气温与大气CO2浓度升高下生物质炭输入对稻田土壤CH4和N2O排放的影响

摘要

全球正在经历以气温和大气二氧化碳(CO2)浓度升高为特征的气候变暖。甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)拥有比CO2更大的增温潜势，进入21世纪以来，它们在大气中的浓度持续上升。稻田生态系统是CH4和N2O的重要人为排放源。气温和大气CO2浓度升高或将引起稻田生态系统CH4和N2O排放量增加，可能导致气候变暖加速。目前，农业废弃生物质制备生物质炭还田被认为是颇具应用前景的农田生态系统固碳减排方法。然而，在气温和大气CO2浓度持续上升的背景下，生物质炭能否有效发挥温室气体减排作用对减缓全球气候变暖具有重要意义。针对这一科学问题，本研究利用微气候系统平台模拟气温与大气CO2浓度升高(+3℃，700ppm)的条件进行水稻栽培试验，以水稻秸秆生物质炭为试材（添加量2.5％w/w），结合化学和分子生物学分析技术，揭示出气温与大气CO2浓度升高下生物质炭输入对稻田土壤CH4和N2O排放的影响及微生物学机理。研究结果可为气候变化条件下或不同纬度地区、气候地区的稻田生态系统温室气体削减控制新技术途径研发提供理论基础和参考依据。 主要研究结果如下: (1)气温与大气CO2浓度同时升高下生物质炭输入对稻田土壤CH4和N2O排放具有显著综合减控作用。采用静态箱采气法，系统考察了气温与大气CO2浓度升高条件下生物质炭输入对水稻生长期内土壤CH4和N2O排放特性的影响。在正常的气温和大气CO2浓度条件下，生物质炭输入可显著减少CH4排放峰值期累积排放量89.0％，显著增加N2O排放峰值期累积排放量173.4％，削减水稻生长期内CH4和N2O排放产生的综合增温潜势87.2％和温室气体排放强度90.8％。在气温和大气CO2浓度同时升高的条件下，生物质炭输入可以显著减少CH4排放峰值期累积排放量38.5％，对N2O排放峰值期累积排放量无显著性影响，生物质炭输入可以削减水稻生长期内CH4和N2O排放产生的综合增温潜势36.2％和温室气体排放强度48.4％。 (2)气温与大气CO2浓度同时升高下，生物质炭输入可能通过提升CH4排放峰值期水稻根际土壤氧化内源CH4的能力实现CH4减排。采用荧光定量PCR和Roche454测序技术，结合土壤理化特性分析发现，在气温与大气CO2浓度同时升高下，生物质炭输入可以显著降低CH4排放峰值期水稻根际土壤产甲烷古菌与甲烷氧化细菌的功能基因丰度比值（16S rRNA/pmoA），并可能借助在CH4排放峰值期增加土壤含水率、减少DOC含量，保证Ⅱ型甲烷氧化细菌CH4氧化速率的前提下，提高Ⅰ型甲烷氧化细菌相对丰度;在改变根际土壤甲烷氧化细菌群落结构的基础上，生物质炭输入还可能通过提高CH4排放峰值期土壤pH值和NO3--N含量对稻田土壤CH4排放进行调控。 (3)气温与大气CO2浓度同时升高下，生物质炭输入可能通过增强N2O排放峰值期水稻根际土壤氨氧化作用调节稻田土壤N2O排放。采用荧光定量PCR技术，结合土壤理化特性分析发现，在气温与大气CO2浓度同时升高下，生物质炭可能通过提高N2O排放峰值期土壤pH值和amoA基因丰度，增强土壤氨氧化作用，并通过增加土壤含水率和NO2--N含量，促进硝化途径N2O产生，从而增加稻田土壤N2O排放量。生物质炭输入对土壤pH值的提高幅度随气温与大气CO2浓度同时升高而减小，对土壤氨氧化的强化作用随之下降，生物质炭输入对稻田土壤N2O的促排作用减弱。 (4)气温与大气CO2浓度同时升高下的稻田土壤中生物质炭在短期内表现出良好的稳定性。通过元素测定、热重测试、傅里叶变换红外光谱扫描和X射线光电子能谱扫描技术分析发现，气温与大气CO2浓度同时升高下，稻田土壤中的生物质炭仍然具有明显的芳香化结构及良好的热稳定性，H/C≤0.45，O/C≤0.48。然而，在气温与大气CO2浓度升高下，生物质炭的氧化速率可能对生物质炭发挥温室气体减排能力具有潜在的影响。大气CO2浓度升高可能会通过促进水稻生长加速土壤中生物质炭的氧化，并可能由此削弱生物质炭对土壤温室气体的减排能力。

目录

声明

论文说明

致谢

摘要

1．1引言

1．2全球气候变化

1．2．1全球气候变化的现状

1．2．2大气温室气体对全球变暖的贡献

1．3稻田土壤CH4和N2O排放对气温和大气CO2浓度升高的响应

1．3．1稻田土壤CH4排放的基本过程

1．3．2稻田土壤N2O排放的基本过程

1．3．3稻田土壤CH4和N2O排放对气温和大气CO2浓度升高的响应

1．4生物质炭输入对稻田土壤CH4和N2O排放的影响

1．4．1生物质炭的基本特性

1．4．2生物质炭输入对稻田土壤CH4和N2O排放的影响

1．5研究意义、研究目标与研究内容

1．5．1研究意义

1．5．2研究目标

1．5．3研究内容

1．5．4技术路线

第二章气温与大气CO2浓度升高下生物质炭输入对水稻生长和土壤理化特性的影响

2．1引言

2．2材料与方法

2．2．1试验材料

2．2．2试验设计与样品采集

2．2．3测定指标与方法

2．2．4数据统计分析

2．3结果与讨论

2．3．1水稻叶绿素相对含量

2．3．2水稻株高

2．3．3水稻生物量

2．3．4土壤pH值和电导率

2．3．5土壤总有机碳、总氮和碳氨比

2．3．6土壤可溶性有机碳

2．3．7土壤矿质氮

2．4小结

第三章气温与大气CO2浓度升高下生物质炭输入对稻田土壤CH4排放的影响

3．1引言

3．2材料与方法

3．2．1试验材料

3．2．2试验设计与样品采集

3．2．4土壤样品微生物基因组总DNA提取

3．2．5荧光定量PCR

3．2．6Roche 454测序

3．2．7数据统计分析

3．3结果与讨论

3．3．1不同气温与大气CO2浓度水平下土壤CH4排放特性

3．3．2 CH4排放峰值期的土壤理化特性

3．3．3 CH4排放峰值期土壤甲烷代谢微生物功能基因丰度

3．3．4 CH4排放量与环境因子、甲烷代谢功能基因丰度之间的相关性分析

3．3．5 CH4排放峰值期土壤产甲烷古菌群落结构

3．3．6 CH4排放峰值期土壤甲烷氧化细菌群落结构

3．3．7甲烷代谢微生物群落结构与环境因子之间的冗余分析

3．3．8气温与大气CO2浓度升高下生物质炭输入对土壤CH4排放的影响机理

3．4小结

第四章气温与大气CO2浓度升高下生物质炭输入对稻田土壤N2O排放的影响

4．1引言

4．2材料与方法

4．2．1试验材料

4．2．2试验设计与样品采集

4．2．5荧光定量PCR

4．2．6数据统计分析

4．3结果与讨论

4．3．1不同气温与大气CO2浓度水平下土壤N2O排放特性

4．3．2 N2O排放峰值期的土壤理化特性

4．3．3 N2O排放峰值期土壤氮循环微生物功能基因丰度

4．3．4 N2O排放量与环境因子、氮循环功能基因丰度之间的相关性分析

4．3．5气温与大气CO2浓度升高下生物质炭输入对土壤N2O排放的影响机理

4．4小结

第五章气温与大气CO2浓度升高对土壤中生物质炭性态的影响

5．1引言

5．2材料与方法

5．2．1试验样品的采集

5．2．2测试指标与方法

3．2．3数据分析

5．3结果与讨论

5．3．1土壤中秸秆生物质炭的元素组成

5．3．2土壤中秸秆生物质炭的热稳定性

5．3．3土壤中秸秆生物质炭的傅里叶变换红外光谱分析

5．3．4土壤中秸秆生物质炭的X射线光电子能谱分析

5．3．5气候变化下炭性态变化对生物质炭发挥温室气体减排作用的潜在影响

5．4小结

第六章总结与展望

6．1生物质炭输入对稻田土壤CH4和N2O的综合减排作用

6．2研究结论

6．3主要创新点

6．4研究展望

参考文献

作者简历