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《中国农业大学》 2016年
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四川盆地不同轮作方式和氮素管理对农田温室气体排放及净温室效应的影响

宿敏敏  
【摘要】:针对不同轮作系统中氮肥过量及不合理施用和未来水资源紧缺将会成为四川盆地农业可持续发展的限制因子,从2012年起本人在重庆市江津区进行单季稻转换为不同轮作系统的田间试验,动态监测土壤N_2O、CH_4和生态系统CO2排放通量及农业生产投入带来的当量CO2排放,采用基于土壤的方法计算农田净温室效应(net Global Warming Potential,简称net GWP)。探讨不同轮作体系下N_2O、CH_4的排放规律及净温室效应,分析影响温室气体排放和净温室效应的主控因子,提出针对性减排措施,为该地区农业的可持续发展提供理论指导。试验设早旱轮作(玉米-小麦,MW)、水旱轮作(水稻-小麦,RW)、水稻-冬水休闲(水稻-休闲,RF)三种轮作体系为主处理,每种轮作体系设不施氮对照(N0:不施用氮肥)、优化施氮(Nopt:小麦季96 kg N h-1,玉米季或水稻季150 kg N ha1).传统施氮(Ncon:小麦季180 kg N ha-1,玉米季或水稻季225kgN ha-1)3个副处理。温室气体采用静态箱-气相色谱法进行田间原位测量,每周1-3次,共2周年。得到以下主要结果:(1)氮肥施用是农田土壤N_2O排放的重要来源,主要是通过增加土壤无机氮含量而促进N_2O排放,降雨强度是玉米季土壤N_2O排放年际变化的主要原因。不同轮作体系比较,N_2O排放以MW RW RF;不同施氮水平比较,N_2O排放以NconNoptN0。小麦季、玉米季、水稻季Ncon和Nopt处理的N_2O平均排放因子分别为0.68~0.82%、3.16%、0.35~0.36%以及0.48~0.73%、2.23%、0.21~0.22%。这些结果表明,传统处理较优化处理有较高的N2O排放风险;稻麦轮作改为玉麦轮作,增加N2O排放,而将稻麦轮作改为水稻-冬水田轮作,则减少N_2O排放。(2)农田CH_4排放以RF系统最高,RW次之,MW最低。由于施肥,灌溉和降雨的影响,小麦季、玉米季、水稻季土壤5cm的温度仅能解释6%、13%、14%的CH_4排放,同时稻季水层深度可解释19%的CH_4排放。2013年度(第一年)单季稻改旱作,MW玉米季有明显甲烷排放,2014年度(第二年)则未出现;RW系统两年甲烷排放量无显著差异;单季稻改为冬水田后,甲烷排放在第二年明显增加。MW、RW、RF三轮作系统的两年平均值均表现出甲烷的净排放,并以水稻或玉米季为主。大量施氮后,抑制RW和MW系统甲烷排放,对RF系统无影响。MW、RW、RF体系第一年的甲烷排放量分别为13.5、26.7和89.8kg CH_4-C ha-1,第二年为第一年相应体系的6.2%、85.1%和263.1%。在NO处理中,MW、RW、RF系统两年平均的CH_4排放量分别为9.1、28.2、156.6 kg CH_4-Cha-1, Nopt处理分别为相应对照处理的91.3%、107.9%、108.9%,Ncon处理分别为相应对照处理的46.1%、54.5%、103.5%。(3)农田生态系统呼吸存在明显的年际变异,生态系统呼吸以2013年度2014年度;不同轮作体系比较,MW系统的农田生态系统呼吸通量最高,RW系统次之,RF系统最低;随着施肥量的增加,农田生态系统呼吸明显增加。农田生态系统呼吸排放变化受温度控制。小麦季CO2排放与箱内温度有较好的相关性,玉米季和水稻季CO2排放与5 cm土温有较好的相关性,分别能够解释38.3%、28.6%、48.9%的生态系统呼吸。小麦季、玉米季CO2呼吸与WFPS有明显的负相关,但仅能解释9.3%、8.5%的生态系统呼吸。(4)N_2O和CH_4产生的GWP和GHGI (Greenhouse Gas Intensity,指单位产量的温室气体排放强度)中,RW系统均为最低,RF系统均为最高;施肥处理的N_2O贡献了MW系统GWP的90%,RW系统GWP中不低于40%,RF系统GWP中不足8%。MW和RW的净温室效应中,除了监测到的温室气体产生的当量CO2排放,由于生产效率较低,肥料投入也是很重要的一面;RW稻田灌溉是干旱年份温室效应的主要贡献者,而RF系统中,最主要的贡献是CH_4排放。从单季稻转变为水旱轮作、旱旱轮作和冬水田之后,土壤有机碳发生了明显的变化,旱旱轮作土壤有机碳表现为排放,冬水田土壤有机碳表现为明显的碳固定,水旱轮作表现为弱的碳固定。旱旱轮作的net GWP和net GHGI均最高,而冬水田的均最低。
【学位授予单位】:中国农业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:S181

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