大组分,所占比例为34.5%.森林生态系统中2个主要碳输出途径异养呼吸和粗木质残体分解的年通量分别为293.67和119.29 g C·m^-2·a^-1.森林净生态系统生产力(NEP)为55.90 g C·m^-2·a^-1.研究结果表明,处于衰退状态的谷地云冷杉林仍具有一定的碳汇功能.     

减氮施肥对春玉米-晚稻生产系统碳足迹的影响

随着对气候变化和粮食安全的的日益认识,低碳农业引起了人们的广泛关注.低碳农业的研究需要综合考虑作物产量和温室气体排放,改进氮肥管理可能有助于减缓作物生产系统的温室气体排放,同时实现对作物稳产甚至高产的需求.本试验利用生命周期法研究了不同施氮量(150、225、300 kg N·hm^-2)对春玉米-晚稻轮作系统碳足迹的影响.结果表明: 随着氮肥用量增加,两季作物生产过程中温室气体和碳足迹增加.在春玉米生产过程中,氮肥生产和施用引起的温室气体排放对碳足迹贡献最大,占36.2%～50.2%;而在晚稻生产中,甲烷的排放贡献最大,占42.8%～48.0%,并且随氮肥用量增加甲烷排放增加.当氮肥施用量减少25%(225 kg N·hm^-2)和50%(150 kg N·hm^-2)时,春玉米生产的温室气体排放分别下降了21.9%和44.3%,碳足迹分别下降了20.3%和39.1%;晚稻生产的温室气体排放分别下降了12.3%和20.4%,碳足迹分别降低了13.7%和16.7%.氮肥减量对春玉米产量无显著影响,而晚稻产量在225 kg N·hm^-2施肥量下最高.因此,春玉米氮肥用量降低至150 kg N·hm^-2和晚稻氮肥用量降低至225 kg N·hm^-2不仅能够保持作物高产,而且还能大幅度降低作物系统的碳足迹.     

耕作和培肥对豫中区小麦-玉米轮作系统土壤氮平衡和温室气体排放的影响

豫中区作为黄淮海平原粮食的主产地,节能、减排和增效是该区农业发展的重要方向。本研究基于2010年耕作与培肥定位试验,在2018—2019年探究了3种耕作方式(深耕、浅耕和免耕)和2种培肥模式(氮肥和氮肥+有机肥)对土壤氮平衡和温室气体排放的影响。结果表明: 增施有机肥能增加土壤全氮积累量;在小麦和玉米成熟期,0～60 cm土层土壤全氮积累量在浅耕+有机肥处理下最高,分别为8058.53和8299 kg N·hm^-2,较其他处理高3.2%～27.4%和4.3%～7.2%。分析土壤氮素投入与输出可知,增施有机肥处理氮素均表现为盈余,浅耕+有机肥处理盈余量最高,为13.57 kg N·hm^-2,比深耕+有机肥和免耕+有机肥分别高9.52和0.18 kg N·hm^-2;氮损失以硝态氮淋溶为主,占总损失的73.4%～76.9%,其中深耕+有机肥处理硝态氮淋溶量最高,为48.37 kg N·hm^-2,较其他处理高18.9%～35.1%。2018—2019周年全球增温潜势在深耕+有机肥处理下最高,为33070 kg N·hm^-2,较其他处理高6.6%～26.8%;增施有机肥增加了N₂O和CO₂的排放,降低了CH₄的吸收。作物周年产量在深耕+有机肥处理下最高,较其他处理高5.0%～17.1%;但作物收获指数在浅耕+有机肥处理下最高。综上,在保证作物产量、维持氮素平衡和降低温室气体排放方面,推荐的种植模式为浅耕+增施有机肥。     

麦玉两熟高产农田生态系统氮素的合理调控──以山东省桓台县冬小麦套种夏玉米系统为例

探讨了麦玉两熟高产农田生态系统中化肥氮与有机肥之间的交互作用,并提出了安全合理的施N量。种植制度为冬小麦套种夏玉米,试验处理设氮肥(尿素)4个水平、有机肥(鸡粪)3个水平;采用了裂区试验设计,以有机肥为主区,氮肥为副区。结果表明在供试条件下,化肥氮与有机肥之间有显着的负交互作用;建议300kg·hm^-2作为供试条件下冬小麦套种夏玉米高产农田生态系统全年安全合理施N量.     

小麦-玉米轮作长期肥料定位试验中土壤磷库的变化Ⅰ.磷肥产量效应及土壤总磷库、无机磷库的变化

研究了冬小麦-夏玉米→春玉米轮作中,长期施用磷肥、有机肥对土壤总磷库、无机磷库的影响及磷肥的产量效应.结果表明,长期施用磷肥、有机肥土壤全磷、总无机磷均有不同程度的积累,土壤磷素的积累以无机磷为主.根据土壤磷素的收支平衡状况,计算出维持土壤磷素收支平衡磷肥的临界用量:冬小麦-夏玉米种植年份为P₂O₅94.7kg·hm^-2,春玉米种植年份为P₂O₅51.5kg·hm^-2.根据肥料效应函数计算出磷肥(P₂O₅)的经济最佳、最高产量用量分别为:冬小麦-夏玉米种植年份为135.8、149.8kg·hm^-2,春玉米种植年份为88.6、95.9kg·hm^-2.     

水肥互作对滴灌玉米氮素吸收、水氮利用效率及产量的影响

优化水、氮供应是实现作物高产与水肥资源高效利用的有效途径.本文研究了田间试验条件下,水(4500、6750、9000 m³·hm^-2)、氮(0、225、330、435、540 kg·hm^-2)互作对高密度(≥105000 株·hm^-2)滴灌玉米干物质积累、氮素吸收及产量的影响.结果表明: 玉米干物质积累与吸氮量均随灌溉和施氮水平的增加明显升高,当施氮量大于435 kg·hm^-2和灌溉量大于9000 m³·hm^-2时则呈减少趋势.完熟期玉米干物质积累对灌水的响应表现为W₆₇₅₀(36359 kg·hm^-2)>W₉₀₀₀(35077 kg·hm^-2)>W₄₅₀₀(33451 kg·hm^-2),施氮对玉米吸氮量的变化表现为N₄₃₅(459.9 kg·hm^-2)>N₅₄₀(458.1 kg·hm^-2)>N₃₃₀(416.3 kg·hm^-2)>N₂₂₅(351.3 kg·hm^-2),N₄₃₅比N₃₃₀、N₂₂₀分别升高9.1%、32.7%,N₅₄₀比N₄₃₅降低0.6%.在施氮量0～435 kg·hm^-2范围内,玉米最大氮素吸收速率随施氮量增加而升高,在施氮量为435 kg·hm^-2时达最大(6.57 kg·hm^-2·d^-1).灌水与施氮均可显著增加玉米产量、穗粒数和穗粒质量,二者有明显的正交互作用,且以氮为主效应.在施氮0～435 kg·hm^-2范围内,氮肥利用率随施氮量的增加而升高,此后反而降低;灌溉水分生产率随施氮量升高而增加,随灌水量增加而明显下降,灌溉定额为4500～6750 m³·hm^-2时,灌溉水分生产率可达2.57～3.80 kg·m^-3.玉米最高产量18072 kg·hm^-2的施氮量为567.0 kg·hm^-2.最佳经济施氮量为427.9～467.7 kg N·hm^-2时,玉米产量在17109～17138 kg·hm^-2,氮素偏生产力和氮肥利用率分别达122 kg N·hm^-2和45.0%.水氮一体化施肥可实现滴灌玉米高产协同水、氮利用效率的共同提高.     

土地流转背景下不同经营规模青田稻鱼共生系统的环境影响差异——基于碳足迹的实证研究

在快速工业化和城镇化的影响下,农业文化遗产的保护与管理正面临着适龄劳动力大量外流、土地抛荒、传统知识体系难以维持等诸多威胁与挑战。推动土地流转、进行适度规模经营,可在农业文化遗产的保护中产生积极作用。土地流转在给遗产地带来经济效益的同时,对当地生态环境产生的影响变化同样值得关注,但现有研究却少有涉及。本研究以全球重要农业文化遗产——浙江青田稻鱼共生系统为例,将不同经营规模的稻鱼共生系统分为小农户经营模式和规模化经营模式,运用生命周期法对两种模式的碳足迹进行核算。结果表明: 小农户经营模式和规模化经营模式的碳足迹分别为6510.80和5917.00 kg CO₂-eq·hm^-2,单位产值碳足迹分别为0.13和0.10 kg CO₂-eq·yuan^-1。与小农户经营模式相比,规模化经营模式温室气体排放更少,单位产值的环境影响更小。农户扩大经营规模后,当地温室气体排放减少了4097.20 kg CO₂-eq。农业生产过程中积累的CH₄在碳足迹中占比最大,农业生产资料中复合肥是仅次于CH₄的第二大温室气体排放来源。对于小农户经营模式,饲料中使用的玉米和小麦也对温室气体排放有重要的影响。因此,推动土地适度规模经营,有利于传统农业系统实现经济效益和环境效益的双赢,对于农业文化遗产保护具有重要作用。