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不同耕作方式下紫色水稻土农田生态系统CO_2和N_2O的排放研究

作　者: 张军科
导　师: 江长胜；王定勇
学　校: 西南大学
专　业: 环境科学
关键词: 免耕 CO2 N2O 紫色土
分类号: S511
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

气候变暖是当今全球性的环境问题,其主要原因之一是由于大气中温室气体浓度的不断增加,其中CO2和N2O被认为是两种非常重要的温室气体,两者对全球变暖的贡献分别为65%和5%。虽然N2O的贡献较低,但其单分子增温潜势却是二氧化碳的296倍,且在大气中的停留时间长达120-150年；同时,N2O在平流层中的光解产物还能影响到O3的光化学过程,对全球环境和气候有着双重危害作用,而且这种影响越来越明显。农业生产活动对这两种温室气体在大气中的含量有着重要影响。其中,耕作方式是农业生产的重要部分,不同耕作方式对农田生态系统中温室气体的产生与排放有着较大差异。相对于传统耕作,免耕具有优化土壤结构、增加土壤水分、减少土壤侵蚀、降低耕作成本和提高水分利用效率等优点,然而,这种耕作方式对农业生产中CO2和N2O排放的影响还没有明确的结论。本研究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于1989年设立的长期免耕试验田为研究对象,利用静态箱-气相色谱法研究冬水田平作(DP)、水旱轮作(SH)、厢作免耕(XM)和垄作免耕(LM)等不同耕作制度下紫色水稻土种植系统中生态系统总呼吸和N2O的排放进行了研究；对油菜季SH、XM和LM三种耕作方式农田NEE动态进行了考察,并分析了温度和水分两种主要的环境因子对生态系统总呼吸和N2O排放通量的影响。结果表明：(1)在油菜季,没有种植作物的DP处理中,农田生态系统总呼吸始终维持在一个较低水平,且变化不大；而其他三种处理中,油菜季的生态系统总呼吸速率变化总趋势为先升高后降低,随着油菜植株的生长和温度的回升以及其他有利于生态系统呼吸因素的加强,生态系势,排放量顺序都为花期>角果成熟期>苗期>苔蕾期。在水稻季的苗期和分蘖期,由于水稻植株较小且温度相对较低,各耕作方式下生态系统总呼吸速率呈现出较小范围的升高；进入拔节期后,随着水稻的快速生长,农田中生态系统总呼吸速率也呈急剧增长,并在花期达到较大的排放量,各处理的最大呼吸速率分别为LM(2212.1±157.8)>XM(1909.9±402.2)>SH(1899.8±390.2)>DP(1760.7±62.8 mg CO2·m-2·h-1)。随着水稻的成熟和植株的衰老,生态系统总呼吸速率又呈下降趋势。在整个水稻季,各处理的CO2排放量整体上没有显著差异(p>0.05)。在水稻的不同生长阶段,生态系统总呼吸量为灌浆完熟期>抽穗扬花期>分蘖期>拔节期>返青期。(2)对油菜季NEE季节变化动态研究表明,只有在苗期前期和油菜生长的最后阶段表现出净的碳排放,而在大多数时期,油菜-土壤系统表现为净的碳固定。整个油菜生长季,各耕作方式下碳的固定为LM(1.29±0.05)>XM(1.27±0.02)>SH(1.26±0.03 t C·hm-2),免耕方式的应用对油菜-土壤系统的固碳能力有着一定的提高。(3)在DP处理中,全年的N2O的排放主要集中在水稻生长季,虽然水稻期的时间只占总采样期的27.35%,但其总排放量占年总排放量的54.47%。在油菜生长期内,三种种植作物的处理在不同时期分别表现为对N2O的吸收和排放,呈上下波动,但总体上表现为N2O的排放。通过单因素方差分析,各处理在整个油菜季的排放通量没有明显差异(p>0.05)。油菜的不同生长阶段的N2O排放量呈“V”型,主要的排放集中在苗期和角果成熟期。在水稻阶段,各处理N2O的排放通量的波动明显加强,XM处理对N2O的减排作用已经有了明显的体现,在整个研究阶段各处理的N2O累积排放量为DP(3.81±1.64)>LM(3.73±1.43)>SH(2.58±2.31)>XM(1.17±1.72 kg N2O·hm-2)。(4)通过对全年不同耕作方式下农田中生态系统总呼吸和N2O排放量的计算可以得出,免耕方式的应用加速了生态系统总呼吸,各处理全年总呼吸量为XM(48.17±6.36)>LM(44.46±4.16)>SH(38.78±4.68)>DP(31.63±2.78 t CO2·hm-2)；而XM处理对其中N2O的排放有着较强的抑制作用,各处理N2O的年排放量为SH(10.72±3.94)>LM(10.01±2.28)>DP(7.06±0.70)>XM(6.60±2.63 kg N2O·hm-2)。(5)温度是影响生态系统呼吸的重要因素(p<0.05),而对N2O的排放没有较显著的影响(只有极个别的温度与N2O的排放达到显著),同时油菜季的WFPS(土壤充水孔隙度,water-filled porespace,简称WFPS)和水稻季的水深对生态系统呼吸和N2O的排放也有着一定影响；各种影响因子对两种温室气体排放的影响不是独立作用的,而是共同作用的结果,因此,只有将各种影响因素同时考虑,才能更好地解释农田中两种温室气体的变化。

全文目录

摘要  8-10
Abstract  10-13
第1章文献综述  13-27
  1.1 国内外免耕的发展及应用现状  13-14
    1.1.1 免耕概述  13
    1.1.2 国外免耕的发展及应用现状  13-14
    1.1.3 国内免耕的发展及应用现状  14
  1.2 免耕的优越性  14-16
    1.2.1 保持水土,减少养分流失  14-15
    1.2.2 稳定土壤结构,提高土壤肥力  15
    1.2.3 利用生物代耕,减能耗,增效益  15
    1.2.4 增产增收作用  15-16
  1.3 免耕对土壤特性的影响研究  16-18
    1.3.1 免耕对土壤物理性状的影响  16-17
    1.3.2 免耕对土壤化学特性的影响  17-18
  1.4 当前国内外对农田免耕方式下CO_2和N_2O排放研究进展  18-24
    1.4.1 农田中CO_2的源及影响因素  19-21
    1.4.2 农田中N_2O的源及影响因素  21-24
  1.5 陆地生态系统温室气体通量测定方法  24-27
    1.5.1 箱法  24-25
    1.5.2 微气象学方法  25-26
    1.5.3 箱法与涡度相关法比较  26-27
第2章引言  27-29
  2.1 选题背景及意义  27
  2.2 研究特色  27
  2.3 拟解决的科学问题  27-29
第3章材料与方法  29-35
  3.1 试验地位置与基本性质  29
  3.2 耕作制度试验处理  29-30
  3.3 观测与分析方法  30-33
    3.3.1 采样方法  30-32
    3.3.2 生态系统总呼吸、N_2O通量和R_H观测  32
    3.3.3 生态系统净交换(Net Ecosystems Exchange,NEE)  32-33
  3.4 研究方法  33-35
    3.4.1 土壤和植物碳观测  33-34
    3.4.2 土壤水分指标的测定  34-35
第4章研究结果与分析  35-53
  4.1 不同耕作方式下生态系统总呼吸  35-43
    4.1.1 不同耕作方式下,油菜季生态系统总呼吸  35-36
    4.1.2 不同油菜生长阶段各耕作方式下的生态系统总呼吸量  36-37
    4.1.3 不同耕作方式下,水稻季生态系统总呼吸  37-39
    4.1.4 不同水稻生长阶段各耕作方式下的生态系统总呼吸量  39-40
    4.1.5 环境因子对生态系统总呼吸的影响  40-41
    4.1.6 不同耕作方式下油菜季NEE的估算  41-43
  4.2 不同耕作方式下N_2O排放通量  43-49
    4.2.1 DP处理的N_2O排放  43-44
    4.2.2 不同耕作方式下,油菜季N_2O的排放研究  44-46
    4.2.3 不同油菜生长阶段各耕作方式下N_2O排放量  46
    4.2.4 不同耕作方式下,水稻季N_2O的排放研究  46-48
    4.2.5 不同水稻生长阶段各耕作方式下N_2O排放量  48
    4.2.6 环境因子对N_2O排放通量的影响  48-49
  4.3 稻-油轮作农田年生态系统总呼吸量和N_2O排放量  49-53
第5章主要结论与建议  53-55
  5.1 不同耕作方式下农田中生态系统总呼吸变化  53
  5.2 不同耕作方式下农田中N_2O排放通量变化  53-54
  5.3 不同耕作处理全年CO_2和N_2O排放量  54
  5.4 环境因子对农田中CO_2和N_2O排放量的影响  54
  5.5 建议  54-55
参考文献  55-65
致谢  65-67
在读期间发表论文  67-68

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