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农田生态系统在全球净碳收支和大气温室气体(CH4、N20和CO2)净交换中占有重要地位。集约化水稻种植是保障我国乃至全球粮食安全的必要途径。研究不同集约化栽培模式对土壤有机碳变化以及农田温室气体排放的影响,对于寻求有效的固碳减排措施有重要作用。本研究以我国长江流域典型的稻麦轮作生态系统为研究对象,以不施氮肥模式(NN)和当地常规栽培模式(FP)为对照,依托土壤-作物综合管理(ISSM)设置了四种集约化栽培模式,分别为ISSM-N1(与FP比,化肥减量25%)、ISSM-N2(与FP比,化肥减量10%)、ISSM-N3(与FP等量化肥)和ISSM-N4(与FP比,化肥增量25%)。土壤-作物综合管理涉及不同的氮肥水平、氮肥施用比例、有机肥施用以及栽插密度等措施。这些措施在决定作物产量、氮肥利用率的同时,也直接影响农田生态系统碳收支和温室气体排放。因此,本研究探讨不同集约化栽培模式对稻麦轮作系统净碳收支、温室效应与碳足迹的影响,为短期试验提供碳收支估算与土壤碳变化的研究方法,同时为全面合理评价不同集约化栽培模式对粮食产量、氮肥利用率、温室效应和碳足迹的综合影响提供科学依据。于2010-2011年和2012-2014年三个稻麦轮作期间,采用静态暗箱-气相色谱法对六种栽培模式的土壤异养呼吸和生态系统呼吸与CH4和N2O排放通量分别进行了田间原位观测,并用两种方法估算了不同集约化栽培模式下生态系统净碳收支(NECB)、土壤有机碳变化速率(δSOC)以及化学品投入(Ei)和农事操作(Eo)引起的碳排放,进而估算稻麦轮作系统的综合温室效应(GWP)和碳足迹(CF)。主要研究结果如下:1.本研究中除不施氮模式NN以外,各栽培模式在长期定位试验期间(五年)均表现为碳固定。各栽培模式年均土壤固碳速率为-0.22tCha-1 yr-1(NN)、0.32tCha-1 yr-1(FP)、0.13tCha-1 yr-1(ISSM-N1)、0.19tC ha-1 yr-1(ISSM-N2)、0.38tCha-1 yr-1(ISSM-N3)和0.42 t ha-1 yr-1(ISSM-N4)。与NN模式相比,五种施氮模式均显著提高了固碳速率。同时,与FP模式相比,ISSM-N3与ISSM-N4模式的固碳速率有一定程度的提高,说明通过科学合理施肥及适当的田间管理可以增加系统δSOC,充分发挥土壤的固碳潜力。本研究中,长期定位试验测定的SOC固定速率与两种估算方法得到SOC固定速率没有显著差异,从而为基于作物季节时间尺度的短期试验提供生态系统碳收支估算与土壤碳变化的研究方法。2.2012年至2014年两年试验期间各栽培模式水稻产量变化范围为5.82(NN)～12.29(ISSM-N4)tha-1,小麦产量为 1.76(NN)～6.14(ISSM-N4)tha-1。各栽培模式之间水稻、小麦产量差异显著。与当地常规FP相比,四种集约化栽培模式显著提高了水稻产量,在此基础上,四种集约化栽培模式也显著增加了水稻氮肥农学利用率。除ISSM-N2和ISSM-N4模式以外,其余各模式小麦的产量均有所降低;相对于FP模式,ISSM-N3和ISSM-N4模式的小麦氮肥农学利用率没有显著提高,主要是由于本研究中的集约化栽培模式是针对水稻作物来设计的,缺乏针对小麦作物产量和氮肥利用率目标的土壤-作物综合管理措施。3.栽培模式和年际变化显著影响稻麦轮作生态系统中CH4和N2O排放。水稻生长季是CH4的主要排放源。不同集约化模式下CH4排放动态表现基本一致,其中施用菜籽饼肥的两种集约化栽培模式ISSM-N3和ISSM-N4相对于其他四种栽培模式显著增加了 CH4全年累积排放量。全年N2O排放主要集中在小麦生长季,约占全年排放量的70～80%。与当地常规模式FP相比,ISSM-N1和ISSM-N2模式N2O排放分别显著减少36%和16%。N2O累积排放量与施氮量之间呈现显著的指数相关关系。4.稻麦轮作系统中化学品投入(Ei)和农事操作(Eo)引起的碳排放值得重视。各施肥模式下,化学品投入的碳排放均显著高于农事操作,化学品在农业措施引起的碳排放中占主导地位,其中,氮肥施用对Ei的贡献率达到66%～75%,是Ei的主要来源。5.稻麦轮作生态系统各栽培模式综合温室效应(GWP)以CH4排放为主,农业措施碳排放(Ei、Eo)次之,N2O排放贡献较小,固碳可以抵消一部分温室效应。当地常规栽培模式 FP 的 GWP 为 11.51 t CO2 eq.ha-1 碳足迹(CF)为 0.80 kg CO2 eq.kg-1 grain。与FP相比,ISSM-N1和ISSM-N2模式中GWP分别降低了 8%和6%,CF分别降低了 9%和15%;ISSM-N3和ISSM-N4模式的GWP则分别显著增加了 48%和83%,CF分别显著增加了 29%和43%。综上所述,科学合理施肥及适当的田间管理可以增加系统δSOC,充分发挥土壤固碳潜力,且本试验为在作物季节时间尺度上碳收支估算与土壤碳变化的研究提供了方法。与当地常规栽培模式(FP)相比,集约化栽培模式ISSM-N1和ISSM-N2显著提高了我国稻麦轮作生态系统水稻产量和氮肥农学利用率,同时对作物生产过程的温室气体排放具有一定减排潜力。ISSM-N3和ISSM-N4两种集约化栽培模式虽然显著提高了水稻产量,但也增加了碳足迹,其推广性值得商榷。