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《西南大学》 2018年
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地膜覆盖对稻-油轮作农田温室气体排放影响及减排措施研究

石将来  
【摘要】:温室效应作为引起全球气候变化的关键因素已经成为世界各国以及学术界研究的热点问题之一。大量研究表明,农田生态系统是温室气体的重要来源。地膜覆盖自上世纪70年代由国外引进以来,经过几十年的发展已经得到广泛的推广应用。地膜覆盖后,与土壤之间形成了一道物理阻隔,直接阻挡了水分的垂直蒸发,对土壤水分、温度、微生物和养分等产生变化。而在我国西南地区有不少农民为了减少早春低温和干旱的影响,也在使用地膜覆盖技术,那么在水旱轮作(水旱轮作是西南地区水稻重要的种植模式之一)方式下地膜覆盖对农田土壤温室气体的排放会产生怎样的影响呢?在全球气候日趋变暖的背景下,这些都是需要迫切解决的科学问题。本文以位于西南大学农业部重庆紫色土生态环境重点野外科学观测试验站内的稻-油轮作农田为研究对象,采用静态暗箱/气相色谱法,对覆膜与常规(不覆膜)两种处理下稻-油轮作农田CH_4和N_2O的排放特征及影响因素进行了为期三年(2014年5月-2017年4月)的原位观测。深入探讨以期揭示地膜覆盖下水-旱轮作农田温室气体(CO_2、CH_4和N_2O)排放规律及其主要控制因子,求出农田土壤CO_2、CH_4和N_2O的排放引起的综合GWP。此外,通过盆栽试验,添加不同硝化抑制剂探讨地膜覆盖对水稻季CH_4和N_2O排放的影响。主要取得了以下研究结果:(1)地膜覆盖对CH_4排放的影响三年观测期内,覆膜和常规处理CH_4的排放趋势基本一致,呈现出较为明显的季节排放规律。除第二年覆膜处理CH_4排放通量显著高于常规处理外(p0.05),第一年和第三年无明显差异。此外,三年覆膜处理下CH_4排放总量为195.08 kg·hm~(-2),较常规处理排放总量提高了3.81kg·hm~(-2)(p0.05);覆膜处理下CH_4平均排放通量为0.77mg·m-2h-1,较常规处理提高了0.01mg·m-2h-1(p0.05),表明地膜覆盖对CH_4的排放总量和平均排放通量无显著影响。比较三年水稻和油菜季覆膜处理和常规处理下CH_4平均排放通量(三年水稻季覆膜和常规均值为2.19和2.11mg·m-2h-1;油菜季为0.165和0.195 mg·m-2h-1)发现亦无显著差异(p0.05),表明覆膜对三年轮作周期内各生育期CH_4平均排放通量无明显影响。(2)地膜覆盖对N_2O排放的影响两种处理下的N_2O的排放呈现出相同的排放趋势,最大排放峰都集中在油菜季,第三年覆膜处理最大排放通量为4833.27μg·m~(-2)h~(-1),高于第一年(p0.05)和第二年(p0.05),整个观测期,覆膜处理与常规处理N_2O排放通量无显著差异(p0.05)。三年轮作周期内覆膜处理下的N_2O排放总量逐年递增,第一年与第二年差异不明显(p0.05),而第二年和第三年呈显著差异(p0.05),常规处理与覆膜处理排放规律不同,第二年排放总量显著高于第一年(p0.05)。此外,N_2O的最大平均排放量都主要分布在油菜季,其中第三年平均排放通量达到最大,分别为614.08和482.84μg·m~(-2)h~(-1),比第一年油菜季分别提高了166%和161%(p0.05),而覆膜处理下三年油菜季N_2O平均排放通量为412.46μg·m~(-2)h~(-1),与常规处理(388.67μg·m~(-2)h~(-1))相比无显著差异(p0.05),表明地膜覆盖对各轮作周期内油菜季N_2O的平均排放量无明显影响。(3)地膜覆盖对CO_2净交换量的影响CO_2净排放高峰都出现在作物生长旺盛的时间段,而在作物前期CO_2吸收较弱,排放峰值较小;覆膜处理下的水稻季CO_2净固定量三年内呈逐年递增趋势,即第三年第二年第一年,其中第三年净固定量为30.96 t·hm~(-2),比第一年提高了16.06 t·hm~(-2)(P0.05)。此外,两种处理下水稻季的CO_2平均净排放通量大多为全年最高值,覆膜对三年休闲期的CO_2平均净排通量有显著影响,而对三年各轮作周期内的平均净排放通量较常规处理相比,有高有低,无明显差异,表明覆膜对于水稻-油菜轮作周期的CO_2的平均净排放通量无显著影响。(4)地膜覆盖对农田CO_2、CH_4和N_2O全球增温潜势(GWP)的影响三年观测期内,第三年覆膜处理全年综合GWP为-15.07 tCO_2·hm~(-2),是常规处理的1.73倍(p0.05),显著低于第一年和第二年(p0.05),两种处理下除第三年休闲期变化较为明显外,其余各处理各时间段GWP都有较为均匀的分布,且覆膜处理对水稻季、休闲期和油菜季较常规处理相同时间段的综合GWP相比无显著差异(p0.05),表明在100a时间尺度上,覆膜对水稻-油菜轮作农田温室气体综合增温潜势影响不明显。(5)地膜覆盖对农田土壤理化性质的影响覆膜处理与常规处理相比在土壤脲酶、有机质、还有土壤温度等方面都有明显提升,第一年至第三年平均依次分别增加了32.6%,52.1%,65.2%;3.7%,16.7%,15.4%;0.55%,1.7%,13.5%,其中,除第二年休闲期增加不明显外,其余时间段覆膜覆盖都能显著增加脲酶含量(p0.05)。(6)不同硝化抑制剂对水稻季CH_4和N_2O排放的影响除CP外,其余覆膜处理与常规处理CH_4排放量差异都不明显(p0.05)。常规处理下,添加DCD、CP以及DCD+CP等硝化抑制剂相较于对照常规处理都会降低CH_4的排放量,减排量分别为1.99kg·hm~(-2)、1.52kg·hm~(-2)和2.27kg·hm~(-2)(p0.05),而覆膜处理除DCD对CH_4排放量有明显降低外,其余2种方式都有不同程度的升高。整个观测期内,添加CP、DCD及DCD+CP等硝化抑制剂后N_2O的排放量明显减少,除DCD+CP覆膜处理与常规处理排放量差异显著(p0.05)外,其余三种添加方式下覆膜处理与常规处理有一定的排放差异,但不明显,N_2O的平均排放通量分别表现为对照CPDCD+CPDCD和对照CPDCDDCD+CP。
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