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常规与有机生产方式下稻田和菜地温室气体（CH_4和N_2O）排放研究

作　者: 秦艳梅
导　师: 邹建文
学　校: 南京农业大学
专　业: 土壤学
关键词: 常规与有机生产方式稻田菜地栽培方式氮素转化过程排放系数
分类号: S153
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

气候变暖是当今全球性的环境问题,其主要原因为是由于大气中温室气体浓度的不断增加。其中,CH4和N2O是最主要的两种温室气体。农田生态系统是温室气体的重要排放源。目前国内有关农田温室气体的排放研究主要基于常规生产方式,而有关有机生产方式下农田温室气体排放的研究鲜有报道。本研究以我国华东地区稻田和菜地为研究对象,采用静态暗箱气相色谱法田间原位同步测定CH4和N20排放通量,探讨不同农业生产方式下农田温室气体排放特征和强度,这对于我国选择合理的农业生产方式、减少温室气体排放具有重要的意义。田间试验包含2007年水稻生长季和2009-2011年两年的蔬菜轮作观测周期。2007年水稻生长季,采用区组设计研究不同农业生产方式(常规和有机生产方式)和水分管理方式(持续淹水(F)、淹水-烤田-淹水(F-D-F)、淹水-烤田-淹水-湿润灌溉(F-D-F-M))对稻田CH4和N2O排放影响及评估有机生产方式对稻田温室气体的减排潜力；2009-2010年田间有机菜地试验主要研究不同栽培方式对菜地土壤N2O排放影响,同时结合室内培养试验研究不同栽培方式下土壤氮素转化过程；2010-2011年轮作周期内利用常规露天菜地试验数据研究环境因子对菜地N20和CH4排放通量的影响。综合2009-2011年常规和有机生产方式菜地试验数据,探讨不同农业生产方式下菜地CH4和N2O排放特征和强度,评估农业生产方式的转变(由常规生产方式转变为有机生产方式)对菜地温室气体减排效果及减排潜力。主要研究结果如下：1.土壤水分(水分管理方式)是稻田有无植株小区CH4和N20排放的主要驱动因子,同时温度(气温和土温)明显影响稻田有无植株小区CH4排放,而对N20排放影响不明显。露天栽培和设施栽培菜地,温度(气温和土温)和土壤水分对菜地CH4排放影响不显著。而露天和设施菜地N20排放均明显受到土壤水分影响,其N2O排放的最适宜土壤湿度(WFPS)分别为74.6%与80.1%。2.水稻生长季稻田CH4和N20排放通量与农业生产方式有关。常规生产方式下,F、F-D-F和F-D-F-M三种水分管理方式稻田,CH4季节平均排放通量分别为4.44、2.14和1.75mg m-2h-1,与有机生产方式下各水分管理方式相比,分别增加了20%、23%与25%。就N20排放通量而言,与常规稻田相比,F-D-F处理与F-D-F-M处理N20季节平均排放量较低,分别为10.85与13.66μgm-2h-1。全球增温潜势(GWP)方面：F处理明显增加了100年时间尺度上有机稻田CH4与N20排放量的综合GWP,而F-D-F-M处理CH4和N20排放量的GWP在两种农业生产方式下并没有明显的差异；与常规稻田相比,有机稻田各水分管理方式下其温室气体排放强度(GHGI)相对较高而碳效率比(CER)相对较低。结合GWP、GHGI和CER三方面,本研究结果表明有机生产方式在稻田管理中并不是有效的温室气体减排措施。3.室内培养试验结果表明设施有机菜地土壤的矿化作用、硝化作用和反硝化作用比露天有机菜地土壤强烈。而大田试验结果表明：栽培方式明显影响了菜地N2O排放,与露天栽培方式相比,设施栽培方式明显增加了菜地N20排放总量(P=0.0015)。无论施肥与否,设施栽培菜地N2O排放量均高于露天栽培菜地。有机肥的施用增加了露天和设施栽培菜地N20排放量,有机肥施用所导致的露天和设施栽培菜地N20排放系数分别为0.24%与0.20%。4.农业生产方式明显影响菜地CH4和N20排放量。在整个观测期,两种农业生产方式CH4通量明显不同,常规菜地是CH4吸收汇而有机菜地是CH4排放源。与常规露天菜地相比,常规设施菜地有较高的CH4吸收量与N2O排放量,但在有机菜地,CH4和N2O排放量在两种栽培方式下并没有明显差异。与常规生产方式相比,有机生产方式能明显降低菜地CH4和N2O排放量的GWP。无论是20年还是100年时间尺度上有机菜地CH4和N2O排放量的GWP均较常规菜地的低。与常规和有机露天栽培方式相比,设施栽培方式均增加了菜地CH4和N20排放量的GWP。5.搜集全球有关菜地N20排放数据,按一定的规则取舍数据,利用有效数据建立模型,模型拟合结果表明,菜地N2O年排放量与施氮量呈明显的线性关系,且菜地N20背景排放量较高。平均而言,露天与设施栽培菜地N20排放系数平均为为0.590%,背景排放量为2.56kg N ha-1yr-1。以此来估算我国菜地2008年年直接排放量为79.1Gg N20-N,占我国农田N20排放总量的20-23%。全文结论：农业生产方式影响稻田CH4和N2O排放。有机生产方式增加了100年时间尺度上F处理稻田CH4与N20排放量的综合GWP,而对F-D-F-M处理CH4和N20排放量的GWP没有影响；有机稻田各水分管理方式下其GHGI相对较高而CER相对较低。不同栽培方式土壤氮素的转化过程不同。设施菜地土壤的矿化、硝化作用与反硝化作用总体比露天菜地土壤强烈。农业生产方式明显影响CH4和N2O排放。整个观测期常规菜地是CH4吸收汇,而有机菜地是cH4排放源。有机生产方式降低了菜地CH4和N2O的GWP,而设施栽培方式增加了菜地CH4和N2O的GWP。菜地N2O排放总量估算。利用本研究所建模型估算我国菜地2008年N2O年直接排放量为79.1Gg N2O-N,占我国农田N20排放总量的20-23%。

全文目录

摘要  10-13
ABSTRACT  13-17
第一章绪论  17-39
  1.1 选题背景  17-18
  1.2 国内外研究动态  18-31
    1.2.1 CH_4  18-23
    1.2.2 N_2O  23-31
  1.3 常规和有机农业生产方式  31-35
    1.3.1 农业生产方式对农田土壤理化特性及温室气体排放影响  31-34
    1.3.2 改变农业生产方式是实现我国农业温室气体减排的需求  34-35
  1.4 问题的提出及研究目的和意义  35-36
    1.4.1 问题的提出  35-36
    1.4.2 研究目的和意义  36
  1.5 研究内容  36-37
    1.5.1 环境因子对稻田和菜地温室气体(CH_4和N_2O)排放影响  36
    1.5.2 常规和有机生产方式下稻CH_4和N_2O排放的原位观测  36-37
    1.5.3 露天和设施栽培有机菜地土壤氮素循环特征  37
    1.5.4 常规和有机生产方式下菜地CH_4和N_2O排放的原位观测研究  37
    1.5.5 菜地N_2O排放系数及我国菜地N_2O排放的模型估算  37
  1.6 技术路线  37-39
第二章材料与方法  39-49
  2.1 试验地点  39
  2.2 室内培养试验  39-42
    2.2.1 供试土壤  39-40
    2.2.2 土壤培养  40-41
    2.2.3 样品分析  41
    2.2.4 数据处理  41-42
  2.3 大田试验设计  42-46
    2.3.1 2007年水稻田间试验  42-43
    2.3.2 2009-2010年菜地田间试验  43-45
    2.3.3 2010-2011年菜地田间试验  45-46
  2.4 气样的采集与分析  46
  2.5 生物和环境要素记载  46-47
    2.5.1 生物要素  46-47
    2.5.2 田间管理记载  47
    2.5.3 气象要素  47
    2.5.4 土壤要素  47
  2.6 统计分析  47-49
第三章环境因子对稻田和菜地温室气体(CH_4和N_2O)排放的影响  49-57
  3.1 CH_4和N_2O季节变化特征及相互关系  49-54
  3.2 温度和土壤水分对CH_4排放的影响  54-55
  3.3 温度和土壤水分对N_2O排放的影响  55-56
  3.4 小结  56-57
第四章常规与有机生产方式下稻田CH_4和N_2O排放观测比较研究  57-65
  4.1 常规稻田CH_4和N_2O排放强度与特征  58-59
  4.2 有机稻田CH_4和N_2O排放强度与特征  59-60
  4.3 常规和有机生产方式稻田产量比较  60-61
  4.4 讨论  61-63
    4.4.1 农业生产方式对稻田CH_4与N_2O排放影响  61
    4.4.2 农业生产方式对水稻产量影响  61-62
    4.4.3 常规和有机生产稻田CH_4与N_2O综合温室效应比较  62-63
  4.5 小结  63-65
第五章露天和设施栽培菜地土壤氮素主要转化过程与N_2O排放研究  65-77
  5.1 结果与分析  66-73
    5.1.1 土壤理化性质  66
    5.1.2 土壤矿化作用  66-67
    5.1.3 土壤硝化作用  67-69
    5.1.4 土壤反硝化作用  69-71
    5.1.5 露天与设施菜地N_2O排放特征  71-73
  5.2 讨论  73-76
    5.2.1 露天和设施栽培菜地土壤理化特性  73
    5.2.2 露天和设施栽培菜地土壤氮素转化过程及影响因素  73-74
    5.2.3 露天和设施栽培菜地N_2O排放  74-76
  5.3 小结  76-77
第六章常规与有机生产方式下菜地CH_4和N_2O排放比较研究  77-87
  6.1 常规和有机生产方式下菜地CH_4排放特征及强度  78-80
  6.2 常规和有机生产方式下菜地N_2O排放特征及强度  80-81
  6.3 常规和有机生产方式下菜地CH_4和N_2O排放的综合温室效应比较  81-82
  6.4 讨论  82-85
    6.4.1 菜地CH_4和N_2O排放  82
    6.4.2 农业生产方式对CH_4和N_2O排放影响  82-85
    6.4.3 减缓菜地GWP的措施  85
  6.5 小结  85-87
第七章菜地N_2O直接排放系数及总量估算  87-99
  7.1 引言  87-88
  7.2 材料与方法  88-92
    7.2.1 数据来源  88-92
    7.2.2 统计方法  92
  7.3 菜地N_2O排放系数及背景排放  92-94
  7.4 我国菜地N_2O直接排放总量的估算  94-95
  7.5 讨论  95-97
    7.5.1 菜地N_2O排放系数及背景排放量  95-96
    7.5.2 影响菜地N_2O排放估算不确定性的因数  96-97
  7.6 小结  97-99
第八章结论与展望  99-103
  8.1 结论  99-100
  8.2 研究特色与创新点  100
    8.2.1 研究特色  100
    8.2.2 创新点  100
  8.3 展望  100-103
参考文献  103-131
在校期间发表论文情况  131-133
致谢  133

常规与有机生产方式下稻田和菜地温室气体（CH_4和N_2O）排放研究

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