华北平原农田生态系统碳过程与环境效应研究*

胡春胜, 王玉英, 董文旭, 张玉铭, 李晓欣, 陈素英



华北平原农田生态系统碳过程与环境效应研究*

胡春胜, 王玉英, 董文旭, 张玉铭, 李晓欣, 陈素英

(中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心/中国科学院农业水资源重点实验室/河北省节水农业重点实验室 石家庄 050022)

本文总结了25年来针对华北平原小麦-玉米两熟系统, 农田的碳循环对气候变化(温度升高)和管理措施(氮肥施入、秸秆还田和耕作方式等)响应机制的研究成果。自2001年起我们在中国科学院栾城农业生态系统试验站建立了3个长期定位碳循环试验: 耕作试验、有机循环试验和增温试验, 并完善了4种农田碳过程监测方法体系: 隔离罐-碱液吸收CO2法、静态箱-气相色谱法、涡度相关技术和浓度梯度法。量化了华北平原小麦-玉米两熟系统碳输入-输出的平衡, 并对华北平原施氮农田土壤碳截留进行了再评价, 指出秸秆还田下高水高肥的精细管理农田正在以77 g(C)∙m-2∙a-1的速度丢失碳; 此外长期氮施入虽然显著增加0~100 cm土体的土壤有机碳含量, 但同时会造成0~60 cm土体土壤无机碳含量显著降低。我们在对碳过程环境效应的研究中进一步指出: 增温和施氮均会降低CH4汇强度, 但对土壤呼吸无显著影响, 这可能主要是由于试验增温诱发的土壤干旱抵消了土壤温度的部分影响和土壤呼吸对土壤温度升高的适应性造成的。我们对剖面土壤气体的研究表明施氮对剖面CH4和CO2均无显著影响。进一步将静态箱法和浓度梯度法相结合的研究结果表明0~40 cm土层是北方旱地无氮农田土壤CO2产生和CH4吸收的主要发生层。

碳过程; 施氮; 耕作模式; 环境效应; 农田生态系统; 华北平原

农田生态系统因为以物质能量大量投入的集约化生产为特征, 每季从系统内移除收获物同时施入化肥和有机肥, 因此具有区别于其他自然系统的独特碳循环途径。作物通过光合作用吸收大气中的CO2后转化为总初级生产力(GPP, gross primary productivity), GPP通过作物暗呼吸作用和挥发性有机碳损失后为净初级生产力(NPP, net primary productivity)。NPP经过土壤有机质降解过程, 及土壤异氧呼吸过程进一步损失掉部分碳, 剩下的就是生态系统净碳交换(NEE, net ecosystem exchange)。NEE中随水分运移而损失一部分可溶性有机和无机碳, 从而形成生态系统净生产力(NEP, net ecosystem productivity)。农田生态系统由于作物收获、秸秆还田、有机肥施入等长期管理措施会导致土壤有机碳(SOC)的改变量。华北平原小麦()-玉米()轮作农田系统是我国典型集约化高产农田生态系统之一, 其小麦种植面积和产量约占全国1/2, 玉米约占1/4。近30年来高水、高肥和秸秆还田等精细管理措施导致该区域CO2等温室气体排放量和土壤碳库质量迅速变化。鉴于此, 在全球变化背景下针对华北平原典型农业生态系统碳循环过程及其环境效应的研究具有非常重要的意义。

本文报道了近25年来, 我们对农田碳循环与气候变化因子(温度升高)及管理措施(氮肥施入、秸秆还田和耕作方式)的响应机制研究, 量化了其碳输入/输出的平衡过程, 评估了长时间尺度上农田生产力的可持续性和农田碳汇的环境效应。

1 研究进展

1.1 农田生态系统碳循环试验基地建立

为了有效研究农田生态系统碳循环过程及其环境效应, 我们在中国科学院栾城农业生态系统试验站建立了3个相关长期定位试验: 耕作试验、有机循环试验和增温试验。

1.1.1 耕作长期定位试验

耕作长期定位试验始于2001年, 占地面积约1.3 hm2。主要作物体系是冬小麦-夏玉米轮作。该试验根据冬小麦播种时的土壤耕作方式设深耕播种、少耕播种和免耕播种3个处理。每种耕作方式中按照秸秆还田方式的不同分为: 深翻耕无秸秆还田(CK)、深翻耕秸秆还田(F)、秸秆还田旋耕(X)、秸秆直立免耕(M1)、秸秆粉碎免耕(M2)和整秸秆覆盖免耕播种(M3)。深耕和少耕的冬小麦播种方式为平作的4密稀, 平均行距15 cm; 免耕的M1和M2处理的小麦为沟旁播种, 形成了12 cm+24 cm的宽窄行垄作小麦, 平均行距18 cm; 免耕的M3处理为整秸覆盖于30 cm行间, 播种方式为常规的3~4 行平作, 平均行距18 cm。对照和F的播种量为195 kg∙hm-2, X为210 kg∙hm-2, M1、M2和M3的播种量为285 kg∙hm-2; 所有处理的底肥和追肥量均相等, 磷酸二胺300 kg∙hm-2, 尿素75 kg∙hm-2; 所有处理均春季追施尿素3 kg∙hm-2。灌溉量均为157.5 mm。

1.1.2 有机循环长期试验

有机循环长期试验始于2001年, 占地面积约0.5 hm2。主要作物体系是冬小麦-夏玉米轮作。该试验设8个处理: CK(移耕农业)、N(20世纪50年代施肥模式)、NP(20世纪60年代、70年代施肥模式)、NPK(石油农业模式)、m(传统有机农业)、m+N(20世纪50年代有机无机施肥模式)、m+NP (20世纪60年代、70年代有机无机施肥模式)和m+NPK(较完善的有机无机模式)。各处理施肥量相同, 均为300 kg(N)∙hm-2∙a-1、120 kg(P2O5)∙hm-2∙a-1和75 kg(K2O)∙hm-2∙a-1, 分别相当于尿素652.2 kg∙hm-2∙a-1、过磷酸钙1 090 kg∙hm-2∙a-1和KCl 59.4 kg∙hm-2∙a-1。小区面积8 m×16 m。尿素按含N 46%计算, 磷肥按过磷酸钙含P2O511%计算, KCl以含K2O 126.2%计算。氮肥分4次施用, 10月份种麦时为底肥(30%), 3月20日左右小麦拔节肥(20%), 6月20日左右玉米提苗肥(30%), 8月10日左右玉米追肥(20%)。磷肥作为底肥一次施用。钾肥分两次施用, 小麦底肥(60%)和玉米大喇叭口肥(40%)。

1.1.3 农田增温长期试验

农田增温长期试验始于2008年, 占地约0.13 hm2。主要作物体系2008—2011年是冬小麦-大豆()轮作。之后考虑大豆属于固氮植物而且其叶片大小不均会造成增温对土壤的加热效果不理想, 因而2012年之后夏季小麦收获后改为裸地休闲。2008年10月在6个增温小区安装6组红外辐射加热器。红外辐射灯管离地1.8 m, 每对灯管间距是1 m。有效辐射面积2 m×2 m, 辐射功率为1 000 W,进行全天昼夜增温。在对照小区安置与增温小区大小高度一致的装置但不通电, 以消除由遮荫带来的误差。模拟增温使5 cm土壤温度日均温增加1.5 ℃。试验有6个小区, 每个小区分成面积均等的两个小区(4 m×8 m)分别设为增温处理和对照处理。试验设置增温和施氮两个因素共分为4个处理: 增温不施氮(N0T)、不增温不施氮(N0C)、增温施氮(N1T)和施氮不增温(N1C)。其中N0表示不施入氮肥, N1表示小麦季施240 kg(N)∙hm-2∙a-1尿素(当地常用量, 当年10月和次年4月各施入一半, 在大豆种植期间施入75 kg(N)∙hm-2∙a-1, 裸地期间不施氮)。C表示不增温, T表示5 cm土壤平均增温1.5 ℃。各处理随机排列, 每个处理3个重复, 分别分布在试验小区的东中西部。小麦播种时施入磷肥(过磷酸钙)为底肥, 施肥量为65 kg(P)∙hm-2∙a-1。小麦分别于4月初和5月初用小水漫灌, 灌溉量控制在每小区80 mm。

1.2 农田生态系统碳过程监测方法体系建立

在试验基地建立了农田系统碳过程监测的完整方法体系: 隔离罐-碱液吸收CO2法(1992年—)[1]、静态箱-气相色谱法(2006年—)[2-3]、涡度相关技术(2007年—)[4]和浓度梯度法(2007年—)[5-7]。

1.2.1 隔离罐-碱液吸收CO2法(1992年—)

隔离罐-碱液吸收CO2法主要用于田间土壤呼吸速率的测定[1]。将内径为12.7 cm、长35 cm的硬塑料桶垂直埋入土壤10 cm深度, 测定时把盛有NaOH碱液的小吸收瓶置于隔离罐内, 并快速在涂有凡士林的圆筒上用平板玻璃封口, 土壤呼吸释放的CO2被碱液吸收, 24 h后取出吸收瓶, 密闭置实验室内用HCI滴定出未参与CO2吸收的NaOH量, 从而折算出CO2吸收量。其计算公式为:

1.2.2 静态箱-气相色谱法(2006年—)

静态箱-气相色谱法是在一定面积的土壤或植物上方盖上一个特制的密闭箱体, 保持被测地上方的箱体气体与外界气体没有任何交换, 在一定时段内, 抽取箱体内气体, 用气相色谱仪测定CO2浓度, 可根据箱口面积、箱体体积和历经时间计算出CO2的排放速率[2-3]。这样可将气体通量的测量转换为微量气体的测量, 通过计算可以得到CO2的界面交换通量。根据质量守恒原理, 其计算公式为:

式中:是温室气体排放速率(mg∙m-2∙h-1),是气体在0(273.15 K)和0(101.3 kPa)时的密度,是箱内温度(℃),是试验地点大气压(KPa),是箱子的高度(cm),是采样时间间隔(min),是气体混合速率(10-9),/是闭箱期间浓度的增长速率(10-9∙min-1)。

1.2.3 涡度相关技术(2007年—)

涡度相关技术是利用安装在冠层上方的涡度相关系统测定生态系统的CO2、H2O和能量通量[4]。该系统包括测定风速和温度脉动的三维超声风速仪(CSAT-3, Campbell Scientific Instruments Inc., Logan, UT, USA)和热电偶温度脉动仪(Ultrasonic Anemometer, Model: STA-5055, KAIJO Corporation, Tokyo, Japan)、测定CO2/H2O密度脉动的红外线气体分析仪(LI-7500, IRGA, LI-COR, USA)。IRGA采样器安装在距地表3 m处, 信号采样频率为20 Hz, 数据通过CR5000(Model CR5000, Campbell Scientific Inc., Logan, UT, USA)数据采集器收集。土壤热通量板埋于地表下1 cm处, 记录土壤热通量()每30 min的均值。向上的CO2通量, 即农田生态系统的碳损失, 以正值记录。涡度相关在线观测数据利用坐标旋转、WPL校正、摩擦风速等方法和参数剔除异常值。

1.2.4 浓度梯度法(2007年—)

浓度梯度法基于气体扩散原理, 通过测定土壤剖面内气体浓度和气体扩散系数, 利用Fick定律计算得到土壤气体通量[5-7]。而地表以下土壤气体通量估算的准确性与土壤气体扩散系数有直接关系。我们利用同时考虑总孔隙度和充气孔隙度的Millington-Quirk模型模拟土壤气体扩散系数, 其计算公式为:

式中:是土壤气体通量密度[g(gas)∙m−2(soil)∙s−1],p是土壤-气体扩散率[m3(soil air)∙m−1(soil)∙s−1],是土壤充气孔隙空间的气体浓度(μmol∙m−3),是土层间的距离(m),/为垂直土壤气体梯度[g(gas)∙m−3(soil air)∙m−1(soil)],是土壤气体扩散系数,是土壤充气孔隙度[m3(air)∙m−3(soil)],是土壤孔隙度[m3(voids)∙m−3(soil)]。

1.3 碳循环过程的量化及环境管理机制建立

1.3.1 农田生态系统区域碳循环过程的量化

我们利用生物量观测、静态箱法和涡度相关技术3种方法相结合研究华北平原冬小麦-夏玉米轮作体系生态系统碳输入和输出的平衡[4]。净生态系统CO2交换量(NEE)通过总初级生产力(GPP)和总生态系统呼吸(total ecosystem respiration, TER)观测得到。同时, 通过观测净初级生产力(NPP)和土壤呼吸(soil respiration, SR)得到自养呼吸(autotrophic respiration, Ra; aboveground autotrophic respiration, Raa和belowground autotrophic respiration, Rab)和异氧呼吸(heterotrophic respiration, Rh)。研究结果表明: 小麦季的NEE、NPP和SR分别为359 g(C)∙m-2、604 g(C)∙m-2和281 g(C)∙m-2, 玉米季分别为143 g(C)∙m-2、540 g(C)∙m-2和413 g(C)∙m-2(图1)。虽然夏玉米季(113 d)比冬小麦季(235 d)短52%, 但是超过55%的CO2在温暖潮湿的玉米季排放(图1), 说明季节内的气候环境变化是碳排放过程的主要驱动因素, 温度和湿度是该区域生态系统呼吸的惟一主控因子[4]。季节净碳估算是基于净初级生产力、秸秆还田碳输入和籽粒收获碳移出进行估算。研究结果表明: 华北平原冬小麦季是碳汇, 碳汇强度为90 g(C)∙m-2(图1a); 而夏玉米季是碳源, 强度为167 g(C)∙m-2(图1b)。因此, 在长期秸秆还田和高水高肥精细管理条件下, 当前华北平原冬小麦-夏玉米轮作农田生态系统正在以每年77 g(C)∙m-2的速度损失碳[4]。

图1 华北平原冬小麦(a)-夏玉米(b)两熟农田碳估算[4]

NEE: 净碳交换; GPP: 总初级生产力; NPP: 初级生产力; TER: 总生态系统呼吸; Raa: 地上部自养呼吸; Rab: 地下自养呼吸; Rh: 异养呼吸。NEE: net ecosystem exchange; GPP: gross primary productivity; NPP: net primary productivity; TER: total ecosystem respiration; Raa: aboveground autotrophic respiration; Rab: belowground autotrophic respiration; Rh: heterotrophic respiration.

目前施肥对农田土壤碳库影响的研究多集中于土壤有机碳(SOC)方面, 而对土壤无机碳(SIC)储存和风化释放的原位研究比较少见。我们通过连续15年的长期定位试验, 评估了不同氮肥用量[分别为0 kg(N)∙hm-2∙a-1、200 kg(N)∙hm-2∙a-1、400 kg(N)∙hm-2∙a-1和600 kg(N)∙hm-2∙a-1]对农田总碳储量和土壤碳汇强度的影响[8]。研究结果表明, 长期施用氮肥显著增加0~100 cm土体的SOC含量, 并使0~60 cm土体SIC含量显著降低[8]。通过化学计量分析, 由施肥后硝化作用产生的质子所溶蚀的碳酸量不能完全解释碳酸盐的实际损失量。研究还表明, 施肥明显提高0~80 cm土体溶液中的HCO3-含量以及HCO3-/ (Ca2++Mg2+)比例。说明除了硝化作用所产生的质子, 施肥后SOC的增加也间接促进了SIC的风化过程, 并且能够从大气中吸收CO2, 与前者相反, 后者为碳汇过程。鉴于此, 我们进一步指出为了准确评估半干旱地区氮输入情景下的土壤碳汇, 未来研究应考虑土体中SIC储量的变化以及碳酸盐的风化途径等因素[8]。

1.3.2 农田生态系统区域碳循环的环境效应

研究表明农业活动温室气体排放占大气人为排放源的60%左右。CO2和CH4作为重要的温室气体, 对区域碳循环的环境效应有显著影响。而针对耕作方式改变和生态系统增温对农田系统碳过程影响的研究十分有限。因此, 正确评估并设法减少农田土壤CO2等温室气体的排放量对我国农业生产可持续发展和全球环境改善具有重要现实意义。

在土壤-大气界面, 我们研究了小麦-玉米轮作体系耕作方式改变和秸秆还田对土壤碳和CO2排放的影响[2], 以及小麦-大豆/休闲轮作体系试验增温及氮添加对CO2和CH4排放的影响[3]。耕作试验包括以下处理[2]: 传统翻耕+秸秆粉碎还田(MC)、旋耕+秸秆粉碎还田(RC)、免耕+秸秆粉碎还田(NW)、整秸免耕+整秸覆盖还田(NW)、翻耕无秸秆(CK)。5年的试验结果表明, MC和RC的CO2排放量明显高于其他处理, 且CO2排放量和可溶性有机碳与土壤微生物生物量的比值密切相关, 这可能是长期集约化耕作使微生物对土壤的固碳作用减弱造成的。5年的试验表明在0~30 cm土层, 除CK外所有处理的土壤有机质(SOM)均呈上升趋势[0.16~0.99 kg(C)∙hm-2∙a-1], 说明秸秆还田能显著增加土壤碳截存[2]。增温试验(2008—2013年)有两个温度处理: 土壤5 cm层红外增温1.5 ℃(T)和对照环境温度(C), 同时设氮肥添加315 kg(N)∙hm-2∙a-1(N1)和0 kg(N)∙hm-2∙a-1(N0)两个处理[3]。研究结果表明[3]: 土壤CH4排放速率无明显季节变化且主要表现为吸收汇。在小麦生长季增温和施氮均会降低CH4汇强度, 这可能与增温导致土壤干旱同时施氮使土壤中NH4+浓度增加有关, 二者均会导致甲烷氧化菌活性降低。土壤呼吸有明显的季节变化趋势即夏季高冬季低。增温和施氮均对土壤呼吸无显著影响, 这可能主要是由于土壤呼吸与微生物生物量碳有正相关关系, 而增温和氮添加对微生物量碳无显著影响。我们发现[3]增温对土壤呼吸缺乏显著影响可能主要是由于以下原因造成: 1)试验增温诱发的土壤干旱抵消了土壤温度的影响; 2)土壤呼吸对土壤温度升高的适应性。

在土壤剖面(0~300 cm), 我们利用浓度梯度法研究了不同氮添加处理下剖面中CH4和CO2浓度和传输速率的变化[5-6], 并将静态箱法和浓度梯度法相结合量化了土壤剖面各层CH4和CO2对土壤-大气界面气体交换的贡献率[7]。我们的研究结果表明: 土壤剖面中CH4浓度随深度增加而降低且无明显季节变化, 而土壤剖面中CO2浓度随深度增加而增加, 且存在明显季节变化; 施氮对土壤剖面中CH4和CO2的产生均无显著影响[5]。施氮对土壤剖面内CH4和CO2通量变化也均无显著影响; 土壤剖面CO2通量有明显的季节变化, 特别表现在0~30 cm和30~60 cm土层, 这主要是与作物生长密切相关; 灌溉和降水会造成土壤剖面CO2通量暂时降低, 这主要是由于土壤孔隙中水分取代土壤空气造成[6]。我们发现0~90 cm土层CH4和CO2年际排放总量占0~300 cm剖面内气体总量的90%以上。针对北方无氮旱地农田土壤吸收CH4的这一现象, 我们将静态箱法和浓度梯度法相结合, 进一步量化了无氮旱地农田系统土壤剖面各层(0~115 cm)对土壤-大气界面CO2和CH4交换的贡献率[7]。研究结果表明: 土壤-大气界面呼吸CO2主要来自于0~15 cm土层的贡献, 其中0~5 cm和0~15 cm土层的贡献率分别为70.9%和27.3%。而土壤-大气界面CH4的吸收主要来自于0~40 cm土层的贡献, 且0~5 cm、5~15 cm和15~40 cm土层的贡献率分别为54.1%、32.3%和12.1%。我们的研究结果表明0~40 cm土层是北方旱地无氮农田土壤CO2产生和CH4吸收的主要发生层[7]。

1.3.3 农田生态系统区域碳管理

我们通过长期有机质分解、积累与平衡定位试验和有机物料腐殖化速率测定, 及长期氮、磷平衡定位试验, 指出实行秸秆还田有明显的培肥和增产效果[9]。首先, 秸秆机械粉碎还田是培肥土壤的一项重要措施和途径, 促进了土壤肥力和农田生产力提高。多年来河北省栾城县推广秸秆还田技术和有机无机结合施肥制度, 土壤有机质含量平均提高0.27%[9]。其次在华北平原中、低产区, 应该强调“以无机换有机”, 增加投入以迅速提高有机物质生成量和还田量, 促进土壤有机质积累; 在高产区则应适当控制化肥用量, 实行秸秆还田和养分循环利用的有机无机结合施肥制度, 以提高化肥利用率和生产效率[9]。

我们针对华北平原秸秆还田条件下小麦-玉米轮作体系, 分析了1978—2008年间0~20 cm的土壤有机质含量, 发现0~20 cm土壤有机碳储量1978—2002年呈迅速上升趋势[2.5~4.0 kg(C)∙m-2], 但是2003—2008年开始降低且稳定在3.7 kg(C)∙m-2。通过进一步研究我们发现该系统正在以77 g(C)∙m-2∙a-1的速度丢失碳[4]。因此我们认为尽管秸秆还田可以增加土壤有机质的储量, 但是在土壤有机质储量达到临界值后, 长期高水高肥的精细管理措施会造成CO2等温室气体排放量增加, 导致系统碳丢失。鉴于此, 需要对目前华北平原小麦-玉米轮作体系的管理措施进行适当调整, 如保护性耕作/免耕、适量秸秆还田、合理水氮、间套作、种植豆科固氮作物以及深根作物等有利于增加土壤碳汇的措施, 减少农田CO2排放。此外北方旱作农田采用高效灌溉措施, 不仅能提高作物产量, 还可增加土壤碳固定。但针对以上因素应综合考虑其协同效应, 在未来农田管理中, 应避免因过度干扰/管理造成灾难性后果。

2 结论

本文总结了25年来华北平原小麦-玉米轮作系统农田碳循环对气候变化(温度升高)和管理措施(氮肥施入、秸秆还田和耕作方式等)响应机制的研究成果。我们建立了3个长期定位试验: 耕作试验、有机循环试验和增温试验; 并逐渐建立了4种完整的农田碳过程监测方法体系: 隔离罐-碱液吸收CO2法、静态箱-气相色谱法、涡度相关技术和浓度梯度法。量化了华北平原小麦-玉米两熟系统的碳输入-输出平衡, 并对华北平原施氮农田土壤碳截留进行了再评价, 指出秸秆还田下高水高肥的精细管理农田系统正在以77 g(C)∙m-2的速度丢失碳, 同时长期施用氮肥虽然显著增加0~100 cm土体中的SOC含量, 但同时会造成0~60 cm土体中SIC含量显著降低。我们进一步对农田碳过程的环境效应进行深入研究后发现: 增温和施氮均会降低CH4汇强度, 但对土壤呼吸无显著影响, 这可能主要是由于试验增温诱发的土壤干旱抵消了土壤温度的部分影响和土壤呼吸对土壤温度升高的适应性造成的。我们对剖面土壤气体的研究表明施氮对剖面CH4和CO2均无显著影响, 且0~90 cm土层CH4和CO2年际排放总量占0~300 cm剖面内气体总量的90%以上。将静态箱法和浓度梯度法相结合的研究结果表明0~40 cm土层是北方旱地无氮农田土壤CO2产生和CH4吸收的主要发生层。通过多年的研究, 我们发现利用科学的农业管理措施可以达到增加土壤碳固定, 减少温室气体排放的目的。近年来国际上运用稳定性同位素技术区分生态系统碳通量组分已经成为一个热点科学问题, 目前我们正在开展将同位素技术与涡度相关技术结合的农田生态系统碳同位素分馏效应研究。

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Carbon processes and environmental effects on agro-ecosystem in the North China Plain*

HU Chunsheng, WANG Yuying, DONG Wenxu, ZHANG Yuming, LI Xiaoxin, CHEN Suying

(Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences / Key Laboratory of Agricultural Water Resources, Chinese Academy of Sciences / Hebei Key Laboratory of Water-Saving Agriculture, Shijiazhuang 050022, China)

The mechanisms of agro-carbon cycle in climate change (experimental warming) and management practices (nitrogen application, straw returning and tillage patterns, etc.) were summarized based on studies during the last 25 years in winter wheat and summer maize double cropping system in the North China Plain in this paper.Three long-term field experiments of carbon cycle were conducted since 2001, including tillage experiment, organic carbon cycle experiment and experimental warming field. Meanwhile, four methodologies for monitoring system performance of carbon processes were established, including isolation tank-alkali absorption method, static chamber-gas chromatography method, eddy covariance observation system and concentration gradient-based method. The carbon budget for input and output was quantified and carbon sequestration via nitrogen addition reassessed in winter wheat and summer maize rotation cropland in the North China Plain. The net ecosystem exchange of CO2was partitioned into gross primary production (GPP) and total ecosystem respiration (TER). Meanwhile, net primary productivity (NPP) and soil respiration (SR) were determined to compute autotrophic and heterotrophic respirations. The net carbon budget was calculated seasonally based on NPP and considering carbon input through crop residues and carbon output through grain harvest.We found that winter-wheat system was a carbon sink of 90 g(C)∙m-2, whereas summer maize system was a carbon source of 167 g(C)∙m-2. Thus the double cropping system behaved as a carbon source of 77 g(C)∙m-2at annual scale, corresponding to an annual average loss rate of nearly 1% in topsoil organic carbon stock during 2003–2008. Our study provided evidence that carbon was lost in intensive wheat-maize double cropping system in the North China Plain at the rate of 77 g(C)∙m-2∙a-1, when harvest removals were considered even though crop residue carbon was input into the soil since 30 years ago. Meanwhile, we found that although nitrogen application in calcareous soil significantly increased soil organic carbon pool in the 0–100 cm, it decreased soil inorganic carbon accumulation in the 0–60 profile. The results of further studies on environmental effects of carbon showed that warming and nitrogen fertilization significantly decreased CH4uptake, but had no significant effect on total cumulative soil CO2flux. The lack of significant effects of warming on soil respiration had resulted from: 1) warming-induced soil drying offsetting the effects of soil temperature increase on carbon emission; 2) adaption of soil respiration to increased temperature. In the soil profile, it was found that nitrogen application had no significant effect on production and fluxes of CH4and CO2. Based on simultaneous measurements of soil surface emissions (static chamber-based method) and of subsurface flux (concentration gradient-based method), we highlighted that the topsoil (0–40 cm) played a critical role in CO2production and CH4consumption in unfertilized maize-based farmland in the North China Plain.

Carbon process; Nitrogen application; Tillage pattern; Environmental effect; Agro-ecosystem; North China Plain

, HU Chunsheng, E-mail: cshu@sjziam.ac.cn

Jul. 2, 2018;

Jul. 16, 2018

10.13930/j.cnki.cjea.180617

X51; X154.1

A

1671-3990(2018)10-1515-06

2018-07-02

2018-07-16

*This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (41473021, 41530859 and 41571291) and the Science and Technology Service Network Initiative of Chinese Academy of Sciences (KFJ-STS-ZDTP-001).

*国家自然科学基金项目(41473021, 41530859, 41571291)和中国科学院科技服务网络计划(STS计划)项目(KFJ-STS-ZDTP-001)资助

胡春胜, 主要研究方向为农田生态系统养分循环过程与机理。E-mail: cshu@sjziam.ac.cn

胡春胜, 王玉英, 董文旭, 张玉铭, 李晓欣, 陈素英. 华北平原农田生态系统碳过程与环境效应研究[J]. 中国生态农业学报, 2018, 26(10): 1515-1520

HU C S, WANG Y Y, DONG W X, ZHANG Y M, LI X X, CHEN S Y. Carbon processes and environmental effects on agro-ecosystem in the North China Plain[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(10): 1515-1520