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粪污厌氧残余物施用土壤N_2O排放特征及产生机制

杨厚花  
【摘要】:粪污厌氧残余物农田施用是污染物处理和资源利用较为普遍和经济可行的方式,但是,在应用过程中会带来很多环境污染风险,其中N_2O排放成为近几年研究的热点。因此了解粪污厌氧残余物施用在N_2O排放方面的影响,特别是在施用后N_2O排放的来源和机制方面显得尤为重要。首先本研究为揭示处理方式对粪污厌氧残余物化学性质的影响,开展了真空冷冻处理、风干处理和热风处理对粪污厌氧残余物化学性质及底物含量影响的试验。其次本研究以典型质地农田土壤为供试土壤,以室内培养温室气体采集方法研究了不同粪污厌氧残余物施用量和含水量条件下粪污厌氧残余物施用后土壤N_2O排放的动态特征及其与环境因素的关系。设置了三种粪污厌氧残余物施用水平(0 g·kg~(-1),10 g·kg~(-1),25 g·kg~(-1)干土)和三种含水量梯度(50%,75%和100%WHC),随机区组设计。最后为了明确粪污厌氧残余物施用后对环境的影响以及N_2O排放的来源和机制。使用~(15)N稳定同位素标记的硫酸盐来修饰土壤以区分N_2O的来源和硝化和反硝化途径的贡献。基于以上研究以建立更合理的应用策略来满足生产需求,减少粪污厌氧残余物对环境的影响,并缓解农业土壤中N_2O的排放。得到的主要结论如下:(1)风干、热风干燥和真空冷冻干燥等处理方式对粪污厌氧残余物NH_4~+-N、TN、含盐量、TOC和DOC含量均有一定的影响,但真空冷冻方式对各养分形态和含量影响最小。与真空冷冻干燥预冻6小时相比,预冻3小时处理效果良好、方便快捷,推荐作为农业生产和科学研究选择使用的预处理方式。(2)在培养期内,土壤N_2O排放通量随粪污厌氧残余物施用量增加而显著增大,因此在满足生产需要的同时尽量减少粪污厌氧残余物的施用,从而减少土壤N_2O的排放。此外,N_2O排放通量总体呈现先升高随后逐渐下降到较低水平,粪污厌氧残余物的施用并未改变这个整体变化趋势。同时土壤NH_4~+-N和DOC含量逐渐降低,硝态氮含量逐渐增加,土壤CO_2排放通量也呈现先增加后降低的激发效应。土壤N_2O的排放与DOC含量和NH_4~+-N含量呈极显著正相关(P0.01)。不同含水量之间土壤N_2O的排放量特征为75%WHC50%WHC100%WHC。粪污厌氧残余物和含水量梯度及其交互作用均对土壤N_2O排放通量有显著影响。综合试验结果,初步得出粪污厌氧残余物施用量为10 g·kg~(-1),含水量为50%WHC为控制土壤N_2O排放的有利条件。(3)土壤氮素是土壤培养(未施用粪污厌氧残余物)中N_2O排放的唯一来源,土壤+粪污厌氧残余物培养中粪污厌氧残余物氮素是土壤N_2O的主要来源。粪污厌氧残余物施用显著降低了土壤氮素对N_2O产生的贡献率,但土壤产生的N_2O累计排放量随粪污施用量增加而增加。此外,粪污厌氧残余物施用促进了土壤硝化和反硝化作用,但在3个含水量条件下N_2O产生的主导作用仍然是硝化作用。此外,粪污厌氧残余物施加量和含水量的综合效应也刺激了土壤氮的利用。因此,可以建立更合理的应用策略在满足农业生产需要的同时,减少粪污厌氧残余物对N_2O的排放。


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