研究进展——农田生态系统温室气体排放机制研究
作者：禹城站 更新时间：2024-02-29
中国科学院禹城综合试验站/山东禹城农田生态系统国家野外科学观测研究站/中国科学院地理科学与资源研究所禹城综合试验站（禹城站）研究团队围绕不同农田实践方式对温室气体的大气排放以及碳氮养分在环境中的转化迁移开展，为全球农田实践对温室气体排放和农业生产力的影响提供了深刻的科学基础，为减缓气候变化和农业可持续发展的实践提供了重要参考。
免耕作为一种保护性耕作实践，在全球范围内被广泛采用。但由于气候和土壤性质的复杂性，不同研究者对于免耕的效果存在矛盾的结论。课题组围绕禹城站开展了一系列长期观测，以理解耕作方式和氮肥对玉米-小麦轮作农田土壤CO2排放的影响和作物产量，以应对气候变化和确保粮食安全。研究发现，相较于传统耕作和高氮肥的处理结合，免耕和中等氮肥的处理降低了10.3% - 24.5%和18.9% - 31.8%的土壤CO2排放，并提高了玉米和小麦的产量9.0%和7.0%。此外，免耕降低了细菌的丰富度和α-多样性，而免耕-中等氮肥处理抑制了土壤CO2排放并增加了粮食产量。免耕降低了全球增温潜势14.4%，但并未改变作物产量。在温带地区，免耕能够显著抑制了CO2、CH4和N2O的排放。粘壤土和粉质壤土被推荐作为免耕实践的适用土壤。进一步分析表明，在大麦、玉米、水稻和大豆种植中，免耕分别减少了10.8%、13.7%、22.5%和30.1%的全球增温潜势。虽然免耕显著提高了小麦和大豆的产量，但在大麦中产量显著降低。通过长期实践，免耕减轻了温室气体排放，同时提高了作物产量。
旱地农田的灌溉措施是土壤氮淋溶过程并触发N2O排放的关键驱动机制。灌溉农业区域的地下水中，N2O浓度通常出于过饱和状态。通过对华北平原三个区域（山前平原、沿海平原和中央平原）的地下水样品分析，发现三个区域的N2O浓度存在显著差异，这些差异归因于这三个区域地下水N输入和水文地质参数的不同。降水渗透系数被发现是影响地下水N2O的最重要的水文地质参数。此外，研究评估了黄河下游灌溉区的地下水开发引起的N2O排放，发现排放量为1.87 g hm−2year−1。这些研究结果为减少河流下游农业区域中N2O产生和排放提供了基础。
耕作方式对土壤理化过程、温室气体排放和作物产量影响的概念框架
（1）研究团队主要成员
李发东、乔云峰、栗照鑫、冷佩芳、田超、李兆等
（2）支持性成果
Li, Z., Zhang, Q., Li, Z., Liu, S., Tian, C., Qiao, Y., Cheng, H., Chen, G., Tang, Q., Li, F., 2023a. Influence of hydrogeological and geochemical parameters on N2O in the groundwater in the irrigation area of lower reaches of Yellow River. Journal of Hydrology 620, 129508.
Li, Z., Zhang, Q., Li, Z., Qiao, Y., Du, K., Yue, Z., Tian, C., Leng, P., Cheng, H., Chen, G., Li, F., 2023b. Responses of soil CO2 emissions to tillage practices in a wheatmaize cropping system: A 4-year field study. Field Crops Research 294, 108832.
Li, Z.X., Zhang, Q.Y., Li, F.D., Li, Z., Qiao, Y.F., Du, K., Yue, Z.W., Tian, C., Leng, P.F., Cheng, H.F., Chen, G., 2023c. Soil CO2 emission reduction with no-tillage and medium nitrogen fertilizer applications in semi-humid maize cropland in North China Plain. EUROPEAN JOURNAL OF AGRONOMY 147.
Li, Z.X., Zhang, Q.Y., Li, Z., Qiao, Y.F., Du, K., Yue, Z.W., Tian, C., Leng, P.F., Cheng, H.F., Chen, G., Li, F.D., 2023d. Responses of soil greenhouse gas emissions to no-tillage: A global meta-analysis. SUSTAINABLE PRODUCTION AND CONSUMPTION 36, 479-492.