不同灌溉方式冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡研究

牛海生，李大平，張娜，郝維維，徐文修，張娜，張洋，趙有來，胡春輝

新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，新疆 烏魯木齊 830052

不同灌溉方式冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡研究

牛海生，李大平，張娜，郝維維，徐文修*，張娜，張洋，趙有來，胡春輝

新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，新疆 烏魯木齊 830052

全球氣候變暖趨勢明顯，陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的研究成為目前的研究熱點，而農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，由于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是受人類強烈調(diào)節(jié)與控制的復(fù)合系統(tǒng)，其碳循環(huán)受各類農(nóng)作措施的影響極大。新疆地處干旱區(qū)，水分條件是農(nóng)田碳循環(huán)的最重要限制因子。為此，分析不同灌溉方式對冬小麥（Triticum aestivuml）農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的影響，從而提出有利于新疆冬小麥生產(chǎn)的固碳減排的灌溉方式。試驗于2012—2013年在伊寧縣科技示范園冬小麥試驗田進行，選擇伊農(nóng)18冬小麥品種為供試材料，確定滴灌和漫灌為兩個試驗主因子并設(shè)置小區(qū)。試驗自冬小麥返青開始至完全成熟結(jié)束，期間平均每7天采1次樣，其中用典型樣株法采集小麥植株，分根、莖、葉等不同器官單獨烘干測定植株固碳量；用靜態(tài)鈉石灰吸收法測定冬小麥土壤呼吸；收集整理已發(fā)表國內(nèi)外文獻中的各類碳排放參數(shù)確定本研究中所需參數(shù)；采用王小彬的碳平衡計算方法分析不同灌溉方式農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡，據(jù)此對滴灌和漫灌兩種灌溉方式的冬麥農(nóng)田作物生物量固碳、土壤碳排放量和作物生產(chǎn)過程中物質(zhì)投入的間接碳排放量，以及兩種灌溉方式下冬麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)凈碳值進行分析。試驗結(jié)果表明：滴灌條件下冬麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)小麥的固碳量、土壤碳排放總量分別比漫灌小麥的高出15.38%和11.43%，冬小麥穗是差異形成的主要原因；而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料排碳總量比漫灌少排3.88%；但無論是滴灌還是漫灌，耗電碳排放量均占農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料碳排放總量的59%以上，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料碳排放的第一大來源。兩種灌溉方式下冬小麥田生態(tài)系統(tǒng)的凈碳值均呈現(xiàn)出固碳并存在顯著差異（p＜0.01），且滴灌冬麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)凈碳值比漫灌高25.39%。因此，新疆冬小麥生產(chǎn)中采用滴灌方式更有利于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的固碳，并且改變灌溉電能生產(chǎn)方式將會進一步減少農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳排放。

冬小麥；農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)；碳平衡；滴灌；漫灌

20世紀以來地球氣候變暖現(xiàn)象激化。IPCC得出，近25年期間地球氣溫每10年上升0.19 ℃，當前空氣中的CO2濃度已比工業(yè)革命前增加100 mg·kg-1多，達到近400 mg·kg-1（IPCC，2007）。一些科學(xué)家利用數(shù)學(xué)模擬的方法，將這兩種現(xiàn)象聯(lián)系起來，認為人類活動向陸地生態(tài)系統(tǒng)過多的排放CO2形成溫室效應(yīng)是天氣變暖的元兇。于是，陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的研究成為了目前研究的熱點。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要組成部分，由于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是人工復(fù)合系統(tǒng)，其碳循環(huán)受人類農(nóng)藝措施的的影響極大，合理的農(nóng)田管理措施使農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)為固碳，不合理的農(nóng)田管理措施可加劇系統(tǒng)碳的排放。

當前國內(nèi)從農(nóng)田管理措施方面對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的研究主要集中在保性耕作、輪作和施肥方面。張宇等（2009）對不同耕作方式下冬小麥（Triticum aestivuml）農(nóng)田碳平衡進行了研究，指出相對于翻耕，旋耕和免耕條件下土壤緊實，與空氣接觸面積較小土壤排碳量少，農(nóng)田系統(tǒng)表現(xiàn)為固碳，固碳量為免耕＞旋耕＞翻耕，梁堯等（2012）研究小麥-玉米（Zea mays）-大豆（Glycine max）輪作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡，指出輪作有利于作物固碳量提高，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)為固碳，宋秋來等（2012）對玉米-玉米-大豆輪作周期的農(nóng)田碳平衡進行了研究，研究也得出輪作農(nóng)田平均每年固碳量為4.53 kg·hm-2。目前研究普遍認為施肥雖然增加了土壤碳排放量，但同時增加了作物生物量，提高作物固碳量，進而增加了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳量（牛靈安等，2009；周立峰和馮浩，2011）。但前人研究農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡時僅考慮了土壤碳排放，忽視農(nóng)

田生態(tài)系統(tǒng)技術(shù)過程碳排放。

滴灌是當今世界最先進的節(jié)水灌溉技術(shù)之一，2007年之后已在新疆第一大糧食作物小麥的種植中開始大面積應(yīng)用，2009年僅北疆滴灌小麥種植面積已超過了3.5×104hm2,與新疆常規(guī)漫灌相比已顯示出巨大的節(jié)水增產(chǎn)潛力（王振華等，2010），但國內(nèi)對兩種灌溉方式下冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的研究尚未報道。為此，本研究將農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)技術(shù)過程碳排放包括在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡中，采用當前國內(nèi)外學(xué)者認為較全面的碳平衡分析法（王小彬等，2011；伍芬琳等，2007；Smith等，2010；Lehuger等，2011），對新疆不同灌溉方式的冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡進行研究，旨在提出有利于新疆冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳減排的灌溉方式。

1 材料與方法

1.1 研究思路

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡計算通常用凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力NEP（Net Ecosystem productivity）來表示，它等于農(nóng)田作物固碳減去土壤呼吸碳釋放量，當NEP為正值時，表示該系統(tǒng)固碳，反之為排碳（牛靈安等，2009；李銀坤等，2013；李志國等，2012）。2000年以后國外學(xué)者認為, 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)不同于森林、草原和荒漠等生態(tài)系統(tǒng)，是人工建立的生態(tài)系統(tǒng)，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)包括生態(tài)過程、技術(shù)過程與經(jīng)濟過程, 對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡計算不但要考慮土壤呼吸直接碳排放（生態(tài)過程），還應(yīng)考慮人類種植作物向農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)投入大量物質(zhì)的（柴油、化肥和農(nóng)藥等）間接碳排放(技術(shù)過程)，因此，國外學(xué)者在計算農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡包括直接碳排放和間接碳排放（Lal，2004；Dubey和Lal，2009；West和Marland，2002）。2007年國內(nèi)學(xué)者伍芬琳等（2007）也提出農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)不能僅考慮物質(zhì)能量投入對作物固碳力的提高，而忽視其對溫室氣體的貢獻，因此，將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料碳排放包括在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)凈碳釋放量內(nèi)，而王小彬等（2011）在評價旱地農(nóng)田不同耕作系統(tǒng)的碳平衡時也認為不考慮技術(shù)過程對農(nóng)田碳平衡的影響是片面的，并提出了較全面的碳平衡公式（1）。為此，本試驗以冬麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，設(shè)置滴灌和漫灌兩種不同灌溉方式的田間試驗，按碳平衡公式（1）測定各指標，計算出不同灌溉方式的凈碳值（NCV）并對比分析，最終提出有利于新疆冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳減排的灌溉方式。

式中：NCV指凈碳值，當NCV＞0時農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)為固碳，NCV＜0時此系統(tǒng)為排碳，GWPNPP指作物生長量的固碳量（包括籽粒和秸稈根系等）；GWPEXPORT指土壤呼吸排出碳量；GWPINDIRECT指各種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料間接碳排放總量（化肥、農(nóng)藥、種子、灌溉、人力、畜力等），本研究作物固碳量、土壤呼吸和生產(chǎn)資料排碳量統(tǒng)一用碳當量來表示即kgCE，考慮到單位標準化，本文將“kgCE”省略CE為“kg”（CE：Carbon equivalent，簡稱“CE”，不同物質(zhì)以一定的比例換算成相應(yīng)的碳含量）。

1.2 試驗區(qū)概況

試驗于2012年10月—2013年7月在國家產(chǎn)糧大縣伊寧縣科技示范園中進行。試驗區(qū)位于E81°33′，N43°56′，海拔716 m，屬溫帶大陸性半干旱氣候，年平均氣溫9.0 ℃～11.1 ℃，年降水量300 mm左右，≥10 ℃的積溫為3500 ℃，無霜期154～184 d。試驗區(qū)0～20 cm土壤有機質(zhì)含量為2.03%，堿解氮含量為73.9 mg·kg-1，速效磷含量為11.5 mg·kg-1，速效鉀含量為97 mg·kg-1，pH為8.5。參試品種為當?shù)刂髟云贩N伊農(nóng)18。

1.3 試驗設(shè)計

試驗設(shè)滴灌和漫灌兩種灌溉處理：其中漫灌與當?shù)毓嗨~相同為5400 m3·hm-2；滴灌采用一管四的鋪設(shè)方式，即一根滴灌帶管4行小麥，小麥為15 cm等行距，帶間距為60 cm，灌水定額為4200 m3·hm-2，每次灌水量均用水表進行控制。每個處理3次重復(fù)，每個小區(qū)面積60 m2，為了防止側(cè)滲對試驗的影響，每小區(qū)四周和田埂用塑料膜（厚1 mm）圍墻，至土表以下1 m深，為了防止冬季寒冷對滴灌帶的破壞，滴灌帶于次年春季頭水前鋪設(shè)，因此，本試驗兩種處理越冬前的灌溉均采用漫灌，灌水量為750 m3·hm-2。冬麥返青后采用不同灌溉方式，具體灌水分配見表1。灌溉水均來自井水，井深120 m。試驗田每公頃施純氮225 kg，分別按總量的60%和40%于小麥拔節(jié)期和灌漿期追施，其余田間管理措施均與大田相同。

表1 不同灌溉方式冬小麥灌水時間及灌溉量Table 1 Irrigation date and irrigation quantity of different irrigation modes of winter wheat m3·hm-2

1.4 測定項目及方法

1.4.1 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)小麥固碳量測定

冬小麥生物量固碳的測定自冬麥返青灌溉頭水后開始直至小麥成熟，測定時每隔7 d在各小區(qū)中選取有代表性的冬小麥植株12株，同時，采用土體(寬0.5 m, 深3.5 m)分期完整出坑沖洗法, 獲

得各處理根重量，將取回的樣株迅速分解為葉片、葉鞘、莖、穗、根等器官，將其分別裝入紙袋置于烘箱，在105 ℃條件下殺青30 min后降至80 ℃烘至恒重，取出后迅速稱重，求出每個處理的平均值并換算成單株生物量，依據(jù)麥田田間密度，將單株生物量換算成單位土地面積上冬麥生物量。最后乘以冬小麥生物量中所含的碳當量值0.405（Fang等，1998；盧小宏等，2012），求出各處理冬小麥各個生育時期農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳固定量GWPNPP(kg·hm-2)。

1.4.2 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)排碳量測定

冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)排碳量為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料間接的碳排放量和土壤呼吸碳排放量之和。間接的碳排放總量為小麥播種到成熟整個生育期投入農(nóng)田中的種子、化肥、機械和灌溉等造成的間接碳排放總量（Lal，2004；Dubey和Lal，2009），GWPINDIRECT計算公式為：

式中，GWPINDIRECT為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料碳排放總量(kg·hm-2)，m表示該作物從播種到成熟整個過程消耗了m種生產(chǎn)資料(柴油、電能、化肥、滴灌帶、人力等)，n表示某種生產(chǎn)資料的消耗量，b表示某種生產(chǎn)資料的碳排放當量參數(shù)（表2）。由于國內(nèi)目前缺乏一套統(tǒng)一的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料碳排放系數(shù)，故本文依據(jù)“就近原則”，首選國內(nèi)的參數(shù)，其次是國外的參數(shù)，若相同項目存在多個參數(shù)，選取權(quán)威的或取平均值（史磊剛等，2011），其中犁地、耙地、播種按消耗柴油碳排放參數(shù)計算，井灌電能消耗按火力發(fā)電碳排放參數(shù)計算，本試驗灌溉1 m3水耗電1 kW·h，因滴灌帶可回收利用，當季滴灌帶生產(chǎn)排碳量按1/3計，人力排碳按能量法計算，勞力1年工作300 d，每天進食12600 J，每人每年扣除糞便部分后剩余3511.1 MJ·a-1，由能折碳1 GJ=20.15 kg得出每人每年排碳當量為70.75 kg，即每人一天排碳為0.24 kg·d-1。

表2 各種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料的碳排放系數(shù)Table 2 Index of carbon emission of different material for agricultural production

土壤呼吸碳排放量采用靜態(tài)鈉石灰吸收法測定（周立峰和馮浩，2011；Markus Kleber，1997）。首次測定前將直徑為16 cm，高度為25 cm的圓柱形PVC管插入小麥行間土壤，之后PVC管不再移動，并在PVC管中放置一個鐵架。PVC管放置按土壤含水量測定方法沿小區(qū)對角線等距離選3個樣點，每樣點放置一個PVC管。田間測定前，將鈉石灰置于105 ℃烘箱24 h，隨后稱取40 g裝入培養(yǎng)皿中，并用水充分潤濕,之后將培養(yǎng)皿置于田間PVC管內(nèi)的小鐵架上，用塑料膜蓋住并用橡皮筋扎緊（凡士林摸邊）。待24 h后取出培養(yǎng)皿并置于105 ℃烘干24 h，稱其質(zhì)量并按公式（3）計算土壤日呼吸速率，按公式（4）計算農(nóng)田系統(tǒng)土壤碳排放總量。已有大量文獻表明氣溫低于零攝氏度土壤呼吸為零（李琳等，2007），而伊寧縣冬麥播種到凍結(jié)之前僅有20 d左右，此階段冬麥根系呼吸弱同時溫度低等因素，本研究將該時段的土壤呼吸忽略不計，因此本試驗土壤呼吸的測定自次年氣溫穩(wěn)定大于0 ℃開始直至小麥收獲，每隔7天左右測定1次。

式（3）中：SR為土壤呼吸速率（g·m-2·d-1），W2為反應(yīng)后鈉石灰加培養(yǎng)皿質(zhì)量（g），W1為反應(yīng)前鈉石灰加培養(yǎng)皿質(zhì)量（g），A為PVC管罩住土壤的面積（m2），1.69為鈉石灰吸收二氧化碳生成的水被烘干質(zhì)量差校正系數(shù)（Pual，1998）。式（4）中GWPEXPOR為麥田碳排放總量(kg·hm-2)，(SRi+SRi+1)/2為前后兩次土壤呼吸速率測定的平均值，△t為前后兩次土壤呼吸測定的時間間隔，0.272為CO2轉(zhuǎn)換為C的系數(shù)，B單位換算系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉方式冬小麥的固碳量

從圖1可見，兩種灌溉方式下的冬麥固碳量從5月2號后均呈快速增加趨勢并顯現(xiàn)出差異，表現(xiàn)為孕穗初期至開花初期漫灌處理的冬小麥固碳量高于滴灌處理的，但從灌漿開始直至成熟滴灌處理的冬小麥固碳量始終高于漫灌處理的，到成熟期滴灌冬麥累計固碳量為10093.8 kg·hm-2，比漫灌處理的高出15.38%，通過SPASS分析，兩種灌溉方式固碳量差異性達到極顯著水平(表5)，說明不同灌溉方式對冬小麥的固碳量影響顯著。

圖1 不同灌溉方式麥田生態(tài)系統(tǒng)累積固碳量的變化趨勢Fig.1 Farmland ecosystems carbon output variation tendency under different irrigation methods of winter wheat

圖2 不同灌溉方式成熟期冬麥固碳量構(gòu)成Fig.2 Composition of the carbon output during winter wheat ripening in different irrigation methods

進一步分析冬麥成熟期固碳量構(gòu)成可得（圖2），不同處理冬小麥的穗和莖均為主要的固碳器官，兩器官固碳量分別占到其總固碳量的80.4%和77.6%。滴灌冬麥除穗的固碳比例大于漫灌的外，其余各器官固碳量所占比例均小于漫灌，表明滴灌較漫灌更有利于各器官積累的碳物質(zhì)向穗運輸，說明滴灌小麥穗生物量高是導(dǎo)致其總固碳量高的主要原因，也從另一個側(cè)面證實了滴灌小麥較漫灌增產(chǎn)。

表3 不同灌溉方式下農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料碳排放量Table 3 List of agricultural material carbon emission quantity under different irrigation methods

2.2 不同灌溉方式麥田農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料排碳量

由表3可知，滴灌冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)資料排碳總量為1760.09 kg·hm-2，比漫灌的少排放

3.88%。盡管滴灌小麥農(nóng)田系統(tǒng)增加了滴灌帶229.5 kg·hm-2的碳排放，但漫灌灌溉耗電和人力碳排放總量多于滴灌300.6 kg·hm-2，因此總體仍表現(xiàn)為滴灌麥田生態(tài)系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料排碳量小于漫灌生態(tài)系統(tǒng)的。

此外，從表3中可知，滴灌條件下冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)資料的碳排放主要來源于氮肥、灌溉耗電、滴灌帶，三者的碳排放量之和占總碳排放量的94.9%，而漫灌生產(chǎn)資料的碳排放主要來源于氮肥和灌溉耗電，兩者的碳排放量之和占總碳排放量的95.1%。無論是滴灌還是漫灌其灌溉耗電碳排放量都是冬小麥農(nóng)田生產(chǎn)資料排碳量的第一大來源，均占59%以上。

表4 冬小麥不同時期不同灌溉方式下農(nóng)田土壤呼吸碳排放量Table 4 Soil respiration carbon emission during winter wheat growth season under different irrigation methods kg·hm-2

表5 不同灌溉方式下冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)凈碳值Table 5 Farmland ecosystems net carbon value of winter wheat under different irrigation methods kg·hm-2

2.3 不同灌溉方式麥田土壤呼吸排碳量

由不同灌溉方式冬小麥農(nóng)田土壤碳排放量可知（表4），滴灌麥田土壤碳排放總量為2705.1 kg·hm-2顯著高于漫灌麥田土壤碳排放量的11.43%。分析不同生育時期農(nóng)田土壤碳排放量發(fā)現(xiàn)，自抽穗至灌漿期，滴灌麥田土壤碳排放量均比漫灌麥田土壤碳排放量高，此階段總排放高出253.7 kg·hm-2，占總生育期高出的91.42%，其原因為自抽穗期之后，滴灌麥田土壤日呼吸速率始終大于漫灌的（圖3），當兩種灌溉方式土壤日呼吸速率在冬小麥灌漿初期達到峰值時，滴灌比漫灌麥田的日土壤呼吸速率高出了24.41%，達到15.8 g·m-2·d-1，說明滴灌更有利于冬小麥農(nóng)田的土壤呼吸，進而增加滴灌麥田土壤的碳排放總量。

圖3 不同灌溉方式下冬小麥生育期土壤呼吸速率的變化Fig.3 Change tendency of soil respiration rates during winter wheat growth season under different irrigation methods

2.4 不同灌溉方式冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡

依據(jù)公式1得出不同灌溉方式冬小麥農(nóng)田的凈碳值（表5）。兩種灌溉方式下冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)凈碳值均為正值表現(xiàn)出固碳，但不同滴灌方式下冬麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)凈碳值呈極顯著差異。滴灌條件下冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)凈碳值為5629.11 kg·hm-2，比漫灌冬麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的高出25.39%，其差異在于滴灌方式較漫灌更有利于冬麥的生長發(fā)育，獲得較多得生物量，進而增加了生物量固碳，加之滴灌節(jié)水使得生產(chǎn)資料碳排放量較漫灌減少71.1 kg·hm-2，即使滴灌在土壤呼吸碳排放總量方面大于漫灌277.5 kg·hm-2，但從冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳減排凈效應(yīng)而論滴灌仍優(yōu)于漫灌。

3 討論

本研究采用試驗方法定量的研究了不同灌溉方式下冬小麥農(nóng)田生態(tài)系的碳平衡，研究結(jié)果進一步證實了國內(nèi)外一些學(xué)者從理論上提出的先進的節(jié)水灌溉技術(shù)有利于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的固碳（趙其國和錢海燕，2009；Paustian等，2000）。但研究也必需考慮人為先進技術(shù)的負面效應(yīng)，本研究再次證明對于冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)而言農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料碳排放對溫室氣體的貢獻是不可忽視的，農(nóng)業(yè)物資碳排放占到冬小麥農(nóng)田總碳排放的40%左右，其中氮肥和灌溉耗電為最不可忽視的碳排放來源，West和Marland（2002）和史磊剛等（2011）研究也表明：目前無論是保護性耕作還是施肥等農(nóng)田管理措施，其化肥和灌溉均為主要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料碳排放，此研究結(jié)果與本研究一致。但本研究兩種灌溉方式的灌溉耗電碳排放量分別為1050和1350 kg·hm-2，均高于美國灌溉耗電碳排850.2 kg·hm-2，其主要原因為我國火力發(fā)電占總發(fā)電量的80%以上耗電碳排放參數(shù)為0.25 kg·kW-1·h-1（夏德建等，2010）高于美國的灌溉耗電碳排放參數(shù)0.18 kg·kW-1·h-1（West和Marland，2002），因此，主要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料碳排放參數(shù)應(yīng)首選國內(nèi)參數(shù)更能體現(xiàn)研究的真實性。

目前對不同灌溉方式下冬小麥農(nóng)田土壤呼吸排放CO2的研究國內(nèi)尚未報到，為此將借助國內(nèi)外對不同灌溉方式下的其它作物土壤呼吸排放CO2的研究進行討論。張前兵等（2012）對新疆棉田土壤呼吸研究表明：灌溉處理間平均土壤呼吸速率差異顯著，滴灌（3 μmol·m-2·s-1)明顯大于漫灌(2.7 μmol·m-2·s-1)，研究結(jié)果與本文一致。但Kallenbach等（2010）對加利福尼亞番茄田土壤呼吸研究認為，無論是滴灌還是漫灌對土壤呼吸排放CO2差異不顯著，此結(jié)果與陶麗佳等（2012）對甘肅馬鈴薯盆栽實驗所得結(jié)果一致。而李志國等（2012）對新疆膜下滴灌棉田土壤呼吸研究結(jié)果表明：膜下滴灌棉田土壤呼吸CO2排放顯著低于漫灌棉田，此外，Borken和Matzner等（2009）對土壤干濕條件下碳流通進行研究，也指出滴灌處理的土壤呼吸CO2濃度低于漫灌。因此，筆者認為由于土壤呼吸受多因素的影響，不能一概而論認為滴灌下土壤呼吸小于或大于漫灌，但在相同變量下可比較滴灌和漫灌土壤呼吸CO2排放大小。

4 結(jié)論

1）本文對不同灌溉方式下冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡進行研究，結(jié)果表明：不同灌溉方式下冬小麥農(nóng)田生態(tài)系均表現(xiàn)出固碳，但兩種灌溉方式凈碳值差異顯著，滴灌下冬小麥系統(tǒng)比漫灌多固碳1139.9 kg·hm-2，說明滴灌更有利于新疆冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的固碳。

2）研究表明無論是滴灌還是漫灌，其灌溉耗電碳排放都是麥田生產(chǎn)資料排碳量的第一大來源。滴灌條件下盡管增加了滴灌帶的碳排放，但滴灌冬麥田生態(tài)系統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料碳排放總量仍比漫灌少排放碳3.88%，充分說明滴灌節(jié)水技術(shù)是一項有效的增產(chǎn)低碳技術(shù)。目前新疆農(nóng)田灌溉抽水所需能源也主要依靠火力發(fā)電，未來若轉(zhuǎn)變?yōu)橐揽匡L(fēng)力、太陽能等能源發(fā)電，可進一步減少農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳排放。

3）本試驗滴灌下冬小麥農(nóng)田土壤呼吸大于漫灌277 kg·hm-2，但土壤呼吸碳排放受多因素影響，未來冬麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)從灌溉方面預(yù)減少土壤呼吸碳排放較困難。此外，本研究為短期的田間實驗未考慮土壤有機碳的變化，今后可定點研究長期不同灌溉措施對土壤有機碳的影響，進一步完善不同灌溉措施對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的研究。

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Effect of irrigation modes on carbon budget in winter wheat field

NIU Haisheng, LI Daping, ZHANG Na, HAO Weiwei, XU Wenxiu*, ZHANG Yang, ZHAO Youlai, HU Chunhui
Xinjiang Agricultural University, Wulumuqi 830052, China

Research in terrestrial ecosystem carbon cycle is an emerging field of interest due to global warming. Crop field ecosystem, closely regulated and managed by human and in which carbon movement is strongly affected by field management, is one important component of terrestrial ecosystems. Water conditions in Xinjiang are the most important restriction to the local field ecosystem carbon cycle because of the extremely arid climate. This paper aimed to analyze and evaluate the effects of irrigation modes on carbon emissions during winter wheat production in Xinjiang. Experiments were carried out on during 2012—2013 in the Agricultural Park of Yinning county, north Xinjiang; Variety “Yidong18” of winter wheat was chosen as research subject treatments and drip irrigation (DI) and flood irrigation (FI) were designed for plot experiments.From after-reviving to fully maturing, field data sampling and processing were conducted every 7 days. Typical individuals of wheat were collected and separated as root, stalk, leaf, etc., which dried in the oven for measurement of dry biomass. The soda-lime method was applied for soil respiration and a popular carbon balancing method suggested by Wang Xiaobing was used for the estimation of field ecosystem carbon budget, of which parameters required were referred from publications. Data was analyzed for carbon fixed by plants, direct emission by soil respiration, indirect ones from agricultural means of production (AMP) and the net carbon emissions (NCE) under two treatments. The results showed that carbon storage by plants and soil emission under DI were 15.38% and 11.43% higher than that under FI, respectively, and the difference was in the amount of carbon fixed by ears of wheat, AMP emission under DI was 3.88% lower than that under FI, of which emissions produced during electricity production (EP) accounted for more than 59% in any case.NCE was positive with a significant difference (p＜0.01) under all treatments, and was 25.39% higher than that under FI. We concluded that DI had a higher efficiency in carbon sequestration, and improvement in EP emission can reduce carbon emission substantially during winter wheat production.

winter wheat; crop field ecosystem; carbon budget; drip irrigation; flood irrigation

S152.7

A

1674-5906（2014）05-0749-07

國家自然科學(xué)基金項目（31260312）；新疆干旱區(qū)水循環(huán)與水利用實驗室開放課題（XJYS0907-2012-04）

牛海生(1988年生)，男，碩士研究生，研究方向為耕作制度。E-mail: nbalaoniuai@126.com

*通信作者：徐文修（1962年生），女，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向為耕作制度與農(nóng)業(yè)生態(tài)。E-mail: xjxwx@sina.com

2014-01-18

牛海生，李大平，張娜 ，郝維維，徐文修，張娜，張洋，趙有來，胡春輝. 不同灌溉方式冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡研究[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 2014, 23(5): 749-755.

NIU Haisheng, LI Daping, ZHANG Na, HAO Weiwei, XU Wenxiu, ZHANG Yang, ZHAO Youlai, HU Chunhui. Effect of irrigation modes on carbon budget in winter wheat field [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(5): 749-755.