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辽西地区春玉米农田N_2O排放特征与固碳减排机制

作　者: 杨黎
导　师: 邱建军
学　校: 中国农业科学院
专　业: 农业生态学
关键词: 春玉米 氮肥管理措施 秸秆还田 N2O排放 土壤呼吸 固碳减排
分类号: S513
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


氮肥在保障我国粮食安全中起着不可替代的支撑作用，氮肥施用量也在逐年持续增长，且在粮食主产区普遍偏高，对生态环境带来了安全隐患。春玉米是我国东北地区主要的粮食作物，该区春玉米农田氮肥投入通常超出氮肥推荐施用量；由于氮肥过量投入和不合理的耕作，地力呈下降趋势，也成为重要的温室气体排放源。如何优化田间管理措施在保障作物产量的同时实现固碳减排，对于该地区农业的可持续发展具有现实意义。本研究采用田间原位试验、土壤微生物测定试验和生物地球化学循环模型模拟相结合的方法，研究辽西地区春玉米农田主要温室气体（N2O）排放和土壤呼吸特征，定量分析不同施氮措施和秸秆还田对春玉米产量、N2O排放、土壤呼吸以及硝化和反硝化菌种群的影响，并在此基础上利用DNDC模型探讨既能保障产量又能实现固碳减排的优化管理措施。主要研究内容与结果如下：（1）2009-2012年连续4年的田间试验观测表明，在农民习惯施肥措施（FP）下，辽西地区春玉米农田土壤N2O排放通量与高峰出现主要受施肥和降雨影响，且呈现较一致的规律性；N2O季节排放总量均值为1.14±0.19kg N ha-1，年际间变异系数为17%；土壤呼吸季节总量均值为2019±264kg C ha-1，年际间变异系数为13%。进一步分析表明农田土壤N2O排放和土壤呼吸动态与环境因子密切相关，土壤N2O排放与土壤无机氮含量正相关（P <0.01），土壤呼吸强度与土壤温度呈指数相关，与土壤湿度显著负相关（P <0.01）。（2）不同施氮措施和秸秆还田对N2O减排效果的田间原位观测试验结果表明，减施20%氮肥处理（OPT）与FP处理相比，2009-2012年4个春玉米生长季中农田土壤N2O均有减排效果，且减幅在逐年增大，但减排效果不显著。而在减氮20%的基础上改施缓释肥处理（CRF）或添加硝化抑制剂处理（OPT+DCD），可在不影响春玉米产量的同时显著降低供试农田土壤N2O排放。与FP处理相比，CRF处理下2009年和2010年春玉米生长季N2O排放总量降低幅度分别为10%和13%，OPT+DCD处理在2011年和2012年N2O季节排放总量降幅分别达到22%和31%，均具有较显著的减排效果。在OPT基础上加秸秆还田处理（OPTS）的4个春玉米生长季N2O排放总量在所有处理中均为最高，秸秆还田措施明显促进了N2O排放。（3）不同施氮措施和秸秆还田对土壤呼吸影响的田间试验结果表明，供试农田土壤呼吸季节变化与作物生长进程、土壤温度变化、秸秆还田等密切相关。在秸秆还田措施下，生长季前期土壤呼吸强度显著高于其他处理。CK、FP、OPT、OPTS处理在2009-2012年4个春玉米生长季农田土壤呼吸季节总量均值分别为1891.2±59.0kg C ha-1、1939.3±39.6kg C ha-1、1945.2±46.3kgC ha-1、2096.4±156.8kg C ha-1；CRF、OPT+DCD处理在2009-2010年和2011-2012年的结果分别为2320.8±102.5kg C ha-1、1759.2±78.0kg C ha-1；不同施氮措施对土壤呼吸无显著影响。（4）2012年春玉米生长季追肥前后不同处理下土壤硝化、反硝化菌群大小的微生物测定试验结果表明，CK处理下所采土壤样品中AOB和AOA amoA基因拷贝数平均值分别为0.1×105(g SDW-1)和0.2×105(g SDW-1)，反硝化细菌nirS基因拷贝数平均值为0.5×107(g SDW-1)，均显著低于其它施氮处理；氮肥施用通过促进氨氧化细菌（AOB）、氨氧化古菌（AOA）和具有nirS基因的反硝化细菌种群数量增长，进而促进N2O排放。与其他施氮处理（FP、OPT、OPTS）相比，OPT+DCD处理下供试农田土壤中AOA和AOB amoA基因拷贝数与反硝化细菌nirS基因拷贝数均为最低，可见DCD对参与硝化和反硝化反应的微生物具有抑制作用，从而实现N2O减排。（5）利用2010和2011年实测的田间试验数据对DNDC模型的验证结果表明，DNDC模拟的不同处理下土壤呼吸季节总量、N2O排放季节总量、春玉米产量与田间观测较一致，模拟值与观测值的均方根误差（RMSE）基本控制在8%以内；且能较准确的模拟再现土壤呼吸和N2O排放动态。表明应用DNDC模型进一步评价春玉米农田固碳减排措施具有可靠性。（6）应用DNDC模型评价不同管理措施固碳减排长期效果的结果表明，在50年时间尺度上，优化施氮措施（OPT、CRF、OPT+DCD）不会显著影响作物产量（与FP相比），并可以不同程度降低N2O排放（分别减少8%、13%、12%），但这些措施下土壤有机碳增加较小。在优化施氮措施基础上采取秸秆还田，能在保障产量的同时有效增加土壤固碳，大幅减少春玉米种植系统温室气体净排放，从长期看是一项有效的固碳减排措施。

全文目录


摘要  6-8
Abstract  8-16
第一章 绪论  16-28
  1.1 研究背景与意义  16-18
    1.1.1 背景和选题依据  16-18
    1.1.2 研究目的与意义  18
  1.2 国内外研究进展  18-28
    1.2.1 农田 N_2O 产生、排放过程及其影响因素  18-20
    1.2.2 农田土壤有机碳变化及其影响因素  20-22
    1.2.3 氮肥管理措施和秸秆还田对 N_2O 排放的影响  22-23
    1.2.4 氮肥管理措施和秸秆还田对土壤呼吸和有机碳变化的影响  23
    1.2.5 农田 N_2O 产生与排放的微生物机制  23-25
    1.2.6 C、N 循环过程模拟模型及其相关应用  25-28
第二章 研究内容和方法  28-42
  2.1 研究目标  28
  2.2 技术路线图和研究方案  28-29
  2.3 研究内容  29
  2.4 研究方法  29-41
    2.4.1 田间原位试验设计  29-35
    2.4.2 微生物机理试验  35-39
    2.4.3 统计分析  39
    2.4.4 生物地球化学循环过程模型（DNDC）的验证与应用  39-41
  2.5 数据的可靠性分析  41-42
第三章 辽西地区春玉米农田 N_2O 排放与土壤呼吸特征  42-52
  3.1 春玉米农田 N_2O 季节排放特征与总量  42-44
  3.2 春玉米农田土壤呼吸特征与总量  44-48
  3.4 环境因子的影响分析  48-51
    3.4.1 土壤无机氮含量、土壤温度和湿度对 N_2O 排放的影响  48-50
    3.4.2 土壤温度和湿度对土壤呼吸的影响  50-51
  3.5 本章小结  51-52
第四章 秸秆还田和不同施氮措施的 N_2O 减排效果  52-63
  4.1 不同施氮措施的减排效果  52-59
    4.1.1 不同施氮措施下 N_2O 排放季节特征  52-54
    4.1.2 不同施氮措施下 N_2O 排放通量动态  54-57
    4.1.3 不同施氮措施对 N_2O 的影响及减排效果  57-59
  4.2 秸秆还田对 N_2O 排放的影响  59-61
  4.3 秸秆还田和不同施氮措施对春玉米产量的影响  61-62
  4.4 本章小结  62-63
第五章 秸秆还田和不同施氮措施下土壤呼吸变化  63-69
  5.1 秸秆还田和不同施氮措施下土壤呼吸变化  63-66
    5.1.1 秸秆还田和不同施氮措施下土壤呼吸季节排放特征  63-65
    5.1.2 秸秆还田和不同施氮措施下土壤呼吸强度  65-66
  5.2 秸秆还田和不同施氮措施对土壤呼吸的影响  66-68
  5.3 本章小结  68-69
第六章 秸秆还田和不同施氮措施下 N_2O 排放差异的微生物机制初探  69-76
  6.1 秸秆还田和不同施氮措施对氨氧化细菌/古菌 amoA 基因丰度的影响  69-73
  6.2 秸秆还田和不同施氮措施对反硝化菌 nirS 基因丰度的影响  73-74
  6.3 本章小结  74-76
第七章 基于 DNDC 模型的农田固碳减排机制与措施探讨  76-89
  7.1 DNDC 模型简介  76-78
  7.2 DNDC 模型在辽西地区典型春玉米农田的验证  78-83
    7.2.1 作物产量的模拟验证  78-80
    7.2.2 土壤呼吸动态的模拟验证  80-82
    7.2.3 N_2O 排放动态的模拟验证  82-83
  7.3 不同管理措施下春玉米农田温室气体排放模拟  83-87
    7.3.1 不同管理措施对 SOC 变化的影响  83-84
    7.3.2 不同管理措施对 N_2O 排放的影响  84-85
    7.3.3 不同管理措施对农田温室气体排放的综合影响  85-86
    7.3.4 不同管理措施对春玉米产量的影响  86-87
  7.4 基于模拟结果的固碳减排优化措施的评价与讨论  87-88
  7.5 本章小结  88-89
第八章 结论与展望  89-93
  8.1 主要研究结论  89-91
  8.2 主要创新点  91
  8.3 研究展望  91-93
参考文献  93-103
致谢  103-104
作者简历  104

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中图分类: > 农业科学 > 农作物 > 禾谷类作物 > 玉米（玉蜀黍）
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