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三江平原稻田生态系统N_2O排放研究

陈卫卫  
【摘要】: 氧化亚氮(N_2O)是目前了解较少而又非常重要的温室气体,它具有产生温室效应和破坏平流层臭氧的双重作用。稻田生态系统是大气中N_2O一个重要的生物排放源。中国是水稻生产大国,稻田生态系统对温室效应的影响是人们关注的焦点之一。国内研究主要集中在南方的稻作区,而对于我国东北的稻作区研究较少,尤其对我国东北重要的粮食产区—三江平原稻作区N_2O排放仅有零星观测。 本研究主要以位于黑龙江省三江平原的中国科学院沼泽生态试验站为试验平台,于2004.11~2006.10连续两年对该地区寒地稻田生态系统N_2O排放进行了田间原位观测研究。研究了该地区稻田生态系统N_2O的排放特征及其影响因素;N肥施用对稻田生态系统N_2O排放的影响;水稻植株参与及不同种植密度下稻田生态系统N_2O的排放情况;并对该区稻田生态系统N_2O排放量进行了初步估算,为准确估计我国农田生态系统N_2O排放提供依据,从而为农业和环境的可持续发展提供科学依据。主要研究结果如下: 1、三江平原稻田生态系统是N_2O排放源,观测期间稻田生态系统N_2O通量变化范围为-0.016~0.527mg·m~(-2)·h~(-1)。水稻生长季是N_2O排放的主要时期,平均通量为0.057±0.037mg·m~(-2)·h~(-1),占全年N_2O排放总量的69.2%。非生长季N_2O排放显著减少,平均通量为0.016±0.007mg·m~(-2)·h~(-1)。但是由于非生长期时间很长,因此排放量也不容忽视,占全年N_2O排放总量的31.8%。 2、三江平原稻田生态系统N_2O排放具有明显的季节变化、年际变化以及日变化特征。夏秋季节稻田生态系统N_2O排放大,冬春小,一般为夏/秋>春>冬,年际间有一定的差异。水稻生长期间,一般在施用基肥、追肥以及排水初期都会出现较明显的排放峰,同时在淹水期间如果出现明显土面落干情况,也会出现不同强度的排放峰。不同年份的淹、排水期的N_2O排放通量有一定差异,这主要取决于N_2O排放峰的大小和持续时间。但是由于大多数时间处于淹水状态,因此稻田淹水期的N_2O排放量显著高于排水期。按照水稻生育期划分,水稻分蘖期和长穗期N_2O排放速率和排放量均较高,而成熟收获期则占的比例最小。稻田生态系统N_2O排放在水稻非生长季节中明显减弱,冰冻期间N_2O排放微弱,冰雪覆盖时还出现吸收现象;冰雪融化期间,N_2O排放明显增加,因此也是一个不可忽视的排放时期。稻田生态系统N_2O排放日变化规律为白天高,晚上低。淹水期规律不明显,排水期稻田生态系统N_2O排放和气温和地温的变化趋势较为一致。 3、水分管理是水稻生长期稻田生态系统N_2O排放季节变化的主要驱动因子,但是稻田生态系统N_2O排放和稻田积水深度则没有显著的相关性。温度是全年稻田生态系统N_2O排放的决定因子,同时也是稻田生态系统N_2O排放日变化的主要影响因子。 4、氮肥是稻田生态系统N_2O排放的重要影响因子。化学氮肥的施用并未改变稻田生态系统N_2O的排放变化规律,只是排放峰的强度和数量有差异。低氮对稻田生态系统N_2O的排放影响较小,中高氮肥用量显著的增加了稻田生态系统N_2O的排放,随着氮肥用量的增加,N_2O的排放量也相应的增加。根据试验结果,三江平原稻田生态系统N_2O背景排放值分别为:水稻生长季节:1.192kgN·hm~(-2),非生长季节:0.677kgN·hm~(-2);全年:1.869kgN·hm~(-2)。氮肥用量为150kgN·hm~(-2)时,由氮肥产生的N_2O排放占生长期的比例和EF分别为41.29%和0.59%。氮肥用量为250kgN·hm~(-2)时,由氮肥产生的N_2O排放占生长期的比例和EF分别为57.52%和0.81%。综合考虑水稻产量和环境保护,氮肥用量为150kgN·hm~(-2)的处理较好。 5、水稻植株生长对稻田生态系统N_2O排放影响明显,水稻叶面积和生物量和N_2O排放呈显著的乘幂相关关系。裸地土壤在稻田排水后排放强度很大,呈单峰排放型。水稻植株对氮素的大量吸收使稻田生态系统N_2O排放显著减少,稻田生态系统N_2O排放量仅为裸地土壤的1/4。不同种植密度下的稻田生态系统N_2O排放差异也较明显,稀植较常规种植下产量和生物量增加,同时N_2O排放降低。综合分析,16穴·m~(-2)的水稻种植密度最佳。 6、结合三江平原稻田的种植面积,估算出了该地区稻田生态系统N_2O年交换速率为2.98kg·hm~(-2)·a~(-1),年排放总量为3.17×10~(-3)Tg·a~(-1)。


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