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《西南大学》 2018年
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地膜覆盖和施氮对菜地CH_4和CO_2排放及土壤有机碳组分的影响

张凯莉  
【摘要】:地膜覆盖和氮肥施用是目前农业生产过程中两种非常重要的农田管理措施,其对作物生长、土壤环境等的改变作用已经被众多学者研究和报道。然而,其对温室效应的响应也备受关注,但目前关于覆膜和施氮措施对温室气体排放的影响研究,主要集中在N_2O的排放,对覆膜和施氮条件下菜地生态系统CH_4和CO_2排放通量、剖面浓度变化以及土壤有机碳和活性组分的综合研究还未见报道。针对以上问题,本文以辣椒-萝卜轮作菜地为实验研究对象,在农业部重庆紫色土生态环境重点野外科学试验观测站开展了为期三年(2014年5月至2017年4月)的菜地原位监测试验,实验分别在覆膜和常规种植条件下,设置了无氮、低氮、中氮、高氮处理(覆膜处理分别标记为FM_0、FM_1、FM_2、FM_3;常规处理分别标记为BP_0、BP_1、BP_2、BP_3),总共8个处理,以此来探究地膜覆盖和氮肥施用对菜地生态系统CH_4和CO_2排放季节变化和年际变化特征,并探讨地膜覆盖对土壤中有机碳及活性组分的影响。此外,针对三年野外试验的研究基础,为更好的探究菜地温室气体减排和固碳措施,于2017年5月~2017年8月,采用盆栽实验模拟在地膜覆盖下种植莴苣的农田,在其中分别施用生物质炭、脲酶抑制剂(NBPT)、硝化抑制剂CP(2-氯-6-三氯甲基吡啶)和DCD(双氰胺)、以及配伍施用(CP+DCD)等方式,研究对CH_4排放的影响,提出地膜覆盖下的农田CH_4的减排措施,为农田土壤温室气体的减排和增加固碳提供科学根据。研究结果如下:1.地膜覆盖对菜地土壤水热条件的影响三年种植周期内,覆膜种植土壤含水率平均为18.20%,而常规土壤含水率平均为17.53%,覆膜显著提高了菜地土壤的含水率(P0.05);对比常规种植,覆膜还明显提高了各土层温度,地下10、20、30cm土壤温度分别平均提高了2.6%、2.0%和3.0%。2.覆膜和氮肥施用对菜地生态系统CH_4排放通量的影响(1)三年种植周期内,各施氮水平下CH_4平均排放通量FM_0、FM_1、FM_2、FM_3分别为-7.22、-0.97、-4.49、-2.36μg·m~(-2)h~(-1);BP_0、BP_1、BP_2、BP_3分别为-10.08、-8.09、-3.29、-4.40μg·m~(-2)h~(-1),由此可见,旱作菜地土壤吸收CH_4,体现为CH_4的弱“汇”。且第二年和第三年菜地土壤对CH_4的吸收能力减弱。(2)地膜覆盖处理下,CH_4排放通量与地下5cm温度呈现显著正相关关系(P0.05),与土壤水分呈现显著负相关关系(P0.05);在常规种植条件下,CH_4排放通量与地表温度、5cm地温均无相关性,与土壤含水率呈显著负相关关系(P0.05)。3.地膜覆盖对菜地土壤CH_4和CO_2剖面浓度的影响(1)在整个种植期内,覆膜和常规处理下地下10cm、20cm和30 cm深土壤中CH_4浓度分别为2.46、2.31、2.20和2.03 ppm和2.46、2.37、2.23和2.18 ppm,两种种植条件下CH_4浓度均随土层深度的加深而降低,且不同土层间CH_4浓度差异性显著(P0.05)。分别对三年种植期,覆膜和常规种植条件下各土层CH_4浓度进行配对t检验,地膜覆盖后能够一定程度降低地下10cm、20cm和30 cm深土层CH_4浓度,但地膜覆盖对各土层CH_4浓度影响不显著。分析结果表明,覆膜和常规种植条件下,土壤含水率和各土层CH_4浓度均无显著相关关系;地下10cm和20cm土层CH_4浓度均与地表CH_4浓度极显著正相关(P0.01),而地下30cm CH_4浓度和地下5cm温度及地表温度均呈现显著正相关关系,综上所述,地下10cm和20cm深土壤中CH_4浓度主要受地表CH_4浓度的影响,而地下30cm土壤中CH_4浓度主要受土壤温度的影响。(2)三年种植期内,常规种植地下10、20和30 cm深土壤中CO_2年平均浓度分别为3255.44、3334.48和5308.87 ppm,覆膜种植地下10、20和30 cm深土壤中CO_2年平均浓度分别为3688.70、4172.84和6874.35 ppm,两种处理方式各土层浓度均随土壤深度的增加而增加,即表现为:30cm20cm10cm。覆膜种植10cm土层CO_2浓度与地表温度不相关外,其余各土层CO_2浓度与各土层对应温度之间呈显著(P0.05)或极显著的正相关关系(P0.01);此外,覆膜和常规种植CO_2各土层浓度均与地表温度呈显著(P0.05)或极显著正相关关系(P0.01);而在本实验中,土壤含水率与CO_2各土层浓度之间并未发现显著相关性。4.覆膜和氮肥对菜地生态系统CO_2净交换通量的影响(1)与不覆膜处理相比,各施氮水平下地膜覆盖均能够增加菜地生态系统CO_2的净交换通量,配对t检验结果表明,高氮覆膜(FM_3)条件下能够显著提高CO_2净交换通量(BP_3)(P0.05)。此外,本研究还发现覆膜和常规种植条件下,CO_2净交换通量均表现为随氮肥水平增加而增加,CO_2净吸收量也增大,即FM_3FM_2FM_1FM_0和BP_3BP_2BP_1BP_0。覆膜和常规种植条件下,地表温度与CO_2净排放通量之间均无相关性,而5cm地温与覆膜条件下CO_2净排放通量呈现极显著负相关关系(P0.01),与常规种植呈现显著性负相关关系;而覆膜和常规处理下,CO_2净排放通量与土壤含水率均呈现显著正相关关系(P0.05)。(2)分析对比三年观测期,发现覆膜和常规处理下,不同施氮水平菜地土壤固碳量均逐年递增,即第三年第二年第一年;此外还发现覆膜和常规处理下,菜地生态系统固碳量随着氮肥施入量的增加而增加,即高氮中氮低氮对照。5.地膜覆盖对菜地土壤有机碳及活性组分的影响在三年种植周期内,年SOC平均值分别为12.57和11.50 g·kg~(-1),覆膜措施能够显著提高土壤SOC的含量(P0.01);覆膜和常规SMBC分别为250.38和229.60 mg·kg~(-1),配对t检验结果显示,三年试验期间覆膜对菜地土壤SMBC含量的影响不显著(P0.05);三年观测周期内,覆膜和常规种植土壤ROC含量差异不显著(覆膜:2.74 g·kg~(-1),常规:2.93 g·kg~(-1))。6.覆膜和施氮对菜地作物产量的影响随着氮肥施入量的增加,在覆膜和常规处理各季节作物产量均随之增加,即氮肥施入增加作物产量增加:高氮中氮低氮无氮,但只有在高氮水平,覆膜的增产效应达到显著水平(P0.05),而其他施氮水平覆膜增产作用并不明显(P0.05)。7.添加硝化抑制剂(CP、DCD、CP+DCD)、脲酶抑制剂(NBPT)、生物炭对覆膜菜地CH_4排放的影响覆膜和常规种植条件下,添加CP、DCD、CP+DCD、NBPT均降低了菜地CH_4的排放,表现为DCDNBPTCP+DCDCP,并且发现除CP+DCD处理,其余各处理,常规种植减排率均大于覆膜处理,由此可知,地膜覆盖措施在不同添加剂对CH_4排放影响中并未体现促进作用,而且生物炭的添加还增加了土壤CH_4的排放(覆膜:10.03%常规:79.43%)
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