可持续轮作对黄淮海平原农田氧化亚氮排放影响的观测比较研究

The problem of global warming and ecological environment deterioration caused by the increasing of greenhouse gases (e.g. N2O) emissions has become a major challenge for the survival and development of human society. Agriculture is an important source of N2O emissions. There is a strong national strategic need by building sustainable developing agriculture with low or free nitrogen put into the farmlands to mitigate greenhouse gas emissions, especially soil N2O emissions. Through observing soil C and N cycling, soil microbial community structure changing and N2O emissions from four cropping rotations in North China Plain, the present study will finish: 1) comparing soil nitrous oxide emission characteristic and intensity under different cropping rotations, and the mitigation potential for reducing N2O emissions under sustainable developing agriculture based on biological nitrogen fixation with leguminous crops in North China Plain. 2) revealing the annual and inter-annual dynamic variation characteristics of soil carbon and nitrogen cycling, and the microbiology associated mechanism between soil C/N cycling and N2O emissions; 3) illuminating the biological nitrogen fixation efficiency of leguminous crops. The results will lower the uncertainty of agricultural N2O emissions in China. Furthermore, this study will provide scientific basis and data support for sustainable development agriculture and greenhouse gas mitigation in the future.

主要由温室气体（如N2O）浓度增加所引起的全球气候变暖和生态环境恶化等问题，已成为当今人类社会生存与发展所面临的重大挑战。农业是大气N2O的重要排放源，通过构建低氮或无氮投入的可持续发展农业生产方式对减缓农田N2O排放具有强烈的国家战略需求。本项目以黄淮海平原四种轮作方式为对象，通过对不同轮作方式下土壤碳氮转化过程、土壤微生物群落结构变化及N2O排放通量的原位观测比较研究，项目将完成：1）比较不同轮作方式下黄淮海平原农田N2O排放特征和排放强度，及以豆科作物生物固氮为基础的可持续轮作方式对农田N2O排放的减排潜力；2）揭示不同轮作方式下黄淮海平原土壤碳氮过程的周年和年际动态变化特征及其与N2O排放的微生物学关联机制；3）阐明豆科作物大豆和苜蓿的生物固氮效率。研究结果将有助于降低我国农田N2O排放总量的不确定性，为寻求未来农业可持续发展同时减缓农业源N2O排放提供科学依据和数据支撑。

如何提高集约化农业生产的可持续发展性和提高农业生态系统资源利用效率是当今国际社会关注的焦点问题。黄淮海平原是我国重要的粮食主产区，同时也是温室气体（N2O和CH4等）排放的重要来源，具有巨大的减排潜力。因此，如何通过改进和优化农业生产方式，对于准确估算和有效减缓黄淮海平原农业源N2O和CH4排放在全球变化研究中显得尤为重要。. 本项目通过设置传统轮作模式小麦-玉米和以豆科作物生物固氮为基础的粮豆轮作模式，采用静态箱-气相色谱法测定农田土壤温室气体（N2O和CH4）排放、测定分析不同轮作模式下作物产量变化和土壤微生物群落结构变化，探究了不同轮作模式对黄淮海平原农田温室气体排放和作物生产力的影响，同时对不同轮作模式下的经济效益和应用前景进行了对比分析，以期为建立低氮或无氮投入的可持续发展农业提供数据支撑和科学依据。. 研究发现：. 1. 轮作模式和氮肥施用是影响土壤N2O排放的两个主要影响因子。正常施肥的常规麦玉轮作模式下N2O累计排放量最高，达到1708.22 mg m-2，豆科轮作能够显著降低施肥土壤N2O排放。不施肥条件下豆科轮作反而提高了土壤N2O排放，相对于常规不施肥的麦玉轮作下的累计排放量提高了10%。. 2. CH4排放通量随季节及轮作模式表现出较大的变化幅度，除麦玉轮作的常规施肥CH4表现为明显的排放情况外，其它处理均表现为CH4吸收，说明该地区农田生态系统土壤表现为CH4的汇。. 3. 氮肥施用显著提高了由CH4和CH4排放所引起的全球增温潜势。所有处理中，正常施肥条件下的玉米-小麦轮作所造成的全球增温潜势最大，豆科轮作能够显著降低由N2O和CH4排放所引起的全球增温潜势。. 4. 不同轮作方式历经三个作物生长季累积下来的最终经济效益差异显著。WM0和WMS0轮作模式下的经济效益最低，WS200和WSM265两种模式的经济效益最佳，达4.5万元和4.6万元。. 综上，在施肥的条件下，豆科轮作模式相对于常规麦玉轮作模式能够显著降低温室气体排放，同时能够有效维持作物的产量和生物量并显著提升总体经济效益，可作为可持续的轮作模式。