地膜覆盖和氮肥施用对菜地生态系统CO2和CH4排放的影响

摘要

近几十年来，随着大气中温室气体浓度的逐渐升高，温室效应早已成为一个全球性的环境问题。除了化石燃料燃烧外，农业土壤中CO2、CH4和N2O的释放是人类活动所产生的温室气体的重要源，而CO2和CH4在农业温室气体排放中占主导地位。地膜覆盖在我国农业生产中有着广泛的应用，尤其在蔬菜种植过程中。目前大量研究已证实地膜覆盖具有保水、保温、保肥、抑草和增产等优势。然而，地膜覆盖对菜地生态系统CO2和CH4排放及土壤理化性质会产生如何影响？目前还缺乏相关的研究。本文选取辣椒-萝卜轮作菜地为试验对象，于2014年5月～2016年3月在农业部重庆紫色土生态环境重点野外科学观测试验站进行了为期两年的野外观测试验，设置覆膜无氮（FN0）、低氮（FN1）、中氮（FN2）、高氮（FN3）和常规（不覆膜）无氮（NN0）、低氮（NN1）、中氮（NN2）、高氮（NN3）8个处理。研究地膜覆膜和氮肥施用对菜地生态系统CO2和CH4排放和影响因素以及地膜覆盖对菜地土壤中有机碳及活性组分、水热条件等的影响，揭示地膜覆盖对温室气体排放影响机制，为我国农田CO2和CH4的减排提供理论依据。研究结果表明：
　　1.地膜覆盖对土壤水热条件及土壤碳、氮素组分的影响
　　（1）两年种植期内，覆膜和常规的土壤平均含水率分别为18.76％和17.98%，覆膜明显提高土壤含水率（P＜0.05）；覆膜明显提高土壤10、20、30 cm土层温度（P＜0.05），平均提高了0.77、0.69和1.03℃；而覆膜对土壤Eh和pH无显著影响。
　　（2）两年种植期内，覆膜和常规土壤有机碳（SOC）均值分别为22.47和20.46 g·kg-1，覆膜明显高于常规（P＜0.05）；覆膜和常规土壤可溶性有机碳（DOC）平均值分别为68.95和80.83 mg·kg-1，常规DOC明显高于覆膜（P＜0.05）；而覆膜对土壤微生物量碳（SMBC）和易氧有机碳（ROC）没有明显影响。
　　2.覆膜和氮肥对作物产量及吸氮的影响
　　（1）FN1、FN2、FN3辣椒产量分别为1.87、2.19和1.93 kg·m-2，NN0、NN1、NN2、NN3产量分别为0.94、1.80、1.79和1.97 kg·m-2，FN0、FN1、FN2、FN3萝卜产量分别为7.38、13.74、16.46和23.80 kg·m-2，NN0、NN1、NN2、NN3产量分别为6.50、12.82、15.52和17.80 kg·m-2。说明施用氮肥后提高作物产量，促进作物地上地下生物量的增长，但在夏季气候温润，湿度较大，雨量充沛的情况下，覆膜处理产量增加不明显，即覆膜能够增产并不是决定因子。
　　（2）FN0、FN1、FN2、FN3萝卜体内全氮分别为3.75、5.22、7.14和7.78 g·kg-1，NN0、NN1、NN2、NN3分别为1.97、3.88、5.17和6.50 g·kg-1；FN0、FN1、FN2、FN3叶子体内全氮分别为9.80、11.76、12.21和25.53 g·kg-1，NN0、NN1、NN2、NN3分别为5.42、8.20、9.62和10.05 g·kg-1，作物体内氮的含量随施氮量的增加而升高，同时覆膜明显高于常规处理，说明覆膜和施氮能够增强作物吸氮的作用。
　　3.覆膜对菜地土壤剖面CH4和CO2浓度的影响
　　（1）种植期内，覆膜处理地下10、20和30 cm土层CH4浓度分别为2.31、2.18和1.92 ppm（1 ppm=10-6 V/V），常规分别为2.33、2.20和1.97 ppm，覆膜和常规处理中CH4浓度随土壤深度的加深而降低，然而覆膜对各土层中CH4浓度影响不明显。
　　地表CH4浓度与覆膜和常规地下10、20和30 cm土层CH4浓度呈显著正相关（P＜0.05），地表温度、地下10和20 cm土层温度对土壤CH4浓度无影响，但覆膜和常规30 cm土层 CH4浓度与地下和地表温度呈极显著正相关（P＜0.05）。
　　（2）在两年种植期内，常规地下10、20和30 cm土层中CO2年平均浓度分别为3461.16、3985.41和6050.00 ppm，覆膜分别为3907.56、5335.37和8167.39 ppm。地下10 cm土层中，覆膜和常规CO2年平均浓度差异性不显著，而20和30 cm土层中，覆膜CO2年均浓度明显高于常规（P＜0.05），且CO2年平均浓度随深度加深而增加。
　　除了覆膜处理10 cm土层CO2浓度与地表温度不相关外，其余覆膜和常规CO2浓度与地表温度和各个土层之间温度呈显著正相关关系。
　　4.覆膜和氮肥对菜地生态系统CH4排放通量的影响
　　（1）FN0、FN1、FN2、FN3处理的CH4年平均排放通量分别为-6.92、3.12、-3.64和-2.93μg·m-2h-1，NN0、NN1、NN2、NN3处理的年平均值分别为-11.71、-10.03、-0.931和-6.23μg·m-2h-1，FN1明显高于FN0和NN1的CH4排放通量（P＜0.05），而NN0和NN1明显低于NN2的CH4排放通量（P＜0.05），表明覆膜和氮肥促进了CH4的排放或是减少CH4的吸收。
　　（2）覆膜和常规CH4排放通量与土壤含水率、地下5 cm温度、Eh和pH相关性不显著。而覆膜和氮肥促进土壤NH4+-N积累，NH4+会抑制 CH4的氧化，从而促进CH4的排放或是减少CH4的吸收。
　　5.覆膜对菜地土壤呼吸速率的影响
　　（1）2015年3月至2016年3月，NN2和FN2土壤呼吸速率平均值分别为293.04和226.27 mg·m-2h-1；种植前对不同处理连续采样三天，FN0、FN1、FN2、FN3的平均土壤呼吸速率分别为147.02、259.21、225.92和211.79 mg·m-2h-1，NN0、NN1、NN2、NN3的平均值分别为219.14、378.65、393.29和345.20 mg·m-2h-1（指三个种植季的平均值）。表明覆膜明显降低土壤呼吸速率，同时氮肥能够促进土壤呼吸速率，但施用氮肥量过多反而会抑制土壤呼吸速率。
　　（2）地下5cm温度、含水率、SOC和 DOC均会影响土壤呼吸速率，pH、MBC、ROC与土壤呼吸速率相关性不明显。覆膜和常规呼吸速率对温度变化敏感指标Q10分别为1.62和1.75，覆膜后会降低土壤呼吸速率对温度的敏感性。
　　6.覆膜和氮肥对菜地生态系统呼吸速率及CO2净交换通量
　　（1）FN1、FN2明显低于NN1、NN2（P＜0.05），FN0明显低于FN1、FN2、FN3的生态呼吸量（P＜0.05），NN0明显低于NN1、NN2、NN3（P＜0.05），即覆膜能够降低生态呼吸速率，施用氮肥会促进生态呼吸速率。覆膜后明显降低对地下5cm温度和地表温度的敏感性；地下5cm温度对生态系统呼吸敏感性比地表温度和大气温度敏感。
　　（2）FN3显著高于NN3的CO2净交换通量（P＜0.05），其余差异性不显著，即覆膜能够增大CO2净交换通量,发现覆膜和常规都表现为随氮肥水平增加，CO2净交换通量也增大，但超过一定量会抑制CO2净交换通量。

目录

声明

第一章 绪论

1.1背景

1.2地膜覆盖技术

1.3农田CH4排放研究

1.4农田CO2排放研究概况

1.5 引言

第二章 试验材料与方法

2.1试验区概况

2.2试验设计和材料

2.3气样品采集与测定

2.4土壤样品采集与分析

2.5数据分析

第三章 覆膜对土壤理化性质和作物产量的影响

3.1覆膜对土壤理化性质的影响

3.2覆膜对土壤碳氮的影响

3.3覆膜和氮肥施用对作物产量及吸氮的影响

第四章 覆膜对CH4和CO2排放的季节变化特征的影响

4.1覆膜对菜地土壤剖面CH4和CO2浓度的影响

4.2覆膜和氮肥对菜地土壤CH4排放通量的影响

4.3覆膜和氮肥对菜地土壤呼吸速率的影响

4.4覆膜和氮肥对菜地生态系统呼吸速率及CO2净交换通量的影响

第五章 结论及展望

5.1结论

5.2 展望

参考文献

发表论文

致谢