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不同耕作方式下农田土壤CO_2排放和土壤有机碳含量的研究-以中国东北黑土和加拿大安省潮软土为例

作　者: 时秀焕
导　师: 张晓平; 杨学明; Neil B.McLaughlin
学　校: 中国科学院研究生院（东北地理与农业生态研究所）
专　业: 环境科学
关键词: 黑土 免耕 土壤有机碳 土壤CO2排放 带耕 垄作 秋翻 冬季
分类号: S153
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


定量研究农田土壤CO2排放及土壤有机碳（Soil organic carbon, SOC）有助于评估农田土壤作为大气CO2的“源”或“汇”功能，进而更加精确地评价农田土壤对全球气候变暖的影响。而实行何种保护性耕作更有利于增加SOC、降低土壤CO2排放，此类研究还鲜见报道。基于以上研究背景，本论文以中科院东北地理与农业生态研究所中层黑土上进行的保护性耕作长期定位试验和加拿大安大略省西南部Woodslee地区建立的不同耕作方式定位试验（相似土壤和作物类型）为研究平台，探讨不同耕作方式下SOC的存储和分布，探寻最适合这些地区的耕作方式；通过连续48小时对土壤CO2排放通量的监测，寻找一天中土壤CO2释放速率的最佳测量时间，在此基础上研究不同耕作方式对土壤CO2排放的影响，评估何种耕作方式可以增加SOC的固定。本论文主要得出以下几条结论：晴天09:00-11:00h测得的土壤CO2释放速率可以代表中国东北黑土CO2释放速率日均值。当测量没有在该时间段内进行时，可以使用时间模型把在07:00-21:00h测得的土壤CO2释放速率校准到土壤CO2释放速率日均值。在确定了最佳测量时间的基础上，我们测定了2008-2010年东北黑土区的土壤CO2释放速率。结果显示不同耕作方式间土壤CO2释放速率并没有显著性差异。不同耕作方式下冬季、非生长季和全年土壤CO2排放通量分别为0.29-0.45、0.69-0.81和5.32-6.40Mg C ha-1。两种作物轮作下，免耕（No tillage, NT）全年土壤CO2排放通量显著高于秋翻（Mouldboard plough tillag, MP）。冬季土壤呼吸对全年土壤CO2排放通量的贡献率介于5.1%到7.1%，说明该地区冬季土壤呼吸在全年土壤碳预算中占据着非常重要的地位。全年土壤CO2排放通量与5-10cm和10-20cm深度SOC存在显著负相关关系，这表明土壤CO2排放对这两个土层SOC含量影响最大。与MP相比，NT造成了SOC较明显的分层现象，表现在表层土壤（0-5cm）SOC含量显著提高，而表下层（10-30cm）SOC含量较低。在表层土壤，带耕（Zone tillage, ZT）对SOC的影响与NT相似，而在表下层土壤则与MP相似。ZT下等质量SOC储量分别比NT和MP增加了11.2%和12.5%。基于不同耕作方式对SOC及其它土壤物理性质的影响，我们得出：在该湿冷气候潮软土上，与NT和MP相比，ZT具有增加SOC储量和改善某些土壤性状的潜力。与NT和MP相比，RT处理造成了显著不同的土壤环境，进而影响到了土壤性质。研究小区建立29年后，RT提高了安省西南部Brookston潮软土的质量，表现在比NT减小了土壤硬度和容重，比MP显著增加了0-30cm SOC储量（P<0.05），这些结果意味着在该Brookston潮软土上，RT可能是比NT和MP更合适的长期耕作方式。

全文目录


摘要  9-11
ABSTRACT  11-13
前言  13-15
第一章 绪论  15-25
  第一节 选题背景、目的和意义  15-19
    1 选题背景  15-18
    2 选题目的  18
    3 选题意义  18-19
  第二节 国内外相关研究进展  19-23
    1 NT 对土壤 CO_2排放的影响研究中存在的问题  19
    2 土壤 CO_2 排放测量时间存在的问题  19-20
    3 冬季土壤 CO_2排放的研究  20-21
    4 不同耕作方式对 SOC 和土壤质量的研究  21-23
  第三节 论文研究内容、技术路线及创新点  23-24
    1 主要研究内容  23
      1.1 短期 NT 对 SOC 的影响  23
      1.2 土壤 CO_2释放速率最佳测量时间的确定  23
      1.3 短期 NT 对土壤 CO_2排放的影响  23
      1.4 ZT 和 RT 对 SOC 存储和分布的影响  23
    2 论文的技术路线  23
    3 论文的创新点  23-24
  第四节 小结  24-25
第二章 研究区概况及试验设计  25-31
  第一节 研究区自然环境特征  25-26
  第二节 研究区概况及作物种植情况  26-31
    1 研究区概况和作物系统  26-28
    2 加拿大安省西南部潮软土研究区概况和作物系统  28-29
    3 两个研究区土壤的比较分析  29-31
第三章 短期免耕对土壤有机碳的影响  31-40
  第一节 短期免耕对耕层 SOC 含量的影响  31-35
    1 材料与方法  31-32
      1.1 土壤样品采集和测定分析  31-32
      1.2 数据分析  32
    2 结果分析  32-33
    3 讨论  33-35
      3.1 短期免耕对耕层 SOC 含量的影响  33-34
      3.2 短期免耕对 SOC 分层率的影响  34-35
  第二节 利用最小限制水分范围评价短期免耕对黑土有机碳矿化的影响  35-39
    1 材料与方法  35-37
      1.1 LLWR 的概念及计算方法  35-36
      1.2 数据分析  36-37
    2 结果分析  37-38
    3 讨论  38-39
  第三节 小结  39-40
第四章 土壤 CO_2排放的最佳测量时间研究  40-48
  第一节 土壤 CO_2排放最佳测量时间的确定  40-44
    1 土壤 CO_2释放速率的测定  40
    2 结果与讨论  40-44
  第二节 最佳测量时间点外土壤 CO_2排放的校准模型评估  44-47
    1 最佳测量时间点外土壤 CO_2释放速率校准模型的建立  44-45
    2 结果与讨论  45-47
  第三节 小结  47-48
第五章 短期免耕对土壤 CO_2排放的影响  48-63
  第一节 不同耕作方式和轮作下全年土壤 CO_2排放  48-57
    1 材料与方法  48-50
      1.1 全年土壤 CO_2释放速率的测定  48-49
      1.2 土壤温度和土壤含水量的测定  49
      1.3 土壤温度对土壤呼吸的影响  49
      1.4 全年土壤 CO_2排放通量估算  49-50
      1.5 数据分析  50
    2 结果分析  50-55
      2.1 田间试验的气候特征  50
      2.2 耕作方式和作物轮作对全年土壤 CO_2排放的影响  50-52
      2.3 全年土壤 CO_2排放通量和不同深度 SOC 的关系  52
      2.4 土壤温度对土壤 CO_2释放速率的影响  52-55
    3 讨论  55-57
      3.1 不同耕作方式对全年土壤 CO_2排放的影响  55
      3.2 土壤温度对土壤 CO_2释放速率的影响  55-57
  第二节 冬季和非生长季土壤 CO_2排放  57-62
    1 冬季和非生长季土壤 CO_2排放通量估算  57
    2 结果分析  57-59
      2.1 冬季和非生长季土壤 CO_2释放速率  57-59
      2.2 冬季和非生长季土壤 CO_2排放通量对全年土壤呼吸的贡献  59
    3 讨论  59-62
      3.1 冬季和非生长季土壤 CO_2释放速率  59-61
      3.2 冬季和非生长季土壤 CO_2排放对全年土壤呼吸的贡献  61-62
  第三节 小结  62-63
第六章 带耕和垄作对土壤有机碳的影响  63-88
  第一节 带耕对 SOC 的影响  63-70
    1 材料与方法  63-65
      1.1 样品采集与测定分析  63
      1.2 SOC 和全氮的测定  63-64
      1.3 数据分析  64-65
    2 结果分析与讨论  65-70
      2.1 NT 和 MP 对 SOC 和全氮的影响  65-66
      2.2 ZT 对 SOC 和全氮的影响  66-67
      2.3 不同耕作方式对 SOC 和全氮分层率的影响  67-70
  第二节 带耕对土壤物理性质的影响  70-73
    1 材料与方法  70-71
      1.1 土壤物理性质的测定  70
      1.2 数据分析  70-71
    2 结果分析与讨论  71-73
      2.1 不同耕作方式对土壤物理性质及其 StR 的影响  71
      2.2 ZT 下 ZI 和 ZO 对土壤物理性质的影响  71-73
  第三节 垄作对 SOC 的影响  73-80
    1 材料和方法  73-76
      1.1 样品采集  73-74
      1.2 数据分析  74-76
    2 结果分析与讨论  76-80
      2.1 不同耕作方式下 SOC 的横向分布  76
      2.2 不同耕作方式对 SOC 纵向分布和储量的影响  76-79
      2.3 三种耕作系统下 SOC 的最佳采样位置  79-80
  第四节 垄作对土壤物理性质的影响  80-86
    1 土壤物理性质的测定  80-81
    2 结果分析与讨论  81-86
      2.1 不同耕作方式下土壤物理性质的横向分布  81-83
      2.2 不同耕作方式对土壤物理性质的影响  83-84
      2.3 三种耕作方式下土壤物理性质的最佳采样位置  84-86
  第五节 小结  86-88
第七章 结论与展望  88-90
  1 研究结论  88-89
  2 研究中存在的不足  89
  3 研究展望  89-90
参考文献  90-109
发表文章目录  109-112
致谢  112-113

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中图分类: > 农业科学 > 农业基础科学 > 土壤学 > 土壤化学、土壤物理化学
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