中国农田土壤硝态氮累积、淋洗与径流损失及N2O排放

摘要

农田生态系统中的氮素循环与环境效应是构成全球氮素循环的重要组分，了解农田土壤硝态氮累积、淋洗、径流损失及氧化亚氮的排放，分析其影响因素，可为提高氮素管理水平和降低大气及水体污染提供理论依据。本研究通过收集1980-2011年间农田土壤硝态氮累积、淋洗、径流损失及氧化亚氮排放状况的相关研究资料，利用统计学方法分析总结我国农田土壤硝态氮累积、淋洗与径流损失现状，借助MetaAnalysis方法对中国农田N2O排放因子进行汇总，并结合IPCC2006 Tier2方法对中国农田N2O排放进行估算。本文主要研究结果如下:
　　 (1)我国农田0-100cm土层硝态氮的平均累积量为103.38 kgN/hm2，华北和江南地区的平均累积量分别为120.01和133.32 kgN/hm2，略高于全国水平;西北、东北地区硝态氮累积量为81.18和32.22 kg N/hm2，低于全国水平，其中东北地区的硝态氮累积明显低于其他三个地区，仅为全国平均累积量的31％。大田、菜地和果园不同作物体系的平均累积量分别为132，481和781 kgN/hm2;其中小麦和玉米仅为127和162 kgN/hm2，露地蔬菜和大棚蔬菜的平均累积量远高于小麦和玉米，分别达到了468和589 kgN/hm2。
　　 (2)农田系统土壤硝态氮的累积量在近十年来呈上升趋势，由2000年的216.8kgN/hm2增加到2011年的338.9 kgN/hm2，年均增长5.1％。土壤硝态氮累积量与施氮量呈线性极显著正相关，相关系数r=0.5558**;分段降雨量与土壤硝态氮累积量之间呈二次函数极显著相关，相关系数r=0.6116**，在降水量500-550mm时最大;建立了土壤硝态氮累积量随施氮量、降雨量变化的多元回归模型。
　　 (3)我国水田土壤N2O背景排放值为0.78 kgN/hm2，旱地土壤N2O背景排放值为0.76 kgN/hm2;小麦、玉米、水稻和菜田的分别为0.91、0.47、0.78和0.68 kgN/hm2，呈现小麦＞水稻＞蔬菜＞玉米的趋势。水田土壤N2O的排放因子为0.42％，旱地为0.64％;全国不同区域的N2O排放因子，以东北最高达到1.46％，其次是西南为0.92％，西北为0.77％居第三位，华南地区最小仅为0.26％;不同作物体系比较，水稻田土壤氧化亚氮的排放因子最小为0.42％，菜地的排放因子最大为0.79％。
　　 (4)自1980年到2011年中国农田N2O排放呈增长趋势，由99.3 Gg增加到220.5Gg，年平均增长3.8％:其中旱地由69.1 Gg增加剑184.86 Gg，年平均增长5.2％;水田的N2O排放量变化不大，但近年来呈增长趋势。单位面积N2O排放量最高的地区为北京，达到6.01 kgN/hm2;黑龙江地区的N2O排放量低，仅为0.86 kgN/hm2;河北省的单位面积N2O排放量为4.27 kgN/hm2，位于全国第七。水田和旱地N2O排放量（去除背景值后）与施氮量呈线性极显著正相关，相关系数分别为r=0.5538**、r=0.5096**;土壤碳氮比也会影响氧化亚氮的排放量，排放量随着碳氮比的升高而降低;利用多元回归分析方法，建立氧化亚氮排放量(Y)与N-施氮量、P-平均降水量、Q-土壤全氮、T-平均气温的模型:Y=(2.418+0.001N+0P-0.103Q+0.022T)3。
　　 (5)不同种植体系下，土壤硝态氮平均淋洗量菜地最高，其中棚室蔬菜为105.44kgN/hm2，露地蔬菜为60.59 kgN/hm2，小麦最低为38.78 kgN/hm2，玉米和水稻介于菜地和小麦之间且相差不大，分别为47.21和47.19 kgN/hm2。不同阶段施氮量与硝态氮淋洗量之间呈线性极显著正相关，相关系数r=0.9544**;土壤硝态氮淋洗量与降雨量之间之间呈二项式相关，相关系数r=0.9772**，在降水量600-800mm时达到最大。
　　 (6)全国农田系统硝态氮的径流量在10kgN/hm2以下的占94.2％，平均径流量为3.24 kgN/hm2。菜田径流量远高于大田，其中南方菜田为4.84kgN/hm2，北方为7.24kgN/hm2;南方大田为1.21 kgN/hm2，北方为1.74 kgN/hm2。南北区域的径流情况不同，北方平均径流量高于南方。硝态氮的径流量与施氮量之间呈显著指数正相关，相关系数r=0.2522**;与降雨量之间呈极显著线性正相关，相关系数为r=0.4293**。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 研究背景

1．2 国内外研究发展

1．2．1 氮肥施用与粮食生产

1．2．2 农田生态系统氮素累积

1．2．3 农田生态系统氮素损失

1．3 研究目标

1．3．1 研究目标

1．3．2 拟解决的关键性问题

1．4 研究内容与方法

1．4．1 研究内容

1．4．2 研究方法

1．5 技术路线

2 材料与方法

2．1 数据来源

2．2 数据分类方法

2．2．1 农田土壤硝态氮累积、淋洗及径流损失数据库建立

2．2．2 农田土壤氧化亚氮排放数据库建立

2．2．3 影响因素分析

2．3 统计方法

2．3．1 硝态氮数据统计

2．3．2 氧化亚氮数据统计

3 结果与分析

3．1 数据库建立

3．1．1 农田土壤硝态氮累积、淋洗及径流损失数据库的建立

3．1．2 农田土壤氧化亚氮排放数据库的建立

3．1．3 异常值取舍原则

3．2 农田土壤硝态氮累积状况

3．2．1 土壤硝态氮累积状况分析

3．2．2 农田土壤硝态氮影响因素

3．2．3 硝态氮累积量影响因素多元回归模型的建立

3．3 农田土壤氧化亚氮排放状况分析

3．3．1 农田土壤氧化亚氮背景排放分析

3．3．2 农田土壤氧化亚氮背景排放值估算

3．3．3 农田氧化亚氮排放因子估算

3．3．4 农田土壤氧化亚氮排放影响因素

3．3．5 中国农田氧化亚氮排放量重新估算

3．3．6 氧化亚氮影响因素多元回归模型的建立

3．4 农田土壤硝态氮淋洗状况分析

3．4．1 农田土壤硝态氮淋洗概况

3．4．2 不同种植体系下硝态氮淋洗量分析

3．4．3 农田土壤硝态氮淋洗影响因素

3．5 农田土壤硝态氮径流状况分析

3．5．1 农田土壤硝态氮径流量分布状况

3．5．2 农田土壤硝态氮径流损失影响因素

4 结论与讨论

4．1 主要结论

4．2 讨论

4．2．1 农田土壤氮素行为的估算方法比较

4．2．2 我国农田土壤硝态氮累积的区域与作物体系差异性

4．2．3 农田土壤氧化亚氮背景排放与排放因子重新估算

4．2．4 农田土壤硝态氮淋洗严重

4．2．5 农田土壤硝态氮径流问题

5 展望

参考文献

在读期间发表的学术论文

作者简介

致谢