大气二氧化碳浓度和气温升高下生物质炭输入对稻田土壤中甲烷排放的影响研究

摘要

稻田是我国典型的农业生态系统，也是温室气体CH4的重要排放源。大量研究表明，大气CO2浓度和气温升高将会显著影响稻田生态系统温室气体CH4的排放。作为环境友好型新材料，诸多研究指出生物质炭输入在正常CO2浓度和气温条件下可以显著削减稻田土壤CH4排放量。然而，在未来大气CO2浓度和气温升高条件下，生物质炭输入是否依然能够发挥其对稻田土壤CH4排放的高效减排作用对人类应对气候变化具有重要现实意义。本研究首次将大气CO2浓度和气温升高与生物质炭固碳减排作用两大国际热点相结合，通过微气候模拟系统平台，以水稻秸秆生物质炭为试材，分析大气CO2浓度和气温升高条件下（CO2:700ppm;温度:+3℃）生物质炭输入对稻田土壤CH4排放和水稻生长的影响;同时，借助q-PCR等技术，揭示大气CO2浓度和气温升高条件下稻田土壤产甲烷菌与甲烷氧化菌丰度对生物质炭添加的响应机制。主要研究结果如下：
　　(1)以水稻秸秆生物质炭为试材，通过微气候模拟系统平台，探究了大气CO2浓度和气温升高条件下生物质炭输入对稻田土壤CH4排放特征的影响。结果表明，单独升高温度或CO2以及两者同时升高对稻田土壤CH4排放的影响有所不同。单独升高温度或CO2浓度均会显著抑制稻田土壤CH4累积排放量，削减量分别为70.9％和54.4％，而同时升高温度和CO2浓度对CH4累积排放量无显著性影响。与此同时，与多数研究相类似，生物质炭添加可以在正常大气CO2浓度和气温条件下显著削减97.2％的稻田土壤CH4排放量。然而，值得高度关注的是，在大气CO2浓度和气温升高条件下水稻秸秆炭化还田依然可以显著降低稻田土壤CH4累积排放量，削减量高达39.5％。
　　(2)通过测定水稻生长、土壤理化性质以及微生物学特性，分析了大气CO2浓度和气温升高条件下生物质炭输入对稻田土壤产甲烷和甲烷氧化作用的影响机制。研究发现，单独升高温度抑制了水稻生长和大部分嗜中温产甲烷菌的活性，导致土壤产甲烷活性降低和通过水稻植株向大气传输的CH4减少。单独升高CO2浓度促进水稻生长，有利于大气O2向根系传输，提高土壤甲烷氧化菌pmoA基因丰度，降低土壤产甲烷活性，从而削减稻田土壤CH4排放量。相关性分析表明，大气CO2浓度和气温升高条件下生物质炭输入可能通过改善土壤环境，显著抑制稻田土壤产甲烷活性，大幅度提高稻田土壤甲烷氧化活性以及甲烷氧化菌功能基因pmoA的丰度，从而导致稻田土壤CH4累积排放量的显著降低。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 全球气候变暖与稻田土壤CH4排放

1．2．1 全球气候变暖趋势

1．2．2 稻田生态系统CH4排放

1．2．3 秸秆还田和过量施肥对稻田土壤CH4排放的影响

1．2．4 大气CO2浓度和气温升高对稻田土壤CH4排放的影响

1．3 生物质炭对水稻生长和CH4排放影响的研究进展

1．3．1 生物质炭基本特性

1．3．2 生物质炭对土壤理化性质和水稻生长的影响

1．3．3 生物质炭对稻田土壤CH4排放的影响

1．4 论文的研究意义、研究目标和研究内容

1．4．1 研究意义

1．4．2 研究目标

1．4．3 研究内容

第二章 大气CO2浓度和气温升高下生物质炭输入对稻田土壤CH4排放特性和理化性质的影响

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

2．2．3 样品采集

2．2．4 测定指标与方法

2．2．5 数据分析

2．3 结果与讨论

2．3．1 大气CO2浓度和气温升高下生物质炭输入对稻田土壤CH4排放的影响

2．3．2 大气CO2浓度和气温升高下水稻生长状况的变化对稻田土壤CH4排放的影响

2．3．3 大气CO2浓度和气温升高下生物质炭输入对稻田土壤TOC和TN的影响

2．3．4 大气CO2浓度和气温升高下生物质炭输入对稻田土壤含水率的影响

2．3．5 大气CO2浓度和气温升高下生物质炭输入对稻田土壤pH的影响

2．3．6 大气CO2浓度和气温升高下生物质炭输入对稻田土壤EC的影响

2．3．7 大气CO2浓度和气温升高下生物质炭输入对稻田土壤DOC和MBC的影响

2．3．8 大气CO2浓度和气温升高与生物质炭输入条件下CH4排放特性与土壤理化性质之间的相关性分析

2．4 本章小结

第三章 大气CO2浓度和气温升高下生物质炭输入对稻田土壤CH4排放影响的微生物学机理

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．2．1 试验材料

3．2．2 测定指标与方法

3．2．3 数据分析

3．3 结果与讨论

3．3．1 大气CO2浓度和气温升高下生物质炭输入对稻田土壤产甲烷活性的影响

3．3．2 大气CO2浓度和气温升高下生物质炭输入对稻田土壤甲烷氧化活性的影响

3．3．3 大气CO2浓度和气温升高下生物质炭输入对稻田土壤产甲烷菌丰度的影响

3．3．4 大气CO2浓度和气温升高下生物质炭输入对稻田土壤甲烷氧化菌丰度的影响

3．3．5 大气CO2浓度和气温升高下生物质炭输入对稻田土壤CH4排放影响的机理分析

3．4 本章小结

第四章 结论与展望

4．1 研究结论

4．2 研究创新点

4．3 研究展望

参考文献

攻读硕士期间发表的文章、专利及奖励