ارزيابي بيلان كربن و انتشار دي­ اكسيدكربن از سطح خاك در نظام­ هاي زراعي بدون خاك­ ورزي

Study of carbon budget and CO2 emissions rate from soil surface in no tillage systems

سابقه و هدف: با توجه به حجم بالاي ذخيره كربن خاك، كوچك­ترين تغييرپذيري‌ها در ميزان كربن آلي ذخيره شده در خاك، اثرهاي بسيار بزرگي بر بيلان كربن در اتمسفر مي گذارد. بنابراين بررسي اينكه خاك منبع يا مخزن كربن است، در بوم نظام ­هاي كشاورزي تحت تاثير عامل‌هاي طبيعي و مديريت زراعي، نقش مهمي را در راستاي بررسي‌ها براي تعديل و سازگاري به تغييرپذيري‌هاي اقليمي ايفا مي­ كند. بيلان كربن يكي از راه­كارهاي بنيادين براي درك اين موضوع است كه آيا يك بوم نظام زراعي در منطقه ­اي مشخص، منبع دي­ اكسيد كربن يا مخزن آن مي ­باشد. افزايش ذخيره كربن در خاك افزون بر بهبود شرايط فيزيكي، شيميايي و زيستي خاك، باعث كاهش انتشار دي­ اكسيدكربن به اتمسفر شده و در نتيجه باعث كاهش پيامدهاي گرمايش جهاني نيز مي ­شود. هدف از اين پژوهش، بررسي انتشار دي­ اكسيدكربن و بيلان كربن در خاك­ زراعي تحت تاثير مديريت پسماندهاي آلي مي ­باشد. مواد و روش‌ها: آزمايش در دو سال 1390 و 1391 در مزرعه تحقيقاتي دانشكده كشاورزي دانشگاه فردوسي مشهد با 5 تيمار در سه تكرار در قالب طرح بلوك ­هاي كامل تصادفي اجرا شد. تيمارهاي آزمايش شامل شخم صفر با 0، 2، 4، 8 و 16 تن در هكتار كاه و كلش گندم بود. شايان يادآوري است كه مزرعه در سه سال تحت كشت گندم تك كشتي بود. دي­ اكسيدكربن انتشار يافته از سطح خاك از روش محفظه بسته اندازه­ گيري شد. اندازه­ گيري انتشار دي اكسيد كربن 6 بار در طول فصل رشد گندم انجام شد و اين اندازه ­گيري­ ها به منظور كم كردن اثر خطاي تغييرپذيري‌هاي دماي روزانه بين ساعت 9 صبح الي 12 ظهر انجام شد.نتايج و بحث: نتايج آزمايش نشان داد كه دماي خاك در تيمارهاي داراي پسماندهاي گندم به طور معني­ داري از خاك لخت (بدون پسماند) پايين­ تر بود و بزرگ­ترين اختلاف دماي خاك در تيمار 16 تن پسماند نسبت به خاك لخت در ارديبهشت سال 92 مشاهده شد. سرعت انتشار روزانه دي­ اكسيدكربن در فصل‌هاي مختلف سال از 0/1 تا 4/4 گرم كربن در مترمربع در روز متفاوت بود و بالاترين سرعت انتشار با 4/3 و 4/4 گرم كربن در مترمربع در روز به ترتيب براي سال­هاي 91 و 92 در ماه مرداد در تيمار 16 تن پسماند ثبت شد. بالاترين انتشار سالانه كربن در تيمار 16 تن پسماند در هكتار به ترتيب با 3/7 و 3/6 تن كربن در هكتار براي سال 1390 و 1391 به دست آمد و كمترين سرعت انتشار سالانه كربن با 0/7 و 0/9 تن كربن در هكتار به ترتيب در دو سال اين بررسي در خاك لخت مشاهده شد. منفي ­ترين بيلان كربن (0/9-) در خاك لخت و مثبت ­ترين بيلان كربن (3/12) در تيمار 16 تن پسماند در هكتار مشاهده شد. همچنين نتايج به دست آمده از اين ارزيابي رابطه نمايي مثبت با همبستگي بيش از 85 درصد را بين دماي خاك و انتشار دي­ اكسيدكربن از سطح خاك نشان داد. نتيجه‌ گيري: پسماندها به طور معني­ داري دماي خاك را تحت تاثير قرار مي­ دهد و بين دماي خاك و ميزان انتشاركربن از سطح خاك همبستگي مثبتي وجود دارد. كمترين ميزان انتشار كربن از خاك در تيمار خاك لخت مشاهده شد ولي اين تيمار داراي بيلان منفي­ تر از نظر كربن نسبت به تيمارهاي داراي پسماندها بود. استفاده از نظام زراعي بدون شخم (صفر) و نگهداري پسماندها در سطح خاك بيلان كربن خاك را رو به مثبت برده و خاك­هاي بوم نظام­ هاي زراعي را تبديل به مخزني براي كربن مي­سازد كه در راستاي تعديل تغييرپذيري اقليم و گرمايش جهاني، اين امر پيامدهاي شايان توجهي بر كاهش انتشار كربن به اتمسفر و ترسيب آن در خاك دارد.

Introduction: Investigating whether agricultural ecosystems are performing as carbon source or sink due to either natural influences or management approaches plays a critical role in studies aimed at mitigating and adaptating to climatic variation. A sustained study of the application of agricultural ecosystems is the only achievable way to develop an accurate vision on gas exchange between the atmosphere and terrestrial ecosystems (Beziat et al., 2009). Estimating carbon budget in agricultural ecosystems is an effective way to find out whether a given ecosystem is a source or a sink of carbon dioxide (Twine and Kucharik, 2009). The goal of this investigation was to study the effects of maintaining crop residues on CO2 flux and carbon balance in an agricultural system. Materials and methods: This study was conducted to investigate the effects of increased residue rate on the CO2 emission rate and determine the soil carbon budget in the presence or absence of residue in the soil surface. A randomized block design experiment including five treatments and three replications was carried out on a research farm of the University of Ferdowsi in 2011-12. Treatments include 0, 2, 4, 8 and 16 t ha-1 of wheat (Triticum aestivum L.) straw. The carbon budget was estimated in both years using a static closed chamber method according to analysis by gas chromatography (Shimizu et al., 2009). Results and discussion: Results showed that in spring and summer, soil temperature was higher than air temperature. In winter and autumn, air temperature was usually higher than bare soil temperature. In both the experimental years, the temperature of residue-containing soil was lower than that of the air in spring. The treatment with the highest residue rate (16 ton ha-1) had the lowest temperature in all measurements, however, the difference between various residue treatments was slight and the difference between 8 and 16 tons ha-1 was not significant in any measurement. Duiker and Lal (2000) showed that soil temperature under application of residue was 14˚c lower than bare soil. The daily CO2 emission rate ranged from 0.1 to 4.3 megagrams C ha-1year-1. The CO2 emission rate increased in line with increases in residue kept at the soil surface. The highest annual CO2 flux rate was obtained for 16 ton ha-1 residue as 3.7 in 2011 and 3.6 in 2012 and the lowest annual CO2 flux rate was gained in bare soil in the two experimental years as 0.7 and 0.9 tons ha-1. Based on this equation, annual CO2 flux was calculated. An exponential relationship between soil temperature and respiration has been also reported by other authors (Brar et al., 2013). Conclusion: Residue application had a significant impact on soil temperature. The difference was large between unmulched and mulched treatments. Our results indicated a high correlation (> 85%) between soil temperature and CO2 flux which was positive and exponential. Although the total calculated CO2 flux from the bare soil treatment was lower than the other treatments, this treatment had a carbon budget more negative than the other treatments, which is an ecologically negative factor.