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生物炭施用对稻田温室气体排放的影响研究

王欣欣  
【摘要】:本论文分别以水稻秸秆、竹材废弃物和山核桃壳制得的生物炭为试验材料,采用宁绍平原典型水稻土进行盆栽试验与田间试验,以明确生物炭对稻田温室气体CH4,N20和C02的影响,以及对农田土壤理化性质和作物产量的影响。并且引进9.5版DNDC (De-NitrificationDe-Composition)模型研究稻田CO2、CH4和N20排放,通过模拟值与田间实测值的拟合度来估算生物炭的减排潜力。从而揭示生物炭在稻田生态系统减排中的作用,为农业环境保护提供理论指导,进而为缓减全球气候变化提供新思路。研究的主要结论如下: (1)田间试验结果表明:①生物质经炭化后还田对水稻土温室气体排放有显著的抑制作用。本研究田间试验中所用的三种生物炭对三种温室气体排放的抑制效果均有不同。对于CH4的排放,山核桃壳炭的减排效果最佳,而且是低施用量(2t.hm-2)下的抑制最为显著,比常规处理降低55.95%;对于N20而言,秸秆炭(2t.hm-2)的减排效果最显著,比常规处理降低70.7%;施加生物质炭对CO2累积排放量的降低程度明显不如对土壤CH4、N2O累积排放量的影响,仅当施加高水平(10t·hm-2)竹炭的处理有显著的减排效果,与常规施肥相比,降低41.7%。添加秸秆炭和山核桃壳炭效果不显著,且不同添加量之间并未呈现出显著差异。②施加新鲜秸秆是导致CH4、N2O排放的重要原因,而秸秆炭化还田能有效地降低排放。在本试验中,秸秆炭来自上一年同一田块的水稻秸秆,约3kg秸秆可制得1kg秸秆炭。试验证明,与直接施加新鲜秸秆相比,施加秸秆炭能降低CH4排放量18.2%;使N20累积排放量降低33.6%。在添加秸秆的情况下,CO2累积排放量并未高于不加秸秆的常规处理。与秸秆直接还田相比,水稻秸秆炭化还田(2t.hm-2)仅削减淹水土壤C02排放量约9.3%,差异不显著。这一结果表明,秸秆经炭化后还田不仅可以减排,而且增加了投入总量,从而增加了秸秆的利用率。③施加生物炭对土壤理化特性产生影响。在2年的田间试验期间,添加秸秆炭、竹炭和山核桃壳炭都能使稻田土壤有机碳呈增加的趋势,且随着生物炭添加量的增加而增加。施用生物炭还可增加土壤中其他的养分含量,具有保肥性。此外,施加生物炭还可以有效降低土壤容重,且施加量大的效果更为显著,其中秸秆炭的效果最为明显。 (2)盆栽试验结果显示:①常规施肥处理比空白对照处理的三种温室气体分别增加排放17%、168%和58%;来源于竹材废弃物的生物质经炭化后还田对水稻土温室气体(CH4、N2O)排放有显著的抑制作用,与常规施肥相比分别降低了64.3%-92.9%和72.3%-93.9%,随着施用量的增加效果更明显;与此同时,CO2的排放只降低了15.3%-39.4%。②施加生物炭对土壤特性的影响:盆栽试验中添加竹炭也得到与田间试验相同的结果。盆栽所用的基础土有机碳含量是1.4%,种植一季后的空白处理有机碳含量为1.5%。与对照相比,3个竹炭处理有机碳含量分别增加至1.7%、1.9%和2.2%。而容重也随着竹炭的添加而明显下降。本试验初期,生物炭与土壤混匀后,所有处理设定的土壤容重均为1.25g.cm-3。种植一季后各处理土壤容重分别是:1.24g·cm-3(CK)、1.23g·cm-3(TT)、1.16g·cm-3(BC1)、1.12g·cm-3(BC2)、1.11g·cm-3(BC3)由此可以看出,对照处理与常规处理的容重几乎没有变化,而与对照相比,施加竹炭的处理容重均显著减小,土壤孔隙度增加,通气状况得到改善。 (3) DNDC模型模拟值与田间实测值对比显示,DNDC模型模拟结果可以估算出田间的水稻产量。对于温室气体的模拟结果显示,模型可以较好地拟合常规处理的实测值,但是由于研究中还没有建立针对生物炭的特性而专门设置的输入参数,所以模拟结果不能表达生物炭处理的影响。今后的研究应该完善DNDC模型关于生物炭对稻田生态系统的作用的影响。


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