寒地黑土稻田水肥管理与温室气体排放关系研究

摘要

气候变暖是当今人们普遍关注的全球性环境问题，稻田作为大气重要温室气体CH4和N2O的主要排放源而受到各国学者的重视，如何寻求有效的稻田温室气体减排措施，同时保证水稻增产稳产，以及较为准确的估算稻田温室气体的排放量是关乎农业可持续发展的重要课题。
　　本研究以寒地黑土稻田为研究对象，采用大田试验与盆栽试验相结合、模型模拟和理论分析等方法对寒地黑土稻田CH4和N2O进行研究与估算。大田试验设置控制灌溉和常规淹灌两个水分处理，四个施肥处理分别为减氮磷钾处理Ⅱ、减氮磷钾处理Ⅰ、平衡施肥处理和增氮磷钾处理，对稻田CH4和N2O季节排放规律其相关因素进行对比分析，评估不同水肥模式的温室效应和温室气体排放强度，提出寒地黑土稻田温室气体减排的优化水肥模式。在大田试验基础上，盆栽试验采用饱和最优试验设计，建立控制灌溉条件下稻田CH4和N2O季节排放量与氮、磷、钾肥以及灌水量（控制灌溉分蘖末期土壤相对含水率下限）的关系模型，分析各水肥因子对控制灌溉条件下稻田CH4和N2O排放的影响，并优化稳产下的稻田CH4和N2O综合减排的最佳水肥施配方案。采用田间实测数据验证反硝化与降解模型（Denitrification-Decompo sition model，DNDC模型）模拟的有效性，以黑龙江省庆安县为例，利用DNDC模型模拟县域稻田CH4和N2O的排放总量，并通过敏感性分析研究众多影响因子对稻田CH4和N2O排放的贡献，提出了合理可行的减排措施。主要研究结论如下:
　　(1)在水稻全生育期内，控灌不同施肥处理稻田CH4的季节排放量1.446～3.217g·m-2，与淹灌相应不同施肥处理相比季节排放量减小幅度达49.9％～61.2％。两种不同灌溉模式下，CH4季节排放量均表现为增氮磷钾处理最大，减氮磷钾Ⅱ处理＜减氮磷钾Ⅰ处理，平衡施肥处理最小。控溉稻田CH4呈现单峰型季节变化，排放高峰主要集中在分蘖前期和分蘖中期，分蘖期的两个排放高峰分别较淹水灌溉有所提前。淹溉稻田CH4排放亦呈现单峰型季节变化，排放高峰主要集中在分蘖中期和分蘖末期。
　　(2)在水稻全生育期内，控灌不同施肥处理稻田N2O的季节排放量43.04～72.37mg·m-2，与淹灌相应不同施肥处理相比季节排放量增加幅度达4.70％～9.02％。控灌和淹灌模式下，N2O季节排放量均表现为随着施肥量的增加而增大。控灌稻田N2O呈现多峰型季节变化，排放高峰主要集中在分蘖前期和分蘖末期，在抽开期和乳熟期各有一个小的峰值，其他生育期排放量较低。淹灌稻田N2O排放亦呈现多峰型季节变化，但排放高峰主要集中在分蘖末期，黄熟期出现另一小高峰，其他生育期排放量极小。
　　(3) CH4和N2O的季节排放规律主要受灌水模式控制，施肥量的大小决定了稻田CH4和N2O排放峰值的变动和幅度。不同水肥处理下CH4均是稻田的主要温室气体，当地的温室气体减排措施应该以CH4为主。综合考虑水稻的产量、综合温室效应和温室气体排放强度三个指标，控制灌溉为温室气体减排的理想灌溉模式，并且控灌模式下的平衡施肥处理的产量最高，综合温室效应和温室气体排放强度最低，因而控灌平衡施肥处理可作为寒地黑土稻田温室气体减排较为理想的水肥管理模式。
　　(4)控制灌溉条件下，氮、磷、钾肥以及灌水量（控制灌溉分蘖末期土壤相对含水率下限值）对稻田CH4和N2O季节排放量均有不同程度的影响。氮肥对CH4季节排放量有明显的抑制作用，但存在着一个最低点，过量的氮肥反而会使CH4季节排放量增加，氮肥对N2O季节排放量作用效果整体上表现为明显的促进作用，高水平时更为显著;钾肥和磷肥对CH4和N2O季节排放量的影响均不明显，钾肥对CH4和N2O季节排放量均表现为低水平抑制，高水平促进;磷肥对CH4季节排放量表现为低水平抑制，高水平促进，对N2O表现为促进作用。灌水量中等水平时对CH4季节排放有很好的抑制作用，但同时对N2O表现为明显的促进。
　　(5)结合稻田CH4和N2O互为消长的排放特点，通过对稻田CH4和N2O季节排放量与水肥关系模型寻优，获得在保证产量的同时，实现稻田CH4季节排放量减少40％～60％，同时稻田N2O季节排放量增加幅度不超过10％的综合水肥优化施配方案为:N97.21～105.75kg/hm2，K2O36.93～63.57 kg/hm2，P2O533.11～39.83 kg/hm2，W（控制灌溉分蘖末期土壤相对含水率下限值）69.07％～70.93％。
　　(6)通过对稻田CH4和N2O观测结果与模拟结果进行对比验证，表明DNDC模型用于寒地黑土稻田CH4和N2O的模拟与估算是可行的。进而模拟估算庆安县稻田CH4和N2O排放总量分别为2.74×106kgC和3.16×104kgN。模型进一步模拟了传统模式和优化模式下庆安县稻田CH4和N2O季节排放量，优化模式下全县稻田CH4季节排放量较传统模式减少了55.93％， N2O季节排放量较传统模式增加24.81％。综合DNDC模拟与稻田CH4和N2O的敏感性因子分析结果，提出如下操作可行的寒地黑土稻田温室气体减排措施:稻田实行节水灌溉，重点控制CH4排放，同时进行合理施肥来兼顾N2O的排放，使稻田CH4和N2O产生的综合温室效应减少，减轻对环境的污染;在减排操作中应尽量控制秸秆还田比例或选择合理的秸秆还田方式。
　　综上所述，控制灌溉模式下的优化水肥方案，在保证产量和节约用水的同时，显著降低了稻田CH4和N2O的综合温室效益，可作为稻田温室气体较为理想的减排方法。利用生态模型与传统观测相结合的方法实现不同水肥模式下CH4和N2O的模拟，对于面积迅速增加的寒地黑土稻田进行温室气体的区域估算将是有效方法。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 研究背景与意义

1．2 农田CH4和N2O的温室效应及其汇与源

1．2．1 农田CH4的温室效应及其汇与源

1．2．2 农田N2O的温室效应及其汇与源

1．3 国内外研究进展

1．3．1 稻田CH4排放研究进展

1．3．2 稻田N2O排放研究进展

1．4 主要研究内容与技术路线

1．4．1 研究内容

1．4．2 技术路线

2 试验材料与方法

2．1 试验区概况

2．1．1 黑龙江省水稻灌溉试验中心站

2．1．2 东北农业大学园艺试验站

2．2 试验处理与布置

2．2．1 大田试验设计

2．2．2 盆栽试验设计

2．3 采样装置及设计

2．3．1 大田采样装置及设计

2．3．2 盆栽采样装置及设计

2．3．3 气样采集

2．4 室内化验与分析

2．4．1 色谱条件设置

2．4．2 气体浓度检测

2．5 气体通量的计算

2．6 数据统计与分析方法

2．7 DNDC模型介绍

2．7．1 模型总体结构

2．7．2 模型模拟

2．7．3 模型验证

3 不同水肥管理下稻田CH4和N2O排放规律

3．1 不同水肥管理下稻田CH4排放规律

3．1．1 稻田CH4排放通量的季节变化规律

3．1．2 稻田CH4季节排放量估算

3．1．3 稻田CH4季节平均排放率

3．2 不同水肥管理下稻田N2O排放规律

3．2．1 稻田N2O排放通量的季节变化规律

3．2．2 稻田N2O季节排放量估算

3．2．3 稻田N2O季节平均排放率

3．3 水肥耦合对稻田产量及温室效应的影响

3．4 讨论

3．4．1 灌溉模式对黑土稻田CH4和N2O排放的影响

3．4．2 氮磷钾施肥量对黑土稻田CH4和N2O排放的影响

3．4．3 水肥交互作用对黑土稻田CH4和N2O排放的影响

3．5 小结

4 寒地黑土稻田CH4和N2O控排的水肥优化方案研究

4．1 水肥耦合对稻田CH4生长季排放量的影响效应

4．1．1 稻田CH4的生长季排放量效应函数

4．1．2 单因子效应分析

4．1．3 因子互作效应分析

4．2 水肥耦合对稻田N2O生长季排放量的影响效应

4．2．1 稻田N2O的生长季排放量效应函数

4．2．2 单因子效应分析

4．2．3 因子互作效应分析

4．3 稻田稳产的CH4和N2O减排水肥配施方案寻优

4．4 讨论

4．5 小结

5 基于DNDC模型的寒地黑土稻田CH4和N2O区域模拟研究

5．1 研究区概况

5．2 DNDC模型参数设置

5．3 DNDC模型点位验证

5．3．1 稻田CH4排放的模拟

5．3．2 稻田N2O排放的模拟

5．4 研究区DNDC模拟与结果分析

5．4．1 稻田CH4和N2O排放的县域模拟

5．4．2 研究区不同水肥管理模式下的稻田CH4和N2O排放模拟分析

5．4．3 敏感因子分析

5．5 讨论

5．6 小结

6 结论及展望

6．1 主要结论

6．2 研究特色与创新点

6．3 展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文