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Picarro | 免耕和适量施氮肥降低了华北平原半湿润玉米农田土壤CO2排放

日期: 2023-07-14
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随着人类社会的不断发展和人口的不断增加,人类对自然环境的影响也日益加剧。

其中,二氧化碳排放量已经成为全球气温升高的主要原因之一。人类活动加剧,使得二氧化碳排放量不断增加,导致全球气温不断升高。这对农业生产造成了巨大的影响。

Picarro | 免耕和适量施氮肥降低了华北平原半湿润玉米农田土壤CO2排放

当然,农业生产作为人类活动之一,对二氧化碳的排放也有一定影响。例如,农业生产中的化肥和农药等化学物质会导致二氧化碳排放量的变化。因此,农田管理措施也需要遵循环保理念,采取环保措施,减少对环境的污染,从而减少二氧化碳的排放。

来自中国科学院地理科学与资源研究所的研究团队在华北平原,就玉米田的耕种及管理对土壤CO2排放的影响做了相关研究。

免耕和适量施氮肥降低了华北平原半湿润玉米农田土壤CO2排放

Picarro | 免耕和适量施氮肥降低了华北平原半湿润玉米农田土壤CO2排放

CO2排放量加剧已致全球平均地表温度较工业化水平增加了1.1℃,且根据未来长期的CO2排放预测,预计将继续升高1.5℃或2℃。农业生产是最重要的CO2排放源之一,占人为CO2总排放量的23-30%,而适当的农田管理措施如免耕和施肥可大大减少CO2排放。土壤CO2排放是一个系统性问题,与土壤理化和生物过程密切相关。以前的研究大多通过关注土壤特性或微生物活性来研究耕作方式和施氮肥对土壤CO2排放的影响,很少有人系统地研究其综合影响,这可能导致无法完全理解潜在机制。

为更好地了解耕作方式和施氮肥对玉米田中微生物介导的土壤CO2排放的影响, 来自中国科学院地理科学与资源研究所的研究团队在山东禹城农田生态系统国家野外科学观测研究站(36°50′N,116°34′E),基于单作玉米田生长季(7-10月)为期四年(2018-2021年)的连续原位观测。通过测量两个耕作方式(传统耕作:CT和免耕NT)和两个施氮率(中等施氮率:MN和高施氮率:HN)共4种处理下(CTHN,NTHN,CTMN,和NTMN)土壤物理性质(土壤温度、水分和容重)、化学性质(土壤有机质、总氮、土壤微生物量碳和氮)和生物学特性(土壤木质素、、蛋白酶、脲酶活性、转化酶活性),分析微生物群落结构、高通量测序和CO2浓度(Picarro G2508气体浓度分析仪)。旨在(1)量化土壤CO2排放对农田实践的响应,(2)表征微生物群落结构,以及(3)确定农业实践影响CO2排放的主要非生物和生物因素

【结果】

Picarro | 免耕和适量施氮肥降低了华北平原半湿润玉米农田土壤CO2排放

(a)相关性图用于确定土壤特性与土壤CO2排放量和产量之间的相对程度。热图用于描述土壤特性、产量、土壤CO2排放量和主要细菌群落(b)或主要真菌群落(c)之间的相互作用

Picarro | 免耕和适量施氮肥降低了华北平原半湿润玉米农田土壤CO2排放

基于结构方程模型的土壤理化、生物学特性和真菌、细菌多样性对土壤CO2排放和玉米产量的影响

【结论】

NTMN(推荐模式)和CTHN(当地广泛使用模式)分别表现出最低和最高的土壤累积CO2排放量。研究表明,与CTHN相比,NTMN显著提高了玉米平均地上生物量(↑8.9%)和作物产量(↑8.5%),显著降低了土壤CO2排放强度(↓>43.4%),降低了真菌多样性(↓0.7%)、细菌丰富度(↓3.4%)和细菌多样性(↓0.3%)。与CT和HN相比,NT和MN抑制与C循环相关的代谢过程,并加强原核生物中的C固定途径。NTMN显著减少土壤CO2排放主要归因于真菌和细菌多样性的减少。相对于细菌,土壤真菌对本研究区土壤CO2排放的影响更大。在NTMN处理中,实现CO2减排和增产平衡的主要机制是降低土壤温度,增加土壤水分和容重及减少土壤有机质和增加微生物碳含量,通过减少土壤真菌和细菌底物和能量来源来抑制土壤转位酶和蛋白酶的活性,从而降低真菌和细菌的多样性,最终表现为土壤CO2排放减少和产量增加。总而言之,相对于广泛应用的CTHN模式,NTMN模式是一种生态友好型农田实践,可减少土壤CO2排放并增加作物产量。因此,应在玉米种植区推广NTMN处理,以实现碳中和。在长期尺度上,应进一步研究其稳定性和有效性。

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