期刊：中国农学通报
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全文链接：有机物料还田对稻田土壤温室气体排放及产量的影响
http://journals.caass.org.cn/zgnxtb/CN/10.11924/j.issn.1000-6850.casb2024-0377
      1导读
      在全球气候变暖及双碳目标背景下，农田土壤固碳减排成为农业可持续发展的重要研究热点之一。有机物料还田作为一种有效且多样化的农业管理措施，既包括传统还田措施中的秸秆还田，也包含近年来备受关注的生物炭还田，这些措施对土壤温室气体排放及低碳农产品生产具有差异性的效果，这取决于有机物料类型及其性质。阐明不同类型有机物料还田在土壤中的温室气体排放特征及机制对于农田土壤碳管理具有重要意义。目前对华南地区不同有机物料还田对稻田整体温室气体排放及其与水稻产量影响的研究较少。为探明不同有机物料还田条件下对土壤温室气体排放及水稻产量的影响，为农田土壤碳管理提供科学依据。本研究以水稻秸秆及其生物炭为研究对象，在等量碳投入条件下分析秸秆及生物炭还田对早稻产量、温室气体排放特性及土壤理化性质的影响，以期为稻田土壤碳管理策略提供科学依据与理论参考。结果发现，生物炭还田处理不仅能显著提高早稻的产量，同时能显著降低水稻田温室气体的排放，而秸秆还田处理对产量提升效果有限，具有较高的环境增温风险。
      2  结果
      2.1  有机物料还田对早稻温室气体排放通量的影响
      由图1可知，早稻生长前期和中期（2022年4月7日—2022年6月6日），秸秆还田处理CH4排放通量明显高于对照、生物炭还田处理，在早稻后期（2022年6月27日—2022年7月6日），秸秆还田处理CH4排放通量明显下降，直至收获期与对照及生物炭还田处理无明显差异。在早稻后期（2022年6月6日—2022年6月27日），对照及生物炭还田处理CH4排放通量处于高峰水平，其他时期则较低。早稻生长初期（2022年4月7日）及中后期（2022年5月27日—2022年6月16日），秸秆还田处理CO2排放通量显著高于其他处理；其他时期则与对照、生物炭还田处理无显著性差异。在整个早稻生长各时期，对照与生物炭还田处理CO2排放通量差异不显著。稻田N2O排放通量随有机物料处理及早稻生长时期有所不同。在早稻大部分生长时期，秸秆及生物炭还田处理N2O排放通量均高于对照处理；秸秆还田处理与生物炭还田处理N2O排放通量则随生长时期不同表现为交替升高趋势。

图 1 不同有机物料还田条件下早稻温室气体排放通量

      2.2  有机物料还田对温室气体累积排放量、温室效应及排放强度的影响
由表2可知，对照、秸秆及生物炭还田处理N2O累积排放量差异不显著，分别为1.14、1.57、1.30 kg/hm2。CH4累积排放量则以秸秆还田处理(899.7 kg/hm2)显著高于对照(216.7 kg/hm2)及生物炭还田处理(178.4 kg/hm2)(P＜0.05)。秸秆还田处理全球增温潜势最高(22959 kg/hm2)，分别为对照、生物炭还田处理的3.99、4.74倍。对照及生物炭还田处理的全球增温潜势差异不显著，分别为5758、4848 kg/hm2。各有机物料处理排放强度差异均达显著性水平(P＜0.05)，以秸秆还田处理(3.32 kg/kg)＞对照处理(0.88 kg/kg)＞生物炭还田处理(0.64 kg/kg)。

      2.3  有机物料还田对早稻产量及生物量的影响
      由图2可知，生物炭还田处理早稻产量(6444 kg/hm2)显著高于对照(5497 kg/hm2)、秸秆还田处理(5756 kg/hm2)，提高幅度分别为17.2%、12.0%。秸秆还田处理与对照处理的早稻产量则无显著性差异。生物炭还田处理早稻秸秆量显著高于对照、秸秆还田处理，而对照处理和秸秆还田处理差异不显著 ，分别为 6402、5342、5385 kg/hm2。不同处理草谷比表现为秸秆还田处理(1.07)＞对照处理(1.03)＞对生物炭还田处理(1.01)，差异不显著。

图 2 不同有机物料还田条件下早稻产量、秸秆量及草谷比差异

      2.3  有机物料还田对土壤理化性质的影响
      尽管在统计学上，稻田土壤的理化性质差异不显著，但不同有机物料处理下的对应指标实际上存在较明显的差异。如表3所示，与对照(pH 5.98)、秸秆还田处理(pH 6.02)相比，生物炭还田处理(pH 6.04)表现为升高趋势。相比于对照、秸秆还田处理，生物炭还田处理SOM含量分别提高3.57%、4.40%。秸秆及生物炭还田处理土壤速效钾(AK)含量分别比对照处理提高16.2%、5.38%。秸秆、生物炭还田后，土壤碱解氮(AN)、全磷(TP)、速效磷(AP)、全钾(TK)含量表现为略微下降趋势。

      3  结果
     在早稻产量方面，秸秆还田处理相对于对照处理提高了4.71%，而生物炭还田处理相对于对照处理提高了17.2%。在温室气体排放方面，生物炭还田处理显著降低了水稻田温室气体排放强度(P＜0.05)，而秸秆还田处理显著提高了CH4排放通量、温室效应和温室气体排放强度(P＜0.05)。生物炭还田处理不仅能显著提高早稻的产量，同时能显降低水稻田温室气体的排放，而秸秆还田处理对产量提升效果有限，具有较高的环境增温风险。